(57)【要約】【課題】変形や歪みなどが生じることが少なく、主軸ヘッドの軽量化を達成できる工作機械を提供。【解決手段】主軸ヘッド４３は、サドルに昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体５１と、この主軸ヘッド本体に軸受機構５６を介して回転可能に設けられた主軸５２と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源５３とを含んで構成されている。主軸ヘッド本体５１は、炭素繊維強化プラスチックによって、前壁６０、後壁７０、両側壁８０および底壁９０を有する四角筒形状に形成され、内部に主軸を支持した軸受機構５６および回転駆動源５３を収納するとともに、底壁に主軸を突出させる貫通孔９１が貫通形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸ヘッド支持部材と、この主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッドと、この主軸ヘッドを昇降させる昇降機構とを備えた工作機械において、
前記主軸ヘッドは、前記主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に軸受機構を介して回転可能に設けられ先端に工具を有する主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、
前記主軸ヘッド本体は、炭素繊維強化プラスチックによって、前壁、後壁、両側壁および底壁を有する四角筒形状に形成され、内部に前記主軸を支持した軸受機構および回転駆動源を収納するとともに、前記底壁に前記主軸を突出させる貫通孔が貫通形成されている、
ことを特徴とする工作機械。
【請求項２】
請求項１に記載の工作機械において、
前記昇降機構は、前記主軸ヘッド支持部材と前記主軸ヘッド本体との間に設けられたガイド機構およびリニアモータ機構を含んで構成され、
前記リニアモータ機構は、前記主軸ヘッド本体の後壁において前記主軸ヘッド本体の昇降方向に沿って配列されたマグネットと、このマグネットに隙間を隔てて前記主軸ヘッド支持部材の正面に取り付けられたコイルとを含んで構成され、
前記主軸ヘッド本体の後壁には前記マグネットを前記後壁に固定するためのボルトが挿通されるボルト挿通孔が形成されるとともに、前記後壁の内面には前記ボルトが螺合されるマグネット取付プレートが固定されている、
ことを特徴とする工作機械。
【請求項３】
請求項２に記載の工作機械において、
前記ガイド機構は、前記主軸ヘッド本体の後壁に前記マグネットを挟んで前記主軸ヘッド本体の昇降方向に沿って互いに平行に配置された一対のガイドレールと、前記主軸ヘッド支持部材の正面に固定されガイドレールをスライド可能に案内するスライド部材とを含んで構成され、
前記主軸ヘッド本体の後壁には、前記ガイドレールを前記後壁に固定するためのボルトが螺合される複数のナットが埋設されている、
ことを特徴とする工作機械。
【請求項４】
請求項３に記載の工作機械において、
前記主軸ヘッド本体の後壁は、前記前壁および両側壁の厚みよりも厚く形成されている、
ことを特徴とする工作機械。
【請求項５】
請求項４に記載の工作機械において、
前記主軸ヘッド本体の前壁には、作業用孔が形成されている、
ことを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械に関する。特に、微細加工に適した工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工作機械において、生産性向上の要求から、高速化の要請が高まっている。
この要請に応えるべく、工作機械のなかには、軽量化および高剛性を目的として、一部の部品、例えば、クロスレールを炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で一体成形したものが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２６３３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、微細加工を行う工作機械にあっては、特に、主軸ヘッドの軽量化が必須である。そこで、主軸ヘッドを構成する本体部分をＣＦＲＰで構成することが考えられるが、これを前提として（本体部分をＣＦＲＰで構成することを前提として）、より軽量化のために本体部分の肉厚を薄型化すると、変形や歪みが生じ、高精度な加工が期待できない。
【０００５】
本発明の目的は、このような従来の課題に対して、変形や歪みなどが生じることが少なく、主軸ヘッドの軽量化を達成できる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】
【０００６】
