(57)【要約】【課題】加工点に対して主要構造部分が完全に対称構造で、熱変位に起因する誤差を最小にした５軸制御の超精密工作機械を提供する。【解決手段】ベース１の上面には、Ｘ軸スライダ３を挟んでＸ軸方向の両側に、一対のＹ軸案内部材４１、４１が固定され、Ｙ軸スライダ４、４をＸ軸に直交する水平なＹ軸方向に移動可能に案内する。Ｙ軸リニアモータ４２、４２、Ｙ軸案内部材４１、４１が、Ｙ軸スライダ４、４の質量の中心に配置されているため、振動や位置決め誤差を最小にして、Ｙ軸スライダ４をＹ軸方向に駆動することができる。【選択図】図１
2010058263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベース上に水平なＸ軸方向に移動可能に設けられたＸ軸スライダ（３）と、
前記ベース上に前記Ｘ軸スライダの質量の中心に対して対称位置に配置され、前記Ｘ軸スライダをＸ軸方向に移動可能に案内する一対のＸ軸案内部材（３１）と、
前記ベース上に前記Ｘ軸スライダの質量の中心に対して対称位置に配置され、前記Ｘ軸スライダをＸ軸方向に駆動する一対のＸ軸リニアモータ（３２）と、
前記Ｘ軸スライダに搭載され、ワークが載置されるテーブル（３３）と、
前記ベース上に、前記Ｘ軸スライダを挟んでＸ軸方向の両側に各々配置され、前記Ｘ軸に直交する水平なＹ軸方向に移動可能に設けられた一対のＹ軸スライダ（４）と、
前記ベース上に、前記Ｘ軸スライダを挟んでＸ軸方向の両側に各々配置され、前記Ｙ軸スライダをＹ軸方向に移動可能に案内する一対のＹ軸案内部材（４１）と、
前記ベース上に、前記Ｘ軸スライダを挟んでＸ軸方向の両側に、前記Ｙ軸スライダの質量の中心に対して対象位置に配置され、前記Ｙ軸スライダをＹ軸方向に駆動する一対のＹ軸リニアモータ（４２）と、
前記一対のＹ軸スライダの各々に、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸の両方に直交する垂直なＺ軸方向に移動可能に設けられた一対のＺ軸スライダ（５）と、
前記一対のＹ軸スライダの各々に、前記Ｚ軸スライダの質量の中心に対して対称位置に配置され、前記一対のＺ軸スライダをＺ軸方向に移動可能に案内する２対のＺ軸案内部材（５１）と、
前記一対のＹ軸スライダの各々に、前記Ｚ軸スライダの質量の中心に対して対称位置に配置され、前記一対のＺ軸スライダをＺ軸方向に駆動する２対のＺ軸リニアモータ（５２）と、
Ｘ軸方向の両端が、前記Ｚ軸スライダの各々に、Ｘ軸に平行なＡ軸を中心にして回転割り出し可能に軸支された主軸頭支持ビーム（６）と、
前記主軸頭支持ビームのＸ軸方向の中央位置に取り付けられ、工具を保持する主軸を有する主軸頭（６１）と
を備えたことを特徴とする超精密工作機械。
【請求項２】
請求項１に記載された超精密工作機械において、
前記テーブルは、Ｚ軸に平行なＣ軸を中心にして回転割り出し可能に軸支されるＣ軸テーブルである
ことを特徴とする超精密工作機械。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された超精密工作機械において、
前記主軸頭支持ビームには、
前記Ａ軸の中心軸線に対する主軸頭支持ビーム及び主軸頭の質量のアンバランスを補正するカウンターウエイトが取り付けられている
ことを特徴とする超精密工作機械。
【請求項４】
請求項１又は２に記載された超精密工作機械において、
前記Ｘ軸案内部材、Ｙ軸案内部材、Ｚ軸案内部材、Ｃ軸テーブルの軸支部、主軸頭支持ビームの軸支部が静圧空気軸受で構成されている
ことを特徴とする超精密工作機械。
【請求項５】
請求項１又は２に記載された超精密工作機械において、
前記Ｃ軸テーブルの回転割り出し及び主軸頭支持ビームの回転割り出しが、ダイレクトドライブモータによって行われる
