JP2000263380A - 工作物の加工方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度に工作物加工面の高さ分布を計測し
て、所望の切込みで加工を行うことができる工作物の加
工方法およびその装置を提供すること。 【解決手段】 工作物高さ分布計測手段として光学焦点
距離を直接測定する方式の光学式非接触変位計である、
たとえば共焦点方式レーザフォーカス変位計３３を用
い、得られた高さ情報を工具経路分析手段２８に導入し
て工作物Ｗの加工面の切込みが加工領域全域にわたって
一定となるような工具経路を分析し、該分析結果に基づ
いてＰＬＣ部を介して工具部２９の駆動制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作物の加工面の
高さ分布や複数の工作物間における高さバラツキに追従
して一定の切込みで加工を行うようにした工作物の加工
方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気ヘッドや光学ピックアップに代表さ
れる電子部品の多くは、その製造工程に精密機械加工工
程を有しており、外周刃ブレード砥石やエンドミルなど
による微細溝加工工程が含まれているものも少なくな
い。

【０００３】大量生産される精密機械部品や精密電子部
品の製造工程では、加工精度と同時に量産性や低生産コ
ストが要求される。このため、工作物の加工面の寸法分
布や、複数の工作物を同時に加工する際における工作物
間の加工面の寸法バラツキが加工精度に直接影響を与え
る場合には、これら加工面の工作物の寸法分布あるいは
寸法バラツキに併せて工作物に対する工具の相対経路を
変化させることによって、加工前の工作物の寸法分布あ
るいは寸法バラツキを抑制するよりも、量産性や低生産
コストの観点及び精度面からも良好な結果が得られる場
合がある。

【０００４】例えば図８から図１０に示すように、定盤
２に取り付けられた工作物１に対する溝加工は、ブレー
ド砥石３やエンドミル４あるいはフライスカッター５な
どの工具を矢印ａの方向に回転させながら矢印ｂの水平
方向に移動させることによって行われる。このとき、工
作物１の取り付け精度、工作物１や取付具の寸法精度な
どの影響によって、工作物加工面の高さ分布が生じた
り、複数の工作物を同時に加工する場合ではそれぞれの
高さにバラツキが生じたりすることが避けられない。図
１１を参照して説明すると、複数の工作物間に存在する
高さバラツキに依存して、工作物１の各々の溝深さ（切
込み）１１にも分布が生じる。また図１２を参照して、
工作物１の表面（加工面）に曲線１２で示すような高さ
分布が生じている場合にも、この高さ分布に応じて溝深
さ１１に分布が生じる。なお、符号１３は工作物１の表
面うねりの仮想中心線を示しており、１４は溝底面を示
している。

【０００５】このように、要求されている溝深さ精度よ
りも加工前の工作物の高さ精度を十分高くすることが生
産コスト上あるいは技術的に困難な場合には、プリプロ
セス計測（加工前の計測）あるいはインプロセス計測
（加工中の計測）で工作物高さを測定して工具の駆動を
制御する駆動系へフィードバックし、工具を工作物の高
さ分布に追従させて加工を行うことによって、図１３に
示すような工作物１の表面うねりに追従した溝底面１
４’が得られ、所望の溝深さ精度を得ることができる。

【０００６】また図１４及び図１５に示すように、矢印
ｃの方向に回転する円柱状の工作物６の側面又は端面に
工具７を押し当てて溝８、９を形成する場合にも、上述
と同様なことがいえる。さらに図１６に示すように、特
に方形溝以外の溝形状（図では三角形状）の溝１５を形
成する場合であって表面での溝幅１６が規定されている
ときにも、工作物１７の加工面の寸法分布やバラツキが
溝幅１６の寸法精度に直接影響を与えるため、工具を加
工面の寸法分布に追従させる加工方式が有効である。

【０００７】そこで、従来では、プリプロセスあるいは
インプロセスで工作物の高さを計測する手段として、接
触式変位計や、例えば三角測量方式を応用した三角測距
方式レーザ変位計などの非接触式変位計を用いていた。
接触式変位計では、触針を測定対象物に接触させながら
スキャンすることにより測定対象物の高さ分布を測定す
る。三角測距方式レーザ変位計では、その測定原理を図
１７及び図１８を参照して説明すると、発光素子である
半導体レーザ１８からの光Ｌ１を投光レンズ１９を通し
て測定対象物２０にあて、その返ってくる光Ｌ２、Ｌ
２’を受光レンズ２１を通して光位置検出素子２２上に
スポットを結び、その位置の変化で測定対象物２０の変
位ｄを測定する。

