JP4990282B2

JP4990282B2 - 工具移動アクチュエータ

Info

Publication number: JP4990282B2
Application number: JP2008529511A
Authority: JP
Inventors: オステンダープ，ハインリヒ
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: US7545078B2; CN101198439A; ATE488324T1; CN101198439B; TW200720015A; DE102005044087A1; EP1924397A2; DE502006008350D1; WO2007028532A3; WO2007028532A2; US20080134848A1; JP2009508457A; EP1924397B1

Description

本発明は、長手方向軸を中心に回転駆動されるように構成され、被加工物をチャックに固定する固定具が設けられたスピンドルを備え、被加工物の表面に対して実質的に垂直方向に工具を高速移動させるための高速駆動装置を備え、第１方向に直線送り運動を生ずるための別の駆動装置によって機械加工される被加工物表面に沿った位置決めが可能なアクチュエータを有する、被加工物を機械加工する装置であって、当該装置は、工具を移動させるためのアクチュエータであって、復元力に対して付勢され、好ましくは減衰要素によって減衰される高速駆動装置、好ましくは圧電変換器を用いて移動されるタペットであって、切削工具保持具を有する、軸方向移動可能なタペットが設けられたハウジングを備えたアクチュエータを用いて、被加工物を機械加工する装置に関する。

アクチュエータおよびそのような種類の装置が、下記特許文献１から公知である。
この公知のアクチュエータは、回転対称形態または特に回転非対称形態の微細構造表面を作製するための旋盤に使用される。
このために、旋盤は、長手方向軸を中心に回転駆動することができ、かつ被加工物をチャックに固定する固定具を保持するスピンドルを備え、工具の表面に対してほぼ垂直方向に工具を高速移動させるための、例えば圧電駆動装置の形の高速駆動装置が設けられたアクチュエータを有し、その第１の方向に直線送り運動を生ずる第２の駆動装置によって、アクチュエータを機械加工される被加工物表面に沿って位置決めすることができる。アクチュエータの高速駆動装置は、復元力に対して、高速駆動装置の軸方向に工具を送ることを可能にする案内手段を介して工具に連結され、その方向に対して垂直な平面において高剛性を示す。アクチュエータは、通気性があって、アクチュエータの動作中における切削力によるノイズの影響を減ずるために、密閉空気量による減衰要素として作用する焼結板を備える。

そのようなアクチュエータは、鋼または他の材料のような硬質材を機械加工する場合でも微細構造表面を作製できることが動作中に見出された。
同様の種類の別のアクチュエータ、およびアクチュエータを用いて被加工物を機械加工するための装置が、下記非特許文献１から公知である。
このアクチュエータは、高品質の回転対称表面を作製する旋盤と併用される。アクチュエータは、二重のダイヤフラム式のばねを介して軸方向に移動可能に案内されながら、その方向に対して垂直方向に高剛性を示す圧電駆動装置を備える。工具保持具が、圧電駆動装置を密閉するタペットに取り付けられており、タペットと直接接続されている。そのため、圧電駆動装置は、一組のばねによって圧電駆動装置に対して付勢されるベースプレートに接合されている。タペットが懸架された、互いに間隔を置いて配置される２つのダイヤフラム式のばねによって、ラジアル軸受が形成される。
独国実用新案出願第２０２００４０１１８１５号明細書国際公開第２００４／０３０２１０号パンフレット Robert Hilbing, "Genauig-keitssteigerung von Praezisionsdrehmaschinen durch aktive Kompensation dynamischer Stoerungen", RWTH Aachen （アーヘン工科大学）, Shaker Verlag社、Vol. 16/2004, D82 Diss. RWTH Aachen

そのアクチュエータの場合には、減衰系が設けられていない。さらに、微細構造表面の作製には、抑制すべき、アクチュエータのばね質量の固有振動数によって、また、センサーとアクチュエータとの間の比較的長い転送時間によって実現できたとしても、高額な費用でしか実現できないダイナミックノイズの能動的な電気的補償が必要であろう。この公知の配置は、非鉄金属の機械加工には適しているが、鋼のような硬質材の機械加工には適していない。

