JP4347396B2 - シャトルのガイドの位置を保持する機構を備えた加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、工具を搭載したスライドを高速往復運動させて溝加工を行う加工装置に関する。

回折格子や液晶表示装置に用いられる導光板を成形するための金型では、何百〜何万本もの溝を加工する必要がある。このような多数の溝を加工する加工において、加工時間を短縮するためには高速な送り軸を持つ加工機が必要である。一般的な工作機械に使用されている直線軸は、スライドの重量が大きいので高速駆動には適さない。

高速・高精度の加工を実現する送り機構として、空気軸受とリニアモータとを組み合わせた構造が知られている。このような構造の送り軸として特許文献１には、工具を搭載した最小限のスライド（シャトル）のみを高速往復運動させて微細溝を加工する、加工装置の技術が開示されている。この加工装置に用いられる高速往復運動装置は、シャトルのストロークエンドで磁石を使ってシャトルを反転させ、シャトルの反転時の反動を打ち消す機構を搭載し、１方向の引き切り加工を行うものである。

特開２００７−１３０７１２号公報

背景技術で説明した高速往復運動装置は１方向で引き切り加工を行う。例えば、引き切り加工の切削を往復運動のうち往路で行うとすると、工具を搭載したスライドは、この往路でのみ加工反力を受ける。そのため、スライドには減速方向の加速度が生じることから、速度が遅くなる。一方、復路では切削を行なわないことから、スライドは加工反力を受けない。そのため、スライドは減速方向の加速度による速度の低下がない。

したがって、往復運動装置のストロークエンドでスライド部材（シャトルとも称する）が磁石の力で反転するときにガイドに伝わる反動力は、速度の大きい復路から往路へ反転する時の方が、速度の遅い往路から復路へ反転する時に比べて大きくなる。

このため、スライドが往復運動するストロークの両端での反動力が異なるので、加工反力が工具に伝わる方向にガイドが動かされる。換言すると、加工反力は工具を取り付けてあるスライド（シャトル）を介してガイドに伝わる。このため、ガイドを軸方向に支持するための機構が必要となる。

特許文献１に開示される加工装置では、工具に加わる加工反力に対向する機構を備えていない。したがって、特許文献１に開示される加工装置では、重切削や高硬度材料など切削負荷が大きい加工を行うのは困難である。

また、前記往復運動装置では流体軸受として静圧油軸受や静圧空気軸受を使用している。静圧油軸受は粘性抵抗が高いため高速駆動に適さないし、静圧空気軸受は高速駆動に適しているが軸受剛性が低いため、切削負荷が大きい加工には適さない。

そこで本発明の目的は、上述の課題を改善し、切削負荷が大きく加工反力が大きい場合でもワークの加工が可能な、往復運動装置を備えた加工装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、工具が取り付けられたスライド部材と該スライド部材をガイドするガイド部材で構成され、固定されたベースと前記ガイド部材の間に軸受を備え、前記スライド部材と前記ガイド部材の間に軸受を備え、かつ、ガイド部材とスライド部材が同軸上を移動できるように構成し、前記ガイド部材と前記スライド部材の間で推力を発生させる機構を備え、前記スライド部材の直線移動ストロークの両端で、前記スライド部材と前記ガイド部材の間で軸方向に反発力が働くように前記スライドの移動方向反転用の永久磁石を、前記スライド部材と前記ガイド部材に配置した加工装置において、前記ガイド部材と前記ベースにそれぞれガイド部材を保持するための永久磁石を搭載し、前記ガイド部材の軸方向位置を非接触で保持する保持力を発生させ、前記保持力が、前記ガイド部材と前記ベースの間で働き、該ベースに対する前記ガイド部材のストローク中心付近では、前記保持力が平衡している状態になり、前記ガイド部材がストローク中心付近からずれると、前記ガイド部材をストロークの中心位置に戻す保持力が加わることを特徴とする加工装置である。

請求項２に係る発明は、前記ガイド部材を保持するための永久磁石のうち、前記ガイド部材に搭載される永久磁石は、前記移動方向反転用の永久磁石を利用することを特徴とする請求項１に記載の加工装置である。

請求項３に係る発明は、前記推力を発生させる機構は、リニアモータであり、該リニアモータに用いられる駆動用磁石を前記ガイド部材の保持に利用することを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の加工装置である。

請求項４に係る発明は、前記ガイド部材を保持するための永久磁石は、ガイド部材側の磁石とベース側の磁石との離間距離を任意に調節可能な距離調整機構に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の加工装置である。

