(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｕ方向に動作する第１のアクチュエータと、
前記ｕ方向に直交するｖ方向に動作する第２のアクチュエータと、
前記ｕ方向および前記ｖ方向に直交するｗ方向に動作する第３のアクチュエータと、
前記ｕ方向、前記ｖ方向、および前記ｗ方向の３軸方向の交点に配置した工具ホルダーと、
前記工具ホルダーに設置された工具と、
前記第１、第２、および第３のアクチュエータそれぞれの変位をそれぞれ測定し、その測定した変位を示す変位信号を帰還する３つのセンサと、が設けられた３軸工具ユニットと、
前記第１、第２、および第３のアクチュエータそれぞれに対する指令値を生成する演算部と、
前記ｕ方向、前記ｖ方向および前記ｗ方向のそれぞれの方向から傾き且つ直交する３軸方向に前記３軸工具ユニットと被削材とを相対的に移動させる可動軸と、
を備え、前記演算部が生成する各指令値と前記３つのセンサそれぞれが帰還した各変位信号とを基に前記第１、第２、および第３のアクチュエータそれぞれの動作をフィードバック制御し、
前記第１、第２、および第３のアクチュエータにより前記工具を振動させて、被削材を振動切削する
ことを特徴とする切削加工装置。
【請求項２】
前記演算部が、前記可動軸の偏差による前記工具の刃先の所定位置からの位置ずれが補償されるように前記第１、第２、および第３のアクチュエータそれぞれに対する指令値を生成することを特徴とする請求項１記載の切削加工装置。
【請求項３】
前記振動切削は楕円振動切削であることを特徴とする請求項１もしくは２のいずれかに記載の切削加工装置。
【請求項４】
前記３つのセンサはそれぞれ前記工具ホルダーの端面の変位を測定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の切削加工装置。
【請求項５】
前記振動切削の制御に使用される周波数が、前記フィードバック制御に使用される周波数よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の切削加工装置。
【請求項６】
同期制御されつつ、前記第１、第２、および第３のアクチュエータの各々を独立して振動させるための波形をそれぞれ発生する３つの任意波形発生器と、
前記演算部と前記第１、第２、および第３のアクチュエータとの間に配置され、前記３つの任意波形発生器がそれぞれ発生させる波形がそれぞれ入力される３つの任意波形入力器と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の切削加工装置。
【請求項７】
前記第１、第２、および第３のアクチュエータをそれぞれ駆動する３つ増幅器を備え、前記３つの任意波形入力器が前記３つの増幅器の前段に配置されることを特徴とする請求項６記載の切削加工装置。
【請求項８】
前記３つのセンサにより変位信号が帰還される各帰還系にそれぞれ配置された３つのノッチフィルターを備えることを特徴とする請求項６もしくは７のいずれかに記載の切削加工装置。
【請求項９】
前記演算部が、前記第１、第２、および第３のアクチュエータの各々を独立して振動させるための各波形値を生成し、その生成した各波形値を前記各指令値に加算することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の切削加工装置。
【請求項１０】
可動軸により３軸工具ユニットと被削材とを相対的に移動させ、前記３軸工具ユニットに設けられ且つ前記３軸工具ユニットの直交する３軸方向へ動作する３つのアクチュエータにより工具を動作させて、被削材を加工する方法において、
前記可動軸により、前記３軸工具ユニットと前記被削材とを、前記３軸工具ユニットの３軸方向のそれぞれの方向から傾き且つ直交する３軸方向に相対的に移動させ、前記３つのアクチュエータにより、前記被削材が振動切削されるように前記工具を振動させつつ、前記工具の刃先の位置をフィードバック制御することを特徴とする加工方法。
【請求項１１】
前記被削材に前記工具を進入させた後、前記被削材から前記工具を退出させて前記被削材に止まり溝を形成することを特徴とする請求項１０記載の加工方法。
【請求項１２】
前記被削材への前記工具の進入角度が９０度より小さく、前記被削材からの前記工具の退出角度が９０度よりも大きいことを特徴とする請求項１１記載の加工方法。
【請求項１３】
請求項１１もしくは１２のいずれかに記載の加工方法によって止まり溝が形成された金型であって、振動切削による凹凸が前記止まり溝の表面に形成されていることを特徴とする金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具を３軸方向に独立して微小動作させることのできる切削加工装置、加工方法、およびその加工方法で加工した金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高速工具サーボ（Ｆａｓｔ  Ｔｏｏｌ  Ｓｅｒｖｏ）と呼ばれる技術が知られている。高速工具サーボは、加工機のテーブル（可動軸）の応答周波数の何倍もの高い周波数で、工具を支持するアクチュエータを高速駆動する技術であり、アクチュエータを数百ヘルツのオーダで駆動する。アクチュエータには、高速動作可能な圧電素子や磁歪素子、ボイスコイル等を用いる。加工機の重いテーブルを高速に動作させることは困難であるが、高速動作可能なアクチュエータにより工具のみを高速に微小変位させることは比較的容易である（例えば、特許文献１、特許文献２および非特許文献１を参照。）。
【０００３】
図１８は高速工具サーボを実現する切削加工装置の一般的な構成図、図１９はその切削加工装置の一般的な制御ブロック図である。図１８に示すように、アクチュエータ１０１、アクチュエータ１０２、およびアクチュエータ１０３の動作方向（軸方向）は互いに直交しており、その３軸方向の交点に、工具１０５が取り付けられた工具ホルダー１０４が配置されている。変位センサ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃはそれぞれ、工具ホルダー１０４に取り付けられたセンサーターゲット１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃの変位を測定し、その測定した変位を示す変位センサ信号を生成する。これらの変位センサ信号は、アクチュエータ１０１、１０２、１０３の並進方向の変位を表す。
【０００４】