本発明の工作機械は、主軸ヘッド支持部材と、この主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッドと、この主軸ヘッドを昇降させる昇降機構とを備えた工作機械において、前記主軸ヘッドは、前記主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に軸受機構を介して回転可能に設けられ先端に工具を有する主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、前記主軸ヘッド本体は、炭素繊維強化プラスチックによって、前壁、後壁、両側壁および底壁を有する四角筒形状に形成され、内部に前記主軸を支持した軸受機構および回転駆動源を収納するとともに、前記底壁に前記主軸を突出させる貫通孔が貫通形成されている、ことを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、主軸やこれを回転駆動させる回転駆動源を収納する主軸ヘッド本体が、炭素繊維強化プラスチックによって、前壁、後壁、両側壁および底壁を有する四角筒形状に形成されているから、変形や歪みなどが生じることが少なく、主軸ヘッドの軽量化を達成できる。従って、主軸ヘッドの高速化が実現できるから、微細可能に適用できるとともに、生産性の向上に寄与できる。
【０００８】
本発明の工作機械において、前記昇降機構は、前記主軸ヘッド支持部材と前記主軸ヘッド本体との間に設けられたガイド機構およびリニアモータ機構を含んで構成され、前記リニアモータ機構は、前記主軸ヘッド本体の後壁において前記主軸ヘッド本体の昇降方向に沿って配列されたマグネットと、このマグネットに隙間を隔てて前記主軸ヘッド支持部材の正面に取り付けられたコイルとを含んで構成され、前記主軸ヘッド本体の後壁には前記マグネットを前記後壁に固定するためのボルトが挿通されるボルト挿通孔が形成されるとともに、前記後壁の内面には前記ボルトが螺合されるマグネット取付プレートが固定されている、ことが好ましい。
【０００９】
このような構成によれば、昇降機構は、ガイド機構およびリニアモータ機構を含んで構成され、リニアモータ機構を構成するマグネットとコイルのうち、マグネットが主軸ヘッド本体の後壁にボルトによって取り付けられる。このとき、主軸ヘッド本体の後壁にはボルトが挿通されるボルト挿通孔が形成され、更に、後壁の内面には、ボルトが螺合されるマグネット取付プレートが固定されているから、マグネットを主軸ヘッド本体の後壁に簡単にかつ強固に固定することができる。
【００１０】
つまり、ボルトをマグネット、主軸ヘッド本体の後壁を通してマグネット取付プレートに螺合するだけで、マグネットを主軸ヘッド本体の後壁に簡単かつ強固に固定することができる。しかも、この状態では、マグネットとマグネット取付プレートとが主軸ヘッド本体の後壁を挟み込んだ状態となるので、つまり、これらのマグネットやマグネット取付プレートが補強材として機能するので、後壁の強度、更には、主軸ヘッド本体の強度を高めることができる。
【００１１】
本発明の工作機械において、前記ガイド機構は、前記主軸ヘッド本体の後壁に前記マグネットを挟んで前記主軸ヘッド本体の昇降方向に沿って互いに平行に配置された一対のガイドレールと、前記主軸ヘッド支持部材の正面に固定されガイドレールをスライド可能に案内するスライド部材とを含んで構成され、前記主軸ヘッド本体の後壁には、前記ガイドレールを前記後壁に固定するためのボルトが螺合される複数のナットが埋設されている、ことが好ましい。
【００１２】
このような構成によれば、ガイド機構を構成する一対のガイドレールとスライド部材のうち、ガイドレールが主軸ヘッド本体の後壁にボルトによって取り付けられる。このとき、主軸ヘッド本体の後壁には、ボルトが螺合されるナットが埋設されているから、ボルトをガイドレールを通して主軸ヘッド本体の後壁に螺合するだけで、ガイドレールを主軸ヘッド本体の後壁に簡単に固定することができる。しかも、この状態では、ガイドレールがマグネットとともに補強材として機能するので、後壁の強度、更には、主軸ヘッド本体の強度をより高めることができる。
【００１３】
本発明の工作機械において、前記主軸ヘッド本体の後壁は、前記前壁および両側壁の厚みよりも厚く形成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、主軸ヘッド本体の後壁は、前壁および両側壁の厚みよりも厚く形成されているから、マグネットやガイドレールを取り付けても十分な強度を確保できる。従って、全体の重量を大幅や増やすことなく、強度が要求される部分のみの肉厚を厚くすることによって対応することができる。
【００１４】
本発明の工作機械において、前記主軸ヘッド本体の前壁には、作業用孔が形成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、主軸ヘッド本体の内部に主軸を支持した軸受機構や回転駆動源を収納、取り付ける際にも、これらの作業用孔を利用して作業することができるから、取り付け作業も容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る工作機械を示す斜視図。