請求項５に係る発明は、前記ベースと前記ガイド部材の間の軸受と、前記ガイド部材と前記スライド部材の間の軸受の少なくとも一方が、転がり軸受であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の加工装置である。

請求項６に係る発明は、前記ベースと前記ガイド部材の間の軸受を転がり軸受とし、前記ガイド部材と前記スライド部材の間の軸受を流体軸受としたことを特徴とする請求項５に記載の加工装置である。

本発明により、切削負荷が大きく加工反力が大きい場合でもワークの加工が可能な、往復運動装置を備えた加工装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面とともに説明する。
図１は、本実施形態の加工装置の要部斜視図である。図２は、ガイド部材２の軸方向に沿って図１に示される切断線に沿って切断した断面図である。図３は、スライド部材３の部分の拡大断面図である。

符号１はこの加工装置のベースであり、ベース１がこの加工装置の設置位置に固定される。ベース１はガイド部材２の両端部領域を軸受Ａで軸受している。また、ベース１にはガイド保持用ネジ孔２０が設けられている。ガイド部材２には、スライド部材３がガイド部材２の軸方向に移動可能に軸受Ｂで軸受されている。そして、スライド部材３とガイド部材２は同軸上を移動する。スライド部材３の内部には後述するリニアモータを構成するコイルと反転用永久磁石が取り付けられている。ガイド用軸受Ａとスライド用軸受Ｂは流体軸受または転がり軸受を用いることができる。

図２に示されるように本実施形態では、ガイド部材２に対してスライド部材３が往復運動するストロークの両端部に対応するガイド部材２の位置に、駆動用永久磁石６が配置され、その間に鉄心を配置したタイプのリニアモータとしている。さらに、ガイド部材２には、スライド部材３の往復動作のストローク両端部に対応するガイド部材２の位置（駆動用永久磁石６の配設よりさらに外側）に反転用永久磁石４が配設されている。

反転用永久磁石４は、その磁極の向きがガイド部材２の軸方向（スライド部材３の往復動作方向）に対して垂直な向きに配設されている。駆動用永久磁石６は、反転用永久磁石４の磁力を強めるように配置されている。図２に示される実施形態では、ガイド部材２の軸方向に垂直な方向の断面形状が概略矩形をしていることから、反転用の永久磁石４は、４つが一組となって、ストロークの両端部にそれぞれ、ストローク間の磁極の向きが軸方向に対して垂直となり、ガイド部材２の各ガイド表面に対して同位置面となるように配置されている。

また、スライド部材３は、中心部にガイド部材２の対向面に対向するようにコイル７が配置され、両側（スライド部材３の移動方向に沿った両側）にガイド部材２の対向面に対向するように、かつ、磁極の向きがスライド部材３の往復運動の方向に対して垂直となるように反転用永久磁石５が配置され、ガイド部材２に設けられた反転用永久磁石４と作用し反発し合うように構成されている。
図２に示されるようにベース１には、符号１ａのベース部に２箇所、符号１ｂのベース部に２箇所の計４箇所にガイド保持用ネジ孔２０が設けられている。これらのガイド保持用ネジ孔２０には、イモネジ２１が螺挿され、イモネジ２１と一体となったガイド保持用永久磁石２２が入っている。イモネジ２１はガイド保持用ネジ孔２０から回動させることができるので、ガイド保持用永久磁石２２はガイド保持用ネジ孔２０内での位置を変更でき、ガイド部材２との離間距離を調整することができる。

そして、ベース部１ａとベース部１ｂとで独立してガイド保持用永久磁石２２の位置を調整できることから、ガイド部材２への反力の大きさに応じてストローク両端でそれぞれ異なった保持力を設定できる。

そして、ガイド保持用永久磁石２２の磁極とガイド部材２側の反転用永久磁石４の磁極とが斥力（反発力）を発生するように配置されている。この永久磁石の配置により、ガイド部材２はベース部１ａ，１ｂの左右からガイド部２の中心方向の力を受け、ベース１に対して中央でバランスする。

ガイド部材２を保持する永久磁石を図２に示すように対称に配置していることから、ガイド部材２に加わる力はガイド部材２の移動軸方向のみとなり、ガイド部材２のベース１に対する真直運動精度に影響しない。

図２では、ガイド部材２に搭載されている反転用永久磁石４が駆動用永久磁石６よりもベース１のガイド保持用永久磁石２２に距離が近い配置になっている。この配置に換えて、駆動用永久磁石６の方がガイド保持用永久磁石２２に距離が近い配置である場合には、駆動用永久磁石６の磁力を利用するようにしてもよい。