３軸のアクチュエータ１０１、１０２、１０３の駆動すなわち変位は、図１９に示すコントローラ１１１により制御される。図１９に示すように、コントローラ１１１には、図示しない超精密加工機からの位置情報（Ｘ軸座標、Ｙ軸座標、Ｚ軸座標、Ｂ軸座標）が入力される。この加工機側からの位置情報に基づいて、コントローラ１１１に設けられたリアルタイム目標値演算部１１２が、３軸のアクチュエータ１０１、１０２、１０３それぞれの目標変位量（指令値）を算出し、それらの指令値に応じて、アクチュエータ駆動用のアンプ１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃがアクチュエータ１０１、１０２、１０３を駆動する。アクチュエータ１０１、１０２、１０３それぞれに対して設置された変位センサ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃからの変位センサ信号は３軸の各帰還系に入力されており、３軸のアクチュエータ１０１、１０２、１０３の駆動すなわち変位はフィードバック制御される。
【０００５】
このように構成された切削加工装置の動作について説明する。加工時には、超精密加工機のＮＣデータに基づいて超精密加工機の可動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸）が動作しつつ、超精密加工機側からの位置情報を基に生成される指令値に応じて工具１０５が微小動作して、その工具１０５の刃先が、Ｂ軸を中心に回転する被削材１０８に接触することにより、被削材１０８の加工が進む。
【０００６】
高速工具サーボを実現する切削加工装置によれば、工具刃先を高速に微小変位させることが可能となり、非軸対称非球面（自由曲面）を、あたかも旋盤で加工するかのごとく加工することが可能となる。したがって、非軸対称非球面（自由曲面）の加工時間を大幅に短縮することが可能となる。
【０００７】
しかしながら、高速工具サーボを実現する一般的な切削加工装置では、回転軸（Ｂ軸）の位置座標（Ｂ軸座標）とＸ軸またはＹ軸の位置座標（Ｘ軸座標またはＹ軸座標）に同期して切削加工が行われるため、通常の旋盤加工と同じように大きな加工抵抗が生じる。大きな加工抵抗が生じると、工具を支持するアクチュエータに弾性変形が生じる。アクチュエータの弾性変形は加工形状に誤差が生じる原因となるため、高速工具サーボを実現する一般的な切削加工装置では、より高精度な加工を実現できない。
【０００８】
さらに、高速工具サーボを実現する一般的な切削加工装置では、フィードバック制御系の応答速度以内の周波数でアクチュエータを駆動する必要がある。具体的には、例えば「特許文献１」に記載されている切削加工装置では、アクチュエータの駆動周波数は１ｋＨｚ程度である。そのため、加工位置によって異なるが、Ｂ軸の回転速度（切削速度）は概ね１００ｒｐｍ以下に設定する必要がある。一般的に旋盤加工では、回転速度が遅くなると加工抵抗が増大する。したがって、回転速度が遅くなると、高精度な加工ができないという問題が生ずる。
【０００９】
一方、楕円振動切削と呼ばれる加工技術がある。楕円振動切削は、工具に対して２方向の振動成分を加えるとともに、その２方向の振動成分の位相差を最適に制御することで、工具刃先を楕円状に微小動作させ、その楕円状に微小動作する工具刃先により被削材を切削加工する技術である。この加工技術によれば、加工抵抗を大幅に低減できるので、工具の欠損防止や工具の長寿命化を期待できる（例えば、特許文献３および特許文献４を参照。）。しかしながら、楕円振動切削を実現する一般的な振動切削装置では、加工抵抗の低減を図ることはできるが、加工時間の短縮を図ることはできない。
【００１０】
また、高速工具サーボと楕円振動切削は、制御上で使用する周波数帯域が全く異なるなるため、それらの技術を兼用したくともできなかった。具体的には、高速工具サーボの制御上の使用周波数は、概ね１ｋＨｚ以下である。これは、高速工具サーボでは、使用する周波数帯域が高くなると、位相遅れが生じて高い加工精度を確保できなくなる上、発振等が生じるおそれもあるためである。一方、楕円振動切削の制御上の使用周波数は１ｋＨｚよりも高い。１ｋＨｚ以下の周波数でも楕円振動切削は可能であるが、加工速度が遅くなるので１ｋＨｚ以下の周波数は工業上使用されない。
【００１１】
また、振動切削装置は、振動数や振幅を制御することは可能であるが、工具刃先の絶対位置を制御できない。そのため楕円振動切削は、加工が長時間にも及ぶ場合には高い形状精度が得られないという問題を抱えている。即ち、加工時間が長くなると、加工雰囲気の変化、例えば温度の変化等により工具刃先の絶対位置が変化するため、工具刃先の絶対位置を制御できない楕円振動切削では高い形状精度を得られない。したがって、例えば導光板の金型マスターの加工のように、加工時間が数時間以上にも及ぶ加工を楕円振動切削により行うと、高い加工精度を確保できなくなる。
【特許文献１】特開２００７−７５９１５号公報
【特許文献２】特開２００７−３０７６６３号公報
【特許文献３】特許第３５００４３４号公報
【特許文献４】特許第３８０６６０３号公報
【非特許文献１】岡崎祐一、高速工具サーボ、精密工学会誌、社団法人精密工学会、２００６年、Ｖｏｌ ７２、Ｎｏ ４、ｐ４２２−４２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、加工時間の短縮、切削時における加工抵抗の低減、および高精度な加工を同時に実現できる切削加工装置、加工方法を提供することを目的とする。加えて、本発明は、その加工方法で加工した金型を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の切削加工装置は、ｕ方向に動作する第１のアクチュエータと、前記ｕ方向に直交するｖ方向に動作する第２のアクチュエータと、前記ｕ方向および前記ｖ方向に直交するｗ方向に動作する第３のアクチュエータと、前記ｕ方向、前記ｖ方向、および前記ｗ方向の３軸方向の交点に配置した工具ホルダーと、前記工具ホルダーに設置された工具と、前記第１、第２、および第３のアクチュエータそれぞれの変位をそれぞれ測定し、その測定した変位を示す変位信号を帰還する３つのセンサと、が設けられた３軸工具ユニットと、前記第１、第２、および第３のアクチュエータそれぞれに対する指令値を生成する演算部と、前記ｕ方向、前記ｖ方向および前記ｗ方向のそれぞれの方向から傾き且つ直交する３軸方向に前記３軸工具ユニットと被削材とを相対的に移動させる可動軸と、を備え、前記演算部が生成する各指令値と前記３つのセンサそれぞれが帰還した各変位信号とを基に前記第１、第２、および第３のアクチュエータそれぞれの動作をフィードバック制御し、前記第１、第２、および第３のアクチュエータにより前記工具を振動させて、被削材を振動切削することを特徴とする。
【００１４】
この切削加工装置によれば、被削材に対して相対運動する工具を３次元的に高速動作させることができる３軸工具ユニットを用いた振動切削が可能となり、加工時間の短縮、切削時における加工抵抗の低減、および高精度な加工を同時に実現できる。
【００１５】
また、本発明の請求項２記載の切削加工装置は、請求項１記載の切削加工装置において、前記演算部が、前記可動軸の偏差による前記工具の刃先の所定位置からの位置ずれが補償されるように前記第１、第２、および第３のアクチュエータそれぞれに対する指令値を生成することを特徴とする。このように工具の刃先の位置ずれを補償することで、より高精度な加工を実現できる。