こういったことを考慮すると、本発明の目的は、表面品質が高く、かつ可能な限り速く硬質の被加工物を加工することができるように、前述の種類のアクチュエータを向上させることである。さらに、アクチュエータを極めてコンパクトな設計にすることである。
さらに、本発明の目的は、そのようなアクチュエータを用いて、被加工物を機械加工するための装置を提供することである。

前述の種類のアクチュエータを備えた装置の場合、この目的は、タペット（凸子）が転動体を介してハウジング上を軸方向に移動可能に案内され、高速駆動装置は、タペットの凹部に少なくとも部分的に受け入れられ、タペットと同軸状に設けられた減衰要素によって減衰される構成によって達成される。
本発明の目的は、それによって完全に達成される。
転動体にタペットを据え付けることによって、アクチュエータの加速が極めて速くなり、それによって被加工物を高速の切削速度で機械加工できる。さらに、本発明に用いられるアクチュエータは、その軸方向に対して垂直な平面において極めて高い剛性を示す。

その実施形態の別の一態様によれば、タペットは、互いにクランプされる２つのハウジング要素間を転動体によって軸方向移動可能に案内される。
このようにして、ハウジング部間の相対移動を防ぐことができる。これによって、ひいては、転動体が動作中に高荷重で溶接されてしまう危険を防止する。
転動体は、例えば、玉、ころ、または球面ころ要素または他の形状の要素であってもよい。

高速駆動装置が、タペットの凹部に少なくとも部分的に受け入れられ、かつ減衰要素がタペットと同軸状に設けられていることにより、加速を極めて速くすることができ、それによって切削速度を高速にすることができる。その上、極めてコンパクトな設計が得られる。

本発明において用いられる「高速駆動装置」という用語は、高加速で高速の軸方向制御移動を行うことができる一方で、その方向に対して垂直な平面においてはいかなる制御移動もできず、非常に限られた力しか吸収することができない駆動装置を意味する。
したがって、本発明において用いられる「高速駆動装置」という用語は、適当な制御信号に応答して高加速での移動を可能にする駆動装置を意味する。従来の機械工具の駆動装置は、最大加速度約１．５ｇ（すなわち、約１５ｍ／ｓ^２）を達成し、リニアモーターでは最大加速度約８ｇ（８０ｍ／ｓ^２）が可能である。

本発明の意味する高速駆動装置の加速度は、明らかにより速く、少なくとも１００ｍ／ｓ^２よりも明らかに速くできる。好ましくは、この高速駆動装置の加速度は、それよりも、例えば少なくとも１５０ｍ／ｓ^２、または少なくとも５００ｍ／ｓ^２、特に少なくとも１０００ｍ／ｓ^２よりも明らかに速くできる。
かかる高加速度は、高い周波数成分をともなう微細構造体がそれ相応に必要とされる場合、速い切削速度には必要であり、例えば、圧電駆動装置のような補助機器つまり電気機械変換器を用いて達成することができる。

本発明の別の一実施形態によれば、高速駆動装置はナノチューブ駆動装置として構成される。
ナノチューブ駆動装置とは、ナノチューブを含む少なくとも１つの層を有し、この層のナノチューブが、ナノチューブ配列の平均をとると、優先的方向を有する電気機械変換器である。

この場合、ナノチューブ駆動装置は、単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブ、またはＢＮ、ＭｏＳ_２またはＶ_２Ｏ_５のような他の有機成分を含むナノチューブを備えた少なくとも１つの層を含む。また、原理上、ナノチューブ駆動装置として、複数層の積層構造体が選択されてもよい。
ナノチューブによって、圧電駆動装置よりも強い力を実現できる。同様に、ナノチューブはほとんどオーバーシュート挙動を示さず、作製される微細構造体が極高周波成分を有する場合に有利である。ナノチューブ駆動装置は、例えば、電解液と共にタペットの空洞（キャビティ）に密封されて収容することができ、さらにシールによって密封されてもよい。

