JP4489458B2

JP4489458B2 - 精密加工機

Info

Publication number: JP4489458B2
Application number: JP2004053247A
Authority: JP
Inventors: 田豊槻; 裕浅野目; 張勝治覚; 浦健司三
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP2005238406A

Description

本発明は、精密金型や光学部品などの加工を行う精密加工機に係り、特に、機械本体に発生する回転振動を抑制する技術に関する。

半導体製造装置や精密加工機をはじめとして高精度の処理・加工を行う装置では、振動の影響が精度に大きな影響を及ぼすので、外部振動の伝わりを遮断したり、機械本体に発生する振動を除去するための除振装置が必要不可欠とされている。

この種の除振装置には、ばねやゴムなどの弾性体を利用して振動を減衰させる受動型の除振装置や、空気ばねと電磁アクチュエータを組み合わせ、電磁アクチュエータの制御により振動を積極的に除去する能動型の除振装置が利用されている。

能動型の除振装置の例として、半導体露光装置では、機械本体上に搭載されたＸＹステージの移動により発生するピッチング、ローリング、ローリングなどの回転振動を抑制するため、回転慣性要素を駆動する回転アクチュエータと、回転慣性要素の駆動反力によって除振台にトルクを加える回転質量ユニットを組み合わせ、検出した回転振動に基づいて適切な補償演算を行いながら回転質量ユニットを駆動を制御することにより回転振動を低減する能動型除振装置がある（特許文献１参照）。

また、レンズ用金型やレンズなどの超精密加工を行う精密加工機では、外部振動の影響を少なくするために、ベースと機械本体間での振動の伝わりを遮断する除振装置を設けるものが提案されている（特許文献２参照）
特開２００１−３０４３３２号公報特開平１１−７０４２８号公報

図５は、従来の精密加工機において回転振動が発生する状況を模式的に示す図である。参照番号１０はベッドで、このベッド１０は、除振装置１２により支持されている。ベッド１０の上には、前後方向（Ｘ軸）に移動する第１テーブル１４と左右方向（Ｚ軸）に移動する第２テーブル１５が設置されている。第１テーブル１４には研削主軸１６が設けられ、第２テーブル１５にはワーク主軸１７が設けられている。

加工中に、第１テーブル１４のＸ軸移動、第２テーブル１５のＺ軸移動が連続的に行われるということは、ベッド１０上で重量物が水平方向に移動することである。そして、重心をＧとすると、除振装置１２で支持された精密加工機の場合、ベッド１０の支持点Ａとベッド１０の重心Ｇの間が高さ方向に距離ｈだけ差が生じている。このため、ベッド１０の上で第１テーブル１４、第２テーブル１５の移動があると、重心Ｇを中心とするモーメントがベッド１０に作用し、これが回転振動の要因となる。このような回転振動は、一般の工作機械の場合は問題となることは少ないが、レンズを研削するなどの超精密非球面加工では、回転振動に起因する機械本体のごく僅かなねじれさえも、加工精度を低下させる原因となる。

また、精密加工機の場合、除振装置１２により支持する構造がかえって、回転振動の発生を助長する結果となる。これに対して、半導体製造装置に適用されるような能動除振装置による対策が考えられるが、重量のある精密加工機では、制御の応答性や複雑化の点で現実的ではない。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、ベッドそれ自体に回転振動抑制機能をもたせることにより、超精密の加工精度を維持できるようにした精密加工機を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、平面上で直交する２方向にそれぞれ移動する移動体がベッド上に載置され、前記移動体の移動によって生じるモーメントによって前記ベッドの重心を振動中心とする回転振動が発生する精密加工機において、前記ベッドは、前記移動体と前記移動体の送り機構および加工部が設置されたベッド本体と、前記ベッド本体の下面中央部から下方に突き出た出張り部と、を有する異形型のベッドからなり、前記ベッド本体の両側を支持する支持機構の支持点の間に前記出張り部を配置することにより、前記支持点と前記回転振動の回転中心である前記重心との高さの差を小さくしたことを特徴とするものである。

本発明では、前記支持機構は、除振装置からなることが好ましい。

また、本発明では、前記ベッド上を移動する移動体の送り機構は、ボールネジ機構の代わりに、リニアモータ駆動の送り機構にすることもできる。
さらに、本発明では、前記ベッドにワークの加工点と回転振動の回転中心の距離を可及的に小さくする凹部を設けるようにしてもよい。

