(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気流の生じる環境下に設置されたときに、該空気流の影響により、時間の経過と共に発生するであろう熱変位をきらう精密機械であり、精密機械本体の外表面における、床面に対向する面ではなく、該空気流の影響を受ける面に所定の深さの窪み部を多列多行に亘って、一体的に設けたことを特徴とする精密機械。
【請求項２】
空気流の生じる環境下に設置され、該空気流の影響により、時間の経過と共に発生するであろう熱変位をきらう精密機械であり、精密機械本体の外表面における、床面に対向する面ではなく、該空気流の影響を受ける面に所定の深さの窪み部を多列多行に亘って、一体的に設け、前記精密機械本体を設置した環境下で発生する空気流の速度、或いは、前記精密機械本体の駆動によって発生する空気流の速度を上記窪み部で減じ、前記精密機械本体の外表面を断熱可能としたことを特徴とする精密機械。
【請求項３】
前記窪み部の深さが、前記窪み部の底部での空気流の速度を、所定の値まで減じることを可能にした深さに設定されていることを特徴とする請求項２に記載の精密機械。
【請求項４】
前記外表面に縦横に延びるリブを設けて前記窪み部を形成し、前記リブの先端部を、基端部よりも吸熱し難い材質としたことを特徴とする請求項２又は３に記載の精密機械。
【請求項５】
隣り合う前記窪み部同士の間隔を当該窪み部の開口幅以内としたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の精密機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱変位を抑制するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
科学技術の急速な進歩に伴い、自動車工業、航空機工業、電子工業、及び宇宙工業等では、複雑かつ高精度な機械加工部品が要求されている。この要求に応えるべく、機械加工部品を作り出すための「マザーマシン」である工作機械は、高精度、高能率、及び多機能化を目指して発展を遂げてきた。工作機械の加工精度は、静剛性、動剛性、及び熱特性等の影響を受ける。特に熱特性には、工作機械本体の経時的な熱変形に伴って主軸と工作物との間の相対距離が変位する熱変位も含まれ、この熱変位を抑制することは、長時間に亘り高い精度を維持すべき工作機械にとって重要な事である。
【０００３】
熱変位の要因となる熱源には大別して２つある。すなわち、内部熱源及び外部熱源である。内部熱源は、工作機械の内部で発生して工作機械自身の温度を上昇させるものであり、工作機械の稼働中に発生する主軸や送り軸の熱に代表される。内部熱源による発熱は、その発生箇所や発熱量、この発熱に伴う熱変位が予想し易いため、対策が講じやすい。
一方、外部熱源は、工作機械の周囲の空気に熱を与える熱源であり、工作機械が設置された作業室の照明や暖房、日照等が一例として挙げられる。外部熱源によって工作機械の周囲の空気が加熱されると、この加熱された空気の熱が工作機械に移動し、工作機械の温度を上昇させ、熱変位を誘起する。
【０００４】
外部熱源の一要因である照明や暖房、日照等は、その発生熱量が一日の中で大きく変化し、また天候や季節によっても変化するため、工作機械の周囲の空気の時間的な温度変化を予測することは困難である。また、工作機械の周囲には、空気の温度勾配による自然対流の他に、送風機等の送風による強制対流、或いは、工作機械の運動要素の運動よって生じる対流が生じ、これらの空気の対流によって工作機械と周囲の空気との間で複雑な熱輸送が行われる。
以上の事から外部熱源の発熱に伴う工作機械の熱変位を予測して制御することは非常に困難となる。
しかしながら、工作機械においては外部熱源による熱変位は到底無視することはできない。例えば１日の間に周囲の空気の温度（環境温度）が８℃〜１４℃変化すると、内部熱源の影響が無い場合（内部熱源に対する対策を完璧に講じた場合）であっても、コラム（工作機械のフレーム部分）に±２０μｍの熱変位が生じるとの報告例があり、ナノオーダの加工精度に近づく今日の工作機械においては、そのオーダの熱変位は加工精度を大きく阻害する。
【０００５】