ことを特徴とする超精密工作機械。
【請求項６】
請求項１又は２に記載された超精密工作機械において、
前記ベースを支持する上部フレームと、
前記上部フレームを支持して床に配置された下部フレームと、
前記上部フレームと下部フレームとの間に介在され、床からベースに伝えられる振動を減少させる空圧制御の除振装置と
を備えたことを特徴とする超精密工作機械。
【請求項７】
請求項１又は２に記載された超精密工作機械において、
前記ベースは花崗岩で形成され、前記Ｘ軸案内部材、前記Ｙ軸案内部材及び前記Ｚ軸案内部材の素材はアルミナセラミックである
ことを特徴とする超精密工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械、特に、５軸制御の超精密工作機械に関する。更に詳しくは、マイクロメートルレベルの構造体や曲面で構成され、面粗さがナノメートルレベルのワークを機械加工するための超精密工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学、バイオテクノロジー、エレクトロニクス、メカトロニクス等の分野では、導光板、マイクロ針アレイ、マイクロ流路、マイクロ・プリズム・レトロリフレクター、レンズアレイ等の精密な部品が使用される。これらの精密な部品は、マイクロメートルレベルの構造体や曲面で構成され、ナノメートルレベルの面粗さが要求される。これらの部品のほとんどは、プラスチックやガラスの成形品のため、これらの部品を量産するための金型が必要となる。
【０００３】
この金型を機械加工するには、ナノメートルレベルで、工具やワークの位置を制御する超精密工作機械が必要となる。特許文献１に開示されている超精密工作機械は、テーブルや加工ヘッドを、リニアモータと静圧空気軸受によって非接触で駆動し、非接触式のリニアエンコーダで、テーブルや加工ヘッドの位置を検出している。また、テーブルや加工ヘッドの中心に対して対称の位置に、一対のリニアモータを配置して、テーブルや加工ヘッドの質量の中心（重心）を等距離から駆動することによって、ナノメートルレベルの加工精度を実現している。
【０００４】
しかし、特許文献１の工作機械は、テーブルや加工ヘッドが、加工点に対して非対称に配置されているため、テーブルや加工ヘッドの熱変位に起因する加工誤差が生じる恐れがある。また、加工ヘッドがコラムにオーバーハングして支持されているため、工具とワークの間の力のループの長さが長くなり、各部の弾性変形が蓄積されて、工具とワークとの間に運動誤差が生じる。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６８７０２８６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、加工点に対して主要構造部分が完全に対称構造で、熱変位に起因する誤差を最小にした５軸制御の超精密工作機械を提供することにある。
本発明の他の目的は、全５軸を移動台の質量の中心の等距離位置から駆動して、振動や位置決め誤差を最小にした５軸制御の超精密工作機械を提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、工具とワークの間の力のループの長さが短く、各部の弾性変形の影響を最小にした５軸制御の超精密工作機械を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、熱源となるモータを切削領域から離し、かつ、均等に配置して、熱変形を均一にし、熱変位に起因する誤差を最小にした５軸制御の超精密工作機械を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、機械のベースを振動分離構造によって支持して、地面の振動の影響を最小にした５軸制御の超精密工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題は以下の手段によって解決される。
