(57)【要約】【課題】水平方向に往復移動する可動子からの反動力を比較的単純な構造で抑制することが可能な反動抑制構造、及び当該反動抑制構造を備えた加工装置を提供する。【解決手段】水平なＸ軸方向に可動する下部可動子３０を基台上に載置し、Ｘ軸方向に直交する水平なＺ軸方向に自由移動可能に設けた上部可動子用台座４０を下部可動子上に載置し、上部可動子用台座に対してＺ軸方向に可動する上部可動子を上部可動子用台座上に載置し、下部可動子上に、且つ上部可動子用台座が移動するＺ軸上に、且つ上部可動子用台座に対向する位置に、Ｚ軸方向に自由移動可能に設けた反動抑制部材を載置する。そしてＺ軸方向に振動する第１バネＳ１が上部可動子用台座と下部可動子とに接続され、Ｚ軸方向に振動する第２バネＳ２が反動抑制部材と下部可動子とに接続されている。【選択図】図２
2008087145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、
前記基台上に載置され、Ｘ軸駆動装置を用いて前記基台に対して水平方向を示すＸ軸方向に可動する下部可動子と、
前記下部可動子上に載置され、前記Ｘ軸方向に直交する水平方向を示すＺ軸方向に、自由移動可能に設けられた上部可動子用台座と、
前記上部可動子用台座上に載置され、Ｚ軸駆動装置を用いて前記上部可動子用台座に対して前記Ｚ軸方向に可動する上部可動子とを備え、前記Ｚ軸方向に往復移動する前記上部可動子からの反動を抑制する反動抑制構造であって、
前記下部可動子上に、且つ前記上部可動子用台座が移動するＺ軸上に、且つ前記上部可動子用台座に対向する位置に、前記Ｚ軸方向に自由移動可能に設けられた反動抑制部材を載置し、
前記Ｚ軸方向に振動する第１バネが、前記下部可動子に対して前記上部可動子用台座が前記Ｚ軸方向に振動可能となるように接続されており、
前記Ｚ軸方向に振動する第２バネが、前記下部可動子に対して前記反動抑制部材が前記Ｚ軸方向に振動可能となるように接続されている、
ことを特徴とする反動抑制構造。
【請求項２】
請求項１に記載の反動抑制構造であって、
前記Ｚ軸駆動装置による前記上部可動子を前記Ｚ軸方向に往復移動させる往復周波数に対して、前記上部可動子用台座と前記第１バネとで構成される上部可動子用台座振動系の共振周波数の方が小さくなるように、前記往復周波数と、前記上部可動子用台座の質量と、前記第１バネのバネ定数と、が選定されている、
ことを特徴とする反動抑制構造。
【請求項３】
請求項２に記載の反動抑制構造であって、
前記往復周波数に対して、前記反動抑制部材と前記第２バネとで構成される反動抑制部材振動系の共振周波数が同じとなるように、前記往復周波数と、前記反動抑制部材の質量と、前記第２バネのバネ定数と、が選定されている、
ことを特徴とする反動抑制構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の反動抑制構造と、
ワークを保持するワーク保持手段と、
前記ワークを加工する工具とを備えた加工装置であって、
前記工具は、前記上部可動子における前記反動抑制部材と反対側に、前記Ｚ軸方向に突出するように固定され、
前記ワーク保持手段は、前記Ｚ軸方向に往復移動する前記工具のＺ軸方向への延長線上に前記ワークを保持し、
前記上部可動子を前記Ｚ軸方向に往復移動させて前記ワークを加工する、
ことを特徴とする加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復移動する部材の反動を抑制する反動抑制構造、及び当該反動抑制構造を備えた加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ワークの被加工面にほぼ直交する水平方向から工具（刃物等）を比較的高速で進退移動させて前記被加工面を加工する、いわゆる高速刃物台とよばれる加工装置がある。この高速刃物台で加工を行うと、例えば、眼鏡のレンズのような自由曲面ワークを非常に短い加工時間で加工を行うことができる。