そこで、従来、工作機械においては、熱変位に対する特別な制御を必要とせずに、この熱変位を抑制する技術が従来から提案されている。このような従来の技術には、例えば、工作機械本体を構成するフレームであり、主軸頭を支持するコラムを中空に形成し、コラムの面板のうち、上記主軸頭を支持する側の面板の内面に凹凸部を設け、この凹凸部に対向する面板の間で、熱コンダクタンスの比率と熱容量の比率とを共に同じ値に設定したものである。これにより、コラムの全体に対して均一に変化するコラム周囲の環境温度に対し、各々の面板の温度追従速度が等しくなり各面板での熱膨張の度合いが等しくなるため、コラムの熱変位が抑制される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１４２０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術では、通常、コラムの全体に対して不均一に環境温度が変化した場合、工作機械本体の外部熱源が各面板に対して与える熱量が異なるため、各面板の上記熱コンダクタンス及び熱容量を設計する際には、外部熱源が各面板に与える熱量の差異を考慮して設計する必要があり、非常に複雑である。
環境温度変化による熱変位の問題は、工作機械の他に、例えば３次元測定器や半導体製造装置等の他の装置を含む精密機械においても同様に言える事である。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、簡単に熱変位を抑制することができる精密機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、空気流の生じる環境下に設置されたときに、該空気流の影響により、時間の経過と共に発生するであろう熱変位をきらう精密機械であり、精密機械本体の外表面における、床面に対向する面ではなく、該空気流の影響を受ける面に所定の深さの窪み部を多列多行に亘って、一体的に設けたことを特徴とする。
【０００９】
また上記目的を達成するために、本発明は、空気流の生じる環境下に設置され、該空気流の影響により、時間の経過と共に発生するであろう熱変位をきらう精密機械であり、精密機械本体の外表面における、床面に対向する面ではなく、該空気流の影響を受ける面に所定の深さの窪み部を多列多行に亘って、一体的に設け、前記精密機械本体を設置した環境下で発生する空気流の速度、或いは、前記精密機械本体の駆動によって発生する空気流の速度を上記窪み部で減じ、前記精密機械本体の外表面を断熱可能としたことを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、上記の精密機械において、前記窪み部の深さが、前記窪み部の底部での空気流の速度を、所定の値まで減じることを可能にした深さに設定されていることを特徴とする。
また本発明は、上記の精密機械において、前記外表面に縦横に延びるリブを設けて前記窪み部を形成し、前記リブの先端部を、基端部よりも吸熱し難い材質としたことを特徴とする。
また本発明は、上記の精密機械において、隣り合う前記窪み部同士の間隔を当該窪み部の開口幅以内としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、床面に対向する面ではなく、前記空気流の影響を受ける精密機械本体の外表面に所定の深さの窪み部を多列多行に亘って、一体的に設けたため、この外表面近傍での空気流の速度が窪み部によって減じられ、空気流と外表面との間の熱の移動が抑制され外表面が断熱可能となる。
このように断熱されることで、空気流の生じる環境下に設置されても、この空気流の影響による熱変位が抑制される。
前記窪み部の深さが、前記窪み部の底部での空気流の速度を、所定の値まで減じることを可能にした深さに設定された構成とすることで、前記窪み部の底部での空気流による流入熱流束を減らし、空気流から外表面への熱の流入を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る工作機械の一例たる立形シングルコラムタイプのマシニングセンタ１の構成を示す斜視図である。