【０００８】ここで図１７は、レーザ光を測定対象物２
０に対して垂直に入射させてその散乱光を検出する構成
例で、表面粗度が大きい測定対象物に主として適用され
る。また図１８は、正規に反射されるレーザ光の反射光
を検出する構成例で、表面粗度が小さな測定対象物に主
として適用される。

【０００９】しかしながら、一方の接触式変位計では、
工作物が高温の場合、あるいは工作物が軟らかい場合や
触針の接触圧が大きい場合には、触針が損傷したり、あ
るいは工作物の形が損なわれてしまい、その分、工作物
の高さ分布測定に誤差を生じさせる。

【００１０】他方、三角測距方式レーザ変位計では、工
作物の材質や色、工作物の表面粗さあるいは工作物の傾
きなどの影響によって、光の反射率及び反射角が変化し
て反射光を正確に測定することができなかったり、工作
物の表面で散乱した光が同時に光位置検出素子２２に入
射したりして、工作物の高さ分布計測を正常に行うこと
ができない場合がある。例えば、磁気ヘッドのような異
種材料を接合した構造物の計測は困難であった。

【００１１】このように従来の技術では、工作物の性状
によってはその加工面の高さ分布を正確に計測すること
ができない場合があり、従って、例えば寸法精度が±５
μｍ程度の高い加工精度への要求に対応することが困難
であった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の問題に
鑑みてなされ、高精度に工作物加工面の高さ分布を計測
して、所望の切込みで加工を行うことができる工作物の
加工方法およびその装置を提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するに
当たり、本発明は、工作物高さ分布計測手段として、光
学焦点距離を直接測定する方式の光学式非接触変位計で
ある、たとえば共焦点方式レーザフォーカス変位計を採
用することにより、工作物がレーザ光の焦点位置にある
ときとないときとでの受光強度でもって、正確に工作物
の高さを計測することができる。したがって、工作物の
材質や色、工作物の表面粗さや硬度、工作物の傾きなど
の影響によらず高精度な高さ分布計測が可能となり、例
えば溝深さ（切込み）寸法精度が±５μｍ程度の高精度
な溝加工を行うことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１５】図１は、本発明の実施の形態による工作物
の加工装置の全体構成を示すブロック図である。加工装
置２５は、主として、数値制御加工機２６と、工作物高
さ分布計測手段２７と、工具経路分析手段２８とから成
る。

【００１６】数値制御加工機２６は、外周刃ブレード砥
石やエンドミル、フライスカッターなどの工作物Ｗに対
して加工を行う工具部２９と、工作物Ｗ及び高さの基準
物Ｐをクランプするテーブル３０と、工具部２９及び／
又はテーブル３０を駆動する駆動系のシーケンス制御を
行うＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントロー
ル）部３１と、数値制御部３２とから成る。

【００１７】工作物高さ分布計測手段２７は、工作物高
さ分布計測用共焦点方式レーザフォーカス変位計計測ヘ
ッドと一体化したツールスコープ（以下、共焦点方式レ
ーザフォーカス変位計とする。）３３と、この計測ヘッ
ド３３の駆動を制御するコントローラ３４とから成り、
工具経路分析手段２８は、工作物高さ分布計測用共焦点
方式レーザフォーカス変位計で得られた情報を工作物の
高さ情報に変換する工具経路分析部３５と、この工具経
路分析部３５で得られた工作物加工の工具経路情報を数
値制御プログラムに変換する数値制御プログラム生成器
３６とから成り、コンピュータなどを利用して実現され
る。

