JP5855631B2 - リニアモータを備えた直線駆動装置を有する工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、コイル及び磁石を有するリニアモータを備えた直線駆動装置、及び該直線駆動装置を備えた工作機械に関する。

図５は、一般的なリニアモータの構成例を模式的に示す図である。リニアモータ１００は、磁石１０２を磁石鉄心１０４上に配置してなる固定子１０６と、コイル鉄心１０８に３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線１１０を巻いてなる移動子（コイル）１１２とを有し、巻線１１０に電流を流すことによって磁石１０２との間に矢印１１４で示す方向の推力が生じる。通常、コイル側が可動部として、磁石側が固定部として構成され、コイルの推力方向長さに該コイルの可動範囲（ストローク長）を加えた長さに亘り、磁石が、Ｎ極及びＳ極が交互になるように推力方向に並べて配置される。

図６は、図５に示したような一般的なリニアモータを搭載した従来の直線駆動装置１２０の概略構成を、リニアモータの推力方向にみた図である。コイル１１２はスライド１２２（可動部）に固定され、固定子１０６はベース１２４（固定部）に固定される。スライド１２２は、軸受１２６を介してベース１２４に支持され、推力方向にのみ移動可能な構造となっている。従って直線駆動装置１２０では、コイル１１２と固定子１０６（磁石１０２）との距離（磁気ギャップｇ）は、一定値として予め定められている。

磁気ギャップはリニアモータの性能に大きく影響する因子であり、磁気ギャップの大きさが変化すると、リニアモータの性能（推力）も大きく変動する。これに関連する技術として、例えば特許文献１には、可動部（テーブル部２）に対して移動子１２が上下方向に摺動可能となるように構成されたリニアモータが開示されている。

特開２００３−２５０２５８号公報

図５に示すような一般的なリニアモータでは、コイル１１２と磁石１０２との間の距離（磁気ギャップｇ）を変えると、コイル１１２に同じ大きさの電流が流れていても、推力が大きく変わることが知られている。また、図５のようにコイル鉄心１０８を有するリニアモータでは、磁石１０２の磁束密度が場所によって異なることにより、駆動時にコイル鉄心１０８と磁石１０２との間に作用する磁気吸引力に変動（コギング）が生じる。磁気ギャップｇを小さくすると推力が増す一方でコギングが大きくなり、磁気ギャップｇを大きくすると推力が減少する一方でコギングが小さくなる。

超精密加工機などで使用される、高い送り精度が要求されるリニアモータでは、送り軸の真直度がコギングにより低下するのを避けるために、磁気ギャップをある程度大きくし、推力を落として使用することが多い。或いは、鉄心を有さない（コアレスの）コイルを使用して、原理的にコギングが生じないようにするという対策が講じられることもある。

しかし、磁気ギャップを大きくしたり、コアレスのコイルを使用したりする場合は、コギングは抑制される一方でリニアモータの推力が低下するので、大きな推力を得るためにはコイルに大きな電流を流す必要がある。すると、コイルの発熱によって、リニアモータや該リニアモータを含む工作機械等の機械精度が悪化するという問題がある。一般に工作機械の熱容量は大きいので、一旦温度の変化（上昇）が起こると、元の温度に戻るのに時間がかかる。また、この対策として、工作機械に冷却機構を内蔵することも考えられるが、熱の発生源と冷却機構の位置とを全く同じにすることはできないので、ある程度の温度分布が生じることは避けられない。

特許文献１に記載の発明では、移動子１２をテーブル部２に対して摺動可能に構成しているが、この目的は、固定子１１と移動子１２との間の距離（エアギャップ）の調整に際して、固定子１１の厚さＤ及び移動子１２の厚さＲを無視できるようにし、比較的高質量のテーブル部２の影響を排除すること、さらに使用時に移動子１２が振動してもテーブル部２と機台１との上下方向の相対位置関係を変えないこと、であると解される。つまり特許文献１では、エアギャップの大きさは第２レール部７及び第２スライド部９の寸法によって決まり、エアギャップの大きさを意図的に変更することは何ら示唆されていない。