すなわち、第１番目の発明の超精密工作機械は、
ベースと、
前記ベース上に水平なＸ軸方向に移動可能に設けられたＸ軸スライダ（３）と、
前記ベース上に前記Ｘ軸スライダの質量の中心に対して対称位置に配置され、前記Ｘ軸スライダをＸ軸方向に移動可能に案内する一対のＸ軸案内部材（３１）と、
前記ベース上に前記Ｘ軸スライダの質量の中心に対して対称位置に配置され、前記Ｘ軸スライダをＸ軸方向に駆動する一対のＸ軸リニアモータ（３２）と、
前記Ｘ軸スライダに搭載され、ワークが載置されるテーブル（３３）と、
前記ベース上に、前記Ｘ軸スライダを挟んでＸ軸方向の両側に各々配置され、前記Ｘ軸に直交する水平なＹ軸方向に移動可能に設けられた一対のＹ軸スライダ（４）と、
前記ベース上に、前記Ｘ軸スライダを挟んでＸ軸方向の両側に各々配置され、前記Ｙ軸スライダをＹ軸方向に移動可能に案内する一対のＹ軸案内部材（４１）と、
前記ベース上に、前記Ｘ軸スライダを挟んでＸ軸方向の両側に、前記Ｙ軸スライダの質量の中心に対して対象位置に配置され、前記Ｙ軸スライダをＹ軸方向に駆動する一対のＹ軸リニアモータ（４２）と、
前記一対のＹ軸スライダの各々に、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸の両方に直交する垂直なＺ軸方向に移動可能に設けられた一対のＺ軸スライダ（５）と、
前記一対のＹ軸スライダの各々に、前記Ｚ軸スライダの質量の中心に対して対称位置に配置され、前記一対のＺ軸スライダをＺ軸方向に移動可能に案内する２対のＺ軸案内部材（５１）と、
前記一対のＹ軸スライダの各々に、前記Ｚ軸スライダの質量の中心に対して対称位置に配置され、前記一対のＺ軸スライダをＺ軸方向に駆動する２対のＺ軸リニアモータ（５２）と、
Ｘ軸方向の両端が、前記Ｚ軸スライダの各々に、Ｘ軸に平行なＡ軸を中心にして回転割り出し可能に軸支された主軸頭支持ビーム（６）と、
前記主軸頭支持ビームのＸ軸方向の中央位置に取り付けられ、工具を保持する主軸を有する主軸頭（６１）とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
第２番目の発明の超精密工作機械は、第１番目の発明の超精密工作機械において、
前記テーブルは、Ｚ軸に平行なＣ軸を中心にして回転割り出し可能に軸支されるＣ軸テーブルであることを特徴とする。
【００１０】
第３番目の発明の超精密工作機械は、第１又は２番目の発明の超精密工作機械において、前記主軸頭支持ビームには、
前記Ａ軸の中心軸線に対する主軸頭支持ビーム及び主軸頭の質量のアンバランスを補正するカウンターウエイトが取り付けられていることを特徴とする。
【００１１】
第４番目の発明の超精密工作機械は、第１又は２番目の発明の超精密工作機械において、前記Ｘ軸案内部材、Ｙ軸案内部材、Ｚ軸案内部材、Ｃ軸テーブルの軸支部、主軸頭支持ビームの軸支部が静圧空気軸受で構成されていることを特徴とする。
第５番目の発明の超精密工作機械は、第１又は２番目の発明の超精密工作機械において、前記Ｃ軸テーブルの回転割り出し及び主軸頭支持ビームの回転割り出しが、ダイレクトドライブモータによって行われることを特徴とする。
【００１２】