【００１８】図２は、共焦点方式レーザフォーカス変位
計３３の測定原理を示す図である。光源である半導体レ
ーザ３７から出たレーザ光は、ハーフミラー３８、コリ
メーターレンズ３９及び対物レンズ４０を通って測定対
象物である工作物Ｗ上で小さなスポットとなり、そのレ
ーザ光は反射して再びハーフミラー３８まで戻ってここ
で直角に反射し、スクリーン４１のピンホール４１ａに
集光される。このとき工作物Ｗがレーザ光の焦点位置に
あれば、その反射光はピンホール４１ａを通過して受光
素子４２まで到達し、焦点でない位置にある場合には、
反射光はピンホール４１ａの位置でぼやけてしまうた
め、ほとんどの光がピンホール４１ａを通過することが
できず、受光素子４２は光を感知することができない。
この原理を応用して、本実施の形態では、受光素子４２
の出力に基づいて制御回路３４Ａが駆動部３４Ｂを介し
て対物レンズ４０を機械的に動かして、動いているうち
のどこかで工作物Ｗに焦点を結び、そのときの対物レン
ズ４０の位置を測ることによって工作物Ｗまでの距離を
測るようにしている。

【００１９】図３は、本発明の実施の形態による加工装
置２５の全体図である。数値制御加工機２６としては溝
加工機（スライシングマシン）が使用され、外周刃ブレ
ード砥石を使用した工具部２９、工作物Ｗ及び高さ基準
物Ｐをクランプするテーブル３０、数値制御部３２を備
えている。高さ基準物Ｐは、本実施の形態では工作物Ｗ
の加工面の高さに設定されている。

【００２０】なお、工具経路分析手段としてのコンピュ
ータ２８と数値制御部３２との間、工作物高さ分布計測
手段２７のコントローラ３４と共焦点方式レーザフォー
カス変位計３３との間、及び、コンピュータ２８とコン
トローラ３４との間は、それぞれケーブル５８、５９及
び６０を介して接続されている。また、工具部２９及び
共焦点方式レーザフォーカス変位計３３はともに、図示
しない支持手段にされており、テーブル３０に対してそ
れぞれ独立して相対移動可能となっている。

【００２１】本実施の形態における工作物Ｗは磁気ヘッ
ドブロックであり、溝加工機２６により磁気ヘッドブロ
ックＷに対して図示しない磁気テープの当たり幅規制溝
の加工を行う。この溝加工工程終了後、磁気ヘッドブロ
ックＷは所定長さに切り出されて実用に供される。磁気
ヘッドブロックＷは、第４図に示すように作業性をよく
するためにブロック用定盤４４に接着剤等により貼り付
けられている。さらに当該溝加工工程では、生産性を上
げるために複数のブロック用定盤４４を定盤４５上に位
置決め配列した状態で行われる。

【００２２】図５に示すように、磁気ヘッドブロックＷ
はフェライト製の基盤４６と、そのギャップＧの部分が
磁性膜４７及びガラス材４８で成る異種材料構造体であ
り、その加工対象面は曲面になっている。溝深さ（切込
み）は曲面の最も高い位置を基準に規定されている。磁
気ヘッドブロックＷの加工対象面の最も高い位置は、ブ
ロックＷをブロック用定盤４４に貼り付ける際の貼付精
度で若干の誤差が生じるが、目的の溝深さ精度に比べて
十分に小さいため、無視することができる。

【００２３】次に、本実施の形態の作用について説明す
ると、磁気ヘッドブロックＷをそれぞれ貼り付けた複数
本（本実施の形態では３本）のブロック用定盤４４を定
盤４５上に貼り付ける。このとき、各磁気ヘッドブロッ
クＷは工具部２９の進行方向に対して所定角度傾斜して
配列されているが、これは、磁気テープをその長手方向
と所定角度傾斜した状態で磁気ヘッドに摺接させる仕様
に対応させるためのものである。

【００２４】磁気ヘッドブロックＷの配置後、本実施の
形態では先ず、図６に示すように、磁気ヘッドブロック
Ｗをブロック用定盤４４および定盤４５に貼り付けた工
作物単位５５と、高さの相対測定をするために高さ基準
物Ｐを基準定盤４９に貼り付けた高さ基準器５６とをテ
ーブル３０に固定した状態で、共焦点方式レーザフォー
カス変位計の計測ヘッド３３を予め用意された溝加工機
２６の数値制御プログラムで矢印Ｓ方向に走査させ、高
さ基準器５６の高さを基準とした工作物単位５５の相対
測定を行う。