そこで本発明は、リニアモータの推力とコギングとのバランスを考慮しながら、種々の用途に適応可能な直線駆動装置、及び該直線駆動装置を備えた工作機械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、本願第１の発明は、コイル鉄心を有するコイル及び磁石を備えたリニアモータを具備し、固定部に対して可動部が軸受を介して直線的に移動可能となっている直線駆動装置において、前記コイル及び前記磁石の少なくとも一方を、前記コイル及び前記磁石が互いに接離するように変位させることにより、前記コイルと前記磁石との間に形成される磁気ギャップの大きさを変更する磁気ギャップ変更機構を有することを特徴とする、直線駆動装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記磁気ギャップ変更機構は、電気、空気圧又は油圧で駆動するアクチュエータであることを特徴とする、直線駆動装置を提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記磁気ギャップ変更機構は、前記コイルを前記磁石に対して、前記磁気ギャップが第１の値となる第１の位置と、前記磁気ギャップが前記第１の値より大きい第２の値となる第２の位置と、前記第１の位置と前記第２の位置との間の位置に位置決めし保持するように構成されていることを特徴とする、直線駆動装置を提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、一対のリニアモータが、前記磁気ギャップの方向に互いに対向して配置され、前記一対のリニアモータの磁気ギャップは互いに等しいことを特徴とする、直線駆動装置を提供する。

第５の発明は、第２の発明を含む第４の発明において、前記一対のリニアモータにおいて、前記コイル、前記磁石及び前記アクチュエータが対称構造であり、前記アクチュエータは磁気ギャップを同時に同じ変位量で変更できるように構成されることを特徴とする、直線駆動装置を提供する。

第６の発明は、第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記軸受が静圧空気軸受であることを特徴する、直線駆動装置を提供する。

第７の発明は、第１〜第６のいずれか１つの発明に係る直線駆動装置を少なくとも１つ有し、前記磁気ギャップの大きさが互いに異なる複数の加工モードを持つことを特徴とする、工作機械を提供する。

本願発明によれば、リニアモータにおいてコイルと磁石との間の磁気ギャップの大きさを意図的に変更することができ、リニアモータの推力とコギングとをバランスさせた多用途の直線駆動装置が提供される。

磁気ギャップ変更機構としてアクチュエータを使用することにより、磁気ギャップを自動で容易に変更することができる。

一般的に磁石はコイルよりも推進方向に長い寸法（コイル長さ＋ストローク長さ）を有するので、コイルのみを変位させる方が容易に磁気ギャップを変更できる。

一対のリニアモータを磁気ギャップ方向に対向させて配置し、双方の磁気ギャップを等しくすることにより、磁気ギャップ方向の磁気吸引力が相殺され、コギングが大幅に減少する。

一対のリニアモータの磁気ギャップを同時に同じ変位量で変更することにより、片側ずつ磁気ギャップを変えた場合に発生し得る大きなアンバランス力を最小にすることができる。

スライド軸受に静圧空気軸受を使用することにより、剛性が小さいためにコギングの影響を受けやすい一方で発熱量が少ないという空気静圧軸受の特徴を最大限に生かすことができる。

本発明に係る直線駆動装置を含むとともに、磁気ギャップを変更した複数の運転モードを搭載した工作機械により、効率重視の高速加工と、精度重視の高精度加工とを好適に使い分けることができる。

本発明の第１の実施形態に係るリニアモータを搭載した直線駆動装置の概略構成を、該リニアモータの進行方向にみた図である。 図１の直線駆動装置において、磁気ギャップを変更した状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るリニアモータを搭載した直線駆動装置の概略構成を、該リニアモータの進行方向にみた図である。 本発明に係る直線駆動装置を、超精密加工機に適用した構成例を示す図である。 従来技術に係るリニアモータの構造を模式的に示す図である。 従来技術に係るリニアモータを搭載した直線駆動装置の概略構成を、該リニアモータの進行方向にみた図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るリニアモータを搭載した直線駆動装置２０の概略構成を、該リニアモータの進行方向にみた図である。直線駆動装置２０は、コイル鉄心に３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線を巻いてなるコイル２２が固定されたスライド２４（可動部）と、磁石２６を磁石鉄心２８上に配置してなる固定子３０が固定されたベース３２（固定部）とを有し、コイル２２及び固定子３０がリニアモータの主要部を構成する。スライド２４は、スライド軸受３４を介してベース３２に支持され、リニアモータの推力方向にのみ移動可能な構造となっている。スライド軸受３４としては、転がり軸受、静圧油軸受、静圧空気軸受等が使用可能であるが、後述するように静圧空気軸受が最も好ましい。

なおコイル（移動子）２２及び固定子３０自体の構成については図５に示した従来のものと同様でよいので、詳細な説明は省略する。また実際にリニアモータを駆動するためには、サーボアンプ、ＮＣ装置及びリニアスケール等が使用されるが、ここでは図示を省略する。