また、本発明の請求項３記載の切削加工装置は、請求項１もしくは２のいずれかに記載の切削加工装置において、前記振動切削は楕円振動切削であることを特徴とする。
また、本発明の請求項４記載の切削加工装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の切削加工装置において、前記３つのセンサはそれぞれ前記工具ホルダーの端面の変位を測定することを特徴とする。
また、本発明の請求項５記載の切削加工装置は、請求項１ないし４のいずれかに記載の切削加工装置において、前記振動切削の制御に使用される周波数が、前記フィードバック制御に使用される周波数よりも大きいことを特徴とする。
また、本発明の請求項６記載の切削加工装置は、請求項１ないし５のいずれかに記載の切削加工装置において、同期制御されつつ、前記第１、第２、および第３のアクチュエータの各々を独立して振動させるための波形をそれぞれ発生する３つの任意波形発生器と、前記演算部と前記第１、第２、および第３のアクチュエータとの間に配置され、前記３つの任意波形発生器がそれぞれ発生させる波形がそれぞれ入力される３つの任意波形入力器と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項７記載の切削加工装置は、請求項６記載の切削加工装置において、前記第１、第２、および第３のアクチュエータをそれぞれ駆動する３つ増幅器を備え、前記３つの任意波形入力器が前記３つの増幅器の前段に配置されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項８記載の切削加工装置は、請求項６もしくは７のいずれかに記載の切削加工装置において、前記３つのセンサにより変位信号が帰還される各帰還系にそれぞれ配置された３つのノッチフィルターを備えることを特徴とする。このようにノッチフィルターを設けることで、アクチュエータの振動をより精密に制御することが可能となる。
【００１８】
また、本発明の請求項９記載の切削加工装置は、請求項１ないし５のいずれかに記載の切削加工装置において、前記演算部が、前記第１、第２、および第３のアクチュエータの各々を独立して振動させるための各波形値を生成し、その生成した各波形値を前記各指令値に加算することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項１０記載の加工方法は、可動軸により３軸工具ユニットと被削材とを相対的に移動させ、前記３軸工具ユニットに設けられ且つ前記３軸工具ユニットの直交する３軸方向へ動作する３つのアクチュエータにより工具を動作させて、被削材を加工する方法において、前記可動軸により、前記３軸工具ユニットと前記被削材とを、前記３軸工具ユニットの３軸方向のそれぞれの方向から傾き且つ直交する３軸方向に相対的に移動させ、前記３つのアクチュエータにより、前記被削材が振動切削されるように前記工具を振動させつつ、前記工具の刃先の位置をフィードバック制御することを特徴とする。この加工方法によれば、加工時間の短縮、切削時における加工抵抗の低減、および高精度な加工を同時に実現できる。
【００２０】
また、本発明の請求項１１記載の加工方法は、請求項１０記載の加工方法において、前記被削材に前記工具を進入させた後、前記被削材から前記工具を退出させて前記被削材に止まり溝を形成することを特徴とする。この加工方法によれば、切削時における加工抵抗の低減を実現でき、かつ短時間で形状精度の高い止まり溝を形成することができる。
【００２１】
また、本発明の請求項１２記載の加工方法は、請求項１１記載の加工方法において、前記被削材への前記工具の進入角度が９０度より小さく、前記被削材からの前記工具の退出角度が９０度よりも大きいことを特徴とする。このようにすれば、バリが発生することなく、短時間で形状精度の高い止まり溝を形成することができる。
【００２２】
また、本発明の請求項１３記載の金型は、請求項１１もしくは１２のいずれかに記載の加工方法によって止まり溝が形成された金型であって、振動切削による凹凸が前記止まり溝の表面に形成されていることを特徴とする。このように金型表面に微小な凹凸を形成することで、その凹凸により特別な効果を生ずる成形物を提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる切削加工装置の好ましい形態によれば、以前より知られている３軸工具ユニットを用いた振動切削が可能となり、加工時間の短縮、切削時における加工抵抗の低減、および高精度な加工を同時に実現できる。さらに、高速工具サーボの機能により工具刃先の絶対位置を制御して、より高精度な加工を実現することができる。
【００２４】
また、本発明にかかる加工方法の好ましい形態によれば、加工時間の短縮、切削時における加工抵抗の低減、および高精度な加工を同時に実現できる。加えて、本発明にかかる加工方法を金型加工に用いるならば、工具刃先の微小振動による凹凸を金型表面に付与することが可能となる。この金型によれば、加工によって生じた微小な凹凸が成形物に転写され、表面の輝度バラツキの少ない高品位な成形物を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態における切削加工装置、加工方法、およびその加工方法で加工した金型について、図１〜図１７を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態における切削加工装置の全体構成を示す図である。まず、図１を参照して、この実施の形態における切削加工装置の全体構成について説明する。
【００２６】
図１に示すように、この切削加工装置は、超精密加工機１と、超精密加工機１の可動軸の動作をＮＣプログラムに従って制御するＮＣ制御装置６と、超精密加工機１に搭載された３軸工具ユニット７と、３軸工具ユニット用のコントロールボックス８とから構成される。
【００２７】
超精密加工機１は、互いに直交したＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に動作するＸ軸テーブル２、Ｙ軸テーブル３およびＺ軸テーブル４と、Ｙ軸テーブル３上に搭載され、Ｂ軸を中心に回転するＢ軸テーブル５とで構成され、Ｂ軸テーブル５上に被削材９が載置される。これらのテーブル（可動軸）は、ＮＣ制御装置６によってナノメートルオーダで数値制御される。
【００２８】
この実施の形態では、Ｘ軸テーブル２の動作に伴ってＸ軸方向に移動するＺ軸テーブル４上に３軸工具ユニット７が設置されている場合について説明する。したがって、この実施の形態では、Ｘ軸テーブル２およびＺ軸テーブル４の動作に伴って３軸工具ユニット全体が動く。
【００２９】
３軸工具ユニット用のコントロールボックス８と、超精密加工機用のＮＣ制御装置６は制御的につながっており、超精密加工機１と３軸工具ユニット７は同期してコントロールされる。
【００３０】