マシニングセンタ１は、架台となる固定されたベッド２の後部に、垂直にコラム４を立設して構成された工作機械本体６を備える。コラム４にはスピンドルヘッド８がＺ軸（正面から見て上下軸）方向に運動可能に配置され、また、ベッド２の前部に設けたＹ軸ガイド９にはサドル１０がＹ軸（正面から見て前後軸）方向に運動可能に配置され、このサドル１０の上面に、工作物１７を保持するテーブル１２がＸ軸（正面から見て左右軸）方向に運動可能に配置されている。
【００１３】
コラム４は略直方体形状を成し、スピンドルヘッド８が配置される前壁４ＡにはＺ軸ガイド１５が設けられ、このＺ軸ガイド１５に上記スピンドルヘッド８がＺ軸方向にスライド可能に配設されている。スピンドルヘッド８内には主軸１８が回転自在に装着されており、この主軸１８の下端には工具１９が着脱可能に装着されている。この主軸１８に装着可能な工具１９には、例えばフライスやエンドミル、ドリル、タップ等があり、これらの工具１９の中から加工・工作の目的に応じた工具１９が選択されて主軸１８に装着される。
なお、マシニングセンタ１の稼働中に発生する切粉やクーラント、ミストの周囲への飛散を防止するために、マシニングセンタ１の周囲、或いは、テーブル１２の周辺には適宜にカバー材が設けられる。
【００１４】
ここで、マシニングセンタ１が設置された工場等では、照明や空調、日照等が変化して、マシニングセンタ１の周囲の空気の温度（環境温度）が変化する。そして例えば、空調等の送風によってマシニングセンタ１の周囲に空気流が生じたり、空調等で工場の内外で温度差が生じている状態で工場の扉が開閉された場合に、温度差のある空気が工場内外で扉を介して流通しマシニングセンタ１の周囲に空気流を生じたりする。さらに、マシニングセンタ１の稼働時には、工具が装着された主軸１８が高速駆動され、また、テーブル１２やサドル１０等も駆動され、このようなマシニングセンタ１の運動要素の運動によっても工作機械本体６の周囲に空気流が発生する。
【００１５】
そして、何ら対策を施さなければ、工作機械本体６の周囲の空気流に伴って、空気流の熱が工作機械本体６の外表面に移動し、工作機械本体６に熱変形を生じさせることになる。
このような環境温度によって工作機械本体６の例えばコラム４の左右の側壁４Ｂ、４Ｃ、前壁４Ａ、及び後壁４Ｄの各々に熱変形が生じると、その熱変形に起因して、コラム４に支持された主軸１８及びテーブル１２の相対距離、すなわち、主軸１８に取り付けられた工具１９とテーブル１２上の工作物１７との間の相対距離が変わる、いわゆる熱変位が発生することとなる。
【００１６】
そこで本実施形態では、コラム４の熱変形を抑制すべく、図１に示すように、コラム４の左右の側壁４Ｂ、４Ｃ、後壁４Ｄ、及び天面４Ｅの各々の外表面の略全領域に、矩形に開口した断面矩形状の窪み部３０を、多列多行に亘って間隔Ｗａ、Ｗｂをあけて規則的に一体的に設けた構成としている。各窪み部３０は、縦に延びる縦リブ３２Ａ及び横に延びる横リブ３２Ｂが互いに直交して格子形状の有底の窪み部３０を形成するリブ構造によって構成されている。このようなコラム４の窪み部３０は、リブ構造を形成する鋳型に、溶けた鉄を流し込んで鋳造によりコラム４の左右の側壁４Ｂ、４Ｃ、後壁４Ｄ、及び天面４Ｅに一体に成型される。このとき、隣接する窪み部３０の間隔Ｗａ、Ｗｂは共に、窪み部３０の開口径以内とされている。
【００１７】
このようにコラム４の外表面５に窪み部３０を設けることで、コラム４の周囲で発生している空気流の速度がコラム４の外表面５の近傍で窪み部３０により減じられることとなり、この結果として、コラム４の外表面５が空気流から断熱されることとなる。
なお、ベッド２の熱変形によっても熱変位が生じるため、当該ベッド２の外表面にも多数の上記窪み部３０を設けることが望ましい。
ただし、スピンドルヘッド８等のモータが収納されている箇所といった、駆動中に発熱が発生し周囲への放熱が必要な箇所を避けて、上記窪み部３０は設けることが望ましい。
【００１８】
以下、窪み部３０による断熱作用について詳細に説明する。
先ず、ある構造物の外表面の周囲に温度差のある空気が流動する状態を考える。