図１及び図２に示すように、直線駆動装置２０は、コイル２２及び磁石２６の少なくとも一方（図示例ではコイル２２）を、コイル２２及び磁石２６が互いに接離するように変位させることにより、コイル２２と磁石２６との間の磁気ギャップの大きさを変更する（例えば図１に示すギャップｇ１から図２に示すギャップｇ２に、或いはその逆）ように構成された磁気ギャップ変更機構（図示例ではエアシリンダ）３６を有する。エアシリンダ３６は、その一端（上端）がスライド２４（図示例ではスライド２４に形成された凹部３７の上面）に固定され、他端（下端）がコイル２２に固定されており、エアシリンダ３６の駆動力により、スライド２４に対するコイル２２の位置をギャップ方向（図示例では上下方向）に変更することができる。

スライド２４（の凹部３７の内面）とコイル２２との間には、コイルの移動方向を磁気ギャップ方向に限定するための、すべり軸受等のコイル軸受３８が設けられることが好ましい。但し、エアシリンダ３６が十分な剛性を持つ軸受を内蔵するタイプであれば、コイル軸受３８を設けず、エアシリンダ３６だけでコイル２２を支持してもよい。或いは、複数のエアシリンダでコイルを支持してもよい。通常、磁石２６がコイル２２の鉄心を引き付ける磁気吸引力は数１００Ｎに達することがあるので、磁気ギャップを変更しかつその状態を維持するためには、エアシリンダ３６は磁気吸引力以上の駆動力を発生できるものを選定することが好ましい。またリニアモータの駆動中にコイル２２が僅かでも動くと制御性が悪化するので、エアシリンダ３６及びコイル軸受３８は、コイル２２の位置を保持できる十分な剛性を備えたものであることが望ましい。

図１は、エアシリンダ３６が伸びた状態、すなわちコイル２２が第１の位置にあり、磁気ギャップｇ１の大きさが比較的小さい状態を示しているのに対し、図２は、エアシリンダ３６が縮んだ状態、すなわちコイル２２が第２の位置にあり、磁気ギャップｇ２の大きさがｇ１より大きい状態を示している。磁気ギャップが大きくなると、コイル２２が磁石２６から離れることによって磁束密度が低下するので、コイル２２に同じ電流を流しても、発生するリニアモータの推力は小さくなる。さらに、磁束密度が小さくなることで、コイル２２の鉄心に作用する磁気吸引力も小さくなる。磁気吸引力そのものが小さくなると、スライド２４の位置による磁気吸引力の変動（＝コギング）も、磁気吸引力の低下と同程度の割合で小さくなる。コギングが小さくなることでスライドが推力方向に移動したときの直進性（＝真直度）が改善する。

つまり、図２の状態では、比較的大きい磁気ギャップｇ２によってリニアモータの推力が低下する一方で、スライド２４の真直度が改善する効果がある。従って磁気ギャップを大きくすることは、仕上げ加工等の、高負荷ではないが精密な位置決めが必要な加工（超精密加工）に直線駆動装置２０を使用する場合に適している。逆に、図１のように、磁気ギャップｇ１の大きさが比較的小さい場合は、推力が増大する一方で、スライド２４の真直度は低下することになる。従って磁気ギャップを小さくすることは、粗加工等の、高精度は要求されないが負荷の高い加工に直線駆動装置２０を使用する場合に適している。なお実用的な磁気ギャップは０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲であり、例えばｇ１＝０．５ｍｍかつｇ２＝５ｍｍの場合、両者間では推力やコギングが５倍程度変化する。

第１の実施形態では、磁気ギャップを変更するための磁気ギャップ変更機構としてエアシリンダを説明したが、磁気ギャップ変更機構はエアシリンダのように空気圧を利用するアクチュエータに限られず、双方向ソレノイド若しくは圧電素子のような電気を利用するもの、又は油圧シリンダのような液圧を利用するアクチュエータも使用可能である。いずれのアクチュエータも、コイル２２を磁石２６に対して、磁気ギャップの大きさが比較的小さい第１の値（ｇ１）となる第１の位置（図１）と、磁気ギャップが第１の値より大きい第２の値（ｇ２）となる第２の位置（図２）の少なくとも２つの位置に位置決め・保持することができる。また油圧シリンダを使用する場合は、該油圧シリンダの油圧調整により、磁石２６に対するコイル２２の位置を、第１の位置と第２の位置との間の位置に位置決め・保持することもできる。さらに、エアシリンダやソレノイドを使用する場合であっても、ストロークの異なる２つのエアシリンダやソレノイドを使用することにより、やはり磁石２６に対するコイル２２の位置を第１の位置と第２の位置との間の位置に位置決め・保持することもできる。

