(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工基材の表面に所定の深さの凹部を形成する凹部形成工具であって、
前記被加工基材に押入し得る剛体からなる圧子と、
この圧子を前記被加工基材に押圧する押圧手段と、
前記圧子と押圧手段との間に介在し、前記押圧手段の押圧軸と同軸の弾性伸縮軸を有する弾性部材と、
計測時点において前記圧子が被加工基材に押入している押入深さを含む押入モードを計測する押入モード計測手段と、
計測された前記押入モードに対応して、前記被加工基材に所定の深さの凹部が形成されるように前記押圧手段の押圧長さを含む押圧モードを制御する押圧モード制御手段と
を有することを特徴とする凹部形成工具。
【請求項２】
前記押入モード計測手段が、押入深さと共に計測時点における圧子の押入速度を計測し、かつ前記押圧モード制御手段が、押圧長さと共に前記圧子の押入速度に対応して前記押圧手段の押圧速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の凹部形成工具。
【請求項３】
前記押圧手段が前記押圧軸方向に伸縮ストロークを有する圧電素子からなり、
前記弾性部材が径方向に弾性伸縮軸を有する環状弾性部材からなり、
前記押入モード計測手段が、前記環状弾性部材の屈曲可能な側部に装着された歪みセンサを有し、この歪みセンサが検出した歪み情報から前記圧子の押入モードを計測することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の凹部形成工具。
【請求項４】
前記歪みセンサが前記環状弾性部材の屈曲可能な側部の対向する外側と内側とに装着され、かつ前記押入モード計測手段が、それぞれの前記歪みセンサにより計測された歪み情報を反転加算して押入モードを計測することを特徴とする請求項３に記載の凹部形成工具。
【請求項５】
前記弾性部材の収縮長さが所定の収縮限界を越えないように制限するストッパが設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の凹部形成工具。
【請求項６】
被加工基材の表面に対する前記圧子の位置を相対的に移動し得る移動手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の凹部形成工具。
【請求項７】
前記押圧手段が、押圧を開始する初期状態における前記圧子の先端と被加工基材との離間距離を調整し得る初期状態調整手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の凹部形成工具。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の凹部形成工具を用い、
前記押圧手段を作動して前記圧子の先端が被加工基材に押入するように押圧し、押圧時に前記押入モード計測手段により前記圧子の押入モードを計測し、計測された前記押入モードに対応して、被加工基材に所定の深さの凹部が形成されるように前記押圧モード制御手段により前記押圧手段の押圧モードを制御することを特徴とする凹部形成方法。
【請求項９】
請求項６に記載の凹部形成工具を用い、
押圧手段が押圧を開始する初期状態において前記移動手段により圧子の先端を被加工基材の所定の位置に配置し、
次いで前記押圧手段を作動して前記圧子の先端が被加工基材に押入するように押圧し、押圧時に前記押入モード計測手段により前記圧子の押入モードを計測し、計測された前記押入モードに対応して、被加工基材に所定の深さの凹部が形成されるように前記押圧モード制御手段により前記押圧手段の押圧モードを制御し、前記凹部が形成された後に押圧手段を前記初期状態に復帰させ、次いで前記移動手段により被加工基材の表面に対する前記圧子の位置を相対的に移動する凹部形成操作を複数回繰返し、前記被加工基材の表面に複数の凹部を形成することを特徴とする凹部形成方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の凹部形成工具を用い、
複数回の前記凹部形成操作の各初期状態において、前記初期状態調整手段により圧子の先端と被加工基材との離間距離を一定に保持することを特徴とする請求項９に記載の凹部形成方法。
【請求項１１】
前記押圧手段の押圧速度を、押圧の途中で多段階にまたは連続的に変化させることを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれかに記載の凹部形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工基材の表面に圧子の押入により所定深さの凹部を形成する凹部形成工具および凹部形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、金属製などの被加工基材の表面に凹部を形成する一方法として、掘削法やエッチング法などと共に打刻法が知られている。この打刻法では、被加工基材の表面に剛体からなる圧子の先端を当てがい、この圧子をハンマーやプレスなどで押圧して圧子先端を被加工基材に押入させることにより凹部を形成する。この方法で圧子の位置を順次移動するか、または複数の圧子を同時に用いれば、被加工基材の表面に複数の凹部による線状または面状のパターンを形成することができる。