本発明によれば、支持点Ａの間で出張り部を有するＴ字形一体構造のベッドとすることにより、重心の位置が下がるので、支持点と回転振動の回転中心となる重心Ｇとの高さの差を可能なかぎり小さくすることができ、回転振動の原因となる水平方向のモーメントが働きにくい構造になる。

以下、本発明による精密加工機の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態による精密加工機の側面を示す図である。この精密加工機は、レンズ部品などを研削、旋削する超精密加工を行うための加工機である。

図１において、参照番号２０は、精密加工機の基台であるベッドを示す。このベッド２０の上面には、水平案内面として直交する２方向に超精密高剛性のころがり案内が設けられており、第１テーブル２１、第２テーブル２２がそれぞれころがり案内に沿って移動可能に設置されている。第１テーブル２１に搭載されているのがコラム２３で、このコラム２３の側面には垂直案内面が設けられている。研削主軸２４は、空気静圧スピンドルからなり、垂直案内面に沿って昇降可能に設置されている。第２テーブル２２には、同じく空気静圧スピンドルからなるワーク主軸２５が搭載されており、このワーク主軸２５はモータ２６により駆動される。

この１実施形態の精密加工機では、送り機構としてボールネジ送り機構が用いられており、研削主軸２４を前後に送るために第１テーブル２１を移動させる軸がＸ軸、研削主軸２４を上下に送る軸がＹ軸、ワーク主軸２５を左右に送るために第２テーブル２２を移動する軸がＺ軸である。ワーク主軸２５の回転軸がＣ軸である。参照番号２７は研削主軸２４の送り機構を駆動するＸ軸サーボモータ、２９は第２テーブル２２のＺ軸サーボモータである。

次に、ベッド２０は、従来一般に使われている直方体のベッドとは異なり、この第１実施形態では、次のような異形型のベッドとして構成されている。

ベッド２０は、直方体であるベッド本体３０と、このベッド本体３０の下面中央部から下方に突き出た出張り部３１との二つの部分からなるＴ字形一体構造のベッドである。ベッド２０では、出張り部３１の左右両側に張り出したところが支持部３１ａ、３１ｂになっていて、この支持部３１ａ、３１ｂは、床に設置されている支持機構としての除振装置３２により支持されている。ベッド２０が除振装置３２によって支持された状態では、出張り部３１の下面は床面から離れている。除振装置３２としては、例えば、空気ばねを利用した受動型除振装置が用いられている。この他、除振装置３２には、空気ばねと電磁アクチュエータを併用した能動型除振装置を用いることもできる。

本実施形態による精密加工機は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。

精密加工機でワークを加工する間は、研削主軸２４のＸ軸移動、ワーク主軸２５のＺ軸移動や、研削主軸２４のＹ軸移動が連続して行われる。このようなベッド２０上における重量物の移動は、ベッド２０にモーメントを作用させ、振動発生の原因となる。

図２は、本実施形態による精密加工機を模式的に示した図である。ベッド２０の重心をＧで示し、除振装置３２で支持されているベッド２０の支持点をＡで示す。
ベッド２０の上で研削主軸２４のＸ軸移動、ワーク主軸２５のＺ軸移動のために、第１テーブル２１、第２テーブル２２が移動すると、ベッド２０には重心Ｇを中心とする水平軸回りのモーメントが作用する。そのモーメントの大きさは研削主軸２４およびワーク主軸２５の位置に応じて変動する。

水平軸回りのモーメントは、重心Ｇを振動中心とする回転振動の原因になり、ベッド２０の重心Ｇと支持点Ａの間の距離ｈが離れるほど、水平軸回りのモーメントは大きくなる（図５参照）。ベッド２０に作用する水平軸回りのモーメントは、ベッド２０を鉛直方向に振動させる要因にもなるが、鉛直方向の振動は除振装置３２によって抑制される。しかも、本実施形態のように、ベッド本体３０の下面中央部から下方に突き出た出張り部３１を支持点Ａの間で有するＴ字形一体構造のベッド２０の場合、重心Ｇの位置が下がるので、支持点Ａと回転振動の回転中心となる重心Ｇとの高さの差を可能なかぎり小さくすることができる。したがって、回転振動の原因となる水平軸回りのモーメントが働きにくい固有の構造をもったベッド２０となるので、ベッド２０それ自体に回転振動抑制機能を付加することができる。

