(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体軸受を有する工作機械機構部と該工作機械機構部を囲う工作機械カバーと、前記工作機械カバー内であって前記工作機械機構部に接しない箇所に温度センサを配置し、前記工作機械機構部の温度が一定となるように、前記流体軸受に供給される流体の過熱、冷却が可能な温調器を備えた温度制御システムであって、
前記温調器より排出される前記流体軸受に供給される流体のうち所定の流量を前記温度センサに直接吹き付けるようにした流量調節可能な配管を配設し、
前記所定の流量は、
前記工作機械カバー内の温度と前記流体の温度から受ける前記温度センサの検出温度への影響が、前記工作機械カバー内の温度と前記流体の温度から受ける前記工作機械機構部の温度への影響の割合と同じ比率になるように調節された流量であることを特徴とする温度制御システム。
【請求項２】
前記流体軸受は空気などの気体を作動流体とする気体軸受である請求項１に記載の温度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノメートルオーダーの加工を行う工作機械の温度調節システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノメートルオーダーの加工や測定を行う工作機械や測定器等の超精密な機械においては、周囲温度の影響が加工精度、測定精度に現れ、加工形状や測定形状が変化する。この周囲温度の影響を防止するために、精密な温度制御が必要とされる。
【０００３】
図６に示される工作機械では、機構部内に気体軸受用の流路が張り巡らされている。精密加工を行う場合、工作機械は空調された部屋に設置され、気体軸受に供給される気体も温調器によって一定に保たれる。温調器は内部に気体を過熱、冷却する機構を有する（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５５４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
気体軸受用の気体の温度を一定に保つために、通常、温調器６内もしくは、温調器６出口近傍の温度センサ１０ｃによって、気体の温度が検知され、気体温度を一定に保つために温調器６にフィードバックされる（図２参照）。  
このシステムは、温調器６の温度センサ１０ｃは工作機械１周辺の温度を検知しないので、工作機械１周辺のわずかな温度変化に対して影響を受けにくいが、工作機械１周辺の大きな温度変化に対応することができなかった。  
図３に示すように工作機械機構部２の表面、または、内部に温度センサ１０ｂを設置した場合、工作機械機構部２の温度変化に合わせて気体軸受用の気体の温度が制御される。  しかし、一般的に工作機械機構部２の熱容量は非常に大きく、図３の構成では、工作機械１の周囲、もしくは、工作機械機構部２に温度変化が生じた場合、温調器６と気体軸受用の気体によって、温度を一定に保てるようになるまでに非常に時間がかかる。すなわち、時定数が非常に大きくなり、気体に対して、工作機械機構部２の熱容量が大きすぎる場合、温度制御ができなくなるという問題がある。
【０００６】
図４に示すように、温度センサ１０ａを工作機械カバー３内部であって工作機械機構部２に接しない位置に配置し、工作機械カバー３内部の気温を検知する。温度センサ１０ａが温度を検知する気体は、気体軸受流路４を通った気体が軸受部を通過した後、工作機械機構部２から工作機械カバー３内部に排出される気体である。  
この場合、温度センサ１０ａと工作機械カバー３内部の温度は一致し一定としうるが、その状態を作るために気体軸受に供給される気体が温度を変化させるので、工作機械機構部２も温度変化し、本来の目的である工作機械機構部２の温度変化を抑えることができない。
【０００７】
前記したように、工作機械は金属の大きな塊で、あまりに熱容量が大きいため、温度調節に遅れを生じる。それを解消するために、工作機械機構部とは別の熱容量が小さい部分の温度から、将来の機械機構部の温度変化を予測して、先回りの温度制御を行うようにする。
【０００８】