高速刃物台（以下、加工装置という）は、工具が固定された可動子を、比較的高速で水平方向に進退させるため、進退時に発生する反動力（可動子からの反動力）が大きい。この反動力は、加工装置に振動等を発生させる場合があり、加工装置の位置精度を悪化させ、加工精度を低下させる場合がある。
そこで、特許文献１に記載された従来技術では、下部アクチュエータユニット（下部可動子）の上に上部アクチュエータユニット（上部可動子）を載置し、上部アクチュエータユニットの水平方向の往復移動に対して、下部アクチュエータユニットを逆方向に駆動することで、上部アクチュエータの往復移動による反動力を相殺して振動の発生を防ぐ直動アクチュエータが提案されている。
【特許文献１】特開２００３−１９５９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載された従来技術では、上部アクチュエータの往復移動による反動力を相殺するためだけに下部アクチュエータユニットが必要であり、装置が複雑化、且つ大型化してしまう。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、水平方向に往復移動する可動子からの反動力を比較的単純な構造で抑制することが可能な反動抑制構造、及び当該反動抑制構造を備えた加工装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの反動抑制構造である。
請求項１に記載の反動抑制構造は、基台と、前記基台上に載置され、Ｘ軸駆動装置を用いて前記基台に対して水平方向を示すＸ軸方向に可動する下部可動子と、前記下部可動子上に載置され、前記Ｘ軸方向に直交する水平方向を示すＺ軸方向に、自由移動可能に設けられた上部可動子用台座と、前記上部可動子用台座上に載置され、Ｚ軸駆動装置を用いて前記上部可動子用台座に対して前記Ｚ軸方向に可動する上部可動子とを備え、前記Ｚ軸方向に往復移動する前記上部可動子からの反動を抑制する反動抑制構造である。
前記下部可動子上に、且つ前記上部可動子用台座が移動するＺ軸上に、且つ前記上部可動子用台座に対向する位置に、前記Ｚ軸方向に自由移動可能に設けられた反動抑制部材を載置する。
そして、前記Ｚ軸方向に振動する第１バネが、前記下部可動子に対して前記上部可動子用台座が前記Ｚ軸方向に振動可能となるように接続されており、前記Ｚ軸方向に振動する第２バネが、前記下部可動子に対して前記反動抑制部材が前記Ｚ軸方向に振動可能となるように接続されている。
【０００５】
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの反動抑制構造である。
請求項２に記載の反動抑制構造は、請求項１に記載の反動抑制構造であって、前記Ｚ軸駆動装置による前記上部可動子を前記Ｚ軸方向に往復移動させる往復周波数に対して、前記上部可動子用台座と前記第１バネとで構成される上部可動子用台座振動系の共振周波数の方が小さくなるように、前記往復周波数と、前記上部可動子用台座の質量と、前記第１バネのバネ定数と、が選定されている。
【０００６】
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの反動抑制構造である。
請求項３に記載の反動抑制構造は、請求項２に記載の反動抑制構造であって、前記往復周波数に対して、前記反動抑制部材と前記第２バネとで構成される反動抑制部材振動系の共振周波数が同じとなるように、前記往復周波数と、前記反動抑制部材の質量と、前記第２バネのバネ定数と、が選定されている。
【０００７】
また、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの加工装置である。