第６番目の発明の超精密工作機械は、第１又は２番目の発明の超精密工作機械において、前記ベースを支持する上部フレームと、前記上部フレームを支持して床に配置された下部フレームと、前記上部フレームと下部フレームとの間に介在され、床からベースに伝えられる振動を減少させる空圧制御の除振装置とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
第７番目の発明の超精密工作機械は、第１又は２番目の発明の超精密工作機械において、前記ベースは花崗岩で形成され、前記Ｘ軸案内部材、前記Ｙ軸案内部材及び前記Ｚ軸案内部材の素材はアルミナセラミックであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の超精密工作機械は、加工点に対して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の主要構造部分が完全に対称構造で、主要構造部分が、花崗岩やアルミナセラミック等の無機物で形成されているため、熱変位に起因する誤差が最小で、ナノメートルレベルのワークを高精度に機械加工することができる。また、本発明の実施の形態の超精密工作機械は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｃ軸の全５軸を質量の中心で駆動するため、振動や位置決め誤差を最小にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態の超精密工作機械を示す全体斜視図である。図２は、図１の超精密工作機械のベースを支持する上部フレームと下部フレームを示す斜視図である。
【００１６】
図１、図２に示すように、本発明の実施の形態の超精密工作機械を支持する矩形形状のベース１の素材は、熱膨張率の小さい花崗岩である。ベース１は、図２に詳細に示すように、床上に配置された下部フレーム２２上に載置された上部フレーム２１上に載置されている。上部フレーム２１と下部フレーム２２は、断面形状が矩形のチューブ材（内部が中空である管材）を溶接して形成されている。下部フレーム２２の４角の下面には、レベリング装置２２１が配置されており、これによって床上に４箇所で下部フレーム２２が支持されている。レベリング装置２２１は、下部フレーム２２の上下方向の高さを調節するものであり、レベリンングシートとレベリングボルトから構成される。
【００１７】
ベース１と上部フレーム２１との間には、ゴム製の支持パッド２１１が３箇所に配置され、ベース１を上部フレーム２１上に支持し、ベース１のねじれを防止している。上部フレーム２１には、上部フレーム２１の４隅に、支持ブラケット２１２が一体的に形成され、支持ブラケット２１２は、上部フレーム２１の上面から上方側に突出している。
【００１８】
この４箇所の支持ブラケット２１２の下面と下部フレーム２２の上面との間に、除振装置２３が４箇所に配置されている。除振装置２３は、コントローラに接続されている振動センサと空圧アクチュエータを有する。振動センサが振動を検知してコントローラに出力信号を送り、コントローラの駆動信号で空圧アクチュエータを駆動して、振動を相殺し、床からベース１に伝えられる振動を減少させる。
【００１９】
図１に詳細に示すように、ベース１の水平な上面には、水平なＸ軸方向に移動可能にＸ軸スライダ３が載置されている。Ｘ軸スライダ３は、Ｘ軸に直交する水平なＹ軸方向に長く延びる矩形形状を有している。ベース１の上面には、一対のＸ軸案内部材３１、３１が固定されている。Ｘ軸案内部材３１、３１は、Ｘ軸スライダ３の質量の中心に対してＹ軸方向の対称位置に配置され、Ｘ軸スライダ３をＸ軸方向に移動可能に案内する。
【００２０】