【図２】前記実施形態において、主軸装置およびその周辺部分を示す図。
【図３】前記実施形態において、主軸ヘッドを示す斜視図。
【図４】前記実施形態において、主軸ヘッドを示す横断面図。
【図５】前記実施形態において、主軸ヘッドを示す背面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜実施形態の構成＞
本工作機械は、図１に示すように、ベース１と、このベース１にＸ軸ガイド機構１１およびＸ軸リニアモータ機構１２を介してＸ軸方向へ移動可能に設けられ上面にワークＷを載置するテーブル１３と、このテーブル１３を跨いで設けられた門型コラム２０と、この門型コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸装置３０とから構成されている。
【００１７】
Ｘ軸ガイド機構１１は、ベース１の上面にＸ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール１１Ａと、テーブル１３の下面にガイドレール１１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材１１Ｂとを含んで構成されている。
Ｘ軸リニアモータ機構１２は、ベース１の上面においてガイドレール１１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット１２Ａと、このマグネット１２Ａに隙間を隔ててテーブル１３の下面に取り付けられたコイル１２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
【００１８】
Ｙ軸ガイド機構２１は、図２にも示すように、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面にＹ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール２１Ａと、主軸装置３０の下面にガイドレール２１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材２１Ｂとを含んで構成されている。
Ｙ軸リニアモータ機構２２は、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面においてガイドレール２１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット２２Ａと、このマグネット２２Ａに隙間を隔てて主軸装置３０の下面に取り付けられたコイル２２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
【００１９】
（主軸装置の説明：図２参照）
主軸装置３０は、図２にも示すように、門型コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸ヘッド支持部材としてのサドル３３と、このサドル３３にＺ軸ガイド機構４１および昇降機構としてのＺ軸リニアモータ機構４２を介してＺ軸方向へ昇降可能に設けられた主軸ヘッド４３と、この主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダ４４と、サドル３３の主軸ヘッド４３とは反対側に取り付けられたバランスウエイト４５とから構成されている。
【００２０】
Ｚ軸ガイド機構４１は、主軸ヘッド４３の裏面にＺ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール４１Ａと、サドル３３の正面に固定されガイドレール４１Ａをスライド可能に案内するスライド部材４１Ｂとを含んで構成されている。
Ｚ軸リニアモータ機構４２は、主軸ヘッド４３の裏面においてガイドレール４１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット４２Ａと、このマグネット４２Ａに隙間を隔ててサドル３３の正面に取り付けられたコイル４２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
ここで、コイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われている。遮熱部材４２Ｃとしては、アルミニウムまたはプラスチックスなどの材料によって箱状に形成されている。
【００２１】
主軸ヘッド４３は、図１に示すように、主軸ヘッド本体５１と、この主軸ヘッド本体５１に軸受機構５６を介して回転可能に支持された主軸５２と、この主軸５２を回転駆動させる回転駆動源５３とを含んで構成されている。主軸５２には工具５４が着脱可能に取り付けられる。回転駆動源５３は、モータによって構成されている。
【００２２】
バランスシリンダ４４は、主軸ヘッド４３を挟んだ両側にそれぞれ設けられている。