【０００３】
前記凹部の口径を微細化し、複数の凹部を隣接して形成すれば、連続した線形や艶消し面または乱反射面からなるパターンが前記被加工基材に形成される。このとき、それぞれの凹部の深さや形状を調整すると、干渉によって反射光が着色したパターンや、広い視野角範囲に均一に乱反射する乱反射面などが得られる。
【０００４】
金属製などの被加工基材の表面に微細な凹部を形成する際には、圧子としてダイヤモンドまたはサファイヤなどの微小球または針が用いられ、ハンマーまたはプレスとしては、高速性と精密制御が可能なことから圧電素子が用いられる。従来の凹部形成工具は、例えば前記圧電素子の振動軸に高剛性の荷重センサを介して前記圧子が接着されている。この従来の凹部形成工具を用いて被加工基材に凹部を形成するには、前記圧子の先端が前記被加工基材の表面から僅かに離間した状態で前記圧電素子を駆動し、圧電素子の押圧ストロークによって圧子先端を被加工基材に押入し、前記荷重センサから得られる荷重情報をパラメータとして圧電素子の負荷電位を上昇させ、圧子先端が所定深さの凹部を形成したとき、圧電素子の負荷電位を降下させて圧子先端を元の初期状態に戻す。この凹部形成操作を、圧子先端の位置を被加工基材表面に対して相対移動しながら繰返せば、線状または面状の凹部によるパターンを形成することができる。このとき、圧子先端の形状を適宜選択し、圧子先端の相対移動に対応して圧電素子に負荷する電位を変化させれば、圧電素子の押圧ストロークが変化するので、深さおよび口径が異なる複数の凹部を順次に形成することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の前記加工法によって被加工基材の表面に微細な凹部を形成する際には、高剛性荷重センサが微小な変位を検知する能力に欠けているため、圧子先端が被加工基材表面に接触した時点ですでに所望の凹部深さよりも深く加工されているという問題があった。すなわち、微小な変位を制御するための加工状態検出センサとして高剛性荷重センサは不適当であるため、所望の凹部深さを検出することが困難であった。
また被加工基材の面に複数の凹部を形成する際に、基材材質の硬さや加工硬化の特性が場所により異なる場合や、加工速度すなわち歪み速度に依存して同基材の変形抵抗が大きくなる場合に、所定の押圧エネルギー（加工エネルギー）を投入しても、高剛性荷重センサでは該加工時の荷重値を検出する機構のため、検出した荷重値が所望の凹部深さや口径を得られているということに対応しないという問題があった。更に、前記荷重センサが環境電磁波によって攪乱され、荷重情報がノイズにより覆われて圧電素子の負荷電位を制御することが困難になるという問題もあった。
【０００６】
本発明者らはこれらの問題を解決するべく鋭意研究の結果、従来の凹部加工具においては、高剛性の圧子が高剛性の荷重センサを介して圧電素子に接着されていて圧子のストロークに対する緩衝性と冗長性がないので、圧子が被加工基材表面に高速で接触した時点で、すでに所望の凹部の深さ以上に深く加工され、当該接触状態を検知後に深さを制御するための冗長時間が得られないことがわかった。
また、加工基材表面に硬さや加工硬化の特性に分布がある場合や加工条件の一つである加工速度すなわち歪み速度の依存性による同基材の変形抵抗の増加に起因する圧子の押圧速度の変化が目標とする深さの凹部の形成を困難にしていることがわかった。
従って本発明の目的は、被加工基材の表面に微細な凹部を高速で形成する際に、被加工基材の硬さや加工硬化特性の分布および加工時の歪み速度の影響による変形抵抗の変化並びに変形が進行するにつれて現出する加工硬化を考慮した変形制御および押圧速度制御すなわち押圧モード制御による所望の深さの凹部を形成することができる凹部形成工具および凹部形成方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために本発明は、前記被加工基材に押入し得る剛体からなる圧子と、この圧子を前記被加工基材に押圧する押圧手段と、前記圧子と押圧手段との間に介在し、前記押圧手段の押圧軸と同軸の弾性伸縮軸を有する弾性部材と、計測時点において前記圧子が被加工基材に押入している押入深さを含む押入モードを計測する押入モード計測手段と、計測された前記押入モードに対応して、前記被加工基材に所定の深さの凹部が形成されるように前記押圧手段の押圧長さを含む押圧モードを制御する押圧モード制御手段とを有する凹部形成工具を提供する。