この場合、電解液の体積が膨張すると、タペットの軸方向移動に変換される。
これと比較して、圧電駆動装置を用いた一実施形態は、単純構造で低価格という利点がある。
もちろん、加速および十分に高い剛性に関する必要条件を満たしていれば、その範囲において、例えば、油圧式駆動装置などの高速駆動装置の他の構成も同様に想定できる。

減衰要素を使用すると、自然共鳴の影響を大幅に低減し、またオーバーシュート挙動が許容値に抑えられる。
原理上、すべての適当な減衰要素をこの点について考慮してもよいが、硬質材からできた被加工物の精密機械加工に用いる場合に、減衰効果をかかるアクチュエータに対する要求に最適に合わせることのできるスクィーズフィルムダンパとして減衰要素が構成される一実施形態において、特に有効に減衰できることがわかった。さらに、スクィーズフィルムダンパを使用すると、アクチュエータを特にコンパクトに設計することができる。

最大減衰係数が約０．７となるように減衰効果を調整すると好ましいことが、さらにわかった。その値を越えると、通常、好ましくない結果となる。機械加工する材料の種類、切削深さ、切削速度などに応じて、明らかに異なる減衰係数が、最良の結果を生むこともある。
本発明の別の有利な発展によれば、高速駆動装置はタペットの凹部に受け入れられる。

これにより、アクチュエータを特にコンパクトな設計にすることができる。
本発明の別の好適な一実施形態によれば、タペットは屈曲部、好ましくは２重ダイヤフラム式のばね上に案内される。
これにより、タペットは大きく軸方向移動可能になると同時に、その方向に対して垂直方向に高剛性となる。

本発明の別の好適な実施形態によれば、高速駆動装置はハウジング上に固定され、タペットは、例えば、一組のばねの形態でばね要素によって高速駆動装置に対して付勢される。
これにより、復元力に対して高速駆動装置に必要な付勢をかけて、特にコンパクトな形に一体化させることができる。

本発明の別の好適な実施形態によれば、タペットは、タペットの第１の工具側端部分における第１スプリング式サスペンションを介して、および第２の端部分における第２スプリング式サスペンションを介して、ハウジング上で軸方向移動可能に懸架されている。
好ましくは、高速駆動装置は、この目的のために、ハウジングと接続された固定端、およびタペットと接続された自由端を含む。

さらに、タペットは、好ましくは一組のばねによって、好ましくは第２の端部分において高速駆動装置の方に付勢される。
このような特徴によって、特にコンパクトな設計を実現することができる。
スクィーズフィルムダンパは、好ましくは、ハウジングとタペットとの間の空洞に配置され、好ましくは、それらの間に流体が密閉される間隙を形成する２つの同軸表面を含む。

さらに、このスクィーズフィルムダンパは、アクチュエータを特にコンパクトな設計することに役立つ。
上記発明の特徴および以下にこれから説明する特徴を、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ記載の組み合わせにおいてのみならず、他の組み合わせ、または単独で用いることができることが理解されよう。

本発明のさらなる特徴および利点は、図面を参照して、本発明の好適な一実施形態の以下の説明から明らかとなろう。
図１は、全体として参照符号１０で示される、アクチュエータを用いて、被加工物を機械加工する装置の極端な概略図を示している。
本発明に係る装置１０は、被加工物１６に対して工具３２の高速圧電制御移動を可能にするためにアクチュエータ３０を具備する旋盤である。装置１０は、矢印２８で示すように、スピンドル軸２５を中心に回転駆動することができるスピンドル１２を備えている。スピンドル１２には、被加工物１６を取り付けるチャックの形態の固定具１４が設けられている。

両矢印２６で示すように、工具往復台１８をｚ方向に移動させることができる、ｚ方向（スピンドル軸２５と平行）に延びるガイドに沿って設けられた駆動装置２０が、装置１０の機台１３上に設けられている。工具往復台１８には、両矢印２７で示すように、往復台２４を垂直方向（ｙ方向）に移動させることができる駆動装置２２が設けられている。最後に、往復台２４には、水平方向（ｘ方向、スピンドル軸２５に対して横方向）に往復台を移動させることのできる、さらなる駆動装置が設けられている。