図２は、構造物の外表面Ｓの法線方向をｙ軸方向と定義して、構造物の外表面Ｓに沿った空気流の速度分布と温度分布とを共に示した図である。詳細には、図２（ａ）は、構造物の外表面Ｓから十分に遠方（ｙ＝∞）での空気速度Ｕが略ゼロの場合、すなわち、構造物の外表面Ｓ近傍での空気流の空気速度がほぼ無い場合を示し、図２（ｂ）は、構造物の外表面Ｓから十分に遠方（ｙ＝∞）での空気速度Ｕが速度Ｕ0であり、法線方向に空気流の速度勾配が生じている場合を示している。
【００１９】
構造物の外表面Ｓに空気流から流入する熱の流入熱流束をｑ、空気の熱伝導率をλ、空気の温度をＴとすると、この流入熱流束ｑは、構造物の外表面Ｓでの空気の温度勾配によって決まるので、次式のフーリエの式が成立する。
ｑ＝−λ（∂Ｔ／∂ｙ）｜ｙ＝０                      （１）
また一般に、速度場と温度場との間にはコルバーンのアナロジによって相似則が成り立つ事が知られており、次式が成り立つ。
（∂Ｕ／∂ｙ）  ∽  （∂Ｔ／∂ｙ）                  （２）
つまり、（１）及び（２）式より、次式が成り立つ。
ｑ＝−Ａ（∂Ｕ／∂ｙ）｜ｙ＝０  （ただし、Ａは定数） （３）
【００２０】
上記（２）、（３）式に示されるように、速度勾配（∂Ｔ／∂ｙ）が大きくなると温度勾配（∂Ｔ／∂ｙ）も大きくなり、温度勾配に比例する流入熱流束ｑも大きくなる。換言すれば、構造物の外表面Ｓへの流入熱流束ｑを抑えるためには、外表面Ｓの近傍（ｙ＝０）での空気流の速度勾配を小さくする構造とすれば良いことになる。
【００２１】
すなわち、前掲図１に示すように、コラム４の外表面５に多数の窪み部３０を設けることで、その窪み部３０が窪みの内部に空気の壁を形成するため、窪み部３０の内部への空気流の進入が遮断され、窪み部３０の内部での空気速度Ｕ（＝（∂Ｕ／∂ｙ）｜ｙ＝０）が低減される。これにより、上記（３）式により、コラム４への流入熱流束ｑが抑えられるため、コラム４の熱変形が抑制され、結果として、熱変位が抑えられることとなる。
【００２２】
発明者らは、窪み部３０が空気流の空気速度Ｕを減じている事を視覚的に確かめるために、空気流の可視化システムを構築し、その現象を確かめた。
図３は、可視化システム４０の概略構成を示す図である。
可視化システム４０は、窪み部３０を断面で切った平面内での空気流を観察するためのものであり、この可視化システム４０では、図３に示すように、コラム４の側壁４Ｂ、４Ｃ等を模すために、厚み１２ｍｍ、高さ１２ｍｍ、及び長さ４００ｍｍの鉄鋼（例えばＳ４５Ｃ）の基材４１の上面に、３５ｍｍの一定の間隔で、高さ４０ｍｍ厚さ５ｍｍの板状のリブ４２を垂直に立設して、コラム４の窪み部３０を再現したリブモデル４３を用いて空気流を観察する。
【００２３】
すなわち、可視化システム４０においては、断熱作用を有する透明な平板である２枚の断熱板カバー４４、４５の間に上記リブモデル４３を挟持し、さらに、一定間隔で噴射口４６Ａが形成された管状の空気噴射ノズル４６を、断熱板カバー４４、４５の隙間に、リブモデル４３と略４２０ｍｍ離れた位置に対向して延在させ、この空気噴射ノズル４６から空気を噴射させることで、１対の断熱板カバー４４、４５の間に、上記リブモデル４３に向う空気流５４を発生させている。
【００２４】
さらに可視化システム４０は、ミスト状の着色粒子を生成するミストジェネレータ４８と、このミストジェネレータ４８が生成するミスト状の着色粒子を、１対の断熱板カバー４４、４５の上縁開口４７から内部に向けて霧状に拡散噴霧し、空気噴射ノズル４６から噴射された空気と混合するミストディフューザ４９とを備え、また、１対の断熱板カバー４４、４５の間に面状のレーザ光５２を照射して照明を行うレーザ発生器５０と、リブモデル４３の近傍に対向配置され、レーザ光５２によって照明された断熱板カバー４４、４５の内部を高速に撮像する高速度カメラ５１とを備えている。
このような構成により、可視化システム４０においては、高速度カメラ５１により毎秒１２５フレーム程度の撮像を行うことで、１対の断熱板カバー４４、４５内での着色粒子の挙動が撮像され、これにより空気流が観察可能となる。
また、このように撮像された各撮像画像に基づいて、ＰＩＶ計測(PIV:Particle Image Velocimetry（粒子画像流速測定）)を行うことで空気速度Ｕも測定可能となる。