また本発明では、磁気ギャップ変更機構としてアクチュエータを使用せず、手動で磁気ギャップの変更を行うこともできる。すなわち、磁石２６に対してコイル２２を磁気ギャップ方向に変位可能に構成し、さらに、コイル２２及びスライド２４（の凹部３７）に、コイル２２の位置を手動で変更し位置決めできるような機構（ストッパやボルト等）を設けておけば、エアシリンダ３６のようなアクチュエータを使用しなくても磁気ギャップの変更を行うことができる。なお、磁気ギャップ変更機構としてアクチュエータを使用できる点や、アクチュエータを使用せずに作業者が手動で磁気ギャップを変更できる点は、以降の実施形態についても同様に適用可能である。

一般的に、リニアモータを構成する磁石は、リニアモータの推進方向についてコイルよりも長い寸法（コイル長さ＋ストローク長さ）を有するので、磁気ギャップを変える場合は、第１の実施形態のように、コイルのみを変位させることが好ましい。また、リニアモータの駆動中にコイルが僅かでも動くとリニアモータの制御性が悪くなる一方、小型のリニアモータでも磁気吸引力は数１００Ｎに達することがあるので、確実にコイルが位置決め・保持されることが要求される。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るリニアモータを搭載した直線駆動装置４０の概略構成を、該リニアモータの進行方向にみた図である。直線駆動装置４０は、コイル鉄心に３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線を巻いてなる少なくとも一対（図示例では一対）のコイル４２ａ及び４２ｂが固定されたスライド４４（可動部）と、磁石４６ａ及び４６ｂをそれぞれ磁石鉄心４８ａ及び４８ｂ上に配置してなる少なくとも一対（図示例では一対）の固定子５０ａ及び５０ｂが固定されたベース５２（固定部）とを有し、コイル４２ａ及び４２ｂ並びに固定子５０ａ及び５０ｂがリニアモータの主要部を構成する。スライド４４は、スライド軸受５４を介してベース５２に支持され、リニアモータの推力方向にのみ移動可能な構造となっている。スライド軸受５４としては、転がり軸受、静圧油軸受、静圧空気軸受等が使用可能であるが、後述するように静圧空気軸受が最も好ましい。

第２の実施形態では、一対のコイル４２ａ及び４２ｂは、リニアモータの推進方向に垂直な方向、すなわちコイルと磁石との間に形成される磁気ギャップの方向（図示例では左右方向）に対向するように配置され、一対の磁石４６ａ及び４６ｂは、対応するコイルとの間にそれぞれ磁気ギャップｇ３及びｇ４を形成するように配置される。なおコイル（移動子）及び固定子の各々の構成については図５に示した従来のものと同様でよいので、詳細な説明は省略する。また実際にリニアモータを駆動するためには、サーボアンプ、ＮＣ装置及びリニアスケール等が使用されるが、ここでは図示を省略する。

図３に示すように、直線駆動装置４０は、コイル４２ａ及び磁石４６ａの少なくとも一方（図示例ではコイル４２ａ）を、コイル４２ａ及び磁石４６ａが互いに接離するように変位させることにより、コイル４２ａと磁石４６ａとの間の磁気ギャップｇ３の大きさを変更する変更すように構成された磁気ギャップ変更機構（図示例ではエアシリンダ）５６ａを有し、同様に、コイル４２ｂ及び磁石４６ｂの少なくとも一方（図示例ではコイル４２ｂ）を、コイル４２ｂ及び磁石４６ｂが互いに接離するように変位させることにより、コイル４２ｂと磁石４６ｂとの間の磁気ギャップｇ３の大きさを変更するように構成された磁気ギャップ変更機構（図示例ではエアシリンダ）５６ｂを有する。

エアシリンダ５６ａは、その一端（上端）がスライド４４（図示例ではスライド４４内に形成された凹部５７ａの内側面）に固定され、他端（下端）がコイル４２ａに固定されており、エアシリンダ５６ａの駆動力により、スライド４４に対するコイル４２ａの位置をギャップ方向（図示例では左右方向）に変更することができる。同様に、エアシリンダ５６ｂは、その一端（上端）がスライド４４（図示例ではスライド４４内に形成された凹部５７ｂの内側面）に固定され、他端（下端）がコイル４２ｂに固定されており、エアシリンダ５６ｂの駆動力により、スライド４４に対するコイル４２ｂの位置をギャップ方向（図示例では左右方向）に変更することができる。

