JP2011073108A - 工作機械の送り軸冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータの近傍に位置する構造体を過冷却することなく、リニアモータの発熱源であるコイル部を冷却することができる工作機械の送り軸冷却装置を提供する。
【解決手段】リニアモータのコイル部１８に設けられ、機体温度より低い温度に調節された冷却液を流通させる第１冷却液通路１７と、リニアモータのコイル部１８の周囲に設けられ、ほぼ機体温度に調節された冷却液を流通させる第２冷却液通路２１と、第１冷却液通路１７及び第２冷却液通路２１に供給する各冷却液の温度を調節し循環させる冷却液供給手段と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニアモータにより駆動される工作機械の送り軸冷却装置に関する。

リニアモータによる移動機構が適用された装置の従来の一例として、特許文献１が開示されている。特許文献１の段落番号０００６に記載されているように、特許文献１に記載された発明は、リニアモータのコイルを冷却することにより、リニアモータで発生する熱を除去する装置を提供することを目的としている。段落番号０００７には、発明の構成を説明する記載、すなわち「本発明では、コイルと該コイルを覆い内部空間に冷媒が供給されるジャケットを有するリニアモータにおいて、該ジャケットを内側と外側との二重構造とし、コイルの内側ジャケットと外側ジャケットに性質の異なる二種類の冷媒を流すことを特徴とする。」がある。また、段落番号０００９には、発明の作用を説明する記載、すなわち「コイル内側ジャケットに不活性冷媒を使用して、コイル表面の絶縁層にダメージを与えることを防止している。また、コイル内側ジャケットに一般的に冷却能力の劣る不活性冷媒を使用したことによる冷却能力の不足を、二重ジャケットの外側ジャケットに冷却効率の良い冷媒を流すことにより、補うことができる。よって、本発明によれば、コイル表面の絶縁層にダメージを与えることなくリニアモータコイルからの発熱を吸収し、精度に及ぼす影響、構造体の熱変形、レーザ干渉計の計測誤差等をなくし、このリニアモータを使用した優れたステージ装置や露光装置、デバイス製造方法などを提供することができる。」がある。

特開２００１−２５２２７号公報

特許文献１では、冷却能力を高めるために、ジャケットを内側と外側との二重構造としたものであり、内側ジャケットと外側ジャケットとの間の空間に供給される冷媒は、内側ジャケットで囲まれる空間に供給される冷媒よりも冷却能力の高い冷媒が供給され、リニアモータから発生する熱が冷媒に吸収されて、構造体の温度が高温側へ変化することによる熱変形が防止されるようになっている。しかし、冷却能力の高い冷媒を使用することにより、構造体が過冷却され、構造体の温度が低温側へ変化することによる熱変形が生じるという問題がある。すなわち、構造体は、構造体の温度が基準温度より高くなる場合には膨張変形し、構造体の温度が基準温度より低くなる場合には収縮変形するものとなるが、特許文献１では温度が低くなることによる変形は考慮されていないため、構造体の熱変形を十分には抑えることができない。このため、構造体の熱変形を抑制し、精度の良い加工を行うには、構造体の温度を一定温度に保つ必要がある。

本発明は、リニアモータの近傍に位置する構造体を過冷却することなく、リニアモータの発熱源であるコイル部を冷却することができる工作機械の送り軸の冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、リニアモータにより駆動される工作機械の送り軸冷却装置において、前記リニアモータのコイル部に設けられ、冷却液を流通させる第１冷却液通路と、前記リニアモータの外周部に設けられ、冷却液を流通させる第２冷却液通路と、前記第１冷却液通路には機体温度より低い温度に調節した冷却液を供給し、前記第２冷却液通路には機体温度に調節した冷却液を供給する冷却液供給手段と、を具備することを特徴とした工作機械の送り軸冷却装置が提供される。

