JP2009083069A - 駆動装置、これを用いた加工機械および測定機械 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な位置決めが可能な駆動装置およびこれを用いた加工機械、測定装機械を提供する。
【解決手段】ガイドレール２２と、このガイドレール２２に対して移動可能に設けられたスライドプレート２３と、ガイドレール２２に設けられた永久磁石２５Ａおよびスライドプレート２３に設けられたコイル２６Ａを有するリニアモータ２４と、スライドプレート２３の位置を検出する位置検出手段３１とを備える。位置検出手段は、スライドプレート２３の移動方向に沿って伸びるスケール３２と、このスケールに対向配置された検出ヘッド３３とを含んで構成され、検出ヘッド３３がコイル２６Ａに直接固定され、スケールがガイドレール２２に固定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、駆動装置、これを用いた加工機械および測定機械に関する。詳しくは、駆動源としてリニアモータを用いた駆動装置、この駆動装置を用いた加工機械および測定機械に関する。

工作機械などの精密加工機械においては、近年、ナノメータの加工精度が要求されている。そのため、工具やワークの送り機構として、リニアモータとリニアスケールとを用いた送り機構（例えば、特許文献１参照）や、送りねじとリニアスケールとを用いた送り機構が提案されている。

前者の送り機構は、送り台（砥石台）が静圧軸受を介して固定側部材に移動可能に支持され、送り台にリニアモータの二次側（マグネット）が、固定側部材にリニアモータの一次側（コイル）が互いに対向して配置されるとともに、送り台にリニアスケールが、固定側部材にスケール読取ヘッドが互いに対向して配置された構造である。

後者の送り機構は、図９に示すように、テーブル１がガイド２を介してベース３に移動可能に支持され、ベース３に送りねじ軸４がテーブル１の移動方向に沿って回転可能に支持され、テーブル１に送りねじ軸４に噛合するナット部材５が固定されるとともに、ガイド２にリニアスケール６が、テーブル１にスケール読取ヘッド７が互いに対向して配置された構造である。

特開２０００−２１８５２９号公報

上述したいずれの送り機構でも、送り機構の送り軸に対して、リニアスケールの取付位置がずれているため、ワークの載置位置によっては誤差が生じることがある。
たとえば、図９に示す送り機構において、ワークＷがテーブル１の中央に載置された状態に対して、ワークＷがテーブル１の左側または右側に載置された状態になると、テーブル１の姿勢が変化するため、検出誤差が生じる場合がある。その結果、テーブル１の位置決め精度が低下し、加工精度の高精度化が望めないという課題がある。

本発明の目的は、高精度な位置決めが可能な駆動装置、これを用いた加工機械および測定機械を提供することにある。

本発明の駆動装置は、固定部材と、前記固定部材に対して移動可能に設けられた可動部材と、前記固定部材に設けられた固定子および前記可動部材に設けられた可動子を有するリニアモータと、固定部材に対する可動部材の位置を検出する位置検出手段とを備えた駆動装置において、前記位置検出手段は、前記可動部材の移動方向に沿って伸びるスケールと、このスケールに対向配置された検出ヘッドとを含んで構成され、前記スケールおよび検出ヘッドの一方が前記可動子に直接固定され、他方が前記一方と対向して前記固定部材に固定されていることを特徴とする。

この構成によれば、位置検出手段が、可動部材の移動方向に沿って伸びるスケールと、このスケールに対向配置された検出ヘッドとを含んで構成され、これらの一方が可動子に直接固定され、他方が固定部材に固定されているから、つまり、位置検出手段を構成するスケールや検出ヘッドが、リニアモータを構成する固定子および可動子に近接して設けられているから、可動部材に係る負荷が片寄っても、リニアスケールと検出ヘッドとの間のクリアランスの変動を少なくできる。従って、検出誤差を低減できるため、高精度な位置決めが実現できる。

また、本発明の駆動装置において、前記可動子に固定された前記スケールおよび検出ヘッドの一方は、前記可動部材の移動方向に対して直交する前記可動部材の幅方向略中心位置近傍、または、前記可動子を含む前記可動部材の重心位置近傍に配置されていることが好ましい。
この構成によれば、スケールおよび検出ヘッドの一方が、可動部材の移動方向に対して直交する可動部材の幅方向略中心位置近傍、または、可動子を含む可動部材の重心位置近傍に配置されているから、可動部材が幅方向へ傾いても、スケールと検出ヘッドとの隙間が大きく変化することがないため、高精度を維持できる。