図２は、超精密加工機に搭載した３軸工具ユニットの構成を示す図である。３軸工具ユニットの支持体１１には、互いに直交するｕ軸方向、ｖ軸方向およびｗ軸方向に動作するｕ軸アクチュエータ（第１のアクチュエータ）１２、ｖ軸アクチュエータ（第２のアクチュエータ）１３、ｗ軸アクチュエータ（第３のアクチュエータ）１４の一端が、取り付け部材を介して固定されており、これら３つのアクチュエータ１２、１３、１４は、互いに直交するように支持されている。
【００３１】
アクチュエータ１２、１３、１４は、圧電素子を用いて構成するのが好適である。圧電素子としては、ジルコニア酸鉛−チタン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とした積層型圧電素子を用いることができる。圧電素子は、応答速度が速く、本発明に適している。この実施の形態では、ＰＺＴを主成分とする積層型圧電素子を用いて構成されたアクチュエータを使用する場合について説明する。したがって、アクチュエータの動作は伸縮動作となる。
【００３２】
ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４それぞれの支持体１１に固定された端面とは反対側の端面は、工具ホルダー１５に接着固定されている。つまり、工具ホルダー１５は、互いに直交するｕ軸方向、ｖ軸方向およびｗ軸方向の３軸方向の交点に配置されている。工具ホルダー１５には、被削材９を加工するためのダイヤモンド工具１６が強固に固定されており、アクチュエータの伸縮動作により、工具ホルダー１５および工具ホルダー１５に取り付けてあるダイヤモンド工具１６の位置が変化する。
【００３３】
ｕ軸ギャップセンサ１７、ｖ軸ギャップセンサ１８、ｗ軸ギャップセンサ１９は、ｕ軸センサーホルダ２０、ｖ軸センサーホルダ２１、ｗ軸センサーホルダ２２を介して、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４の伸縮方向と平行となるように支持体１１に取り付けられている。
【００３４】
ｕ軸ギャップセンサ１７、ｖ軸ギャップセンサ１８、ｗ軸ギャップセンサ１９は、当該ギャップセンサに対向する工具ホルダー１５の端面（センサーターゲット）の変位を精密測定し、その測定した変位を示す変位センサ信号を生成する。工具ホルダー１５は、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４の伸縮動作により変位するので、工具ホルダー１５の端面の変位を測定することで、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４の変位を測定することができる。この実施の形態では、ギャップセンサとして静電容量センサを使用する場合について説明するが、例えば渦電流センサや光ファイバーセンサなどを使用してもよい。
【００３５】
なお、環境温度の変化に伴う熱変形が支持体１１やｕ軸センサーホルダ２０、ｖ軸センサーホルダ２１、ｗ軸センサーホルダ２２に生じると、ｕ軸ギャップセンサ１７、ｖ軸ギャップセンサ１８、ｗ軸ギャップセンサ１９の取り付け位置があたかも変化したかのごとく誤差が生じ、加工精度に影響するので、支持体１１やｕ軸センサーホルダ２０、ｖ軸センサーホルダ２１、ｗ軸センサーホルダ２２は、例えばスーパーインバ等の低熱膨張材で構成することが望ましい。
【００３６】
この実施の形態では、３つのアクチュエータ１２、１３、１４が超精密加工機の座標系Ｘ−Ｙ−Ｚとは異なる座標系ｕ−ｖ−ｗに沿った方向へ動作（伸縮）するように、３軸工具ユニット７が超精密加工機１のＺ軸テーブル４上に設置されている。アクチュエータの座標系と超精密加工機の座標系の関係は、図２に示した（１）式によって定義される。この実施の形態では、α＝４５度、γ＝約５４．７度の場合について説明するが、必ずしもこの角度である必要はない。またここでは、超精密加工機の座標系Ｘ−Ｙ−Ｚとアクチュエータの座標系ｕ−ｖ−ｗが異なる場合について説明するが、アクチュエータの座標系と超精密加工機の座標系は同じであってもかまわない。
【００３７】
また、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４に圧電素子を用いた場合、圧電素子に電圧を印加して圧電素子を伸縮させることで、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４をｕ、ｖ、ｗ軸方向へ伸縮させるが、圧電素子はヒステリシスを有しているため、圧電素子に所望の伸縮量に相当する電圧値の電圧を印加するだけでは精度良く伸縮量を制御することができない。そこで一般的に、ｕ軸ギャップセンサ１７、ｖ軸ギャップセンサ１８、ｗ軸ギャップセンサ１９が生成する変位センサ信号を基にフィードバック制御を行うことで、ヒステリシスの無い特性を実現している。
【００３８】
図３はこの実施の形態におけるアクチュエータの位置制御回路を示す図である。まず、この位置制御回路の基本的な動作を簡単に説明し、その後、楕円振動切削にかかる構成について説明する。
【００３９】
超精密加工機側からの位置情報（この実施の形態では、Ｘ軸座標、Ｙ軸座標、Ｚ軸座標、Ｂ軸座標）が、３軸工具ユニットのコントロールボックス８に設けられたコントローラ３０に入力されると、その加工機側からの位置情報に基づいて、コントローラ３０に設けられたリアルタイム目標値演算部３１が、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４それぞれの目標値（指令値）を演算する。
【００４０】
リアルタイム目標値演算部３１により演算された各指令値はそれぞれｕ軸用加算器３２ｕ、ｖ軸用加算器３２ｖ、ｗ軸用加算器３２ｗを介してｕ軸用ＰＩＤ制御部３３ｕ、ｖ軸用ＰＩＤ制御部３３ｖ、ｗ軸用ＰＩＤ制御部３３ｗへと伝送される。
【００４１】
ｕ軸用ＰＩＤ制御部３３ｕ、ｖ軸用ＰＩＤ制御部３３ｖ、ｗ軸用ＰＩＤ制御部３３ｗは伝送された指令値に対して比例積分微分処理を施す。比例積分微分処理された各指令値はそれぞれｕ軸用Ｄ／Ａ変換器３４ｕ、ｖ軸用Ｄ／Ａ変換器３４ｖ、ｗ軸用Ｄ／Ａ変換器３４ｗを介してｕ軸ＰＺＴ用アンプ（増幅器）３５ｕ、ｖ軸ＰＺＴ用アンプ（増幅器）３５ｖ、ｗ軸ＰＺＴ用アンプ（増幅器）３５ｗへと伝送される。
【００４２】
ｕ軸ＰＺＴ用アンプ３５ｕ、ｖ軸ＰＺＴ用アンプ３５ｖ、ｗ軸ＰＺＴ用アンプ３５ｗの各々は、伝送された指令値に従い、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４を駆動する。アンプとしては、例えばバイポーラ電源を使用することができる。
【００４３】