各バランスシリンダ４４は、上端がブラケット５５を介してサドル３３に支持されたシリンダ本体４４Ａと、上端にシリンダ本体４４Ａ内に摺動可能に収納されたピストンを有し下端が主軸ヘッド４３の下端に連結されたピストンロッド４４Ｂとから構成されている。
ピストンで区画されたシリンダ本体４４Ａの下室には、図示省略の空気供給源からのエアーが圧力レギュレータ等を介して供給されている。その結果、バランスシリンダ４４によって、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力が主軸ヘッド４３に上向きに与えられている。
【００２３】
（主軸ヘッド本体５１の説明：図３〜図５参照）
本実施形態においては、主軸ヘッド４３のうち、主軸ヘッド本体５１が、炭素繊維強化プラスチック(ＣＦＲＰ)によって構成されている。そこで、主軸ヘッド本体５１の構成を詳細に説明する。
主軸ヘッド本体５１は、炭素繊維強化プラスチックによって、前壁６０、後壁７０、および、両側壁８０を有する四角筒形状に形成され、この四角筒形状の底面に底壁９０を有し、内部に主軸５２を支持した軸受機構５６および回転駆動源５３が収納されている。なお、前壁６０、後壁７０および両側壁８０によって構成される四角筒の四隅は、角隅部が最も肉厚が厚くなるような円弧面状に形成されている。
【００２４】
前壁６０には、縦長矩形状の２つの作業用孔６１，６２が上下に形成されているとともに、その作業用孔６１，６２を挟んだ両側に円形状の８つの作業用孔６３が形成されている。
【００２５】
後壁７０は、厚みが一様な後壁部材７０Ａと、この後壁部材７０Ａの背面に接着固定された補強部材７０Ｂとを有し、前壁６０および両側壁８０の厚みよりも厚く形成されている。
補強部材７０Ｂは、幅方向中央の薄肉部７１と、この薄肉部７１の両側に形成された第１厚肉部７２と、この第１厚肉部７２の外側に形成され第１厚肉部７２よりも薄くかつ薄肉部７１よりも厚い肉厚を有する第２厚肉部７３とを有する。
薄肉部７１の幅方向両側には、Ｚ軸リニアモータ機構４２のマグネット４２Ａを取り付けるためのボルト７７が挿通される複数のボルト挿通孔７４が一定ピッチで上下方向（Ｚ軸方向）に沿って形成されているとともに、これと対応する後壁７０の内面にはボルト７７が螺合されるマグネット取付プレート７５が固定されている。マグネット取付プレート７５は上下方向（Ｚ軸方向）に長い板状で、一定ピッチ間隔で雌ねじが形成されている。
第２厚肉部７３には、Ｚ軸ガイド機構４１のガイドレール４１Ａを取り付けるためのボルト７８が螺合される複数のナット７６が一定ピッチで上下方向（Ｚ軸方向）に沿って埋設されている。
【００２６】
両側壁８０には、幅方向中央でかつ作業用孔６２の高さ位置に円形状の作業用孔８１が貫通形成されているとともに、上部内面に吊り上げ用の突起８２が突設されている。
底壁９０には、軸受機構５６および主軸５２を突出させる貫通孔９１が貫通形成されている。
【００２７】
＜実施形態の作用、効果＞
このような構成の工作機械において、ワークＷを加工するには、ワークＷをテーブル１３上にセットしたのち、テーブル１３をＸ軸方向へ、サドル３３をＹ軸方向へ、主軸ヘッド４３をＺ軸方向へ移動させながら、工具５４によってワークＷを加工する。
本実施形態では、主軸ヘッド４３を構成する主軸ヘッド本体５１が、炭素繊維強化プラスチックによって構成されているから、主軸ヘッド４３を軽量化することができる。しかも、主軸ヘッド本体５１は四角筒形状に形成されているから、肉厚を薄く構成しても、高剛性を確保できる。
従って、軽量化と高剛性を達成できるから、変形や歪みなどが生じることが少なく、主軸ヘッド４３を軽量化できる。そのため、主軸ヘッド４３の移動速度を高速化することができるから、微細加工が実現できるとともに、生産性の向上が期待できる。
【００２８】
また、主軸ヘッド４３を昇降させるための昇降機構が、主軸ヘッド４３に主軸ヘッド４３の昇降方向に沿って設けられたマグネット４２Ａと、サドル３３にマグネット４２Ａに対向して配置されたコイル４２Ｂとを含むＺ軸リニアモータ機構４２を含んで構成されているから、主軸ヘッド４３を円滑かつ高精度に昇降動作させることができる。このとき、Ｚ軸リニアモータ機構４２を構成するコイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われているから、コイルからの発熱によって、主軸ヘッド本体５１などが熱変形を起こすことを防ぐことができる。従って、高精度を維持できる。
【００２９】
また、主軸ヘッド本体５１の後壁７０には、ボルト７７が挿通されるボルト挿通孔７４およびマグネット取付プレート７５が固定されているから、ボルト７７をマグネット４２Ａ、主軸ヘッド本体５１の後壁７０を通してマグネット取付プレート７５に螺合するだけで、マグネット４２Ａを主軸ヘッド本体５１の後壁７０に簡単にかつ強固に固定することができる。しかも、この状態では、マグネット４２Ａとマグネット取付プレート７５とが主軸ヘッド本体５１の後壁７０を挟み込んだ状態となるので、つまり、これらのマグネット４２Ａやマグネット取付プレート７５が補強材として機能するので、後壁７０の強度、更には、主軸ヘッド本体５１の全体の強度を高めることができる。