スライド４４（の凹部５７ａの内面）とコイル４２ａとの間には、コイルの移動方向を磁気ギャップ方向に限定するための、すべり軸受等のコイル軸受５８ａが設けられることが好ましい。但し、エアシリンダ５６ａが十分な剛性を持つ軸受を内蔵するタイプであれば、コイル軸受５８ａを設けず、エアシリンダ５６ａだけでコイル４２ａを支持してもよい。或いは、複数のエアシリンダでコイルを支持してもよい。同様に、スライド４４（の凹部５７ｂの内面）とコイル４２ｂとの間には、コイルの移動方向を磁気ギャップ方向に限定するための、すべり軸受等のコイル軸受５８ｂが設けられることが好ましい。但し、エアシリンダ５６ｂが十分な剛性を持つ軸受を内蔵するタイプであれば、コイル軸受５８ｂを設けず、エアシリンダ５６ｂだけでコイル４２ｂを支持してもよい。或いは、複数のエアシリンダでコイルを支持してもよい。

通常、磁石４６ａ及び４６ｂがそれぞれコイル４２ａ及び４２ｂの鉄心を引き付ける磁気吸引力は数１００Ｎに達することがあるので、磁気ギャップを変えるためには、エアシリンダ５６ａ及び５６ｂは磁気吸引力以上の駆動力を発生する必要がある。またリニアモータの駆動中にコイル４２ａ及び４２ｂが僅かでも動くと制御性が悪化するので、エアシリンダ５６ａ及び５６ｂ並びにコイル軸受５８ａ及び５８ｂは、それぞれコイル４２ａ及び４２ｂの位置を保持できる十分な剛性を備えたものであることが望ましい。

図３に示すように、一対のコイル４２ａ及び４２ｂは、スライド４４の内側に、リニアモータの推進方向に垂直な面において左右対称に配置し、それぞれのコイルに対向するベース５２の面に固定子５０ａ及び５０ｂ（磁石４６ａ及び４６ｂ）をそれぞれ配置することが好ましい。このような配置により、コイル４２ａ及び４２ｂに作用する磁石の磁気吸引力は原理的には相殺されるので、コギングによるスライド４４の真直度の低下を大きく抑制することができる。実際には、磁石の着磁むら、寸法誤差及び位置決め誤差等により、磁気吸引力が完全に左右対称にはならないので、コイルを対称構造にしてもコギングがゼロになることはないが、コギングの影響は実用的に問題とならない程度に低減される。特に、スライド軸受５４の剛性が低い場合には、コギングの影響が顕著に改善する。

エアシリンダ５６ａ及び５６ｂの各々には、２系統の配管が接続されており、各エアシリンダは、系統１の配管６０に圧力が加わると各エアシリンダが縮む（磁気ギャップが広がる）方向に変位し、系統２の配管６２に圧力がかかると各エアシリンダが伸びる（磁気ギャップが狭まる）方向に変位するように構成されている。どちらの系統に圧力をかけるかは、配管６０及び６２が接続されるとともに、エアコンプレッサ等の圧力源６４に接続された電磁弁６６（制御機器）を用いて択一的に切り替えることができる。このような構成にすると、２つのエアシリンダに同じ空気圧を同時に供給することができるので、磁気ギャップｇ３及びｇ４を、同時に同じ変位量で変更することができる。

このように双方の磁気ギャップを同時に変更する利点は、スライド４４にアンバランスな力が加わらない点にある。前述のように磁気吸引力は数１００Ｎ程度あるので、磁気ギャップを片側ずつ変えると、大きなアンバランス力がスライドに加わり、特にスライド軸受５４に静圧空気軸受を使用した場合は、該軸受の軸と軸受面とが接触して損傷する危険性がある。同時に両側の磁気ギャップを変えることで、このようなアンバランス力を最小にすることができる。なお図３の矢印６８は、コギングによるスライド４４の真直度の誤差方向を示している。