請求項４に記載の加工装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の反動抑制構造と、ワークを保持するワーク保持手段と、前記ワークを加工する工具とを備えた加工装置である。
前記工具は、前記上部可動子における前記反動抑制部材と反対側に、前記Ｚ軸方向に突出するように固定され、前記ワーク保持手段は、前記Ｚ軸方向に往復移動する前記工具のＺ軸方向への延長線上に前記ワークを保持し、前記上部可動子を前記Ｚ軸方向に往復移動させて前記ワークを加工する。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の反動抑制構造を用いれば、上部可動子の往復移動により発生する反動力に対して反対方向に駆動する可動子を必要とせず、第１バネ、第２バネと反動抑制部材にて反動力を抑制することができる。
これにより、比較的簡単な構造で反動抑制構造を実現できる。
【０００９】
また、請求項２に記載の反動抑制構造によれば、上部可動子の往復周波数に対して、上部可動子用台座振動系の共振周波数を小さくすることで（上部可動子用台座振動系の共振周波数よりも高い周波数で上部可動子を往復移動させることで）、上部可動子の往復移動による反動力の振幅の伝達を大きく低減することができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の反動抑制構造によれば、上部可動子の往復周波数に対して、反動抑制部材振動系の共振周波数を同じとすることで、上部可動子の往復移動と同じ周期で反動抑制部材を往復移動させ、反動力を適切に相殺することができる。
【００１１】
また、請求項４に記載の加工装置によれば、工具を固定した上部可動子の往復移動による反動力を、比較的簡単な構造で抑制することができるため、加工装置の小型化、低コスト化をより促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の反動抑制構造を備えた加工装置１０の一実施の形態における概略斜視図である。また、図２は、本発明の反動抑制構造の構成を説明する図である。なお、各図において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交する方向を示しており、Ｘ軸とＺ軸は水平方向を、Ｙ軸は垂直方向を示している。また、Ｚ軸方向は、工具ＴがワークＷに切り込む方向を示している。
【００１３】
●［反動抑制構造を備えた加工装置の全体構成（図１、図２）］
加工装置１０は、ベースとなる基台２０に、ワーク保持手段８０、下部可動子３０が載置されている。
ワーク保持手段８０は、ワーク旋回手段８０ａを備えており、保持されたワークＷをＺ軸に平行な中心軸に対して旋回可能である（図１中の８０Ｒの方向に旋回可能である）。また、図１に示すワーク保持手段８０は、基台２０に対してＺ軸方向（図１中の８０Ｚの方向）に往復移動することが可能であるが、特にＺ軸方向に移動しない構成であってもよい。
下部可動子３０は、例えば、基台２０に設けられたモータ３０ａと、当該モータ３０ａの軸に接続されたボールねじ３０ｂ等で構成されたＸ軸駆動装置（リニアモータ等で構成されていてもよく、各駆動装置の構成は、特に限定しない）にて、基台２０に対してＸ軸方向（図１中の３０Ｘの方向）に往復移動することが可能である。
【００１４】
下部可動子３０の上には、モータの固定子が内蔵された上部可動子用台座４０が載置されており、上部可動子用台座４０の上には、モータの可動子が内蔵された上部可動子５０が載置されている。そして上部可動子５０には、ワークＷを加工するための工具Ｔが固定されている。
上部可動子用台座４０は、レールとベアリングブロック等の案内部材（図示省略）にて、下部可動子３０に対してＺ軸方向に自由移動可能に設けられている。
上部可動子５０は、Ｚ軸駆動装置（図示省略）にて上部可動子用台座４０に対してＺ軸方向（図１、図２中の５０Ｚの方向）に往復移動することが可能である。