ｕ軸ギャップセンサ１７、ｖ軸ギャップセンサ１８、ｗ軸ギャップセンサ１９が生成する変位センサ信号はそれぞれｕ軸用Ａ／Ｄ変換器３６ｕ、ｖ軸用Ａ／Ｄ変換器３６ｖ、ｗ軸用Ａ／Ｄ変換器３６ｗを介してｕ軸用加算器３２ｕ、ｖ軸用加算器３２ｖ、ｗ軸用加算器３２ｗにフィードバックされる。ｕ軸用加算器３２ｕ、ｖ軸用加算器３２ｖ、ｗ軸用加算器３２ｗは、リアルタイム目標値演算部３１により演算された指令値とフィードバックされたアクチュエータの伸縮量（変位）との偏差を演算する。ｕ軸用ＰＩＤ制御部３３ｕ、ｖ軸用ＰＩＤ制御部３３ｖ、ｗ軸用ＰＩＤ制御部３３ｗには、ｕ軸用加算器３２ｕ、ｖ軸用加算器３２ｖ、ｗ軸用加算器３２ｗにより演算された偏差が伝送される。
【００４４】
このように、リアルタイム目標値演算部３１が演算する各指令値と、ｕ軸ギャップセンサ１７、ｖ軸ギャップセンサ１８、ｗ軸ギャップセンサ１９が帰還する変位センサ信号とを基に、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４の動作が独立してフィードバック制御される。
【００４５】
この実施の形態では、３軸工具ユニットの工具により被削材が楕円振動切削されるように、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４を振動させる。楕円振動切削を行うには、各アクチュエータを正弦波状に振動させるとともに、それらの振動を同期させる必要がある。
【００４６】
そこで、この実施の形態では、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４の各々を独立して振動させるための正弦波状の振動波形値をそれぞれ生成する３つの任意波形発生器として、ｕ軸用任意波形発生装置３７ｕ、ｖ軸用任意波形発生装置３７ｖ、ｗ軸用任意波形発生装置３７ｗがコントロールボックス８に設けられている。さらに、ｕ軸ＰＺＴ用アンプ３５ｕ、ｖ軸ＰＺＴ用アンプ３５ｖ、ｗ軸ＰＺＴ用アンプ３５ｗの前段に、ｕ軸用任意波形発生装置３７ｕ、ｖ軸用任意波形発生装置３７ｖ、ｗ軸用任意波形発生装置３７ｗが発生する振動波形値が入力される任意波形入力器として、ｕ軸用加算器３８ｕ、ｖ軸用加算器３８ｖ、ｗ軸用加算器３８ｗが設けられている。ｕ軸用加算器３８ｕ、ｖ軸用加算器３８ｖ、ｗ軸用加算器３８ｗは、ｕ軸ＰＺＴ用アンプ３５ｕ、ｖ軸ＰＺＴ用アンプ３５ｖ、ｗ軸ＰＺＴ用アンプ３５ｗに伝送される指令値に、ｕ軸用任意波形発生装置３７ｕ、ｖ軸用任意波形発生装置３７ｖ、ｗ軸用任意波形発生装置３７ｗが発生する波形値を加算する。
【００４７】
ｕ軸用任意波形発生装置３７ｕ、ｖ軸用任意波形発生装置３７ｖ、ｗ軸用任意波形発生装置３７ｗは制御的につながっており、同期制御されつつ、互いに所定の位相差を有する所定の電圧値および所定の振動数の波形を発生する。
【００４８】
このような構成により、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４を正弦波状に振動させるとともに、それらの振動を同期させることができる。
【００４９】
但し、ｕ軸ギャップセンサ１７、ｖ軸ギャップセンサ１８、ｗ軸ギャップセンサ１９からの変位センサ信号に、上記したｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４の振動成分が含まれるため、その振動成分をそのままフィードバックすると、その振動を抑制する制御が働く。
【００５０】
そこで、この実施の形態では、ｕ軸、ｖ軸、およびｗ軸の各帰還系にｕ軸用ノッチフィルター３９ｕ、ｖ軸用ノッチフィルター３９ｖ、ｗ軸用ノッチフィルター３９ｗを挿入して、アクチュエータの振動が抑制されないようにしている。
【００５１】
例えば、楕円振動切削の基本的な振動数を１５００Ｈｚとするならば、１５００Ｈｚで急激に減衰するノッチフィルターを挿入する。このようにノッチフィルターを挿入しても、１５００Ｈｚ以外の外乱要因はフィードバック制御されるので、加工する上で支障は無い。
【００５２】
続いて、本発明の他の実施の形態におけるアクチュエータの位置制御回路について説明する。図４は本発明の他の実施の形態におけるアクチュエータの位置制御回路を示す図である。この図４において、前述の図３に示した部材に対応する部材には同一の符号を付している。この図４に示す位置制御回路について、図３に示す位置制御回路と異なる点を説明する。
【００５３】
前述の図３に示した位置制御回路では、コントローラ３０の外部に設けた任意波形発生装置がアクチュエータに振動を与えていた。それに対して、図４に示す位置制御回路では、振動波形をコントローラ３０の内部で生成している。
【００５４】
具体的には、ｕ軸アクチュエータ１２、ｖ軸アクチュエータ１３、ｗ軸アクチュエータ１４の各々を独立して振動させるための正弦波状の振動波形値を生成する振動波形生成部４０がリアルタイム目標値演算部３１に設けられている。
【００５５】
リアルタイム目標値演算部３１は、振動波形生成部４０が生成する振動波形値を指令値に加算し、その振動波形値が加算された指令値を伝送する。振動波形生成部４０は、各軸用の振動波形として、互いに所定の位相差を有する所定の電圧値および所定の振動数の波形を発生する。
【００５６】
続いて、３軸工具ユニットのアクチュエータの動作について、図５（ａ）〜図５（ｃ）、図６および図７を用いて説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）および図６に示すグラフの縦軸はギャップセンサの出力値（電圧［Ｖ］）を表し、横軸は位相［ｄｅｇ］を表している。この実施の形態では、超精密加工機のテーブルの動作軸（Ｘ−Ｙ−Ｚ軸）とアクチュエータの動作軸（ｕ−ｖ−ｗ軸）が異なっているが、このような場合、工具の進行方向に対してどのように振動を制御するかが重要となる。
【００５７】
図５（ａ）はｕ軸アクチュエータ１２のｕ軸方向における振動を、図５（ｂ）はｖ軸アクチュエータ１４のｖ軸方向における振動を、図５（ｃ）はｗ軸アクチュエータのｗ軸方向における振動を各々示している。具体的には、図５（ａ）〜図５（ｃ）は、ｕ軸アクチュエータ１２とｖ軸アクチュエータ１３が、動作周波数が１５００Ｈｚ、変位が約±０．２マイクロメートルで振動しており、ｗ軸アクチュエータ１４が、動作周波数が１５００Ｈｚ、変位が約±０．２５マイクロメートルで振動していることを示している。
【００５８】
図６は、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すｕ軸アクチュエータ、ｖ軸アクチュエータ、ｗ軸アクチュエータのｕ−ｖ−ｗ軸方向における振動を、超精密加工機のＸ−Ｙ−Ｚ軸方向における振動に座標変換した結果を示す図であり、破線がＸ軸方向における振動動作を、細実線がＹ軸方向における振動動作を、太実線がＺ軸方向における振動動作を各々示している。図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように各アクチュエータを振動させると、加工機のＸ−Ｙ−Ｚ軸から見た場合、Ｙ軸方向とＺ軸方向における振幅は約±０．２５マイクロメートルとなり、Ｘ軸方向における振幅はほぼゼロとなる。図７は、図６に示すＹ軸とＺ軸のリサージュ波形を示している。本例では、工具がＹ−Ｚ平面内で円軌跡を描く振動動作をしている。