【０００８】
本発明はまた、前記の凹部形成工具を用い、前記押圧手段を作動して前記圧子の先端が被加工基材に押入するように押圧し、押圧時に前記押入モード計測手段により前記圧子の押入モードを計測し、計測された前記押入モードに対応して、被加工基材に所定の深さの凹部が形成されるように前記押圧モード制御手段により前記押圧手段の押圧モードを制御する凹部形成方法を提供する。
【０００９】
前記の凹部形成工具は、押圧手段と圧子との間に前記弾性部材が介在しているので、圧子が押圧手段に押されて被加工基材の表面に接触すると、押圧手段の押圧力は圧子の被加工基材への押入力と、この押入力とは逆方向に働く弾性部材の弾性収縮力とに分力されるので、圧子先端が被加工基材に押入する押入速度は少なくとも押圧手段の押圧速度に等しいかまたはより遅くなる。一般に被加工基材に形成される凹部は、圧子先端が押圧されて基材表面から基材内部に押入するとき、当該位置にあった基材材料が圧子により押し退けられ圧子先端の形状に沿って被加工基材の表面方向に流動（塑性流動）することにより形成されるものであり、この時の基材材料の変形抵抗は、同基材が歪み速度に依存する場合、押入速度が速くなると、すなわち同基材にとって歪み速度が速くなるほど大きくなる。また、歪み速度依存性が小さくても、或いは歪み速度が遅くても、凹部形成に伴う変形が進行するにつれて現出する被加工基材の加工硬化によっても変形抵抗は大きくなる。更に、圧子先端と被加工基材との接触面積増大に伴う摩擦力の影響も大きくなり、従って押圧時に投入するエネルギーが十分でなければ、押入速度は加工進行に伴い減少する。
そこで、この押入速度を制御または同押入速度を時間積分して得られる変位を直接に制御することで所定の深さの凹部を形成することができるようになる。
【００１０】
ここで、被加工基材に押入しつつある圧子の押入深さＤは、押圧手段の押圧長さＬから弾性部材の収縮長さＢを差引いた値（Ｄ＝Ｌ−Ｂ）として求めることができる。すなわち、前記本発明の凹部形成工具および凹部形成方法によれば、計測時点での圧子の押入深さＤt は式１
Ｄt ＝Ｌt −Ｂt     …式１
からリアルタイムに求めることができる。そこで押入モード計測手段が前記式１の演算により求めた押入深さＤt から、この押入深さＤt が、目標とする凹部の深さ（目標深さＳＤ）に到達するように、計測時点における押圧長さＬt を変化させれば、最終的に目標深さＳＤの凹部が形成できるようになる。
【００１１】
前記凹部形成工具において、押入モード計測手段は、押入深さと共に計測時点における圧子の押入速度を計測し、かつ前記押圧モード制御手段が押圧長さと共に、前記圧子の押入速度に対応して前記押圧手段の押圧速度を制御するものであることが好ましい。
【００１２】
被加工基材に凹部を形成するに際しては、前記のように圧子の押入速度は遅いほうがより小さい押圧力で目標深さの凹部を形成することができる。しかし押入速度が遅くなればそれだけ凹部の形成に長時間を要することになり、作業効率が低下する。この観点からは、圧子の押入速度はできるだけ速いことが望まれる。
一方、計測時点での圧子の押入速度ＤＶt は式２、
ＤＶt ＝ΔＤt ／Δｔ＝Δ（Ｌt −Ｂt ）／Δｔ    …式２
によって求めることができる。そこで、計測時点での圧子の押入速度ＤＶt を最適化するには、押入モード計測手段が計測した圧子の計測時点での押入速度ＤＶt が最適となるように押圧手段の押圧速度ＬＶt を変化させればよい。
【００１３】
前記凹部形成工具において、押圧手段は、前記押圧軸方向に伸縮ストロークを有する圧電素子からなり、弾性部材は、径方向に弾性伸縮軸を有する環状弾性部材からなり、押入モード計測手段は、前記環状弾性部材の屈曲可能な側部に装着された歪みセンサを有し、この歪みセンサが検出した歪み情報から前記圧子の押入モードを計測するものであることが好ましい。
【００１４】
圧電素子は、負荷する電圧を変化させることにより前記押圧長さＬを変化させることができ、その応答感度、応答速度、応答精度および剛性がいずれも優れている。従って目標深さの微細な凹部を高速で形成する際の押圧手段として特に好適である。
【００１５】
前記圧電素子の押圧軸と同軸の弾性伸縮軸を有する環状弾性部材は、圧子が被加工基材に押入する際に撓んで押圧の方向とは反対の方向に収縮するので、この弾性収縮によって圧子の押入速度が適度に遅延すると同時に圧子先端の被加工基材表面への接触から凹部加工開始までに時間的冗長性が得られ、接触時を深さおよび時刻の原点とする深さ制御すなわち変位または押入速度制御が可能となる。この際、圧子が被加工基材に押入している間は撓みの復元力が働くので、環状弾性部材の弾性収縮率を適宜に選べば、撓み過ぎによって圧子が被加工基材に押入し得なくなるという事態は防止される。
【００１６】