また、下部可動子３０の上には、反動抑制部材６０が載置されている。
反動抑制部材６０は、上部可動子用台座４０が移動するＺ軸上に、且つ上部可動子用台座４０に対向する位置に、レールとベアリングブロック等の案内部材（図示省略）にて、下部可動子３０に対してＺ軸方向に自由移動可能に設けられている。
また、工具Ｔは、上部可動子５０における反動抑制部材６０と反対側に、Ｚ軸方向に突出するように固定されている。また、ワーク保持手段８０は、Ｚ軸方向に往復移動する工具ＴのＺ軸方向への延長線上にワークＷを保持している。
なお、Ｘ軸駆動装置、Ｚ軸駆動装置、ワーク保持手段８０、ワーク旋回手段８０ａは、図示しない数値制御装置等によって制御される。例えば、数値制御装置等は、下部可動子３０に対する上部可動子５０の相対的な位置を検出可能な検出手段（図示省略）からの検出信号に基づいて上部可動子５０の位置を検出し、検出した位置に基づいた制御信号にて、Ｚ軸駆動装置を制御する。
【００１５】
また、下部可動子３０は、Ｚ軸上に対向して載置された上部可動子用台座４０と反動抑制部材６０との間に支持部３０ｃを備えている。
そして、Ｚ軸方向に振動する第１バネＳ１が、下部可動子３０（この場合、支持部３０ｃ）に対して上部可動子用台座４０がＺ軸方向に振動可能となるように接続されている。
また、Ｚ軸方向に振動する第２バネＳ２が、下部可動子３０（この場合、支持部３０ｃ）に対して反動抑制部材６０がＺ軸方向に振動可能となるように接続されている。
また、下部可動子３０は、静圧軸受けからなるガイドＳ３によってＸ軸方向に案内されるが、ガイドＳ３はバネ性を有しており、このバネ性のＺ軸成分を仮想的に表すと、Ｚ軸方向に振動する仮想第３バネＳ３ａ、Ｓ３ｂにて接続されている状態と考えることができる。
なお、下部可動子３０は、ガイドＳ３の弾性的性質により揺動運動を行うが、ここでは簡略化のため、重心Ｇの仮想第３バネＳ３ａ、Ｓ３ｂによる並進振動（図３中のＦ２）に置き換えて考える。
【００１６】
●［反動抑制構造の動作（図３）］
次に、図３を用いて反動抑制構造の動作について説明する。
図３に示すように、上部可動子５０にＺ軸方向の力Ｆ０が印加されると、力Ｆ０と反対方向に反動力Ｆ１が上部可動子用台座４０に印加される。そして、反動力Ｆ１によって、下部可動子３０にＺ軸方向の力Ｆ２が印加される。例えば、下部可動子３０が、Ｚ軸方向に移動してしまうと工具Ｔの位置に誤差が発生し、加工精度が低下する場合がある。
本実施の形態にて説明する反動抑制構造は、上部可動子５０の移動と反対方向に移動するアクチュエータを設けることなく、第１バネＳ１、第２バネＳ２と反動抑制部材６０との比較的簡単な構成にて、反動力Ｆ１を抑制する（図３中のＦ２を抑制する）ことができる。
【００１７】
以下にて、上部可動子５０に作用する力を、Ｆ０＝ｆ0ｓｉｎ（ωｔ）として、所定周波数でＺ軸方向に移動させた場合の運動方程式を示す。なお、上部可動子５０の質量（工具Ｔを含む）をＭ1、上部可動子用台座４０の質量をＭ2、下部可動子３０の質量をＭ3、反動抑制部材６０の質量をＭ4とする。
また、第１バネＳ１のバネ定数をＫ2、第２バネＳ２のバネ定数をＫ3、バネ性を有するガイドＳ３のバネ定数をＫ4とする。そして、運動中の上部可動子５０のＺ軸方向の移動距離をＸ1、上部可動子用台座４０のＺ軸方向の移動距離をＸ2、下部可動子３０のＺ軸方向の移動距離をＸ3、反動抑制部材６０のＺ軸方向の移動距離をＸ4とする。
以上の設定において、初期値を０（ゼロ）として以下に示す運動方程式を得ることができる。
Ｍ1（ｄ2Ｘ1／ｄｔ2）＝ｆ0ｓｉｎ（ωｔ）
Ｍ2（ｄ2Ｘ2／ｄｔ2）＋Ｋ2（Ｘ2−Ｘ3）＝−ｆ0ｓｉｎ（ωｔ）
Ｍ3（ｄ2Ｘ3／ｄｔ2）＋Ｋ2（Ｘ3−Ｘ2）＋Ｋ3（Ｘ3−Ｘ4）＋Ｋ4Ｘ3＝０
Ｍ4（ｄ2Ｘ4／ｄｔ2）＋Ｋ3（Ｘ4−Ｘ3）＝０
【００１８】