【００５９】
続いて、加工対象の一例について説明する。図８（ａ）は液晶ディスプレーの断面構造を示す。液晶ディスプレーは、主に液晶パネルと光源部からなり、光源部は光源と導光板からなる。光源には、冷陰極管やＬＥＤ等を使用できる。導光板は、光源からの光を曲げて液晶パネルを裏から照射する樹脂性の部品であり、主に金型を用いた射出成形によって作られる。導光板の構造には各種のタイプがあり、例えば図８（ａ）に示すように、非常に微小なプリズム構造を有した導光板がある。このプリズム構造は、図８（ａ）に示すように、光源からの光を折り曲げて液晶パネルを裏側から照射する役割を果たしている。この構造のでき如何によって液晶ディスプレーの品質が左右される。
【００６０】
図８（ｂ）は導光板のプリズム構造の一例を示す模式図である。導光板のプリズム構造は、光学設計によって全く異なる構造となり、図８（ｂ）に示す構造に限るものではない。この実施の形態では、プリズム構造として、長さが１〜５００マイクロメートル程度、幅が約１０マイクロメートル、幅方向の断面がＶ字形状の溝（止まり溝）を有する導光板を作る場合について説明する。図８（ｂ）に示すように、それぞれのプリズム構造は、角度、長さが、場所によって全く異なる。
【００６１】
導光板は樹脂成形によって作られる。そこで、導光板の金型には、プリズム構造の反転形状、すなわち幅方向の断面がＶ字形状の凸部を有する金型を使用する。しかしながら、断面がＶ字形状の凸部を直接加工することは困難を伴うので、導光板の金型は、一般的に、以下のように製作する。
【００６２】
はじめに、製品（成形物）となる樹脂製導光板と同様の止まり溝（以下、Ｖ溝と称す。）を有する金型マスターを製作する。次に、その金型マスターを用いたニッケル電鋳法により反転形状（断面がＶ字形状の凸部を有するプレート）を製作する。そのニッケル電鋳法により製作されたプレートを、樹脂成形金型として使用する。この方法は、樹脂成形用金型となるプレートが損傷しても、金型マスターからプレートを複製することができるので、工業的によく利用されている。
【００６３】
この実施の形態では、被削材を加工して上記した導光板の金型マスターを製作する場合について説明する。例えば、２．２インチ液晶ディスプレー用の導光板の金型マスターには、約２５万個のＶ溝を形成する。これらのＶ溝は、光学設計における誤差分析から、２５万個のＶ溝の深さバラツキが１マイクロメートル以下となるように加工する必要がある。またＶ溝の斜面の粗さは、光を反射する必要があるので、光学的な鏡面となることが求められる。したがって、導光板の金型マスターの加工時には、非常に高精度な形状の加工を、２５万個にわたって施す必要がある。液晶ディスプレーのサイズが大きくなると、プリズム構造の数も液晶パネルの面積に比例して増加する。
【００６４】
図９（ａ）に一般的な切削加工装置により形成したＶ溝の加工結果の一例を、図９（ｂ）にこの実施の形態における切削加工装置により形成したＶ溝の加工結果の一例を各々示す。具体的には、図９（ｂ）には、３軸工具ユニットのアクチュエータに１５００Ｈｚの振動を付与して楕円振動切削したＶ溝を示している。Ｖ溝は、平面状の被削材を切削して形成した。
【００６５】
図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、Ｖ溝は工具の進入部および退出部を有する形状となる。また図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、一般的な切削加工装置により形成したＶ溝の側面にはバリ（返り）が生じるのに対して、この実施の形態における切削加工装置は、バリの無いシャープなＶ溝を形成できる。これは、楕円振動切削すると、一般的に知られている“切りくずの引き上げ効果”による高精度な加工を達成できるためである。
【００６６】
さらに、楕円振動切削すると、“切りくずの引き上げ効果”に合わせて、実質的な加工速度の高速化も達成できる。すなわち、図９（ａ）、図９（ｂ）には、いずれも毎分６０ｍｍの速度で被削材に形成したＶ溝を示しているが、この場合、切削加工の切削速度は６０ｍｍ／ｍｉｎとなる。一方、楕円振動切削では刃先が高速回転しており、本例のようにアクチュエータを１５００Ｈｚで振動させた場合には、刃先の周速度は１４００ｍｍ／ｍｉｎにも達する。よって、実質的な加工速度は、切削加工よりも楕円振動切削の方が速くなる。図９（ａ）、図９（ｂ）に示すような長さが１００マイクロメートルのＶ溝の高速度な切削は、楕円振動切削でしか達し得ない。楕円振動切削すると、加工時間が短くなり、かつ高精度な加工も実現できる。
【００６７】
続いて、Ｖ溝の加工方法の一例について詳述する。図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、工具のＶ溝加工時の動作を説明するための模式図である。図１０（ａ）に示すように、この実施の形態では、工具がＹ−Ｚ平面内で楕円振動軌跡を描きながらＹ軸方向に走査される。また、図１０（ｂ）に示すように、工具が被削材に進入するときには、斜め上方から進入するように工具を走査する。すなわち工具進入角は０＜α＜９０°とする。一方、工具が被削材から退出するときには、斜め上方へ退出するように工具を走査する。すなわち工具退出角は９０＜β＜１８０°とする。このように、工具の進行方向に対して、進入時は斜め下方に工具を走査し、Ｖ溝終端では斜め上方に工具を走査することで、超精密加工機の可動軸の動作速度の変化を小さくでき、最も効率的に高速に加工できる。この実施の形態では、進入角を４５°、退出角を１３５°とした。
【００６８】
即ち、工具進入角αを９０°として、Ｚ方向から工具を進入させた場合、工具刃先がＶ溝底面に達した段階で工具の進行方向をＹ方向に変化させる必要がある。このように工具の進行方向に急激な変化を与えると、加速減速が伴うために平均速度が遅くなり、加工時間が長くなる。実験では、進入角αと退出角βを共に９０°とした場合、一つのＶ溝を加工する平均加工時間が０．２秒長くなった。２５万個のＶ溝を加工する場合、加工時間が約１４時間増加することになる。よって、加工時間を短くするには、工具進入角αは０〜９０°とし、工具退出角βは９０〜１８０°とする必要がある。
【００６９】
また、図８（ｂ）に示すような、それぞれが任意な方向を向いた多数のＶ溝を短時間で加工するためには、加工終了したＶ溝から次の加工対象のＶ溝へ移る移動時間を考慮して、一つのＶ溝の加工終了後、最も近くにある加工対象のＶ溝が加工されるようにＮＣプログラムを構築する必要がある。そのため、加工終了したＶ溝から次の加工対象のＶ溝へ工具を移動させるときには、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｂ軸、場合によってはＺ軸も含めた４軸全てが動作する。
【００７０】