図１では、一対のＸ軸案内部材３１、３１のうちの手前側の一個のＸ軸案内部材３１だけが示され、もう一つのＸ軸案内部材３１は示されていない。Ｘ軸案内部材３１は、図示されているように、断面形状が矩形であるアルミナセラミックで形成されている。Ｘ軸案内部材３１は、矩形のＸ軸案内部材３１の４側面にＸ軸案内面を形成できるように、Ｘ軸案内部材３１の下面の一部だけが、ベース１の上面に接している。アルミナセラミックは熱膨張率が小さいため、Ｘ軸案内部材３１の熱変位による誤差を最小にすることができる。
【００２１】
Ｘ軸スライダ３とＸ軸案内面との間の軸受隙間には、圧力を調整した加圧空気が供給されて静圧空気軸受を構成している。Ｘ軸スライダ３をＸ軸方向に駆動する一対のＸ軸リニアモータ３２、３２が、Ｘ軸スライダ３の質量の中心に対して対称位置で、Ｘ軸案内部材３１のＹ軸方向の外側に設けられている。断面形状がＵ字状のＸ軸リニアモータ３２の固定子３２１が、Ｘ軸案内部材３１のＹ軸方向の外側で、Ｘ軸案内部材３１に平行に、ベース１の上面に固定されている。
【００２２】
固定子３２１とベース１の上面との間には、固定子３２１をベース１に固定するための固定子台が介在している。固定子３２１には、Ｘ軸方向に多数の磁石列が配列されている。板状の部材である可動子３２２が、Ｘ軸スライダ３のＹ軸方向の外側の側面に、Ｘ軸案内部材３１に平行に配置され、固定されている。可動子３２２は、固定子３２１の磁石列に対向して配列されたコイル列を有する。図１では、一対のＸ軸リニアモータ３２、３２のうちの手前側の一個のＸ軸リニアモータ３２が示され、もう一つのＸ軸リニアモータ３２は示されていない。
【００２３】
Ｘ軸スライダ３には、ワークが載置されるＣ軸テーブル３３が回転割り出し可能に軸支されている。Ｃ軸テーブル３３は、垂直（鉛直）なＺ軸に平行なＣ軸を中心にして回転割り出し可能に軸支されている。Ｃ軸テーブル３３の軸支部（図示せず）には、圧力を調整した加圧空気が供給されて静圧空気軸受を構成している。また、Ｃ軸テーブル３３の回転割り出しは、ダイレクトドライブモータ（図示せず）によって行われる。静圧空気軸受、及びダイレクトドライブモータの構造、機能は、工作機械の当業者には周知の技術であり、かつ本発明の要旨でもないので、その説明は省略する。
【００２４】
一対のＸ軸リニアモータ３２、３２、一対のＸ軸案内部材３１、３１が、Ｘ軸スライダ３の質量の中心に対して対称位置に配置されているため、振動や位置決め誤差を最小にして、Ｘ軸スライダ３をＸ軸方向に駆動することができる。また、Ｘ軸リニアモータ３２、Ｘ軸案内部材３１は、完全に非接触でＸ軸スライダ３をＸ軸方向に駆動するため、バックラッシュエラーが無く、円滑な駆動を行うことができる。
【００２５】
Ｘ軸スライダ３のＸ軸方向の位置を検出する一対のＸ軸リニアエンコーダ３４、３４の読み取りヘッド３４１、３４１が、取り付けブロック３４２、３４２に固定されている。取り付けブロック３４２、３４２は、Ｘ軸リニアモータ３２、３２のＹ軸方向の外側で、ベース１の上面に固定されている。スケール３４３、３４３が、Ｘ軸スライダ３のＹ軸方向の外側の上面に、Ｘ軸案内部材３１、３１に平行に固定されている。スケール３４３、３４３には、多数の格子目盛がＸ軸方向に同一ピッチで形成されている。
【００２６】
各々の読み取りヘッド３４１は、スケール３４３に光を照射する発光素子と、スケール３４３からの反射光を検出する受光素子とを有し、反射光の光量の変化に基づいて、スケール３４３の格子目盛を非接触式に読みとる。図１では、一対のＸ軸リニアエンコーダ３４のうちの手前側の一個のＸ軸リニアエンコーダ３４だけが示され、もう一つのＸ軸リニアエンコーダ３４は省略されている。
【００２７】