また、本発明によれば、前記工作機械は、リニアモータでそれぞれ駆動されるが互いに直交する３つの送り軸を有し、各送り軸には前記第１冷却液通路及び前記第２冷却液通路が設けられ、前記冷却液供給手段は、各送り軸の前記各冷却液通路に個別に温度調節した冷却液を供給する工作機械の送り軸冷却装置が提供される。

また、本発明によれば、前記工作機械は、前記機械本体内に充満されている液体を循環させる熱変形防止手段を有し、前記冷却液供給手段は、前記機械本体の中心部で前記液体中に浸漬されたブロックの温度を前記機体温度として検出し冷却液の温度を調節する工作機械の送り軸冷却装置が提供される。

また、本発明によれば、前記リニアモータの磁石及び前記コイル部周辺に存する空間に、機体温度より低い温度に調節された前記冷却液と熱交換することにより冷却された空気が供給される工作機械の送り軸冷却装置が提供される。

また、本発明によれば、前記冷却液供給手段は、前記第１の冷却液の温度を調節する第１液温調節部と、前記第２の冷却液の温度を調節する第２液温調節部とを有する工作機械の送り軸冷却装置が提供される。

以上の如く、本発明の工作機械の送り軸の冷却装置によれば、リニアモータの外周部が機体温度より低い温度に冷却されることなく、リニアモータのコイル部が機体温度より低い温度に調節された冷媒により冷却されるから、リニアモータの近傍に位置する構造体を過冷却することなく、リニアモータの発熱源であるコイル部を素早く冷却することができる。

工作機械の送り軸冷却装置の一実施形態の要部を示す断面図である。 図１のII−II線に沿って切断した断面図である。 図１のIII−III線に沿って切断した断面図である。 液体が充満している機械本体内部の様子を示す断面図である。 冷却装置のブロック図である。

本発明の工作機械の送り軸冷却装置は、本明細書の図４で示される垂直な主軸を有する立形マシニングセンタ（以下、「立形Ｍ／Ｃ」という）に適用されることに制限されるものではなく、リニアモータにより駆動される送り軸を有する水平な主軸を備えた横形マシニングセンタや、ターニングセンタ、他の工作機械に適用することができる。

本実施形態の工作機械の送り軸冷却装置１０は、直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚを駆動するリニアモータ１５，２５，３５を冷却する冷却装置であって、リニアモータの可動コイル部１８に設けられ、立形Ｍ／Ｃ１の機体温度より低い温度に調節された液体（第１の冷却液）５０を流通させて、可動コイル部１８から熱を吸収する第１冷却液通路１７と、可動コイル部１８の周囲の部分であるリニアモータの磁石１９を支持する機械本体部分に設けられ、機械本体が過冷却されることを防止するために機体温度とほぼ等しい温度に調節された液体（第２の冷却液）５１を流通させる第２冷却液通路２１と、第１冷却液通路１７を通る液体５０の温度及び第２冷却液通路２１を通る液体５１の温度を調節する冷却液供給手段と、を具備している。冷却液供給手段は、第１冷却液通路１７を通る液体５０の温度を調節する第１液温調節部２２と、第２冷却液通路２１を通る液体５１の温度を調節する第２液温調節部２３と、を有している。これにより、可動コイル部１８の周囲の部分が機体温度より低い温度に冷却されることなく、リニアモータの可動コイル部１８を強制的かつ集中的に冷却することができる。つまり、第２冷却液通路２１は、可動コイル部１８が過冷却されても、その熱を外周部に伝達させない作用をする。

図１には、本発明の送り軸冷却装置の一実施形態を説明するための図が示されている。図示される送り軸は、図４に示す立形Ｍ／Ｃ１の直線送り軸Ｙを代表として示している。Ｙ軸のリニアモータ２５は、磁石１９を支持する固定側の基台１４（ベッド４に当たる）に対して、可動コイル部１８を有する可動側の移動体１６（テーブル７に当たる）を直線運動させるモータである。固定側の基台１４は、高い剛性を有する機械本体部分であり、Ｘ軸ではコラム５に、Ｚ軸ではサドル８に当たるものである。可動側の移動体１６は、直動ガイド２６によって沿って移動する部分であり、Ｘ軸ではサドル８に、Ｚ軸では主軸頭９に当たるものである。