図１１に、超精密加工機の可動軸（テーブル）の位置決め動作直後の挙動の一例を示す。具体的には、Ｘ軸のみを２マイクロメートルだけステップ動作させた場合の挙動を示している。図１１に示すように、位置決め動作終了後、２００ミリ秒後でもテーブルが揺れている。この揺れが発生している状態で加工を行うと、Ｖ溝が蛇行し、Ｖ溝進入部にバリが生じるという問題が起こり、位置決め後にテーブルの揺れが収まるまでの整定時間を設けたならば、２５万個のＶ溝を加工するのに要する加工時間が増加するという問題が起こる。例えば整定時間を２００ミリ秒設けたならば、加工時間は約１４時間伸びる。先述したように、加工終了したＶ溝から次の加工対象のＶ溝へ移る移動動作中は最大４軸が同時に動作するので、加工時間がさらに伸びる可能性がある。
【００７１】
そこで、この実施の形態における切削加工装置では、超精密加工機の位置決め動作直後の可動軸（テーブル）の偏差による工具刃先の位置決め誤差（工具刃先の所定位置からの位置ずれ）が補償されるように、工具刃先を所定位置に制御する位置補正動作を実行する。図１２は、この実施の形態における工具刃先の位置補正動作の概念図である。超精密加工機のテーブルの位置決め動作後、図１２に示すように、テーブルが揺れて位置偏差が生じたとしても、工具刃先がテーブルの位置偏差量だけテーブルとは逆方向に補正動作するように、超精密加工機に搭載してある３軸工具ユニットのアクチュエータを駆動することで、工具と被削材の相対位置の変化（位置ずれ）を補償することができる。この工具刃先の位置補正動作は、高速工具サーボの位置補正機能により実現できる。このように位置補正しながら加工すると、高精度なＶ溝が切削できる上に、加工時間が長くなることもない。
【００７２】
図１３に、工具刃先の位置補正動作の一例を示す。具体的には、超精密加工機のＸ軸のみを２マイクロメートルだけステップ動作させた場合の位置補正動作を示している。図１３に示すように、Ｘ軸テーブルとアクチュエータ（工具）が全く逆方向に動作している。Ｘ軸テーブルの動作と工具の動作の差分は、０．１マイクロメートル以下であり、導光板の金型マスターのＶ溝加工においては、十分精度を満足している。
【００７３】
また、超精密加工機の可動軸の偏差は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直線駆動軸だけでなく、Ｂ軸のような回転軸にも発生する。図８（ｂ）に示したようにプリズム構造が配置されている場合、回転軸であるＢ軸を駆動した加工とならざるを得ないが、その回転軸に生じる偏差（角度誤差）も、この実施の形態における切削加工装置によれば、直線駆動軸に生じる偏差と同様に補償することができる。回転中心からの距離が長くなると、回転平面内での位置決め誤差の絶対値が大きくなるので、回転軸に生じる角度誤差の補正は重要である。
【００７４】
回転軸に生じる偏差の補償は、図１４に示すように、角度誤差を回転平面内の直線軸に分解することで可能となる。例えばＢ軸に角度誤差ΔＢが生じたならば、回転平面内で誤差を分解して、Ｘ軸方向にΔＸ、Ｙ軸方向にΔＹだけ工具位置を移動することで誤差を補正できる。この実施の形態における切削加工装置によれば、角度誤差も補正可能となる。
【００７５】
図１５（ａ）に高速工具サーボの位置補正機能による位置補正を行うことなく楕円振動切削した加工結果の一例を、図１５（ｂ）に高速工具サーボの位置補正機能による位置補正を行いながら楕円振動切削した加工結果の一例を各々示す。
【００７６】
図１５（ａ）に示すように、位置補正を行わない場合、工具進入部で大きなバリが生じ、かつ溝全体が大きく蛇行する。したがって、多数のＶ溝を短時間に連続して加工する場合、楕円振動切削だけでは高い加工精度を確保できない。
【００７７】
一方、図１５（ｂ）に示すように、位置補正を行いながら楕円振動切削した場合、工具進入部にバリが生じることもなく、Ｖ溝の全長にわたって蛇行することもなく、Ｖ溝に外観上の不良は見られない。この加工結果より、楕円振動切削に加えて、高速工具サーボによる位置補正を行うことが、短時間で高精度な加工を行う上で非常に有効であることがわかる。
【００７８】
図１６に、導光板の金型マスターのＶ溝の加工結果の一例を示す。本例では、Ｖ溝を約２５万個加工しており、Ｖ溝を１個加工するのに要する平均加工時間は、０．３３秒であった。その内訳は、Ｖ溝自体を加工するのにかかる時間が約０．１秒、加工終了したＶ溝から次の加工対象のＶ溝へ移動するのにかかる時間が０．２３秒であった。２５万個のＶ溝全てを加工するのにかかる総時間は、約２３時間（０．３３秒×２５００００）である。
【００７９】
このように短時間で高精度な加工を行うことができるのは、高速工具サーボの位置補正機能により超精密加工機の可動軸の偏差を補償しながら加工することにより、超精密加工機の可動軸の位置決め後の整定時間を短くできた結果である。可動軸の偏差を補償しなかったならば、加工時間が長くなり、加工精度すらも悪化する。
【００８０】
先述したように、楕円振動切削のみで多数のＶ溝を短時間に連続して加工する場合、良好な加工結果を得られない。楕円振動切削のみで多数のＶ溝を高精度に加工するには、超精密加工機の可動軸の整定時間を長くするか、可動軸の移動速度を遅くする必要がある。いずれにせよ、短時間での加工はできない。加えて、加工時間が長くなると、加工雰囲気の変化、例えば温度の変化等が生じ、Ｖ溝の深さにバラツキが生じる。ゆえに、多数のＶ溝を精度良く加工しようとすれば、同時に加工時間を短くしなければならない。
【００８１】
続いて、この実施の形態における切削加工装置によりＶ溝が形成された金型マスターを用いて作られた導光板について説明する。図１７（ａ）に、金型マスターのＶ溝斜面の粗さの一例を示す。図１７（ａ）に示すように、工具刃先の楕円振動軌跡が転写されることによる規則的な粗さがＶ溝斜面に生ずる。この規則的な粗さは、以下に述べる理由により有効である。
【００８２】
導光板のプリズム構造には、上述したように、光源から発せられた光を反射する機能が求められる。しかしながら、液晶パネル側から見た場合、導光板の個々のプリズム構造が輝点となって光っているように見える。これらの輝点は、見る角度によっては、輝度ムラの原因となり、導光板の特性として望ましくない結果を生じさせる。
【００８３】
この実施の形態における切削加工装置によりＶ溝を形成した金型マスターを用いて作られた導光板のプリズム構造の反射面にも、工具刃先の楕円振動軌跡が転写される。図１７（ｂ）に、プリズム構造（Ｖ溝）の反射面に転写された楕円振動軌跡の効果を示す。図１７（ｂ）に示すように、プリズム構造の反射面に生じたわずかな凹凸（楕円振動軌跡）により、主たる反射光の回りにわずかながら散乱光が生じる。このように散乱光が生じるゆえに、先述したような輝度ムラ等の欠点が解消され、高品位な導光板としての特性を得ることができる。
【００８４】
この振動軌跡による凹凸は、使用する波長の１／５〜１／２５程度が効果的である。この程度の小さな粗さならば、プリズム構造の光を反射する機能が大きく低下することなく、導光板の輝度ムラの防止を図ることができる。