ガイド部材２の磁石間の距離を短くすると反発力が強まり、ガイド部材２を保持する力も強くなる。しかし、往復運動するスライド部材３の反力を受けてガイド部材２も往復運動をしていることから、ベース１側のガイド保持用永久磁石２２を介してベース１に伝わる力も増大する。そうすると、加工装置がスライド部材２の反動をベース１に伝えない構造となっている意味が薄れてしまう。したがって、ガイド部材２を保持する力は、加工反力を考慮した上で最小の保持力であることが望ましい。

そして、イモネジ２１を緩めたり締めたりすることにより、ガイド保持用永久磁石２２とガイド部材２側の磁石間の距離を調整することができることから、ガイド部材２がバランスする位置を調整できる。これを利用し、加工装置の軸方向が水平に対して傾いている場合にも、イモネジ２１を調整して、ガイド部材２を中央に持ってくることができる。

図３に示されるように、スライド部材３とガイド部材２の間にリニアモータを構成するコイル７、反転用永久磁石５が配置されている。板ばねなどの弾性部材１２が、スライド部材３に固着されている。ワーク（図示を省略）に対して溝加工を行う工具１３が、弾性部材１２に工具固定ネジ１４で取り付けられている。弾性部材１２とスライド部材３の本体間には、ピエゾ素子１１が配置されている。ピエゾ素子１１は制御手段（図示を省略）によって駆動され伸縮する。本実施形態の加工機は、このピエゾ素子１１の伸縮により板バネ等の弾性部材１２を介して工具１３をワーク方向に出入りさせて、ワークに溝加工する切り込み量を変更するようにしている。

図４は、図１で示される加工装置でガイド用軸受Ａとスライド用軸受Ｂとに転がり軸受を使用した一例を示す図である。転がり軸受としては、例えば、玉軸受、ローラ軸受を用いることができる。軸受Ｂにはボール循環式の転がり軸受を用いるとよい。図４は図１の切断線で切断した断面図である。図４は、ベース１とガイド部材２の間の軸受Ａとガイド部材２とスライド部材３の間の軸受Ｂとに、転がり軸受を用いた実施形態を示している。図４では、軸受Ｂにはボール循環式の転がり軸受を用いる例が示されている。

焼入れ鋼や超硬、あるいは、ガラスのような硬い材料の加工や切り込み量の大きい重切削加工では、切削反力が大きくなる。このように、加工負荷が大きい場合に空気軸受のような流体軸受を使用すると軸受剛性が低いため、ワークの加工面にビビリを生じる。
なお、超硬は超硬合金で、炭化タングステンとコバルトを主成分とする非常に硬い材料である。そのため、切削反力が大きくなる。

このように加工負荷が大きい場合には軸受剛性の高い軸受を用いることにより、加工精度の高い加工が可能となる。軸受Ａと軸受との両方を転がり軸受としてもよいし、軸受Ａだけを転がり軸受としたり、軸受Ｂだけを転がり軸受としたりしてもよい。転がり軸受を採用しない軸受は流体軸受を採用するとよい。

本発明の加工装置は、ガイド部材２の軸方向の位置を保持するための保持機構を備えたことで、加工負荷が大きいワークの加工を実行するための転がり軸受を、シャトルのガイドの位置を保持する機構を備えた加工装置に用いることができるようになった。

図５は、図１に示される軸受Ｂを空気軸受としスライド部材３をガイド部材２に軸受する実施形態である。スライド部材３には空気入口１０および空気入口１０と連通する空気配管９が設けられている。空気配管９に導入された圧縮空気をガイド部材２の対向面に噴射することによって、スライド部材３は空気圧力により軸受される。また、図１に示される軸受Ａを空気軸受とし、ガイド部材２をベース１に軸受する場合も前述と同様な構造を採用し、軸受Ａを、ベース１からガイド部材２の対向面に圧縮空気を噴射する空気軸受とすることができる。なお、空気軸受により軸受する技術は、特許文献１に開示されているように公知の技術を採用できる。

次に、図１〜図３を用いてスライド部材３の往復運動について説明する。
スライド部材３のコイル７に電流を流しリニアモータを駆動してスライド部材３を一方の方向に移動させる。スライド部材３の往復運動のストロークエンドになるとコイル７に流す電流の向きを変えて、スライド部材３の移動方向を反転させる。この移動方向反転時には、ガイド部材２に設けた反転用永久磁石４と、スライド部材３に設けた反転用永久磁石５との距離が短くなり反発力が発生する。スライド部材３は、この反転用永久磁石４と反転用永久磁石５との間に働く反発力により急激に加速され、かつ、反転方向への力を受けてスライド部材３は反転方向に加速されることになる。