ここで、上部可動子用台座４０と第１バネＳ１とで構成される上部可動子用台座振動系の共振周波数が、上部可動子５０を往復移動させる往復周波数（ｆ＝ω／２π）よりも小さくなるように、往復周波数ｆ（＝ω／２π）、上部可動子用台座４０の質量Ｍ2、第１バネＳ１のバネ定数Ｋ2を選定することが好ましい。
この場合、√（Ｋ2／Ｍ2）＜＜ωとなるようにω、Ｍ2、Ｋ2を選定することで、下部可動子３０に伝達される反動力を大幅に低減することができる。
また、反動抑制部材６０と第２バネＳ２とで構成される反動抑制部材振動系の共振周波数が、上部可動子５０を往復移動させる往復周波数（ｆ＝ω／２π）と同じとなるように、往復周波数ｆ（＝ω／２π）、反動抑制部材６０の質量Ｍ4、第２バネＳ２のバネ定数Ｋ3を選定することが好ましい。
この場合、√（Ｋ3／Ｍ4）＝ωとなるようにω、Ｍ4、Ｋ3を選定することで、上部可動子５０の振動を相殺する。
【００１９】
上記の運動方程式より、以下に示すように、Ｘ1〜Ｘ4を得ることができる。
Ｘ1＝ｆ0ｓｉｎ（ωｔ）／Ｍ1ω2
Ｘ2＝ｆ0ｓｉｎ（ωｔ）／（Ｍ2ω2−Ｋ2）
Ｘ3＝０
Ｘ4＝−ｆ0ｓｉｎ（ωｔ）／｛Ｋ3［（ω／ωｆ）2−１］｝
ここで、上記の式に、実際の質量（Ｍ1〜Ｍ4）、実際のバネ定数（Ｋ2〜Ｋ4）等を代入する。ここでは、ωｆ＝０．３ω（ωｆは、質量Ｍ2とバネ定数Ｋ2とで決まる固有振動数）、Ｍ4＝１［ｋｇ］、Ｍ2＝３０［ｋｇ］、ω＝２π＊２０（往復周波数ｆ＝２０Ｈｚとした場合）を代入すると、
Ｘ2＝２．１ｆ0ｓｉｎ（ωｔ）［μｍ］
Ｘ4＝６．３ｆ0ｓｉｎ（ωｔ）［μｍ］
を得ることができる。
従って、上部可動子５０をＺ軸方向にｆ0ｓｉｎ（ωｔ）（周波数ｆ＝ω／２π）で往復移動させた場合、基台２０に対する上部可動子５０のＺ軸方向への移動距離（切込み量）は、図３より、Ｘ3＋Ｘ1であり、上記で求めた式を用いると、以下のように求めることができる。なお、上部可動子５０の変位Ｘ1は、下部可動子５０との相対変位を検出するので、Ｘ2は含まれない。
Ｘ3＋Ｘ1
＝［０］＋Ｘ1
＝Ｘ1  となる。
従って、本構造により、反動力による誤差の発生を抑制した加工を行うことができる。
【００２０】
以上、本実施の形態にて説明した反動抑制構造及び当該反動抑制構造を適用した加工装置を用いれば、水平方向に往復移動する可動子からの反動力を比較的単純な構造で抑制することが可能であり、当該反動抑制構造にて、加工精度をより向上させることができる。
【００２１】
本発明の反動抑制構造及び加工装置は、本実施の形態で説明した構造、構成、外観、形状等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の反動抑制構造を適用した加工装置１０の一実施の形態を説明する斜視図である。
【図２】基台２０、下部可動子３０、上部可動子用台座４０、上部可動子５０、反動抑制部材６０の配置位置と接続状態を説明する図である。
【図３】上部可動子５０を駆動させた場合において、上部可動子５０、上部可動子用台座４０、下部可動子３０、反動抑制部材６０の各々の移動距離（Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3、Ｘ4）を説明する図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０      加工装置
２０      基台
３０      下部可動子
３０ａ    モータ
３０ｂ    ボールねじ
４０      上部可動子用台座
５０      上部可動子
６０      反動抑制部材
８０      ワーク保持手段
８０ａ    ワーク旋回手段
Ｓ１      第１バネ
Ｓ２      第２バネ
Ｓ３      ガイド
Ｔ        工具
Ｗ        ワーク
【図１】
2008087145.tif 000003
【図２】
2008087145.tif 000004
【図３】
2008087145.tif 000005