さらに、上記空気噴射ノズル４６から噴射する空気をヒータ５３を設け、このヒータ５３で噴射空気を加熱することで、所定の環境温度を再現し、この環境温度の空気流によるリブモデル４３の各部の熱膨張を測定することで、コラム４の熱変形を推察することもできる。
【００２５】
図４は、上記可視化システム４０で得られた空気流の撮像画像を示す図であり、図４（ａ）は上記リブモデル４３の近傍での空気流の観察画像を示し、図４（ｂ）は基材４１の上面がフラットな構造体（リブ４２が無い構造体）の近傍での空気流の観察画像を示す。なお、この図４において、白色の雲状部分が空気流を示す。
図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較して分かるように、窪み部３０がある場合、隣り合うリブ４２の間を繋ぐように空気流が生じ、リブ４２の間の谷底、すなわち、窪み部３０の底部分の基材４１には空気流が届いていない。すなわち、窪み部３０がコラム４の外表面５の近傍での空気流動を抑制し、その流速を減じさせることが確認できる。れにより、上記（３）に基づいて、コラム４への流入熱流束ｑが抑えられていることが実証される。なお、図示は省略するが、上記ＰＩＶ計測により、リブモデル４３の外表面近傍での空気速度Ｕが求められ、これによっても、窪み部３０の内部で空気速度Ｕが小さくなっている事が確認されている。
【００２６】
図５は、窪み部３０を構成するリブ４２の先端部４２Ａ、内側面、及び窪み部３０の底部分の各部での空気流の速度勾配αの分布を示す図である。詳細には、図５（ａ）は、基材４１に窪み部３０が無いフラットモデルの場合を示し、図５（ｂ）〜図５（ｅ）の各々は窪み部３０を構成するリブ４２の高さ、厚さ、及びピッチ（立設間隔）のいずれか１つを変えた場合を示す。
なお、これらの図において、空気流の速度勾配αは、対象部位の表面と垂直な方向の速度勾配を示し、α１は基材４１の外表面の速度勾配を、α２はリブ４２の先端部４２Ａでの速度勾配を、α３はリブ４２の内側面での速度勾配を、α４は窪み部３０の底部分での速度勾配を示す。これらの空気流の速度勾配は、上記ＰＩＶ計測、或いは、数値計算により求められた空気速度Ｕに基づいて計算される。
【００２７】
図５（ａ）に示すように、基材４１の外表面Ｓにリブ４２による窪み部３０が無い場合、その外表面Ｓの全体に空気流の速度勾配α１が生じている。速度勾配α１は、温度勾配と相似であるとみなせるため、速度勾配α１の分布を面積分した値、すなわち、温度勾配を面積分した値が、その面積への流入熱量の大きさを示すことになる。
すなわち、図５（ａ）に示すように、基材４１の外表面Ｓにリブ４２による窪み部３０が無い場合には、外表面Ｓの全体に空気流の速度勾配α１が生じていることから、その外表面Ｓの近傍の空気流によって、速度勾配α１に比例した大きさの熱流入が発生していることが分かる。
【００２８】
一方、図５（ｂ）〜図５（ｅ）に示すように、基材４１の外表面Ｓにリブ４２による窪み部３０が設けられている場合、リブ４２の先端部４２Ａが空気流に曝されることから、この近傍に比較的大きな空気流の速度勾配α２、α３が現れ、この先端部４２Ａへの空気流による熱流入が発生する。これに対して、窪み部３０の底部分では空気流の速度勾配α４が非常に小さいため、空気流による熱流入が抑えられていることが分かる。
このように、空気流からの熱移動は、概ねリブ４２の先端部４２Ａの方で生じ、リブ４２の基材４１の方のでは小さくなり、リブモデル４３の全体でみても、周囲の空気からの熱の移動が抑えられ、断熱効果が生じていることが分かる。
なお、各リブ４２の先端部４２Ａと、基材４１側の基端部４２Ｂとに熱特性の異なる材質を用いて窪み部３０を構成しても良い。このとき、先端部４２Ａの方を吸熱し難い材質とすることで、空気流からリブ４２への熱流入を少なくすることができる。
【００２９】
図６は、リブモデル４３、及びリブ４２が無いフラットモデルへの流入熱流束ｑの時間変化を示す図である。なお、流入熱流束ｑの測定は、上記可視化システム４０を用いて行われたものであり、リブモデル４３及びフラットモデルの温度を室温２２．３℃程度とした後、温度３７．５℃の一定温度に維持した流量１２ＮＬ／ｍｉｎの空気流を噴射し、空気流の流速及び温度を一定に保ったまま３６００秒間に亘り、基材４１の表面の熱流束（リブモデル４３においては窪み部３０の底部）を測定して得られた結果である。