１ｎｍのオーダーでの加工精度が要求され、回転振動により引き起こされる機械本体のわずかなねじれが加工精度に影響する本実施形態のような精密加工機では、上記のように除振装置３２では抑制し難い回転振動を発生し難くい構造とすることで、加工精度低下防止上の効果は大きいものがある。

また、支持点Ａと回転振動の回転中心となる重心Ｇとの高さの差を可能なかぎり小さくすることは、従来からある懸垂形の除振装置を用いることで可能であるが、機械の設置面積が増大してしまう欠点がある。この点、本実施形態ではベッド２０のＴ字形異形構造で実現しているので、省スペース化が可能となる。

第２実施形態
次に、本発明の第２の実施形態に係る精密加工機について図３を参照しながら説明する。

本発明の第２実施形態による精密加工機では、ベッド２０上を移動する第１テーブル２１、第２テーブル２２の送り機構は、リニアモータ機構の送り機構から構成されている。ベッド２０の構造は、図１の第１実施形態と同様であるので、同一の構成要素には同一の参照番号を付して説明は省略する。

図３において、参照番号４０は第１テーブル２１を送るＸ軸リニアモータ機構を示す。このＸ軸リニアモータ機構４０は、ベッド２０の上面右側にＸ軸方向に延びるコイル列４１と、このコイル列４１と対向するように第１テーブル２１の底面中央に取り付けられた永久磁石４２とから構成されている。第２テーブル２２を送るＹ軸リニアモータ機構も同様に構成されている（図示省略）。

リニアモータを精密加工機の送り機構に採用した場合、機械本体の回転振動が位置制御の精度向上を実現する上で甚だしい障害になっていることはよく知られている。そこで、本実施形態のように、回転振動を発生し難くい構造としたベッドとすることにより、リニアモータ駆動によるテーブルの位置決め精度の向上を容易に実現可能になる。
第３実施形態
次に、図４は本発明の第３の実施形態に係る精密加工機を示す。
この第３実施形態は、第１実施形態と同様にベッド本体３０の下面中央部から下方に突き出た出張り部３１を設け、ベッド２０の支持点Ａと回転振動の回転中心となる重心Ｇとの高さの差を可能なかぎり小さくすることに加えて、ベッド本体３０の上部に凹部４６を形成し、この凹部の底面に、研削主軸２４を搭載した第１テーブル２１とワーク主軸２５を搭載した第２テーブル２２を配置している。

この第３実施形態によれば、ワークの加工点Ｂと回転振動の回転中心である重心Ｇの間の距離も可及的に小さくすることができるので、回転振動を抑制すると同時に、加工点Ｂにおける回転振動の影響を最小限にすることが可能となる。

本発明の第１実施形態による精密加工機を示す側面図。同精密加工機の重心位置を示す模式図。本発明の第２実施形態による精密加工機を示す側面図。本発明の第３実施形態による精密加工機を示す模式図。従来の精密加工機と除振装置および重心の位置関係を示す模式図。

符号の説明

２０ベッド
２１第１テーブル（移動体）
２２第２テーブル（移動体）
２３コラム
２４研削主軸
２５ワーク主軸
３０ベッド本体
３１出張り部
３１ａ、３１ｂ支持部
３２除振装置（支持機構）
４０Ｘ軸リニアモータ機構
４６凹部
Ａ支持点
Ｂ加工点
Ｇ重心

Claims

平面上で直交する２方向にそれぞれ移動する移動体がベッド上に載置され、前記移動体の移動によって生じるモーメントによって前記ベッドの重心を振動中心とする回転振動が発生する精密加工機において、
前記ベッドは、前記移動体と前記移動体の送り機構および加工部が設置されたベッド本体と、前記ベッド本体の下面中央部から下方に突き出た出張り部と、を有する異形型のベッドからなり、前記ベッド本体の両側を支持する支持機構の支持点の間に前記出張り部を配置することにより、前記支持点と前記回転振動の回転中心である前記重心との高さの差を小さくしたことを特徴とする精密加工機。
前記支持機構は、除振装置からなることを特徴とする請求項１に記載の精密加工機。
前記ベッド本体上を移動する移動体の送り機構は、リニアモータ駆動の送り機構からなることを特徴とする請求項１に記載の精密加工機。
前記ベッド本体は、ワークの加工点と回転振動の回転中心の距離を可及的に小さくする凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の精密加工機。