環状弾性部材の屈曲可能な側部に装着された歪みセンサは、圧子が被加工基材に押入すると環状弾性部材が押圧軸上で収縮してその曲率を変化させるので、この曲率の変化に対応する変形（伸長または収縮）を起こし、環状弾性部材の収縮長さＢや収縮速度ＢＶに換算することができる歪み情報を出力する。
【００１７】
前記の歪みセンサは、前記環状弾性部材の屈曲可能な側部の対向する外側と内側とに装着され、かつ前記押入モード計測手段は、それぞれの前記歪みセンサにより計測された歪み情報を反転加算して押入モードを計測するものであることが好ましい。
【００１８】
環状弾性部材の屈曲可能な側部の対向する外側と内側とに歪みセンサが装着されていると、環状弾性部材が撓んだとき外側歪みセンサは伸長し内側歪みセンサは収縮する。従ってそれぞれの歪みセンサが同時に出力する歪み情報の電位は互いに逆になっている。一方、情報のノイズとなる環境電磁波が存在する場合、この環境電磁波は双方の歪みセンサに同電位のノイズ波形を誘発する。そこで、双方の歪みセンサにより計測されたそれぞれの歪み情報を反転して加算すれば、環状弾性部材の撓みに由来する歪み情報は出力が増幅され、一方、環境電磁波に由来するノイズは消去される。これによって、環境電磁波に影響されずに圧子の押入深さを計測することができるようになる。
【００１９】
前記弾性部材には、その収縮長さが所定の収縮限界を越えないように制限するストッパを設けることができる。
被加工基材の押入抵抗に対して弾性部材の弾性反発力が弱いと、押圧手段の押圧力が弾性部材の収縮に消費され、圧子が被加工基材に押入し得ないか、押入しても目標深さに達するまでにきわめて長時間を要する場合がある。この場合に弾性部材の収縮が所定の収縮限界Ｂmax を越えないように制限するストッパを設ければ、圧子は押圧手段の押圧力を直接受けることになるので、目標深さに所定の速度で到達できるようになる。
【００２０】
前記凹部形成工具は、被加工基材の表面に対する前記圧子の位置を相対的に移動し得る移動手段を有することが好ましい。
これによって本発明の凹部形成工具は、被加工基材の特定位置に凹部を形成する際の正確な位置決めや、被加工基材の表面に複数の凹部からなるパターンを形成することができるようになる。
【００２１】
本発明はまた、前記移動手段を有する凹部形成工具を用い、押圧手段が押圧を開始する初期状態において前記移動手段により圧子の先端を被加工基材の所定の位置に配置し、次いで前記押圧手段を作動して前記圧子の先端が被加工基材に押入するように押圧し、押圧時に前記押入モード計測手段により前記圧子の押入モードを計測し、計測された前記押入モードに対応して、被加工基材に所定の深さの凹部が形成されるように前記押圧モード制御手段により前記押圧手段の押圧モードを制御し、前記凹部が形成された後に押圧手段を前記初期状態に復帰させ、次いで前記移動手段により被加工基材の表面に対する前記圧子の位置を相対的に移動する凹部形成操作を複数回繰返し、前記被加工基材の表面に複数の凹部を形成する凹部形成方法を提供する。
【００２２】
被加工基材の表面の特定位置に凹部を形成する際に、被加工基材に対して圧子の位置決めを行うためには圧子の位置を前記被加工基材の表面に沿って相対的に移動させる移動手段が必要である。また、この移動手段があれば、圧子の水平位置を順次に変えながら前記凹部形成操作を複数回繰返すことにより被加工基材の表面の任意の位置に複数の凹部を形成することができる。
更に、圧子の相対移動に際して、被加工基材に圧子先端の擦過による条痕を残さないためには、少なくとも移動時に圧子を垂直方向に移動して被加工基材から離間させることが好ましい。このため移動手段は垂直方向にも移動可能とされていることが更に好ましい。
圧子と被加工基材との移動は相対的なものであるから、被加工基材または、圧子を装着した凹部形成工具のいずれか一方が移動手段によって移動可能とされていればよい。この移動手段としては、いわゆるＸＹ移動台またはＸＹＺ移動台が便利に用いられる。
【００２３】
本発明の凹部形成工具は、押圧手段が、押圧を開始する初期状態における前記圧子の先端と被加工基材との離間距離を調整し得る初期状態調整手段を有していることが好ましい。
押圧手段が初期状態調整手段を有していれば、特に複数の凹部を形成する場合に、被加工基材の表面に傾斜やうねりがあっても、この傾斜やうねりに追従して圧子の先端と被加工基材との離間距離を常に一定に保つことができるようになる。
【００２４】
前記初期状態調整手段は、押圧手段が圧電素子である場合には、圧電素子のバイアス電位を制御し初期状態における押圧長さを変化させることが応答速度の観点から好ましい。
圧電素子のバイアス電位は、圧電素子が初期状態から伸長して押入モード計測手段が圧子と被加工基材との接触を検知するまでの空走距離を計測し、この空走距離が一定に保たれるように圧電素子のバイアス電位を変化させることにより調整することができる。
【００２５】
前記いずれかの凹部形成方法において、押圧手段の押圧速度は、押圧の途中で多段階にまたは連続的に変化させることができる。