【００３０】
また、Ｚ軸ガイド機構４１を構成する一対のガイドレール４１Ａとスライド部材４１Ｂのうち、ガイドレール４１Ａが主軸ヘッド本体５１の後壁７０にボルト７８によって固定される。このとき、主軸ヘッド本体５１の後壁７０には、ナット７６が埋設されているから、ボルト７８をガイドレール４１Ａを通して主軸ヘッド本体５１の後壁７０のナット７６に螺合するだけで、ガイドレール４１Ａを主軸ヘッド本体５１の後壁７０に簡単に固定することができる。
しかも、ガイドレール４１Ａも補強材として機能するので、後壁７０の強度、更には、主軸ヘッド本体５１の全体の強度をより高めることができる。
【００３１】
また、主軸ヘッド本体５１の後壁７０は、前壁６０および両側壁８０の厚みよりも厚く形成されているから、マグネット４２Ａやガイドレール４１Ａを取り付けても十分な強度を確保できる。従って、全体の重量を大幅や増やすことなく、強度が要求される部分のみを肉厚を厚くすることによって対応することができる。
【００３２】
また、主軸ヘッド本体５１の前壁６０および側壁８０には、作業用孔６１〜６３，８１を形成したので、主軸ヘッド本体５１の内部に主軸５２を支持した軸受機構５６や回転駆動源５３を収納、取り付ける際にも、これらの作業用孔６１〜６３，８１を利用して作業することができるから、取付作業も容易に行うことができる。
【００３３】
また、主軸ヘッド本体５１の両側壁８０の上部内面には、吊り上げ用の突起８２が突設されているから、この突起８２を利用して主軸ヘッド４３を吊り上げて、組み立てることができる。従って、組立、分解作業も比較的容易に行うことができる。
【００３４】
＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、主軸ヘッド本体５１を四角筒形状に構成したが、四角筒形状の途中に底壁と略平行な仕切壁を１または数枚挿入して強度を更に高めるようにしてもよい。
【００３５】
前記実施形態では、主軸ヘッド本体５１の前壁６０および側壁８０に作業用孔６１〜６３，８１を形成したが、これらは無くてもよい。その場合、底壁９０を別部材として構成し、底壁９０に主軸５２を支持した軸受機構５６や回転駆動源５３を取り付けたのち、この底壁９０を主軸ヘッド本体５１の四角筒形状の底に接着あるいはリベットなどで接合するようにすればよい。
【００３６】
前記実施形態では、工作機械として、テーブル１３がＸ軸方向へ、主軸ヘッド４３がＹ軸方向およびＺ軸方向へ移動可能であったが、これに限られない。要は、テーブル１３と主軸ヘッド４３が二次元（２軸方向）あるいは三次元（３軸方向）へ相対移動可能な構造であれば、いずれが移動する構造であってもよい。
【００３７】
また、前記実施形態では、各軸移動機構をリニアモータ機構、つまり、Ｘ軸リニアモータ機構１２、Ｙ軸リニアモータ機構２２、Ｚ軸リニアモータ機構４２によって構成したが、必ずしも、リニアモータ機構でなくてもよい。ボールねじを用いた送り機構であってもよい。
また、前記実施形態では、主軸５２の回転駆動源５３として、モータを用いたが、これに限らず、例えば、エアータービン機構などであってもよい。
【００３８】
また、前記実施形態では、バランスシリンダ４４によって主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力を発生させるようにしたが、必ずしも、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力でなくてもよく、主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生する構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、一般的な工作機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。
【符号の説明】
【００４０】
３３…サドル（主軸ヘッド支持部材）、
４１…Ｚ軸ガイド機構（昇降機構）、
４１Ａ…ガイドレール、
４１Ｂ…スライド部材、
４２…Ｚ軸リニアモータ機構（昇降機構）、
４２Ａ…マグネット、
４２Ｂ…コイル、
４３…主軸ヘッド、
５１…主軸ヘッド本体、
５２…主軸、
５３…回転駆動源、
５４…工具、
５６…軸受機構、
６０…前壁、
６１，６２，６３，８１…作業用孔、
７０…後壁、
７４…ボルト挿通孔、
７５…マグネット取付プレート、
７６…ナット、
７７，７８…ボルト、
８０…側壁、
９０…底壁、
９１…貫通孔。
【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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