この図に示されるように、流入熱流束ｑは、リブモデル４３及びフラットモデルのいずれも時間の経過と共に飽和して一定となる。この飽和域での値をリブモデル４３及びフラットモデルで比較すると、リブモデル４３の流入熱流束ｑは、フラットモデルの約１３％にまで抑えられていることが分かる。
すなわち、リブモデル４３とフラットモデルとは、基材４１の表面近傍での空気の速度勾配の違いに起因して、流入熱流束も相当に異なることが示される。
【００３０】
図７は、リブモデル４３、及びリブ４２が無いフラットモデルの環境温度に対する追従性の測定結果を示す図である。なお、この測定条件は、図６の測定条件と同様であり、基材４１の表面温度（リブモデル４３においては窪み部３０の底部）を測定して得られた結果である。
この図に示されるように、空気流の影響によるリブモデル４３の温度変化は、フラットモデルに対して時間的に緩やかになり、時間的な遅れが生じていることが分かる。測定終了時での温度を比較した場合、リブモデル４３の温度はフラットモデルの温度の７０％に抑えられているものの、図６に示した流入熱流束ｑの違いからみれば、温度の差が小さい。これは、図５を参照して説明したように、リブ４２の先端部４２Ａからの熱伝導によって基材４１に熱が流入するためと考えられる。
【００３１】
図８は、リブモデル４３、及びリブ４２が無いフラットモデルの外表面の温度分布の測定結果を示す図である。なお、図８の測定条件は上記図６の測定条件と同様であり、一定時間経過時の基材４１の長手方向の温度分布を測定して得られたものである。
この図に示されるように、リブモデル４３の場合、フラットモデルと同様に、基材４１の温度分布が均一となり良好な均熱性が維持されていることが分かる。さらに、リブモデル４３にあっては、流入熱流束が抑制されている結果、その基材４１の温度が同時刻で比較した場合、フラットモデルよりも低く抑えられていることが分かる。
【００３２】
図９は、リブモデル４３、及びリブ４２が無いフラットモデルの熱膨張による熱変位量の測定結果を示す図である。なお、図９の測定条件は上記図６の測定条件と同様であり、基材４１の長手方向の変位量を測定して得られたものである。
この図に示されるように、リブモデル４３においては、フラットモデルよりも基材４１の温度変化が遅いため、基材４１の熱変位量の変化も同様に遅くなる。さらに、その最大の熱変位量は、リブモデル４３が約１．８μｍであるのに対してフラットモデルが約２．８μｍとなり、リブモデル４３の最大熱変位量がフラットモデルの約７８％まで減少しているとの測定結果が得られており、これにより、窪み部３０によって熱変位の抑制効果が得られていることが分かる。
【００３３】
以上の測定の結果から、基材４１の外表面にリブ４２を立設して複数の窪み部３０を連設し、外表面近傍（より正確にはリブ４２の谷部である窪み部３０の底部分）での空気流を減じることで、基材４１の温度分布を均一に維持しつつ、環境温度の変化に対して基材４１の温度変化の応答を遅くし、また、熱変形による熱変位の最大値を抑えられる事が示された。
【００３４】
ここで、図９の測定結果で得られた熱変位量の曲線は、次式に示す１次遅れ系の同定式で同定することができる。
熱変位量Δ＝Ｂ（１−ｅｘｐ｛（ｔ−ｄ）／τ｝）        （４）
ただし、ｔは時間、Ｂは最大熱変位、ｄは遅れ、τは時定数である。
【００３５】
上記（４）式による同定によれば、時定数τが大きいほど、熱変位量Δの時間的変化が緩やかになり最大熱変位Ｂに達するまでの時間が大きくなる。
すなわち、マシニングセンタ１のコラム４の外表面５に窪み部３０を設けた場合に、このコラム４の熱変位量Δの時定数τを十分に大きくすることができれば、マシニングセンタ１の稼働時間の間に、熱変位量Δが最大熱変位に到達しないようにすることが可能となる。
【００３６】
次いで、発明者らは、リブモデル４３の形状と、上記時定数τとの関係についての知見を得るべく、数値解析を行った。
この数値解析においては、リブ４２が有する熱容量の条件を同じにするために、図１０に示すように、リブモデル４３のリブ４２の厚みを仮想的にゼロと想定して解析を行っている。さらに、リブ４２で区画された隣接する窪み部３０の間は断熱されて互いに熱の移動は無いものと仮定して解析を行っている。