前記のように基材材料の変形抵抗は圧子の押入深さＤや押入速度ＤＶによって変化する。そこで、この変化に対応して目標深さの凹部を形成するには、計測時点における圧子の押入深さＤt や押入速度ＤＶt が最適になるように押圧手段の押圧速度を、押圧の途中で多段階にまたは連続的に変化させることが好ましい。これによって、前記に起因する凹部深さや成形速度の設計値からのずれを小さくすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて更に具体的に説明する。
図１は本発明の凹部形成工具の一具体例を示している。図１においてこの凹部形成工具は、例えば金属製の被加工基材Ｗに押入して凹部Ｈを形成し得るダイヤモンドまたはサファイヤなどの剛体からなる圧子１と、この圧子１を前記被加工基材Ｗに押圧する押圧手段としてのＰＺＴ圧電素子（以下、単に「圧電素子」という）２と、前記圧子１と圧電素子２との間に介在し、前記圧電素子２の押圧軸Ｐと同軸の弾性伸縮軸を有する環状弾性部材３と、この環状弾性部材３の屈曲可能な側部に装着されてその側部における歪み情報を検出し出力する歪みセンサ４と、環状弾性部材３の弾性伸縮軸上の収縮長さＢが収縮限界Ｂmax を越えないように制限する着脱可能なストッパ５と、前記圧電素子２の基部を固定する台座６と、制御装置７と、被加工基材Ｗを載置固定する移動手段としてのＸＹＺ移動台８とを有している。
【００２７】
前記圧子１の先端部は、被加工基材Ｗに形成される凹部Ｈの深さや形状を決定するものであるので、目的に応じて球面状、円錐状、角錘状など任意の形状および寸法を選択することができる。
【００２８】
前記圧電素子２は、一方の端部が台座６に固定され、パルス電圧を負荷するとその時点における負荷電圧に対応して、他方の自由端が押圧軸Ｐに沿って被加工基材Ｗの方向に伸長するようになっている。この圧電素子２は、最小の負荷電圧（初期電位）においては圧子１の先端が被加工基材Ｗの表面から所定の高さＦ0 の位置に離間していて（この状態を以下「初期状態」という）、負荷電圧が上昇すると圧子１の先端が被加工基材Ｗに目標深さＳＤまで押入し、負荷電圧が下降すると圧子１の先端が前記初期状態に戻ることができる伸縮ストロークを有している。
【００２９】
前記環状弾性部材３は、弾性金属からなる円形のリングであって、直径方向に弾性伸縮軸を有し、この弾性伸縮軸が前記圧電素子２の押圧軸Ｐと同軸になるように、剛性の電気的絶縁性の座金３１によって圧電素子２の自由端に固定されている。この環状弾性部材３の被加工基材Ｗと対向する側には、押圧軸Ｐと同軸に前記圧子１が固定され、またこの圧子１が固定された環状弾性部材の内側には、押圧軸Ｐと同軸に、前記ストッパ５の先端を受ける剛性の受け座３２が装着されている。
この環状弾性部材３は、押圧軸Ｐに沿って圧縮応力を受けると無収縮状態Ｂ0 から前記収縮限界Ｂmax まで収縮し、圧縮応力を解除すると前記無収縮状態Ｂ0 に復帰することができる。
【００３０】
前記歪みセンサ４は、後述する制御装置７の押入モード計測部７１と共に押入モード計測手段の一部をなすものであって、外側歪みセンサ４１および内側歪みセンサ４２の２部材からなり、外側歪みセンサ４１は環状弾性部材３の屈曲可能な側部の湾曲した外面に沿って装着され、内側歪みセンサ４２は前記外側歪みセンサ４１と対向する環状弾性部材の湾曲した内面に沿って装着されている。外側歪みセンサ４１および内側歪みセンサ４２はそれぞれリード線４３，４３によって前記制御装置７に接続されている。
この歪みセンサ４から計測時点で出力されている歪み情報は、前記環状弾性部材３の計測時点における収縮長さＢt に対応している。
【００３１】
前記ストッパ５は棒状の剛体であって、一方の端部が前記座金３１に固定され、他方の自由端の先端と前記受け座３２との間には、環状弾性部材３の撓みによる収縮を許容する間隙Ｂが形成されている。このストッパ５は着脱自由とされていて、使用しない場合には取り外しが可能である。
【００３２】
台座６は、この場合には固定されている。しかし、前記ＸＹＺ移動台８と同様な移動手段に装着されていてもよい。
【００３３】
前記制御装置７は、図２に示すように、計測時点における圧子１の押入深さＤt と押入速度ＤＶt とを含む押入モードを計測する押入モード計測部７１と、この押入モード計測部７１により計測された前記圧子１の押入モードに対応して、前記被加工基材Ｗに目標深さＳＤの凹部Ｈが形成されるように前記圧電素子２の押圧長さＬおよび押圧速度ＬＶを含む押圧モードを制御する押圧モード制御部７２と、押圧を開始する初期状態Ｆ0 を調整する初期状態調整部７３と、ＸＹＺ移動台８を制御する移動制御部７４とを有している。
以下の制御装置７の説明において、実際の処理は全て電気信号により行われるが、煩雑を避けるためにこれらの電気信号を、凹部形成工具の対応する物理要素の態様として示す。