また、本発明の駆動装置において、前記リニアモータと、前記固定部材に前記可動部材の移動方向に沿って配列された固定子を構成する永久磁石と、前記可動部材に前記永久磁石と対向して配置された可動子を構成するコイルとを含んで構成され、前記検出ヘッドが前記コイルに固定されていることが好ましい。
その際、前記コイルは前記可動部材の下面に設けられ、前記検出ヘッドは前記コイルの下面に設けられていることが好ましい。
この構成によれば、リニアモータが永久磁石とコイルとから構成され、コイルが可動部材の下面に設けられ、このコイルの下面に検出ヘッドが固定されているから、つまり、可動部材の姿勢変化に対しても、スケールと検出ヘッドとの対向状態が変動することが少ないから、高精度化を維持できる。

また、本発明の駆動装置において、前記リニアモータは、前記固定部材に前記可動部材の移動方向に沿って配列された固定子を構成する磁石を有するシャフトと、前記可動部材に前記シャフトの外周を包囲して配置され可動子を構成するコイルとを含んで構成され、前記スケールが前記シャフトの外周面に固定されていることが好ましい。
この構成によれば、磁石を有するシャフトと、この外周を包囲するコイルとから構成される、いわゆる、シャフトモータを用いたので、従来のボールねじ送り構造の配置スペース内に配置でき、機構設計を大きく変更する必要もない。しかも、スケールがシャフトの外周面に固定された構成なので、取付も簡単できる。

また、本発明の加工機械および測定機械は、上述したいずれかの駆動装置を搭載したことを特徴とする。
これらの加工機械および測定機械によれば、上述した駆動装置の効果を全て備えた加工機械および測定機械を提供できる。
ここで、加工機械とは、被加工物の材質を問わず、被加工物を切削、研削、切断などの加工を行う全ての加工機械を含み意味である。また、測定機械とは、被測定物の寸法や形状などを測定する全ての測定機械を含む意味である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
第１実施形態は、本発明を門形加工機械に適用した例である。
第１実施形態の門形加工機械１０は、図１に示すように、ベース１１と、このベース１１の上面に載置されたテーブル１２と、このテーブル１２を跨いでベース１１の上面に構築された門形フレーム１３と、テーブル１２の幅方向両側において門形フレーム１３を前後方向（Ｙ軸方向）へ移動させるＹ軸駆動装置２１Ｙと、門形フレーム１３に左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたＸスライダ１６と、このＸスライダ１６をＸ軸方向へ移動させるＸ軸駆動装置２１Ｘと、このＸスライダ１６に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられたＺスライダ１７と、このＺスライダ１７をＺ軸方向へ昇降させるＺ軸駆動装置２１Ｚと、Ｚスライダ１７に設けられ先端に加工工具１９を取り付けるスピンドル１８とを備えて構成されている。
なお、門形フレーム１３は、両側に配置された支柱１４と、この支柱１４の上端間に掛け渡された水平ビーム１５とから門形に構成されている。

Ｙ軸駆動装置２１Ｙは、図２および図３に示すように、固定部材としてのガイドレール２２と、このガイドレール２２に対してリニアガイド２９を介して移動可能に設けられ上面に門形フレーム１３を支持した可動部材としてのスライドプレート２３と、これらガイドレール２２およびスライドプレート２３の間に設けられスライドプレート２３（門形フレーム１３）を移動させるリニアモータ２４と、ガイドレール２２に対するスライドプレート２３（門形フレーム１３）の位置を検出する位置検出手段３１とから構成されている。

ガイドレール２２は、一定幅で長尺の底板２２Ａと、この底板２２Ａの幅方向両側に立設された一対の側板２２Ｂとから断面Ｕ字状に形成されている。
スライドプレート２３は、門形フレーム１３の支柱１４を支持する平板によって構成されている。
リニアモータ２４は、ガイドレール２２に設けられた固定子２５と、スライドプレート２３に設けられた可動子２６とから構成されている。固定子２５は、ガイドレール２２の一対の側板２２Ｂの対向する内面に一定ピッチで取り付けられた複数の永久磁石２５Ａによって構成されている。可動子２６は、両側の永久磁石２５Ａに挟まれた状態でスライドプレート２３の下面に取り付けられたコイル２６Ａによって構成されている。