図１に示すように、本実施形態において、対向する一対の磁石１９は磁石支持部１４ｂを介して基台１４に設けられている。一対の磁石支持部１４ｂの内面に板状の磁石１９の片面が固定的に支持されている。対向する一対の磁石１９の間に、移動体１６の下面に垂設された可動コイル部１８が配置されている。可動コイル部１８は、移動体１６の幅方向中央に垂設されたコイル支持部１８ａと、コイル支持部１８ａの左右両側に固定された電磁コイル１８ｂとを有している。一対の磁石１９を有する基台１４と一対の電磁コイル１８ｂを有する移動体１６とは、左右対称になっている。磁石１９は、送り軸方向に極性の異なる磁石１９が交互に配置されたものであるため、電磁コイル１８ｂに流す電流を変化させることにより、極性の異なる個々の磁石１９と電磁コイル１８ｂとの間で移動体１６を送り軸方向に移動させる駆動力が生じる。これにより、移動体１６は、直動ガイド２６に案内されて高速に移動することが可能となる。

一般に、リニアモータを使用した送り軸は、電磁コイルから生じる熱により電磁コイルの周囲部分の温度が高くなるという問題がある。機械本体の温度が高くなると、機械本体が熱膨張（熱変形）して、加工精度が低下する。このような場合には、リニアモータの電磁コイルを冷却することが行われている。本実施形態の送り軸冷却装置１０でも、同様に、電磁コイル１８ｂから熱を奪うための構成として、液体５０を流す第１冷却液通路１７が電磁コイル１８ｂに備えられている。しかし、電磁コイル１８ｂを冷却すると、電磁コイル１８ｂの周囲に存する構造体部分も同時に冷却され、過冷却により基台１４や移動体１６などが変形するおそれがある。そこで、本実施形態の送り軸冷却装置１０は、電磁コイル１８ｂの周囲の部分である基台１４や移動体１６の過冷却を防ぐため、磁石１９を支持する磁石支持部１４ｂや移動体１６にほぼ機体温度に調節された液体５１を流す第２冷却液通路２１を備えている。

以下において、本実施形態の送り軸冷却装置１０を詳細に説明する。
図１に示すように、機体温度より低い温度に調節された液体５０が流れる第１冷却液通路１７は、一対の電磁コイル１８ｂの内部を通っている。これにより、一対の電磁コイル１８ｂは、強制的に冷却されるようになっている。機体温度とほぼ等しい温度に調節された液体５１が流れる第２冷却液通路２１は、基台１４の磁石支持部１４ｂと移動体１６の壁部を貫通している。第２冷却液通路２１により、第２冷却液通路２１の外側と内側との熱の流れが遮断され、基台１４や移動体１６の過冷却が防止されている。

図２には、電磁コイル１８ｂを冷却する第１冷却液通路１７として、太い冷却液通路１７ｄと、細い冷却液通路１７ａが示されている。冷却液通路１７ａ，１７ｄには、共に機体温度より低い温度に調節された液体５０が一方の入り口から流入し、他方の出口から熱を吸収した液体５０が流出するようになっている。液体５０には、例えば油性の液体を使用することができる。