【００３４】
前記押入モード計測部７１は、差動アンプ７１１と押入深さ計算部７１２と押入速度計算部７１３とを有している。
この内、差動アンプ７１１は、前記外側歪みセンサ４１および内側歪みセンサ４２がそれぞれ出力した計測時点での歪み情報Ｅ41，Ｅ42を反転して加算し、環状弾性部材３の計測時点の収縮長さＢt をデジタル信号として出力する。
押入深さ計算部７１２は、この収縮長さＢt と圧電素子２の計測時点の駆動電圧から換算される押圧長さＬt とから前記式１（Ｄt ＝Ｌt −Ｂt ）により計測時点の圧子１の押入深さＤt を計算し出力する。
押入速度計算部７１３は、前記式２（ＤＶt ＝Δ（Ｌt −Ｂt ）／Δｔ）により現在の圧子１の押入深さＤt における圧子１の押入速度ＤＶt を計算して出力する。
【００３５】
前記押圧モード制御部７２は、押圧長さ制御部７２１と押圧速度制御部７２２とを有している。
押圧長さ制御部７２１は、前記押入深さ計算部７１２が出力した計測時点の押入深さＤt と、予め設定された目標深さＳＤとを比較し、その時点における差（ＳＤ−Ｄt ）がゼロとなるように圧電素子２の最大押圧長さＬmax を計算し、この計算された最大押圧長さＬmax に相当する電圧を前記圧電素子２に負荷する。
前記押圧速度制御部７２２は、前記押入速度計算部７１３が出力した計測時点の圧子１の押入速度ＤＶt と、予め設定された押入モードにおけるその時点での圧子１の予定押入速度ＳＤＶt とを比較し、ＤＶt ＝ＳＤＶt となるように圧電素子２の計測時点の押圧速度ＬＶt を補正し、この補正された押圧速度ＳＬＶt に相当する速度で圧電素子２の負荷電圧を変化させる。
【００３６】
初期状態調整部７３は、初期高Ｆ0 を計測し、かつ必要に応じてこの初期高Ｆ0 を変更する。初期高Ｆ0 の計測は、圧電素子２が初期状態から伸長を開始し、歪みセンサ４が圧子１と被加工基材Ｗとの接触を検知するまでの負荷電圧差を空走距離Ｆに換算して行う。また初期高Ｆ0 の変更は、初期状態を決定する負荷電圧（バイアス電圧）を変化させることにより行う。
【００３７】
移動制御部７４は、初期状態調整部７３が出力した初期高Ｆ0 を検知し、Ｆ0 スタートで被加工基材Ｗ上の所定の位置に凹部Ｈが形成できるようにＸＹＺ移動台８をＸ，Ｙ（水平）軸方向に移動する。複数の凹部Ｈ…を形成する場合には予め設定された順序に従って、（圧電素子２の駆動と初期高Ｆ0 への復帰）−（ＸＹＺ移動台８の水平移動と所定位置での停止）の操作を繰返す。
【００３８】
次に、本発明の前記凹部形成工具を用いて被加工基材Ｗに凹部Ｈを形成する凹部形成方法の態様について具体的に説明する。
（具体例１）
凹部形成を開始する準備として、目的とする凹部Ｈの形状と深さに対応する圧子１を選択して環状弾性部材３に装着する。この具体例１においては、前記ストッパ５は取り外されている。
この具体例における動作の態様を図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）および図４を用いて説明する。
先ず、圧電素子２の伸縮ストロークを考慮してＸＹＺ移動台８を垂直（Ｚ）方向に移動調整し、また圧電素子２のバイアス電圧を調整して図３（ａ）に示すように初期高Ｆ0 （初期状態）を設定し、また水平（Ｘ，Ｙ）方向に移動して圧子１の先端を形成すべき凹部Ｈの位置に位置合わせする。
【００３９】
次に制御装置７から圧電素子２に向けて、漸次増大するパルス電圧を所定の速度で出力する。電圧の増大に伴って圧電素子２は、初期状態の長さＬ0 から下方に向けて伸長する。具体例１では、この伸長速度（すなわち押圧速度ＬＶ）は一定とする。伸長が進むと、図３（ｂ）に示すように、圧子１の先端が初期状態Ｆ0 から下降して被加工基材Ｗの表面ＳＦに接触するに至る。以下この期間を「空走期間」と呼び、圧子１の先端が被加工基材Ｗの表面に接触した状態を「接触状態」と呼ぶ。この間に圧電素子２は、図４に示すように、時刻が初期状態の時刻ｔ0 から接触状態の時刻ｔ1 に推移する間に長さがＬ0 からＬ1 に伸長している。この空走期間においては、環状弾性部材３は撓まないので、歪みセンサ４は歪み情報を出力しない。同時に、接触状態の時刻ｔ1 においては、環状弾性部材３の剛性および歪みセンサ４の感度に応じて、接触瞬間の情報としての歪みを出力する。従って同時刻は圧子１の先端が被加工基材Ｗの表面を検知したと定義される。
【００４０】
圧電素子２がＬ1 から更に伸長すると、図３（ｃ）に示すように、圧子１の先端は前記接触状態から被加工基材Ｗに押入を開始する。このとき、圧子１は被加工基材Ｗの押入抵抗を受け、圧電素子２の押圧力が圧子１の押入力と環状弾性部材３の収縮力とに分力されるので、図４に示すように弾性部材３は収縮を開始する。そこで歪みセンサ４は、計測時点の収縮長さＢt に対応した歪み情報を制御装置７に向けて出力する。また分力されたことによって、圧子１の押入速度（図４における傾斜角）ＤＶt は圧電素子２の押圧速度ＬＶt より少なくとも等しいか、遅くなる。