位置検出手段３１は、スライドプレート２３（門形フレーム１３）の移動方向に沿って伸びる光学式スケール３２と、このスケール３２に対向配置された検出ヘッド３３とを含んで構成されている。なお、スケール３２としては、光学式スケールに限らず、磁気式スケールでもよい。ただし、光学式スケールの方が磁力の影響を受けないので、精度的には好ましい。
スケール３２および検出ヘッド３３の一方が可動子２６に直接固定され、他方が一方と対向して固定部材であるガイドレール２２に固定されている。ここでは、検出ヘッド３３が、可動子２６の移動方向に対して直交するスライドプレート２３の幅方向略中心位置において、可動子２６であるコイル２６Ａの底面側に直接固定されている。また、スケール３２が、コイル２６Ａに所定の隙間を隔ててかつ対向してガイドレール２２の底板２２Ａの内面中央位置に固定されている。

Ｘ軸駆動装置２１ＸおよびＺ軸駆動装置２１Ｚも、基本的な構成は、Ｙ軸駆動装置２１Ｙと同じである。ただ、次の点が異なる。
Ｘ軸駆動装置２１Ｘについては、水平ビーム１５の上面にガイド溝２７がＸ軸方向に沿って形成され、このガイド溝２７の対向する内面（対向内面）に固定子２５としての複数の永久磁石２５Ａが一定ピッチで取り付けられているとともに、Ｘスライダ１６の下面に可動部材としてのスライドプレート２３を介して可動子２６であるコイル２６Ａが設けられている点が、Ｙ軸駆動装置２１Ｙとは異なる。
Ｚ軸駆動装置２１Ｚについては、Ｘスライダ１６の正面にガイド溝２８がＺ軸方向に沿って形成され、このガイド溝２７の対向する内面（対向内面）に固定子２５としての複数の永久磁石２５Ａが一定ピッチで取り付けられているとともに、Ｚスライダ１７の背面に可動部材としてのスライドプレート２３を介して可動子２６であるコイル２６Ａが設けられている点が、Ｙ軸駆動装置２１Ｙとは異なる。

このような第１実施形態によれば、Ｙ軸駆動装置２１Ｙ、Ｘ軸駆動装置２１ＸおよびＺ軸駆動装置２１Ｚにおいて、位置検出手段３１が、スライドプレート２３の移動方向に沿って伸びるスケール３２と、このスケール３２に対向配置された検出ヘッド３３とを含んで構成され、これらのうち検出ヘッド３３が可動子２６に直接固定され、スケール３２が固定部材であるガイドレール２２に固定されているから、つまり、位置検出手段３１を構成するスケール３２や検出ヘッド３３が、リニアモータ２４を構成する固定子２５および可動子２６に近接して設けられているから、スライドプレート２３に係る負荷が片寄っても、スケール３２と検出ヘッド３３との間のクリアランスの変動を少なく保てる。従って、検出誤差を低減できるため、高精度な位置決めが実現できる。

また、リニアモータ２４は、ガイドレール２２にスライドプレート２３の移動方向に沿って配列された固定子２５を構成する永久磁石２５Ａと、スライドプレート２３に永久磁石２５Ａと対向して配置された可動子２６を構成するコイル２６Ａとを含んで構成され、コイル２６Ａはスライドプレート２３の下面幅方向中央に設けられ、コイル２６Ａの下面に検出ヘッド３３が設けられているから、つまり、スライドプレート２３の姿勢変化に対しても、スケール３２と検出ヘッド３３との対向状態が変動することが少ないから、高精度化を維持できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、本発明を三次元加工機械に適用した例である。なお、第２実施形態の説明にあたって、前記第１実施形態における構成要素と同一または対応する構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

第２実施形態の三次元加工機械４０は、図４に示すように、両側に前後方向に延びるガイドレール４１Ａを有するベース４１と、このベース４１の両側のガイドレール４１Ａの間に設けられたテーブル４２と、両側のガイドレール４１Ａ間に掛け渡されたＹビーム４３と、このＹビーム４３をガイドレール４１Ａに沿って前後方向（Ｙ軸方向）へ移動させるＹ軸駆動装置２１Ｙと、Ｙビーム４３に左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたＸスライダ４６と、このＸスライダ４６をＸ軸方向へ移動させるＸ軸駆動装置２１Ｘと、Ｘスライダ４６に支持ブロック４６Ａを介して上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられたＺスライダ４７と、このＺスライダ４７をＺ軸方向へ昇降させるＺ軸駆動装置２１Ｚと、Ｚスライダ４７に支持プレート４７Ａを介して設けられ先端に加工工具１９を取り付けるスピンドル１８とを備えて構成されている。