この反転用永久磁石４，５の反発力により、スライド部材３は力を受けて加速されることになることから、スライド部材３のストロークの両端に対応するガイド部材２の位置に、駆動用永久磁石６を配置して構成した推力の小さいモータでも、工具１３を駆動しワークに対して加工することができる。

工具１３（スライド部材３）の往復運動のストロークは一定のものに限定されるが、反転用永久磁石４，５によって往復動作を受けることから、省エネルギーで効率の良いものが得られる。また、ストロークの端に駆動用永久磁石６を配置したタイプのリニアモータであることから、推力リップルやコギングが発生することもなく、精度の高い直線移動となり、高精度の直線溝加工が可能である。

以上のように、スライド部材３に設けたコイル７に流す電流の向きを変えることによって、スライド部材３を往復運動させて、かつ、このスライド部材３の往復運動の際、ピエゾ素子１１を駆動制御する制御手段により、例えば、スライド部材の往動時にはピエゾ素子１１に所定の電流を流して伸長させ、工具１３に所定量の切り込み量を与えてワークに
に対して引き切り切削加工を行う。復動時にはピエゾ素子１１を縮小させ工具１３がワークに干渉しない位置まで退避させて復帰させる。その後、図示しない手段によりワークを相対的にスライド部材３の往復動作方向と直交する方向に移動させて、前述したように溝加工を行う。なお、工具１３の切り込み量はピエゾ素子１１に印加する電圧の大きさによって制御する。

本発明の一実施形態の加工装置の要部斜視図である。 図１で示される加工装置のガイド部材２の軸方向に沿って図１に示される切断線に沿って切断した断面図である。 図１に示される加工装置のスライド部材３の部分の拡大断面図である。 図１で示される加工装置で軸受Ａと軸受Ｂとに転がり軸受を使用した一例を示す図である。 図１で示される軸受Ｂを空気軸受とする実施形態の一例である。

符号の説明

１ ベース
２ ガイド部材
３ スライド部材
４、５ 反転用永久磁石
６ 駆動用永久磁石
７ コイル
８ 鉄心
９ 空気配管
１０ 空気入口
１１ ピエゾ素子
１２ 弾性部材
１３ 工具
１４ 工具固定ネジ
２０ ガイド保持用ネジ孔
２１ イモネジ（すり割り付き止めネジ）
２２ ガイド保持用永久磁石
Ａ ガイド用軸受
Ｂ スライド用軸受

Claims (6)

1. 工具が取り付けられたスライド部材と該スライド部材をガイドするガイド部材で構成され、固定されたベースと前記ガイド部材の間に軸受を備え、前記スライド部材と前記ガイド部材の間に軸受を備え、かつ、ガイド部材とスライド部材が同軸上を移動できるように構成し、前記ガイド部材と前記スライド部材の間で推力を発生させる機構を備え、前記スライド部材の直線移動ストロークの両端で、前記スライド部材と前記ガイド部材の間で軸方向に反発力が働くように前記スライドの移動方向反転用の永久磁石を、前記スライド部材と前記ガイド部材に配置した加工装置において、
   前記ガイド部材と前記ベースにそれぞれガイド部材を保持するための永久磁石を搭載し、前記ガイド部材の軸方向位置を非接触で保持する保持力を発生させ、
   前記保持力が、前記ガイド部材と前記ベースの間で働き、該ベースに対する前記ガイド部材のストローク中心付近では、前記保持力が平衡している状態になり、前記ガイド部材がストローク中心付近からずれると、前記ガイド部材をストロークの中心位置に戻す保持力が加わることを特徴とする加工装置。
2. 前記ガイド部材を保持するための永久磁石のうち、前記ガイド部材に搭載される永久磁石は、前記移動方向反転用の永久磁石を利用することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
3. 前記推力を発生させる機構は、リニアモータであり、該リニアモータに用いられる駆動用磁石を前記ガイド部材の保持に利用することを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の加工装置。
4. 前記ガイド部材を保持するための永久磁石は、ガイド部材側の磁石とベース側の磁石との離間距離を任意に調節可能な距離調整機構に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の加工装置。
5. 前記ベースと前記ガイド部材の間の軸受と、前記ガイド部材と前記スライド部材の間の軸受の少なくとも一方が、転がり軸受であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の加工装置。
6. 前記ベースと前記ガイド部材の間の軸受を転がり軸受とし、前記ガイド部材と前記スライド部材の間の軸受を流体軸受としたことを特徴とする請求項５に記載の加工装置。

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