なお、この数値解析に用いたリブモデル４３は、図１０に示すように、基材４１の高さが１２ｍｍであり、この基材４１の上面に高さａ＝４０ｍｍのリブ４２がピッチｂ＝４０ｍｍで立設されたものを基準とし、ｂ／ａによりアスペクト比を定義して、このアスペクト比を０．４〜２．５の間で可変して解析を行った。
【００３７】
図１１は、窪み部３０のアスペクト比と時定数τとの関係の解析結果を示す図である。
この解析では、高さａを固定しつつピッチｂを可変してアスペクト比を可変した場合と、これとは逆に、ピッチｂを固定しつつ高さａを可変してアスペクト比を可変した場合とを解析している。この結果、図１０に示すように、いずれかの場合でも、アスペクト比が同じであれば、時定数τは略同じとなり、また、アスペクト比が大きいほど、時定数τが大きくなることが求められた。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、マシニングセンタ１のコラム４の外表面５に窪み部３０を多行多列に亘って設ける構成としたため、コラム４を含む工作機械本体６と、この工作機械本体６を覆う全体カバー２０との間に空気流が生じたとしても、コラム４の外表面５での速度勾配が窪み部３０によって減じられるため、空気流の熱がコラム４に移動することが抑制されて断熱される。
これにより、コラム４の周囲の環境温度が変化しても、その温度変化に伴ってコラム４が熱変形するのが抑制され、結果として、熱変位を抑えることができる。
【００３９】
特に、上記窪み部３０の深さを、その底部における法線方向の空気流の速度勾配を略ゼロとするように上記縦リブ３２Ａ、横リブ３２Ｂの高さを設定することで、空気流からコラム４の外表面５への熱の移動を、縦リブ３２Ａ及び横リブ３２Ｂによる熱伝導によるものを支配的とし、窪み部３０の底部から直接的にコラム４に熱が移動するのを抑制し、高い断熱効果を得ることができる。
また、このように断熱効果を有する窪み部３０を、その窪み部３０の開口径よりも短い間隔Ｗａ、Ｗｂでコラム４の外表面５に設けることで、窪み部３０の間のリブの部分での熱の吸収を抑制し、コラム４の全体として、高い断熱効果を得ることができる。
【００４０】
＜第２実施形態＞
図１２は、本発明の第２実施形態に係るマシニングセンタ１００の構成を示す斜視図である。このマシニングセンタ１００は、門形構造のコラムを有する門形マシニングセンタであって、架台となる固定されたベッド１０２を挟んだ両側にコラム１０４Ａ、１０４Ｂを垂直に立設し、各コラム１０４Ａ、１０４Ｂの上端を横はり（トップビーム）１０３で連結して構成された工作機械本体１０６を備える。
２本のコラム１０４Ａ、１０４Ｂには、横けた（クロスレール）１０７が横架され、この横けた１０７には、立フライスヘッド１０８が横方向に運動可能に支持され、この立フライスヘッド１０８に、主軸及び工具が取り付けられる。立フライスヘッド１０８の直下には、ベッド１０２上に載置されたテーブル１１２が配置され、立フライスヘッド１０８に取り付けられた工具によって、テーブル１１２上に保持された加工物を工作・加工可能に構成されている。
【００４１】
また、立フライスヘッド１０８及びベッド１０２（テーブル１１２）を連結するフレームとしての上記コラム１０４Ａ、１０４Ｂの外表面に加え、ベッド１０２、及び横はり１０３の外表面には、第１実施形態で説明した窪み部３０が多列多行に亘って間隔をあけて規則的に設けられており、空気流との間で断熱されている。
これにより、門形構造のコラムを構成するコラム１０４Ａ、１０４Ｂ、及び横けた１０７、さらには、ベッド１０２の熱変形が抑制され、結果として、工具とテーブル１１２との間の熱変位が抑制される。
【００４２】
なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
【００４３】
例えば、上述した実施形態では、窪み部３０をコラム４やベッド２の外表面５に規則的に配列する構成を例示したが、これに限らず、外表面の断熱効果が得られる限りにおいて、各列間、或いは、各行間の相互の窪み部３０を、列又は行を規定する線上からずれた位置に配置し、或いは、個数を間引いて不規則としても良い。ただし、隣接する窪み部３０同士の離間距離は、当該窪み部３０の開口径以内とすることが望ましい。