ベース１の上面には、Ｘ軸スライダ３を挟んでＸ軸方向の両側に、一対のＹ軸案内部材４１、４１が固定台を介して固定されている。この各Ｙ軸案内部材４１、４１上には、それぞれ移動台４１１が移動自在に搭載されている。この移動台４１１、４１１上には、それぞれＹ軸スライダ４、４が搭載され、かつ固定されている。移動台４１１は、Ｙ軸スライダ４、４を、Ｘ軸に直交する水平なＹ軸方向に移動可能に案内する。図１に示すように、移動台４１１の側面には、Ｙ軸連結板４１２の一端がビスにより固定されており、Ｙ軸連結板４１２の他端は、同様に他方の移動台４１１の側面にビスで固定されている。従って、両移動台４１１、４１１は、互いに連結されていることになるので、両Ｙ軸スライダ４、４は、同期してＹ軸案内部材４１、４１上を移動できることになる。Ｙ軸スライダ４、４は、Ｘ軸方向の幅が狭く、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に長く延びて形成されている。
【００２８】
Ｙ軸案内部材４１、４１は、その断面形状は矩形であり、素材はアルミナセラミックで形成されている。Ｙ軸案内部材４１、４１は、Ｙ軸案内部材４１、４１の４側面にＹ軸案内面を形成できるように、Ｙ軸案内部材４１、４１の下面の一部だけが、即ちその両端のみがベース１の上面に接している。Ｙ軸スライダ４、４とＹ軸案内面との間の軸受隙間には、圧力を調整した加圧空気が供給されて静圧空気軸受を構成している。Ｙ軸スライダ４、４をＹ軸方向に駆動する一対のＹ軸リニアモータ４２、４２が、Ｙ軸案内部材４１、４１のＸ軸方向の外側に設けられている。
【００２９】
Ｙ軸リニアモータ４２、４２は、上部に断面形状がＵ字状の溝を備えた固定子４２１、４２１を有している。固定子４２１、４２１は、Ｙ軸案内部材４１、４１のＸ軸方向の外側で、かつＹ軸案内部材４１、４１に平行に、サブベース１１、１１上に固定されている。ベース１の上面に取り付けられたサブベース１１、１１の素材は、花崗岩である。固定子４２１、４２１には、Ｙ軸方向に多数の磁石列が配列されている。
【００３０】
可動子４２２、４２２の上部が、Ｙ軸スライダ４、４のＸ軸方向の外側面に、Ｙ軸スライダ４、４の質量の中心の位置に、Ｙ軸案内部材４１、４１に平行に固定されている。この可動子４２２、４２２の下部は、固定子４２１、４２１のＵ字状の溝に挿入されている。可動子４２２、４２２は、固定子４２１、４２１の磁石列に対向して配列されたコイル列を有する。図１では、一対のＹ軸リニアモータ４２、４２のうちの手前側の一個のＹ軸リニアモータ４２が示され、もう一つのＹ軸リニアモータ４２の大部分は図示していない。
【００３１】
Ｙ軸リニアモータ４２、４２は、両Ｙ軸スライダ４，４を結合した質量の中心に対して、対象位置に配置され、かつＹ軸スライダ４、４をそれぞれ同期させて駆動されるので、振動や位置決め誤差を最小にして、Ｙ軸スライダ４をＹ軸方向に駆動することができる。また、Ｙ軸リニアモータ４２、Ｙ軸案内部材４１は、完全に非接触でＹ軸スライダ４をＹ軸方向に駆動するため、バックラッシュエラーが無く、円滑な駆動を行うことができる。
【００３２】
Ｙ軸スライダ４のＹ軸方向の位置を検出するＹ軸リニアエンコーダ４４の読み取りヘッド４４１、４４１が、取り付けブロック４４２、４４２に各々固定されている。取り付けブロック４４２、４４２は、Ｙ軸リニアモータ４２、４２の外側で、サブベース１１、１１の上面に各々固定されている。スケール４４３が、Ｙ軸スライダ４のＸ軸方向の外側面に、Ｙ軸案内部材４１に平行に固定されている。
【００３３】
スケール４４３には、多数の格子目盛がＹ軸方向に同一ピッチで形成されている。読み取りヘッド４４１は、スケール４４３に光を照射する発光素子と、スケール４４３からの反射光を検出する受光素子とを有し、反射光の光量の変化に基づいて、スケール４４３の格子目盛を非接触式に読みとる。図１では、一対のＹ軸リニアエンコーダ４４、４４のうちの手前側の一個のＹ軸リニアエンコーダ４４が示され、もう一つのＹ軸リニアエンコーダ４４は図示していない。