【００２５】計測された情報は、コンピュータ２８に供
給され、各磁気ヘッドブロックＷの高さを基準物Ｐから
の相対高さ情報として算出して溝深さの基準となる位置
を認識する。そして、その相対高さ情報に基づいて全て
の磁気ヘッドブロックＷの加工領域における溝深さ（切
込み）が一定となるような加工工具経路が導出され、数
値制御プログラムを生成し、数値制御部３２に登録され
る。各磁気ヘッドブロックＷの加工面は、数値制御部３
２に登録されたプログラムを実行することによって所定
の溝加工が行われる。

【００２６】なお、各磁気ヘッドブロックＷに対する高
さバラツキに追従した溝加工を行う上での工具経路の制
御は、図２に示すように、工具部２９の駆動制御もしく
はテーブル３０の駆動制御、あるいはこれら両者の駆動
制御によって行うことが可能であるが、本実施の形態で
は、工具部２９の駆動制御でもって行うようにしてい
る。

【００２７】以上述べたように、本実施の形態では、種
々の異なった材料で構成された工作物が高さバラツキを
有し、工作物の加工対象面が曲面になっており、加工対
象曲面の最も高い位置や最も低い位置など幾何学的に一
義的に決定できる位置を基準として溝深さが規定された
溝加工において、加工前に光学焦点距離を直接測定する
方式の光学式非接触変位計である、たとえば共焦点方式
レーザフォーカス変位計を用いて工作物の高さ分布を計
測し、その情報に基づいて全ての工作物の全ての位置に
おける溝深さが一定となるような加工工具経路を加工前
に工具経路分析手段を利用して導出し、得られた工具経
路情報に従って溝加工装置を制御し、溝加工を行うよう
にしている。

【００２８】そこで本実施の形態によれば、工作物Ｗの
高さ分布を光学焦点距離を直接測定する方式の光学式非
接触変位計である、たとえば共焦点方式レーザフォーカ
ス変位計を用いて計測するようにしているので、工作物
Ｗがレーザ光の焦点位置にあるときとないときとでの受
光素子４２が受ける受光強度でもって、正確に工作物の
高さを計測することができる。したがって、工作物の材
質や色、工作物の表面粗さや硬度、工作物の傾きなどの
影響によらず高精度な高さ分布計測が可能となり、例え
ば溝深さ寸法精度が±５μｍ程度の高精度な溝加工を行
うことができる。

【００２９】これにより、溝深さ精度に直接影響を与え
ていた定盤や取付け具の高さ精度、取付け精度、工作物
自体のもつ高さ分布などが本実施の形態によりほとんど
影響しなくなるため、格段に高精度な溝深さを実現する
ことが可能となる。したがって、溝深さ精度を確保する
ために十分な高さ精度を持つ定盤や取付具が必要でなく
なり、定盤類のコスト抑制及び定盤管理の簡素化を図る
ことができる。

【００３０】さらに、前工程における工作物自体の高さ
などの精度、あるいは段取り作業における定盤や取付け
具の取付け精度が厳しく要求されることがなくなり、結
果として段取り作業の簡素化を図ることができる。

【００３１】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発
明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

【００３２】例えば以上の実施の形態では、工作物の高
さ分布の計測を溝加工の前に行うようにしたが、これに
限らず、溝加工の加工中に行うようにしてもよい。すな
わち計測ヘッド３３で工作物Ｗの高さ分布を計測し加工
工具経路を導出しながら、この経路に沿って工具部２９
を駆動制御して溝加工を行うようにしてもよい。

【００３３】また以上の実施の形態では、図１に示した
ように数値制御部３２と、工具経路分析部３５で得られ
た工作物加工の工具経路情報を数値プログラムに変換す
る数値制御プログラム生成器３６とを図７に示すように
コンピュータ数値制御装置５１として１つにして、数値
制御加工機２６’および工具経路分析手段２７’を構成
するようにしてもよい。

【００３４】さらに以上の実施の形態では工作物の加工
装置における数値制御加工機２６として溝加工機を例に
とって説明したが、これに限らず、例えば厳しい加工精
度が要求された有底孔を形成するための穿孔機（ドリ
ル）や、半導体ウェーハなどの薄板状工作物の表面研削
機などにも、本発明は適用可能である