往復台２４は、最終的に、両矢印３４で示すように、工具３２をさらにｚ方向に移動させることができるアクチュエータ３０を保持する。
旋盤およびアクチュエータを制御するために、参照符号１７によって図示する中央制御装置が設けられている。スピンドル１２の回転位置は、回転位置用変換器３１を用いてモニターすることができる。

装置１０を用いて被加工物１６の表面を微細構造化するために、往復台２４を用いて、アクチュエータ３０がｘ方向に位置決めされる間に、被加工物１６はスピンドル１２によって駆動されてスピンドル軸２５を中心に回転することができ、回転位置用変換器３１によって測定された工具１６の回転位置およびアクチュエータ３０のローカル座標に応じて、工具３２はアクチュエータ３０によって被加工物表面に向かうｘ方向へ送られる。ここに完全に引用により組み込まれた、上記特許文献１から一般に知られるように、このようにして、被加工物表面を微細構造化することが可能であり、また高精度に回転対称および回転非対称表面構造を作製することが可能である。

図１を参照して上記した設計を用いて、面削り作業において被加工物を機械加工することができる。すなわち、アクチュエータ３０の高速送り運動が、ｚ方向、つまり、スピンドル軸２５の方向に生じると共に、被加工物が回転駆動され、工具３２がスピンドル軸へ横方向に、主に被加工物１６に対して水平方向（ｘ方向）に、つまり径方向に移動される。外形が機械加工される場合は、もちろん、他の方向に、例えばｚ方向にさらに移動可能である。

長手方向の回転動作においても、被加工物を機械加工できることが理解される。この場合、アクチュエータ３０の位置決め移動は駆動装置２０によってｚ方向に行われ、アクチュエータ３０によってその方向に対する垂直面（ｘ／ｙ面）で送り運動を行うことができる。便利なことに、アクチュエータは、この目的のために、圧電軸がｘ方向（または、必要であれば、ｙ方向）に配向されるように往復台２４上に位置決めされる。その後、かかる配置によって、必要であれば、被加工物の外面または内面を、外面旋削動作または内面旋削動作において微細構造化することができる。

このアクチュエータ特有の構造は、復元力に対する圧電軸の方向に敏速に移動させることができるが、圧電軸に対して垂直な平面に高剛性を示すものであり、図２を参照して後でより詳細に説明される。
図２に示すアクチュエータは、全体として参照符号３０で示されるが、好ましくは圧電駆動装置の形態で、ハウジング３８上に支持され、第１スプリング式サスペンション４０および第２スプリング式サスペンション４２を含むたわみ部を介して工具３２に作用する高速駆動装置３６を本質的に含む。高速駆動装置３６は、軸方向にのみ移動可能であるが、その方向に対して垂直な平面においてはいかなる作動力も生成することができない。屈曲部４０、４２を利用して、アクチュエータ３０全体としてその長手方向の軸６４に垂直な平面において高剛性を示しながら、高速駆動装置３６の軸方向の動作移動を直接工具３２に伝達できることが保証される。

タペット３６の前端には、例えば、スローアウェイチップの形態で工具３２を受け入れるように配置された工具保持具３４が設けられている。その配置は、工具３２の切削表面がアクチュエータ３０の長手方向の軸６４を貫通するような配置である。
タペット３６の工具側端部には、第１スプリング式サスペンション４０が接続しているが、これは、例えばすきまゲージとして公知である種類の厚みの薄いばね鋼でできた板ばねを含んでもよい。この板ばねは、その端部によってハウジング３８にしっかりとクランプ（挟持）され、途中で互いに交差させ、タペット３６にしっかりと接続される。例えば、ばねをハウジング３８に取付けるために、環状保持具６４が設けられてもよい。