図３には、テレスコピックカバー２と共に、基台１４の磁石支持部１４ｂと移動体１６の壁部を貫通する第２冷却液通路２１が示されている。テレスコピックカバー２は、重なり合った板金部材が送り軸方向に伸び縮みする構造のカバーであり、リニアモータを覆いながら移動体１６と共にスライドして、粉塵の侵入及びリニアモータに対する粉塵の付着を防止する。第２冷却液通路２１には、機体温度とほぼ等しい温度に調節された液体５１が一方の入り口から流入し、他方の出口から流出するようになっている。冷却された空気５２は、移動体１６に導入され、移動体１６の下方からリニアモータの間隙に噴出され、テレスコピックカバー２の両端部の開口端から電磁コイル１８ｂの熱を吸収した空気５２が排出され、テレスコピックカバー２で囲まれた内部空間の空気のよどみが取り除かれる。液体５１には、温度が異なることを除いて、第１冷却液通路１７を流れる液体５０と同じ油性の液体５０を使用することができる。

図４には、本発明の送り軸冷却装置が適用される工作機械の一形態として、リニアモータ１５，２５，３５により駆動される直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚを有する立形Ｍ／Ｃ１が示されている。立形Ｍ／Ｃ１は、ベッド４に対して水平移動可能に支持されたテーブル７と、コラム５に対して紙面に垂直な方向に移動可能に支持されたサドル８と、サドル８に対して上下移動可能に支持された主軸頭９と、を具備している。サドル８はＸ軸リニアモータ１５により駆動され、テーブル７はＹ軸リニアモータ２５により駆動され、主軸頭９はＺ軸リニアモータ３５により駆動される。３つのリニアモータ１５，２５，３５は、冷却装置１０によりそれぞれが個別に冷却されるようになっている。

立形Ｍ／Ｃ１は、ベッド４とコラム５の内部に充満されている液体６を循環させる熱変形防止手段を有している。熱変形防止手段は、ベッド４とコラム５の内部の空洞に液体６を充満して循環させるポンプ２７と、この液体循環部を起動、停止して液体６の循環時間を制御する循環時間制御部２８とを備えている。熱変形防止手段により、室温の温度分布の差があっても機械本体各部の温度を略均一に保つことができる。さらに、機械本体は、液体６中に浸漬され、内部に温度センサ１１ａを有した金属製のブロック１１を備えている。ブロック１１は、機械本体３からの熱の影響を受けないように、熱伝導率の低い材質で取付け面積の小さいステー１２により支持されている。また、ブロック１１は、ベッド４とコラム５の上下のほぼ中心で、コラム５の左右、前後のほぼ中心の機械本体中央位置近傍に位置するように、液体６中に浸漬されている。温度センサ１１を機械本体の中央位置近傍に位置させることで、機体本体の平均化された温度を機体温度として検出することが可能となる。温度センサ１１ａにより検出された機体温度に基づいて、第１冷却液通路１７の液体５０の温度、第２冷却液通路２１の液体５１の温度が決定され、機械本体の温度が一定の条件の下で、精度の良い加工が行われる。機体温度は、一例として室温に設定することもできる。また、機械本体に液体を充満していない工作機械では、機械本体の数箇所に取り付けた温度センサの平均値を機体温度としてもよい。第１冷却液通路の液体５０の温度は、機体温度より所定温度低い値に設定される。

図５には、本実施形態の送り軸冷却装置１０のブロック図が示されている。３つの直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚのリニアモータ１５，２５，３５は、機体温度より低い温度の液体５０が通る第１冷却液通路として、それぞれＸ軸用の第１冷却液通路１７ａ、Ｙ軸用の第１冷却液通路１７ｂ、Ｚ軸用の第１冷却液通路１７ｃをそれぞれ有している。Ｘ軸用の第１冷却液通路１７ａ、Ｙ軸用の第１冷却液通路１７ｂ、Ｚ軸用の第１冷却液通路１７ｃを通る液体５０の温度は、Ｘ軸第１液温調節部２２ａ、Ｙ軸第１液温調節部２２ｂ、Ｚ軸第１液温調節部２２ｃにより、機体温度より低い温度で、個別に異なる温度にすることができる。この温度調節は、Ｘ軸用の第１冷却液通路１７ａ、Ｙ軸用の第１冷却液通路１７ｂ、Ｚ軸用の第１冷却液通路１７ｃの各戻り液の温度を検出する温度センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが検出した温度をそれぞれＸ軸第１液温調節部２２ａ、Ｙ軸第１液温調節部２２ｂ、Ｚ軸第１液温調節部２２ｃが取り込み、温度センサ１１ａで検出した機体温度より所定値低い温度になるように制御する。これにより、負荷の大きさに応じてリニアモータ１５，２５，３５の冷却能力を変化させることができる。