【００８５】
なお、この実施の形態では、直線状の溝を加工する例について説明したが、本発明は、湾曲した溝の加工にも適用することができる。また、幅方向の断面形状がＶ字状の溝を加工する例について説明したが、本発明は断面形状の如何を問わない。また、本発明は、溝形状の加工にのみ適用されるものではなく、自由曲面のような数学的に定義された連続面、ないしは不連続面の加工においても同様に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明にかかる切削加工装置は、ナノメートルオーダの精度の加工を短時間で実行することができ、光学デバイス全般の加工に使用できる。特に、回折格子等を有した複雑な形状の加工を高精度に短時間で実行できる。また、ディスプレー等に見られるような多数の繰り返し形状が必要となる金型加工にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の実施の形態における切削加工装置の全体構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態における３軸工具ユニットの構成を示す図
【図３】本発明の実施の形態におけるアクチュエータの位置制御回路を示す図
【図４】本発明の他の実施の形態におけるアクチュエータの位置制御回路を示す図
【図５】本発明の実施の形態におけるｕ軸アクチュエータ、ｖ軸アクチュエータ、ｗ軸アクチュエータのｕ−ｖ−ｗ軸方向における振動を示す図
【図６】図５に示すｕ軸アクチュエータ、ｖ軸アクチュエータ、ｗ軸アクチュエータのｕ−ｖ−ｗ軸方向における振動を、超精密加工機のＸ−Ｙ−Ｚ軸方向における振動に座標変換した結果を示す図
【図７】図６に示すＹ軸とＺ軸のリサージュ波形を示す図
【図８】一般的な液晶ディスプレーの構成と導光板のプリズム構造の一例を示す模式図
【図９】一般的な切削加工装置により形成したＶ溝の加工結果の一例と本発明の実施の形態における切削加工装置により形成したＶ溝の加工結果の一例を撮影した写真を示す図
【図１０】本発明の実施の形態における工具のＶ溝加工時の動作を説明するための模式図
【図１１】一般的な超精密加工機の可動軸の位置決め動作直後の挙動の一例を示す図
【図１２】本発明の実施の形態における工具刃先の位置補正動作の概念図
【図１３】本発明の実施の形態におけるＸ軸に生じる偏差に対する工具刃先の位置補正動作の一例を示す図
【図１４】本発明の実施の形態における回転軸に生じる偏差に対する工具刃先の位置補正動作を説明するための図
【図１５】高速工具サーボの位置補正機能による位置補正を行うことなく楕円振動切削した加工結果の一例と、本発明の実施の形態における高速工具サーボの位置補正機能による位置補正を行いながら楕円振動切削した加工結果の一例を撮影した写真を示す図
【図１６】本発明の実施の形態における切削加工装置により形成した導光板の金型マスターのＶ溝の加工結果の一例を撮影した写真を示す図
【図１７】本発明の実施の形態における切削加工装置により形成した導光板の金型マスターのＶ溝斜面の一例を撮影した写真を示す図、および、その金型マスターを用いて形成されたプリズム構造の反射面に転写された楕円振動軌跡の効果を説明するための模式図
【図１８】従来の高速工具サーボを実現する切削加工装置の構成図
【図１９】従来の高速工具サーボを実現する切削加工装置の制御ブロック図
【符号の説明】
【００８８】
１      超精密加工機
２      Ｘ軸テーブル
３      Ｙ軸テーブル
４      Ｚ軸テーブル
５      Ｂ軸テーブル
６      ＮＣ制御装置
７      ３軸工具ユニット
８      ３軸工具ユニット用のコントロールボックス
９      被削材
１１      支持体
１２      ｕ軸アクチュエータ
１３      ｖ軸アクチュエータ
１４      ｗ軸アクチュエータ
１５      工具ホルダー
１６      ダイヤモンド工具
１７      ｕ軸ギャップセンサ
１８      ｖ軸ギャップセンサ
１９      ｗ軸ギャップセンサ
２０      ｕ軸センサーホルダ
２１      ｖ軸センサーホルダ
２２      ｗ軸センサーホルダ
３０      コントローラ
３１      リアルタイム目標値演算部
３２ｕ    ｕ軸用加算器
３２ｖ    ｖ軸用加算器
３２ｗ    ｗ軸用加算器
３３ｕ    ｕ軸用ＰＩＤ制御部
３３ｖ    ｖ軸用ＰＩＤ制御部
３３ｗ    ｗ軸用ＰＩＤ制御部
３４ｕ    ｕ軸用Ｄ／Ａ変換器
３４ｖ    ｖ軸用Ｄ／Ａ変換器
３４ｗ    ｗ軸用Ｄ／Ａ変換器
３５ｕ    ｕ軸ＰＺＴ用アンプ
３５ｖ    ｖ軸ＰＺＴ用アンプ
３５ｗ    ｗ軸ＰＺＴ用アンプ
３６ｕ    ｕ軸用Ａ／Ｄ変換器
３６ｖ    ｖ軸用Ａ／Ｄ変換器
３６ｗ    ｗ軸用Ａ／Ｄ変換器
３７ｕ    ｕ軸用任意波形発生装置
３７ｖ    ｖ軸用任意波形発生装置
３７ｗ    ｗ軸用任意波形発生装置
３８ｕ    ｕ軸用加算器
３８ｖ    ｖ軸用加算器
３８ｗ    ｗ軸用加算器
３９ｕ    ｕ軸用ノッチフィルター
３９ｖ    ｖ軸用ノッチフィルター
３９ｗ    ｗ軸用ノッチフィルター
４０      振動波形生成部
１０１〜１０３      アクチュエータ
１０４      工具ホルダ
１０５      工具
１０６ａ〜１０６ｃ      変位センサ
１０７ａ〜１０７ｃ      センサーターゲット
１０８      被削材
１１１      コントローラ
１１２      リアルタイム目標値演算部
１１３ａ〜１１３ｃ      アンプ
【図１】
0004553967.tif 000002
【図２】
0004553967.tif 000003
【図３】
0004553967.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004553967.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004553967.tif 000008
【図８】
0004553967.tif 000009
【図１０】
0004553967.tif 000010
【図１１】
0004553967.tif 000011
【図１２】
0004553967.tif 000012
【図１３】
0004553967.tif 000013
【図１４】
0004553967.tif 000014
【図１８】
0004553967.tif 000015
【図１９】
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【図９】
0004553967.tif 000017
【図１５】
0004553967.tif 000018
【図１６】
0004553967.tif 000019
【図１７】
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