第２実施形態のＹ軸駆動装置２１Ｙ、Ｘ軸駆動装置２１ＸおよびＺ軸駆動装置２１Ｚについては、第１実施形態で述べたＹ軸駆動装置２１Ｙ、Ｘ軸駆動装置２１ＸおよびＺ軸駆動装置２１Ｚと略同じ構成であるので、説明を省略する。ただ、Ｙ軸駆動装置２１Ｙにおいて、リニアガイド２９が、ベース４１の両側のガイドレール４１Ａの上面に設けられている点が、第１実施形態と異なる。
この第２実施形態においても、第１実施形態で述べた効果と同様な効果が期待できる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態は、本発明を三次元測定機械に適用した例である。なお、第３実施形態の説明にあたって、前記各実施形態における構成要素と同一または対応する構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

第３実施形態に係る三次元測定機械５０は、図５に示すように、ベース５１と、このベース５１上に設置されたテーブル５２と、ベース５１の両側に前後方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられた支柱５４および支柱５４の上端間を連結する水平ビーム５５を有する門型フレーム５３と、この門型フレーム５３の水平ビーム５５に左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたＸスライダ５６と、このＸスライダ５６に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられたＺスライダ５７と、このＺスライダ５７に回転可能に設けられスピンドル５８とから構成されている。

テーブル５２の上面には被測定物が載置される。スピンドル５８の下端には、測定プローブ５９が交換可能に取り付けられる。
門型フレーム５３を前後方向（Ｙ軸方向）へ移動させるＹ軸駆動装置２１Ｙ、Ｘスライダ５６を左右方向（Ｘ軸方向）へ移動させるＹ軸駆動装置２１Ｘ、Ｚスライダ５７を上下方向（Ｚ軸方向）へ移動させるＺ軸駆動装置２１Ｚは、上述した第１または第２の駆動装置（２１Ｙ，２１Ｘ，２１Ｚ）によって構成されている。

第３実施形態によれば、門型フレーム５３をＹ軸駆動装置２１Ｙを介してＹ軸方向へ、Ｘスライダ５６をＸ軸駆動装置２１Ｘを介してＸ軸方向へ、Ｚスライダ５７をＺ軸駆動装置２１Ｚを介してＺ軸方向へ移動させ、測定プローブ５９を被測定物の測定部位に接触させる。このときの各軸の座標位置を各駆動装置２１Ｙ，２１Ｘ，２１Ｚに内蔵された位置検出手段３１から読み取り位置決めしながら、測定を行う。
本実施形態の三次元測定機械によれば、各軸の駆動機構２１Ｙ，２１Ｘ，２１Ｚに本発明の駆動装置を適用してあるため、第１，第２実施形態で述べた作用・効果と同等の作用・効果を奏することができる。

＜変形例＞
本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、第１〜第３実施形態では、いわゆる、平面型リニアモータを備えた駆動装置を用いた例を示したが、これに限られない。

例えば、図６に示すような、リニアモータ２４および位置検出手段３１を備えた駆動装置であってもよい。つまり、位置検出手段３１を構成する光学式スケール３２と検出ヘッド３３とが、コイル２６Ａを含めたスライドプレート２３の重心位置近傍に配置されている点が、第１〜第３実施形態とは異なる。
そのため、リニアモータ２４は、可動部材であるスライドプレート２３に固定されるコイル２６Ａが逆Ｕ字形状に構成され、コイル２６ＡのＵ字状内底面に検出ヘッド３３が配置され、これに対向して、ガイドレール２２の中央に起立壁２２Ｃが設けられ、この起立壁２２Ｃの先端に光学式スケール３２が固定されている。

このような構成によれば、位置検出手段３１を構成するスケール３２および検出ヘッド３３が、リニアモータ２４のコイル２６Ａを含むスライドプレート２３の重心位置近傍に配置されているから、スライドプレート２３への負荷変動に対しても、スケール３２と検出ヘッド３３とのクリアランス変動を少なくできるから、高精度な検出を保証できる。