また、窪み部３０をコラム４にのみ設ける構成を例示したが、これに限らず、環境温度との断熱を図るべき箇所に適宜に設けても良い。
【００４４】
また例えば、上述した実施形態では、コラム４の外表面５に窪み部３０を一体に構成したが、これに限らない。すなわち、上記縦リブ３２Ａ及び横リブ３２Ｂからなる格子状のリブ構造体を別途に形成し、コラム４の外表面５に固着する構成としても良い。
【００４５】
また例えば、上述した実施形態では、工作機械の一例として、主軸１８が垂直のマシニングセンタ１、１００を例示したが、これに限らず、主軸１８が水平の横形のマシニングセンタであっても良い。
【００４６】
また例えば、上述した実施形態では、工作機械を説明したが、この工作機械の他に、例えば３次元測定装置や半導体製造装置を含む精密機械に対し、本発明を適用することができる。
すなわち、工作物、加工物、或いは測定物等の対象物を載置するテーブルと、この対象物を工作、加工するための工具や光照射器、或いは測定するための探査針等を保持する保持機構（工作機械にあってはヘッド）と、これらテーブル及び保持機構を連結するフレーム（工作機械にあってはコラム）とを備える精密機械であって、このフレームの外表面に、所定の深さの窪み部３０を多列多行に亘って、間隔をあけて、規則的或いは不規則に一体的に設ける構成としても良い。
これにより、環境温度とフレームとが断熱されるため、フレームの熱変形が防止され、以って、テーブルと保持機構との間の熱変位が抑制可能となる。なお、フレームだけでなく、テーブルと保持機構との間の熱変位を抑制可能とする箇所であれば、他の部位にも窪み部３０を設けることができる。
【００４７】
また、空気流の生じる環境下に設置され、該空気流の影響により、時間の経過と共に発生するであろう熱変位をきらう構造体であれば、任意の構造体に本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るマシニングセンタの構成を示す図である。
【図２】窪み部が設けられた面の空気速度と温度との関係を示す図であり、（ａ）は遠方での空気速度が略ゼロの場合を示し、（ｂ）は遠方での空気速度がＵ0の場合を示す。
【図３】窪み部での空気流を可視化する可視化システムの概略構成を示す図である。
【図４】可視化システムで得られた空気流の撮像画像を示す図であり、（ａ）は基材がリブ構造による窪み部を有する場合を示し、（ｂ）は基材がフラットな場合を示す。
【図５】窪み部を構成するリブの先端部、内側面、及び窪み部３０の底部分の各部での空気流の速度勾配の分布を示す図であり、（ａ）は、基材に窪み部が無い場合を示し、（ｂ）〜（ｅ）の各々は窪み部を構成するリブの高さ、厚さ、及びピッチのいずれかが異なる場合を示す。
【図６】リブモデル、及びリブが無いフラットモデルへの流入熱流束の時間変化を示す図である。
【図７】リブモデル、及びリブが無いフラットモデルの環境温度に対する追従性の測定結果を示す図である。
【図８】リブモデル、及びリブが無いフラットモデルの外表面の温度分布の測定結果を示す図である。
【図９】リブモデル、及びリブが無いフラットモデルの熱膨張による熱変位量の測定結果を示す図である。
【図１０】数値解析に用いたリブモデルの構成を示す図である。
【図１１】窪み部のアスペクト比と時定数τとの関係の解析結果を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係るマシニングセンタの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、１００  マシニングセンタ（工作機械）
２、１０２  ベッド
４、１０４Ａ、１０４Ｂ  コラム
５、Ｓ  外表面
６、１０６  工作機械本体
１８  主軸
３２Ａ  縦リブ
３２Ｂ  横リブ
４０  可視化システム
４１  基材
４２  リブ
４２Ａ  先端部
４３  リブモデル
α、α１〜α４  速度勾配
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図４】
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