しかしながら、工作機械機構部の温度制御をすることが困難な要因は、工作機械の機構部の温度が、工作機械カバー内の空気の温度と気体軸受の気体の温度との両方に依存し、かつ、この両方が個々の工作機械に特有な割合で影響しあっていることである。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、工作機械カバー内の気体温度と気体軸受に供給される気体温度とに基づき、温度センサ部における時定数を小さく、つまり、加熱応答性を良くし周囲の温度変化にすばやく反応できる工作機械の温度制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の請求項１に係る発明は、流体軸受を有する工作機械機構部と該工作機械機構部を囲う工作機械カバーと、前記工作機械カバー内であって前記工作機械機構部に接しない箇所に温度センサを配置し、前記工作機械機構部の温度が一定となるように、前記流体軸受に供給される流体の過熱、冷却が可能な温調器を備えた温度制御システムであって、
前記温調器より排出される前記流体軸受に供給される流体のうち所定の流量を前記温度センサに直接吹き付けるようにした流量調節可能な配管を配設し、前記所定の流量は、
前記工作機械カバー内の温度と前記流体の温度から受ける前記温度センサの検出温度への影響が、前記工作機械カバー内の温度と前記流体の温度から受ける前記工作機械機構部の温度への影響の割合と同じ比率になるように調節された流量であることを特徴とする温度制御システムである。
請求項２に係る発明は、前記流体軸受は空気などの気体を作動流体とする気体軸受である請求項１に記載の温度制御システムである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、温調器から排出される温調器の温度センサを機械本体に組み込み、機械本体内の温度を検知すると同時に、温調器から排出される空気も、所定の流量を吹き付けて空気の温度もある程度検知させることで、制御性が向上し、機械本体の温度を一定に保つことが可能となる。これにより、工作機械周辺の空調コストを抑えることが可能となった。  
更に、本発明は、工作機械本体の温度を一定とする制御を実施するための温度センサを増加させる必要がなく、温度制御システムを複雑化しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面とともに説明する。  
図１は、本発明の工作機械の温度制御システムの一実施形態を示す図である。この実施形態の工作機械１では、温度制御対象として超精密加工を行う工作機械機構部２を有する。通常、精密加工を行う場合、工作機械は図６に示されるように空調された部屋に設置されている。
【００１３】
工作機械１は、工作機械機構部２とそれを覆う工作機械カバー３を備え、工作機械機構部２は工作機械カバー３で囲われている。工作機械機構部２内には、あらゆる箇所に気体軸受流路４が張り巡らされている。そして、気体軸受流路４からの気体（例えば、空気）は図示されていない気体軸受に供給される。温調器６にはコンプレッサ（図６参照）で圧縮した空気などの気体が供給される。温調器６で温度調節された気体は配管５を経由して気体軸受流路４を通って工作機械機構部２に設けられた気体軸受の軸受部から工作機械カバー３で囲われた領域に排出される。
【００１４】
温調器６から図示されない気体軸受に供給される気体の一部を工作機械カバー３内に配設された温度センサ１０ａに直接吹き付けるための分岐配管９を工作機械カバー３の外の部分の配管５に設ける。そして、分岐配管９には、温度センサ１０ａに吹き付ける気体の流量を調節可能とするために、流量可変絞り弁１１を介在させる。
【００１５】
流量可変絞り弁１１の開度は、温度センサ１０ａが受ける工作機械カバー内の温度と、気体軸受に供給される気体の温度の影響が、工作機械機構部２が受けるカバー内の温度と、気体軸受に供給される気体の温度の影響と同じ比率になるように設定し所定の流量とする。
【００１６】
温度センサ１０ａは、分岐配管９から直接吹き付けられる気体と工作機械カバー３内の空気とが所定の割合で混ざりあった温度測定領域１２で気体の温度を測定する。温度センサ１０ａで測定した温度検出信号は、信号線８を経由して温調器６にフィードバックされる。
このようにすることにより、工作機械機構部２の温度を時定数が短い状態で制御することができる。
【００１７】
次に、温度センサ１０ａに吹き付ける温調器６からの気体の流量について定性的に説明する。工作機械機構部２の温度変化ΔＭは工作機械カバー内の気体温度変化ΔＣと温調器６から供給される気体温度変化ΔＡとは以下の「式１」及び「式２」の関係があることが実験的に確かめられた。ただし、式１が成立するのは、十分な時間が経過した後である。