【００３４】
Ｙ軸スライダ４、４には、Ｘ軸とＹ軸の両方に直交する垂直なＺ軸方向に移動可能にＺ軸スライダ５、５が各々載置されている。Ｙ軸スライダ４、４には、一対のＺ軸案内部材５１、５１が各々固定されている。Ｚ軸案内部材５１、５１は、Ｚ軸スライダ５の質量の中心に対してＹ軸方向の対称位置に配置され、Ｚ軸スライダ５をＺ軸方向に移動可能に案内する。
【００３５】
２対のＺ軸案内部材５１、５１は、断面形状が矩形のアルミナセラミックで形成されている。Ｚ軸案内部材５１、５１は、各々のＺ軸案内部材５１の４側面にＺ軸案内面を形成できるように、Ｚ軸案内部材５１の両端の一部だけが、Ｙ軸スライダ４、４のＸ軸方向の内側面に接している。Ｚ軸スライダ５とＺ軸案内面との間の軸受隙間には、圧力を調整した加圧空気が供給されて静圧空気軸受を構成している。Ｚ軸スライダ５をＺ軸方向に駆動する一対のＺ軸リニアモータ５２、５２が、Ｚ軸スライダ５の質量の中心に対して対称位置で、Ｚ軸案内部材５１のＹ軸方向の外側に設けられている。
【００３６】
Ｚ軸リニアモータ５２、５２の固定子５２１、５２１は、断面形状がＵ字状の溝を備えている。この固定子５２１、５２１は、Ｚ軸案内部材５１、５１のＹ軸方向の外側で、Ｚ軸案内部材５１、５１に平行に、Ｙ軸スライダ４、４のＸ軸方向の内側面に固定されている。固定子５２１、５２１には、Ｚ軸方向に多数の磁石列が配列されている。可動子５２２、５２２が、Ｚ軸スライダ５のＹ軸方向の外側の内側面に、Ｚ軸スライダ５の質量の中心に対して対称位置で、Ｚ軸案内部材５１、５１に平行に固定されている。
【００３７】
可動子５２２、５２２の一端は、固定子５２１、５２１の磁石列に対向して配列されたコイル列を有し、この可動子５２２、５２２の他端は、断面形状がＵ字状の溝に挿入されている。図１では、奥側のＺ軸スライダ５の右側のＺ軸リニアモータ５２だけが、固定子５２１と可動子５２２の両方が示され、他のＺ軸リニアモータ５２は、固定子５２１だけが示されている。
【００３８】
Ｚ軸リニアモータ５２、５２、Ｚ軸案内部材５１、５１が、Ｚ軸スライダ５の質量の中心に対して対称位置に配置されているため、振動や位置決め誤差を最小にして、Ｚ軸スライダ５をＺ軸方向に駆動することができる。また、Ｚ軸リニアモータ５２、Ｚ軸案内部材５１は、完全に非接触でＺ軸スライダ５をＺ軸方向に駆動するため、バックラッシュエラーが無く、円滑な駆動を行うことができる。
【００３９】
Ｚ軸スライダ５のＺ軸方向の位置を検出するＺ軸リニアエンコーダ５４の読み取りヘッド５４１が、Ｚ軸スライダ５のＹ軸方向の外側の内側面の両側に各々固定されている。スケール５４３が、Ｙ軸スライダ４のＸ軸方向の内側面に、Ｚ軸案内部材５１に平行に固定されている。
【００４０】
スケール５４３には、多数の格子目盛がＺ軸方向に同一ピッチで形成されている。読み取りヘッド５４１は、スケール５４３に光を照射する発光素子と、スケール５４３からの反射光を検出する受光素子とを有し、反射光の光量の変化に基づいて、スケール５４３の格子目盛を非接触式に読みとる。図１では、奥側のＺ軸スライダ５の左側のＺ軸リニアエンコーダ５４だけが示され、他のＺ軸リニアエンコーダ５４は図示していない。
【００４１】
主軸頭支持ビーム６のＸ軸方向の両端が、Ｚ軸スライダ５、５の各々に、Ｘ軸に平行なＡ軸を中心にして回転割り出し可能に軸支されている。Ｚ軸スライダ５、５のＡ軸の軸支部には、圧力を調整した加圧空気が各々供給されて、静圧空気軸受を構成している。また、Ｚ軸スライダ５、５のＡ軸の回転割り出しは、各々ダイレクトドライブモータによって行われる。
【００４２】