また、図７および図８に示すような、いわゆる同心型リニアモータ６４を備えた駆動装置であってもよい。この同心型リニアモータ６４は、固定部材６２に可動部材６３の移動方向に沿って配列された固定子を構成する永久磁石６５Ａを有するシャフト６５と、可動部材６３にシャフト６５の外周を包囲して配置され可動子６６を構成するコイル６６Ａとを含んで構成されている。
位置検出手段３１は、第１実施形態と同様に、光学式スケール３２と検出ヘッド３３とを含んで構成されている。光学式スケール３２と検出ヘッド３３のいずれか一方、ここでは、スケール３２がシャフト６５の外周面下方位置に軸方向に沿って固定され、検出ヘッド３３が可動子であるコイル６６Ａの内側面に直接固定されている。

このような構成によれば、リニアモータ６４は、固定部材６２に可動部材６３の移動方向に沿って配列された固定子を構成する永久磁石６５Ａを有するシャフト６５と、可動部材６３にシャフト６５の外周を包囲して配置され可動子を構成するコイル６６Ａとを含んで構成され、スケール３２がシャフト６５の外周面に固定され、検出ヘッド３３がコイル６６Ａの内周面に固定されているから、いわゆる、シャフトモータで構成されているから、従来のボールねじ送り構造の配置スペース内に配置でき、機構設計を大きく変更する必要もない。しかも、スケール３２がシャフト６５の外周面に固定された構成なので、取付も簡単にできる利点がある。

本発明は、加工機械や測定機械の駆動装置に利用できる他、組立装置や搬送装置などの駆動装置にも利用することができる。

本発明の第１実施形態にかかる門形加工機械を示す斜視図。 第１実施形態の駆動装置を示す斜視図。 図２のIII-III線断面図。 本発明の第２実施形態にかかる三次元加工機械を示す斜視図。 本発明の第３実施形態にかかる三次元測定機械を示す正面図。 本発明の駆動装置の変形例を示す図。 本発明の駆動装置の更に他の変形例を示す斜視図。 図７のVIII-VIII線断面図。 従来の駆動装置を示す図。

符号の説明

１０…門形加工機械、
２２…ガイドレール（固定部材）、
２３…スライドプレート（可動部材）、
２４…リニアモータ、
２５…固定子、
２５Ａ…永久磁石、
２６…可動子、
２６Ａ…コイル、
３１…位置検出手段、
３２…スケール、
３３…検出ヘッド、
４０…三次元加工機械、
５０…三次元測定機械。

Claims (7)

1. 固定部材と、前記固定部材に対して移動可能に設けられた可動部材と、前記固定部材に設けられた固定子および前記可動部材に設けられた可動子を有するリニアモータと、前記固定部材に対する前記可動部材の位置を検出する位置検出手段とを備えた駆動装置において、
   前記位置検出手段は、前記可動部材の移動方向に沿って伸びるスケールと、前記スケールに対向配置された検出ヘッドとを含んで構成され、
   前記スケールおよび検出ヘッドの一方が前記可動子に直接固定され、他方が前記一方と対向して前記固定部材に固定されていることを特徴とする駆動装置。
2. 請求項１に記載の駆動装置において、
   前記可動子に固定された前記スケールおよび検出ヘッドの一方は、前記可動部材の移動方向に対して直交する前記可動部材の幅方向略中心位置近傍、または、前記可動子を含む前記可動部材の重心位置近傍に配置されていることを特徴とする駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の駆動装置において、
   前記リニアモータは、前記固定部材に前記可動部材の移動方向に沿って配列された固定子を構成する永久磁石と、前記可動部材に前記永久磁石と対向して配置された可動子を構成するコイルとを含んで構成され、
   前記検出ヘッドが前記コイルに固定されていることを特徴とする駆動装置。
4. 請求項３に記載の駆動装置において、
   前記コイルは前記可動部材の下面に設けられ、前記検出ヘッドは前記コイルの下面に設けられていることを特徴とする駆動装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の駆動装置において、
   前記リニアモータは、前記固定部材に前記可動部材の移動方向に沿って配列された固定子を構成する磁石を有するシャフトと、前記可動部材に前記シャフトの外周を包囲して配置され可動子を構成するコイルとを含んで構成され、
   前記スケールが前記シャフトの外周面に固定されていることを特徴とする駆動装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかの駆動装置を搭載したことを特徴とする加工機械。
7. 請求項１〜請求項５のいずれかの駆動装置を搭載したことを特徴とする測定機械。

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