ΔＭ＝ΔＣ＊α＋ΔＡ＊β                （式１）
α＋β＝１、０＜α＜１、０＜β＜１      （式２）
「式１」で、右辺のΔＣとΔＡとは、空気などの気体の温度変化分であって熱容量が非常に小さく、時定数が短い変化、すなわち、過熱応答性の良い変化をなす。このことから、実際のＭが変化する前に、現在のＣとＡとの値から、「式１」を用いてΔＭを予測可能である。
【００１８】
したがって、「式１」の右辺が「ゼロ」になるように、温調器６から供給される気体温度Ａを制御することで、時定数の短い温度制御が可能となる。ΔＭがゼロとなれば、結局、Ｍは常に一定である。αとβの比率であるが、工作機械１の構成ごとに異なるので、事前に測定して比率を設定しておく。
【００１９】
ここで、事前に測定してαとβの比率を設定するための、工作機械機構部２が、工作機械カバー３内の気体と気体軸受の気体とから受ける影響割合を測定する測定方法の一例について説明する。  
図５−１に示されるように、温度センサ１０ａを工作機械カバー内の工作機械機構部２に接しない個所に、温度センサ１０ｂを工作機械機構部２の表面、または内部に、温度センサ１０ｃを温調器６より排出される気体の流路に、それぞれ配置する。温度センサ１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃで検知される温度は測定器１３によって測定できる。  
この状態で温調器６より排出される気体の温度の設定値をΔＡ変化させると、それに応じて、工作機械機構部２の温度、工作機械カバー３の内部の気温が変化し、ある時間がたつと定常状態を迎える。このときの温度変化をそれぞれ、ΔＭ、ΔＣとする（図５−２参照）。この際のΔＡ、ΔＭ、ΔＣの値を「式１」に代入し、「式２」との連立方程式を解くことで、α、βを決定することができる。
【００２０】
実際の設定では、流量可変絞り弁１１の絞り量が重要であるので、α、βを具体的に求めるのではなく、図５−３に示されるように、センサ１０ｄで気温を測定し、センサ１０ｂで工作機械機構部２の温度を測定することで、流量可変絞り弁１１の流量を微少量ずつ調整し工作機械機構部２の温度制御に最適な弁の開度を特定することも可能である。  
【００２１】
工作機械１の構成が付加部品の追加などによって変更され、これにより、工作機械機構部２の熱容量が変化したり、付加部品も気体軸受を有するなどして工作機械カバー３で囲まれた領域に気体を排出したりするとき、α、βの比率が変わる場合がある。その際には、再度、流量可変絞り弁１１の開度を調整して温度センサ１０ａに吹き付ける気体の流量を調整する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の温度制御システムの一実施形態を示した図。
【図２】従来技術である温度センサを温調器の出口近傍に配置した温度制御システムの検討例。
【図３】温度センサを工作機械機構部の表面、または内部に設けた温度制御システムの例。
【図４】温度センサを工作機械カバー内の工作機械機構部に接しない個所に設けた温度制御システムの例。
【図５−１】工作機械機構部が、工作機械カバー内の気体と気体軸受の気体とから受ける影響割合を測定する測定方法の一例。
【図５−２】図５−１の測定方法によって得られた測定結果の一例。
【図５−３】流量可変絞り弁１１の最適な開度を求める方法の一例。
【図６】工作機械が空調された部屋に設置されていることを示す概略図。
【符号の説明】
【００２３】
１  工作機械
２  工作機械機構部
３  工作機械カバー
４  気体軸受流路
５  配管
６  温調器
７  気体
８  信号線
９  分岐配管
１０ａ  温度センサ
１０ｂ  温度センサ
１０ｃ  温度センサ
１１  流量可変絞り弁
１２  温度測定領域
１３  温度測定装置
【図１】
0004233586.tif 000002
【図２】
0004233586.tif 000003
【図３】
0004233586.tif 000004
【図４】
0004233586.tif 000005
【図５−１】
0004233586.tif 000006
【図５−２】
0004233586.tif 000007
【図５−３】
0004233586.tif 000008
【図６】
0004233586.tif 000009