主軸頭支持ビーム６のＸ軸方向の中央位置には、主軸頭６１が取り付けられている。主軸頭６１は、回転可能な主軸を有し、エアータービン方式で回転駆動される。主軸頭６１の主軸先端に取り付けた工具６３で、Ｃ軸テーブル３３に取り付けたワークを加工する。主軸頭支持ビーム６のＸ軸方向の両端には、カウンターウエイト６２、６２が取り付けられ、Ａ軸の中心軸線に対する主軸頭支持ビーム６及び主軸頭６１の質量のアンバランスを補正している。図１では、奥側のカウンターウエイト６２だけが示され、他のカウンターウエイト６２は省略されている。
【００４３】
Ａ軸の回転割り出しを行うダイレクトドライブモータが、主軸頭支持ビーム６及び主軸頭６１の質量の中心に対して対称位置に配置されているため、振動や位置決め誤差を最小にして、主軸頭支持ビーム６のＡ軸を中心とした回転割り出しを行うことができる。また、Ａ軸の軸支部は静圧空気軸受で、Ａ軸の回転割り出しはダイレクトドライブモータにより、完全に非接触でＡ軸の回転割り出しを行うため、バックラッシュエラーが無く、円滑な駆動を行うことができる。
【００４４】
上記したように、本発明の実施の形態の超精密工作機械は、加工点に対して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の主要構造部分が完全に対称構造である。また、主要構造部分が、花崗岩やアルミナセラミック等の無機材料で形成されているため、熱変位に起因する誤差が最小で、ナノメートルレベルのワークを高精度に機械加工することができる。
【００４５】
また、本発明の実施の形態の超精密工作機械は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｃ軸の全５軸を質量の中心で駆動するため、振動や位置決め誤差を最小にすることができる。さらに、本発明の実施の形態の超精密工作機械は、主軸頭やテーブルのオーバーハングが小さいため、工具とワークの間の力のループの長さが短く、各部の弾性変形の影響を最小にすることができる。
【００４６】
また、本発明の実施の形態の超精密工作機械は、熱源となるＸ軸リニアモータ、Ｙ軸リニアモータ、Ｚ軸リニアモータモータ、Ａ軸の回転割り出し用ダイレクトドライブモータを切削領域から離し、かつ、均等に配置しているため、熱変形が均一で、熱変位に起因する誤差を最小にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態の超精密工作機械を示す全体斜視図である。
【図２】図１の超精密工作機械のベースを支持する上部フレームと下部フレームを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…ベース
１１…サブベース
２１…上部フレーム
２１１…支持パッド
２１２…支持ブラケット
２２…下部フレーム
２２１…レベリング装置
２３…除振装置
３…Ｘ軸スライダ
３１…Ｘ軸案内部材
３２…Ｘ軸リニアモータ
３２１…固定子
３２２…可動子
３３…Ｃ軸テーブル
３４…Ｘ軸リニアエンコーダ
３４１…読み取りヘッド
３４２…取り付けブロック
３４３…スケール
４…Ｙ軸スライダ
４１…Ｙ軸案内部材
４２…Ｙ軸リニアモータ
４２１…固定子
４２２…可動子
４４…Ｙ軸リニアエンコーダ
４４１…読み取りヘッド
４４２…取り付けブロック
４４３…スケール
５…Ｚ軸スライダ
５１…Ｚ軸案内部材
５２…Ｚ軸リニアモータ
５２１…固定子
５２２…可動子
５４…Ｚ軸リニアエンコーダ
５４１…読み取りヘッド
５４３…スケール
６…主軸頭支持ビーム
６１…主軸頭
６２…カウンターウエイト
６３…工具
【図１】
2010058263.tif 000003
【図２】
2010058263.tif 000004