また、第１および第２スプリング式サスペンション４０、４２は、アクチュエータ１０の動的性能に対する要求を満たすならば、他の形態で設計されてもよい。
例えば、スプリング式サスペンション４０、４２は皿ばねとして構成されてもよい。
工具保持具３４と反対側の端部分において、タペットは、第１スプリング式サスペンション４０と同じ構成を有していて、寸法が局部的な幾何学的条件に適合する第２スプリング式サスペンション４２上に固定される。その外端では、第２スプリング式サスペンション４２は、ハウジング３８とハウジング３８に接続される後部ハウジング部分５２との間にしっかりとクランプされる。

タペット３６は、２つのスプリング式サスペンション４０、４２の間の部分において、工具保持具３４に向かう方向にわずかに細くなっている中空円筒形を示している。タペット３６は、高速駆動装置４６を受け入れる円筒空洞４４を備えている。それゆえ、高速駆動装置４６は、タペット３６の壁によって同軸状に取り囲まれている。高速駆動装置４６は、連結片５６を備えた適当な取付台５４を介してハウジング部５２にしっかりと接続される固定端４８を有している。さらに、高速駆動装置４６は、空洞４４の端面に接している自由端５０を含んでいる。さらに、タペット３６は、例えば、皿ばねの形態の一組のばね５８を介して、第２ばね要素４２上に固定されるようにする取付台６６によって、取付台５４の方に付勢され、それによって、高速駆動装置４６の方に付勢される。好ましくは、取付台６６は、高速駆動装置４６を密閉するために同様に設計されており、この目的のために別個のシール６７を含んでいてもよい。

タペット３６を減衰させるために、好ましくは、タペット３６の外面とハウジング３６の円筒空洞との間にスクィーズフィルムダンパ６０が配置されている。このスクィーズフィルムダンパ６０は、２つの互いに同軸のスリーブを有し、それらの間に流体が密閉される細い環状間隙６２を形成する。この流体は高粘性の流体、例えばゲルであることが好ましい。

本発明の一実施形態によれば、高速駆動装置４６はナノチューブ駆動装置である。他の点では、その構造は図２のものと同様であるが、タペットの凹部は、この場合、圧電駆動装置の代わりにナノチューブ駆動装置を収容する。ナノチューブ駆動装置は電解液を含み、その中にナノチューブがほぼ軸方向に揃って配置されているので、適当な密閉手段によって、ナノチューブ駆動装置を受け入れるタペット３６の空洞４４から電解液が確実に漏れ出ないようにしなければならない。さらなる密閉要素（図示せず）によってこれを確実にしてもよい。ナノチューブ駆動装置の構造については、例えば、積層型カーボンナノチューブ駆動装置として構成されてもよいが、ここに完全に引用により組み込まれた、特に上記特許文献２を参照する。

アクチュエータの別の例が図３および図４に示され、全体として参照符号３０ａで示されている。これらの図において、該当部分は対応する参照符号によって示されている。
図３に記載するアクチュエータ３０ａは、軸案内用にタペット３６とハウジング３８との間にころ軸受を用いる。それによって、動的性能が向上したことにも関連して、極めて高い剛性を達成する。ころ軸受は、例えば、玉７８を含んでいてもよく、玉７８は、タペット３６の外面とハウジング３８との間の空洞７６内に案内される。この場合、ハウジングは、上半部７０と下半部７２とを含んでいて、ハウジングの両半部７０、７２間の相対移動を防ぐように、適当なクランプねじによって強力に締め合う。これによって、玉７８部分の摩擦溶接を防ぐことができる。

ころ軸受によって軸案内が保証されることから、この実施形態の場合には、第２スプリング式サスペンション４２は必要なく、図２による実施形態の場合のように、スプリング式サスペンション４０は、軸方向に復元力を発生させるように働く。
転動体、つまり玉７８は、それぞれハウジング両半部７０、７２上に設けられた蓋要素７４、７５によって空洞７６から脱落しないようになっている。

皿ばねを含む一組のばね５８によってねじれが防止されていてもよい。あるいは、ねじれを防止するために、転動体、つまり玉７８が、案内面、例えば、タペット３８の外面上の平坦部分と協働してもよい。
また、ころの代わりに、円筒ころ、球面ころ要素などのような他の適当な転動体を用いてもよいことが理解される。