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の工作物の加
工方法およびその装置によれば、工作物の材質や色、工
作物の表面粗さや硬度、工作物の傾きなどの影響によら
ず高精度な高さ分布計測が可能となり、例えば溝深さ寸
法精度が厳しく要求されている高精度な溝加工を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による溝加工装置の全体を
示すブロック図である。

【図２】本発明で採用される共焦点方式レーザフォーカ
ス変位計の測定原理を説明する図である。

【図３】本発明の実施の形態による溝加工装置の全体を
示す斜視図である。

【図４】工作物を位置決め配列する定盤の斜視図であ
る。

【図５】工作物としての磁気ヘッドブロックの構成を説
明する斜視図である。

【図６】共焦点方式レーザフォーカス変位計によって工
作物の高さバラツキを計測している状態を示す斜視図で
ある。

【図７】図１の構成の変形例を示すブロック図である。

【図８】外周刃ブレード砥石で溝加工を行う様子を模式
的に示す斜視図である。

【図９】エンドミルで溝加工を行う様子を模式的に示す
斜視図である。

【図１０】フライスカッターで溝加工を行う様子を模式
的に示す斜視図である。

【図１１】高さにバラツキがある複数の工作物に対して
溝加工を行う様子を模式的に示す側面図である。

【図１２】工作物の加工面の高さ分布（うねり）に追従
しないで溝加工を行ったときの溝深さ分布を模式的に示
す断面図である。

【図１３】工作物の加工面の高さ分布（うねり）に追従
して溝加工を行ったときの溝深さ分布を模式的に示す断
面図である。

【図１４】円柱状の工作物の側面に溝加工を行う様子を
模式的に示す斜視図である。

【図１５】円柱状の工作物の端面に溝加工を行う様子を
模式的に示す斜視図である。

【図１６】方形溝以外の溝形状を示す断面図である。

【図１７】従来の工作物高さ計測手段として用いられて
いた三角測距方式レーザ変位計の測定原理を説明する模
式図であって、レーザ光を測定対象物に対して直角に入
射させる形態の計測例である。

【図１８】従来の工作物高さ計測手段として用いられて
いた三角測距方式レーザ変位計の測定原理を説明する模
式図であって、レーザ光を測定対象物に対して傾斜させ
て入射させる形態の計測例である。

【符号の説明】

２５…加工装置、２６…数値制御加工機（溝加工機）、
２７…工作物高さ分布計測手段、２８…工具経路分析手
段、２９…工具部、３０…テーブル、３１…ＰＬＣ部、
３２…数値制御部、３３…共焦点レーザフォーカス変位
計、３４…コントローラ、３５…工具経路分析部、３６
…数値制御プログラム生成器、３７…半導体レーザ、４
０…対物レンズ、４２…受光素子、４５…定盤、Ｐ…高
さ基準物、Ｗ…工作物（磁気ヘッドブロック）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作物の加工面の高さ分布を計測するス
   テップと、前記加工面の高さ分布に基づいて前記加工面
   に対する深さ方向の切込みがすべての加工領域にわたっ
   て一定となるように工具経路を分析するステップとを有
   し、前記加工面の高さ分布に追従して一定の切込みで前
   記加工面を加工する工作物の加工方法において、 前記加工面の高さ分布を、光学焦点距離を直接測定する
   方式の光学式非接触変位計を用いて計測するようにした
   ことを特徴とする工作物の加工方法。
2. 【請求項２】 工作物を固定する定盤と、前記工作物の
   加工面を加工する工具部と、前記工具部による前記加工
   面の加工前又は加工中に前記加工面の高さ分布を計測す
   る工作物高さ分布計測手段と、前記工作物高さ分布計測
   手段で得られた情報に基づいて前記加工面に対する前記
   工具部の加工経路を算出する工具経路分析手段と、前記
   工具経路分析手段で得られた情報に基づいて前記工具部
   及び／又は前記定盤の駆動を数値制御する数値制御手段
   とを備えた工作物の加工装置において、 前記工作物高さ分布計測手段は、光学焦点距離を直接測
   定する方式の光学式非接触変位計を有することを特徴と
   する工作物の加工装置。