また、３つの直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚは、機体内温度センサ１１ａにより検出された機体温度と第２冷却液のタンク内温度センサ１３により検出された第２冷却液の温度に基づいて、各軸共通の第２液温調節部２３により機体温度にほぼ等しい温度に調節された液体５１を流す各軸共通の第２冷却液通路２１を有している。機体温度にほぼ等しい温度に調節された液体５１と、機体温度より低い温度の液体５０はタンク内で仕切板３０により仕切られている。それぞれの冷却液通路１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，２１には、ポンプ２０により液体５０，５１が供給されるようになっている。

タンク内の液体５０は、ポンプ２０により熱交換器２４に循環される。空気供給源２９から供給された空気は熱交換器２４により冷却され、各送り軸のリニアモータ近傍の空間部に噴出され、空気のよどみを除去し、リニアモータの冷却と粉塵除去の作用をする。

以上のように、本実施形態の工作機械の送り軸冷却装置１０によれば、リニアモータ１５，２５，３５の近傍に位置する構造体を過冷却することなく、リニアモータ１５，２５，３５の電磁コイル１８ｂが発生する熱を除去することができる。これにより、工作機械の変形が抑制され、精度の良い加工を行うことができる。

１ 立形Ｍ／Ｃ
１０ 送り軸冷却装置
１１ ブロック
１３ タンク内温度センサ
１４ 基台
１４ｂ 磁石支持部
１５ Ｘ軸のリニアモータ
１６ 移動体
１７ 第１冷却液通路
１８ 可動コイル部
１８ｂ 電磁コイル
１９ 磁石
２１ 第２冷却液通路
２２ 第１液温調節部
２３ 第２液温調節部
２５ Ｙ軸のリニアモータ
３５ Ｚ軸のリニアモータ

Claims (5)

1. リニアモータにより駆動される工作機械の送り軸冷却装置において、
   前記リニアモータのコイル部に設けられ、冷却液を流通させる第１冷却液通路と、
   前記リニアモータの外周部に設けられ、冷却液を流通させる第２冷却液通路と、
   前記第１冷却液通路には機体温度より低い温度に調節した冷却液を供給し、前記第２冷却液通路には機体温度に調節した冷却液を供給する冷却液供給手段と、
   を具備することを特徴とした工作機械の送り軸冷却装置。
2. 前記工作機械は、リニアモータでそれぞれ駆動されるが互いに直交する３つの送り軸を有し、各送り軸には前記第１冷却液通路及び前記第２冷却液通路が設けられ、前記冷却液供給手段は、各送り軸の前記各冷却液通路に個別に温度調節した冷却液を供給する請求項１に記載の工作機械の送り軸冷却装置。
3. 前記工作機械は、前記機械本体内に充満されている液体を循環させる熱変形防止手段を有し、前記冷却液供給手段は、前記機械本体の中心部で前記液体中に浸漬されたブロックの温度を前記機体温度として検出し冷却液の温度を調節する請求項１又は２に記載の工作機械の送り軸冷却装置。
4. 前記リニアモータの磁石及び前記コイル部周辺に存する空間に、機体温度より低い温度に調節された前記冷却液と熱交換することにより冷却された空気が供給される請求項１から３の何れか１項に記載の工作機械の送り軸冷却装置。
5. 前記冷却液供給手段は、第１の冷却液の温度を調節する第１液温調節部と、第２の冷却液の温度を調節する第２液温調節部とを有する請求項１から４の何れか１項に記載の工作機械の送り軸冷却装置。

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