制御装置７は、押入深さ計算部７１２において歪み情報Ｅ（Ｅ41，Ｅ42）から前記式１に従って計測時点での圧子の押入深さＤt を計算し、押圧長さ制御部７２１に出力する。また押入速度計算部７１３は、前記式２に従ってその時の圧子１の押入速度ＤＶt を計算し、押圧速度制御部７２２に出力する。
【００４１】
押圧長さ制御部７２１は、圧子１の計測時点の押入深さＤt を、形成すべき凹部Ｈの深さ、すなわち目標深さＳＤと比較し、その差がゼロとなるような圧電素子２の押圧長さＬmax を算出して対応する電圧を圧電素子２に負荷する。
一方、押圧速度制御部７２２は、圧子１の押入速度ＤＶt を監視し、例えばその押入速度が所定の速度ＳＤＶt より遅延している場合には、その遅延を回復するように圧電素子２の押圧速度ＬＶt を高める制御を行う。
【００４２】
これによりＤt ＝ＳＤとなった時点（図４のｔ2 ）で、図３（ｄ）に示すように、圧子１の先端は目標深さＳＤに到達し、圧電素子２の押圧長さは最大押圧長さＬmax に到達する。この状態を「到達状態」という。また前記接触状態から到達状態に至る期間（ｔ1 〜ｔ2 ）を「押入期間」という。
到達状態に達したとき、圧電素子２の押圧動作は押圧長さ制御部７２１により停止される。
【００４３】
到達状態に達した後、押圧長さ制御部７２１は圧電素子２に対する負荷電圧を低下させる。従って圧電素子２の押圧長さＬは短縮され、圧子１は初期状態の高さＦ0 に復帰する。この間に、時刻はｔ2 からｔ3 に推移する。そしてｔ0 からｔ3 に至る期間が、１回の凹部形成操作時間に相当する。
【００４４】
(具体例２)
形成すべき凹部Ｈの深さ、すなわち目標深さＳＤが比較的深くなると、前記のように圧子１が深部に押入する際に被加工基材Ｗの動的粘度などの影響を受け、押入抵抗が次第に増大する。そこで、例えば前記具体例１および図４に示したように一様な押圧速度で圧電素子２を押し下げると、環状弾性部材３の反発弾性が不適当な場合には、圧電素子２の押圧力が環状弾性部材３の撓みに消費され、図５に示すように押入深さが深くなるに伴って次第に押入速度が遅くなり目標深さに到達できないか、到達するとしても極めて長時間を要するようになる。
この具体例では、前記の問題を回避する一手段として、図１に示すように、弾性部材３に、その収縮長さＢが所定の収縮限界Ｂmax を越えないように制限するストッパ５を設けている。これにより、環状弾性部材３の収縮が収縮限界Ｂmax に達した後は、圧子１が圧電素子２の押圧力を直接受けることになるので、圧子１は目標深さＳＤに所定の速度で到達できるようになる。
【００４５】
(具体例３)
この具体例では、目標深さＳＤが比較的深いか、環状弾性部材３の弾性反発力が不適当な場合にも圧子１を所定の速度で目標深さＳＤに到達させる他の方法として、圧電素子２の押圧速度ＬＶを、図６に示すように、押圧の途中で多段階にまたは連続的に変化させる。すなわち制御装置の押圧長さ制御部７２１においてＤt ＝ＳＤとなるように圧電素子２の押圧長さＬt を制御しながら、押圧速度制御部７２２において計測時点での押入速度ＤＶt が所定の押入速度からずれないように圧電素子２の押圧速度ＬＶt を制御する。図６では接触状態ｔ1 から到達状態ｔ2 に至る途中の１箇所（時刻ｔc ）で押圧速度を変化させているが、複数箇所で折れ線状に変化させてもよく、また連続的に変化させてもよい。
【００４６】
(具体例４)
この具体例では、図１に示す凹部形成工具を用い、１枚の被加工基材Ｗに異なる深さを有する多数の凹部Ｈ…を形成する。
この場合には、被加工基材ＷをＸＹＺ移動台８に載置固定し、圧子１の先端を被加工基材から離間させて初期高Ｆ0 （初期状態）に設定し、前記具体例１〜具体例３のいずれかの方法により１回目の凹部形成操作を行い、ＸＹＺ移動台８をＸ軸またはＹ軸方向に所定距離だけ水平移動して所定の位置で２回目の凹部形成操作を行う、というように凹部形成操作を複数回繰り返す。このとき、それぞれの凹部に対して設定する目標深さＳＤを変化させれば、それぞれ異なる深さおよび口径を有する多数の凹部Ｈ…を形成することができる。この方法で、深さが異なる多数の凹部が隣接して形成された加工製品の一例を図７に示す。
【００４７】
図７において、この凹部加工製品は、先端が球面状の圧子１を用い、金属製の被加工基材Ｗの片面に、所定の規則に従ってそれぞれ目標深さＳＤを変えた多数の微細な凹部Ｈ1 ，Ｈ2 ，Ｈ3 …が互いに隣接して形成されている。このような凹部加工製品は、１視点において明るさが均一に見える光透過型マット板や広い視野角に均一に光を反射する乱反射板を作成する際の母型などとして有用である。この母型を元に作成された前記光透過型マット板は、例えば一眼レフカメラにおけるファインダグラスとして、また前記の乱反射板は、例えば透過型液晶表示板におけるバックライト用反射板などとして用いることができる。