また、高速駆動装置それ自体としては、圧電駆動装置またはナノチューブ駆動装置として構成されてもよい。
図２に示すアクチュエータと比較して、このようなアクチュエータによって、さらに高い固有振動数を達成でき、その結果、動的性能はさらに向上する。
本願発明に用いられるアクチュエータは、鋼製の被加工物のような硬質の被加工物を機械加工するのに適したものとするべく、オーバーシュート挙動および使用寿命を向上させるような適当な減衰要素を同様に含む。同様に、減衰要素は、スクィーズフィルムダンパとして構成されてもよい。

減衰装置は、振幅倍率を制限するが、制限しなければ、自己共振周波数で約１０倍ないし１２倍にまで達し、公称振幅が１０μｍで約２倍にまで達する。

本発明に係るアクチュエータを用いて、被加工物を機械加工する装置の大幅に簡略化された概略図を示す。図１に示すような本発明に係るアクチュエータの第１の実施形態の長手方向断面図を示す。本発明に係るアクチュエータの別の実施形態の長手方向断面図を示す。図３によるアクチュエータの縮小した断面図を示す。

Claims

長手方向軸（２５）を中心に回転駆動されるように構成され、被加工物（１６）をチャックに固定する固定具が設けられたスピンドル（１２）を備え、前記被加工物の表面に対して実質的に垂直方向に工具（３２）を高速移動させるための高速駆動装置（３６）を備え、第１方向（ｘ）に直線送り運動を生ずるための別の駆動装置（２４）によって機械加工される被加工物表面に沿った位置決めが可能なアクチュエータ（３０）を有する、被加工物を機械加工する装置であって、
当該装置は、ハウジング（３８）を備え、工具を移動させるためのアクチュエータを備え、
前記ハウジング（３８）上を、工具保持具（３４）を有するタペット（３６）が軸方向移動可能に案内され、前記タペット（３６）は、復元力に対して付勢され、減衰要素によって減衰される高速駆動装置（４６）を用いて移動可能であり、
前記タペット（３６）が転動体を介して前記ハウジング上で軸方向移動可能に案内され、
前記高速駆動装置（４６）は、前記タペット（３６）の凹部（４４）に少なくとも部分的に受け入れられ、前記タペットと同軸状に設けられた減衰要素によって減衰されることを特徴とする装置。
前記タペットが、一方から他方へクランプされた２つのハウジング要素間を前記転動体によって軸方向移動可能に案内されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記転動体が、玉、ころ、または球面ころ要素であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置。
前記高速駆動装置（４６）が、ナノチューブ駆動装置として構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
前記減衰要素が、スクィーズフィルムダンパ（６０）として構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
前記タペット（３６）が、たわみ部、好ましくは、２つの互いに間隔を置いて配置されたスプリング式サスペンション（４０、４２）を備えたたわみ部上に案内されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
前記高速駆動装置（４６）が前記ハウジング（３８）上に固定されており、前記タペット（３６）が付勢されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
前記タペット（３６）が、前記タペットの第１の工具側端部分における第１スプリング式サスペンション（４０）を介して、かつ第２の端部分における第２スプリング式サスペンション（４２）を介して、前記ハウジング（３８）上で軸方向移動可能に懸架されていることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
前記高速駆動装置（４６）が、前記ハウジング（３８）に固定された固定端（４８）と、前記タペット（３６）に堅固に接続された自由端（５０）とを含むことを特徴とする、請求項８に記載の装置。
前記タペット（３６）が、その第２の端（４８）部分において、好ましくは一組のばね（５８）によって、前記高速駆動装置（４６）へ付勢されることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
前記一組のばね（５８）が皿ばねを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
前記タペット（３６）が、回転に対して保護、好ましくは前記一組のばね（５８）によって、回転に対して保護されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
前記スクィーズフィルムダンパ（６０）が、前記ハウジング（３８）と前記タペット（３６）との間の空洞に配置されていることを特徴とする、請求項５〜１２のいずれか一項に記載の装置。
前記スクィーズフィルムダンパ（６０）が２つの同軸表面を含み、それらの間に、流体が密閉される間隙（６２）が形成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。