【００４８】
前記具体例４において、１枚の被加工基材Ｗに異なる深さを有する多数の凹部Ｈ…を形成する場合は、被加工基材Ｗの面が傾斜していたり、うねりがあると、得られた凹部の深さが目標深さＳＤからずれる場合もある。このときは、制御装置の初期状態調整部７３が、圧子１の初期高Ｆ0 を計測し、各回の凹部形成操作における前記初期高Ｆ0 が常に一定になるように初期状態において圧電素子２に負荷するバイアス電圧を制御する。
【００４９】
図１に示した凹部形成工具は、弾性部材として単一環式の環状弾性部材３を用いたが、本発明に用いる弾性部材は押圧手段の押圧軸と同軸の弾性伸縮軸を有するものであれば、前記に限定されるものではない。例えば螺旋バネ式や板バネ式のもの、或いはゴム状弾性体であってもよい。また、環状弾性部材であって、前記の単一環式以外に、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すような複合型の環状弾性部材も用いることができる。
【００５０】
図８（ａ）は、押圧軸Ｐと同軸の弾性伸縮軸を共有し互いに直交する二つの環状弾性部材３，３が組合わされている。図８（ｂ）は、二つの環状弾性部材が組合わされ、その一方の環状弾性部材３は押圧軸Ｐと同軸の弾性伸縮軸を有し、他方の環状弾性部材３ａは、前記環状弾性部材３の直径を通りかつ押圧軸Ｐと直交する弾性伸縮軸Ｑを有している。図８（ｃ）は、押圧軸Ｐと同軸の弾性伸縮軸を有する環状弾性部材３の内側に、斜行する十字形の支持板３ｂ，３ｂがはめ込まれている。図８（ｄ）は、押圧軸Ｐと同軸の弾性伸縮軸を有する環状弾性部材３の内側に、押圧軸Ｐと直交し上下２段に配置された支持板３ｃ，３ｃが装着されている。図８（ｅ）は、押圧軸Ｐと同軸の弾性伸縮軸を有する環状弾性部材３を挟む両側面に押圧軸Ｐと直交する支持板３ｄ，３ｄが装着されている。これら図８（ａ）〜図８（ｅ）の環状弾性部材はいずれも、一定応力下での環状弾性部材３の収縮抵抗力を高め、圧電素子２の押圧力が環状弾性部材の収縮のために過度に消費されないようにして、緩衝力を維持しながら一定の押圧力でより深い凹部の形成を可能とするものである。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の凹部形成工具は、圧子と、押圧手段と、この圧子と押圧手段との間に介在し、前記押圧手段の押圧軸と同軸の弾性伸縮軸を有する弾性部材とを有し、かつ押入モード計測手段と押圧モード制御手段とを有しているので、被加工基材の表面に微細な凹部を高速で形成する際にも、被加工基材の組織や凹部形成工具を破壊せず、しかも所望の深さの凹部を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の凹部形成工具の一具体例を示す側面図
【図２】  前記具体例における制御装置の一例を示す構成図
【図３】  （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、順次に本発明の凹部形成方法の一具体例におけるステップを示す側面図
【図４】  本発明の凹部形成方法における制御モードの一例を示すグラフ
【図５】  図４に対応する凹部形成方法の参照例における制御モードの一例を示すグラフ
【図６】  本発明の凹部形成方法における制御モードの他の一例を示すグラフ
【図７】  本発明により作成された乱反射板の一例を示す斜視図
【図８】  （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、それぞれ弾性部材の具体例を示す斜視図
【符号の説明】
１：圧子
２：圧電素子
３：環状弾性部材  ３１：座金  ３２：受け座
４：歪みセンサ  ４１：外側歪みセンサ  ４２：内側歪みセンサ
５：ストッパ
６：台座
７：制御装置
７１：押入モード計測部
７１１：差動アンプ
７１２：押入深さ計算部
７１３：押入速度計算部
７２：押圧モード制御部
７２１：押圧長さ制御部
７２２：押圧速度制御部
７３：初期状態調整部
７４：移動制御部
８：ＸＹＺ移動台
Ｗ：被加工基材
Ｈ：凹部
Ｌ：押圧長さ  Ｌt ：計測時点の押圧長さ  Ｌmax ：最大押圧長さ
ＬＶ：押圧速度  ＬＶt ：計測時点の押圧速度
Ｂ：収縮長さ  Ｂ0 ：無収縮状態   Ｂt ：計測時点の収縮長さ  Ｂmax ：収縮限界
Ｄ：押入深さ  Ｄt ：計測時点の押入深さ  ＳＤ：目標深さ
ＤＶt ：計測時点の押入速度  ＳＤＶt ：予定押入速度
Ｐ：押圧軸
Ｆ：空走距離  Ｆ0 ：初期状態
Ｅ，Ｅ41，Ｅ42：歪み情報
ｔ0 ，ｔ1 ，ｔ2 ，ｔ3 ：時刻
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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