本発明は、上述のスライド軸受３４又は５４が、静圧空気軸受である場合に特に有利である。一般に空気軸受は、数μｍのギャップに高圧の空気を流すことにより、非接触で対象物を支持する軸受であり、軸受の摩擦がほぼゼロであり高精度な駆動に適しておりかつ、高速駆動時も発熱がほぼゼロであるという利点があるため、超精密加工機等で使用されることが多い。しかし静圧空気軸受は、転がり軸受や静圧油軸受と比較すると、剛性を表す数値が概ね１桁小さく、コギングの影響を受けやすいという欠点がある。故に従来は、空気軸受は磁気ギャップが比較的大きいリニアモータとの組み合わせで、高精度な真直度を維持したうえで、使用されていた。しかし前述のように、磁気ギャップを大きくすると推力が減少するため、高負荷での駆動には向かず、仮に大電流を流して大きな推力を得ようとすれば、大きな発熱を生じる効率の悪いリニアモータとなっていた。

精密な位置決め駆動を行う必要がある超精密加工機等では、ナノメートル単位の精度で駆動を行う必要がある一方で、発熱による熱膨張は容易に数マイクロメートルの誤差となるので、発熱を抑えることは特に重要である。一旦発熱が生じると、熱容量の大きい工作機械は元の精度（機械温度）に戻るまでに時間がかかる。また、冷却機構を内蔵しても熱の発生源と被冷却部とを同じ場所にすることは困難なので、温度分布が生じることは避けられない。また、熱膨張のない材料を使用することも考えられるが、そのような材料は高価であり、機械全体に適用するのは現実的ではない。このような事情から、精度を維持するためには、可能な限り発熱を生じない駆動機構が必要となる。

そこで本発明は、磁気ギャップ可変のリニアモータを使用し、高負荷駆動時は磁気ギャップの大きさを小さくして発熱量を抑え、低負荷駆動時は磁気ギャップの大きさを大きくして精密な駆動を行う、という複数の運転方式（モード）の切り替えを可能とする直線駆動装置を提供する。本発明によれば、粗加工モード等の高負荷運転時には、磁気ギャップを小さくして高速・高効率を優先して発熱量を抑えることができる一方、仕上げ加工モード等の低負荷運転時には、磁気ギャップを大きくして精度を優先し、静圧空気軸受の欠点を補いその長所を最大限に生かすことができる。

図４は、本発明に係る直線駆動装置を含む工作機械として、超精密加工機７０の一構成例を示している。超精密加工機７０は、互いに直交する３つの直動軸（Ｘ軸７２、Ｙ軸７４及びＺ軸７６）を有し、３つの直動軸の少なくとも１つが、図１又は図３に示したような、磁気ギャップを可変とするアクチュエータを有するリニアモータを備えている。

図４の例では、機械ベース７８上に、Ｘ軸７２を構成するＸ軸ベース７２ａ及びＸ軸ベース７２ａ上を紙面に垂直な方向にスライド可能なＸ軸スライド７２ｂが設けられ、Ｘ軸スライド７２ｂ上には、加工対象であるワーク８０が載置される。また機械ベース７８上に、Ｙ軸７２を構成するＹ軸ベース７４ａ及びＹ軸ベース７４ａ上をスライド可能なＹ軸スライド７４ｂが設けられ、Ｘ軸スライド７２ｂとＹ軸スライド７４ｂのスライド方向は略水平面内で互いに直交している。

さらに、Ｙ軸スライド７２ｂには、Ｚ軸７６を構成するＺ軸ベース７６ａが、Ｘ軸７２及びＹ軸７４の双方に垂直（図示例では略鉛直方向）に延びるように設けられ、Ｚ軸スライド７６ｂが、Ｚ軸ベース７６ａ上を略鉛直方向にスライド可能に設けられる。Ｚ軸スライド７６ｂには、ワーク８０を加工するための工具８２を備えた主軸８４が取り付けられる。

工作機械７０は、各直動軸を同時に制御可能なＮＣ装置を内蔵した制御装置８６を有し、オペレータは、制御装置８６に設けられた表示・操作パネル８８を用いて工作機械を操作し、ワーク８０に対して所定の加工を行うことができる。制御装置８６は、コイルと磁石が近接した磁気ギャップ（ｇ１）で行われる第１の運転モード（例えば粗加工モード）と、第１の運転モードより大きい磁気ギャップ（ｇ２）で行われる第２の運転モード（例えば仕上げ加工モード）とを搭載し、オペレータが操作パネル８８から各モードを選択することにより、選択されたモードに対応した磁気ギャップが自動的に設定される。なお複数の直動軸が磁気キャップ変更機能（アクチュエータ）を具備している場合は、直動軸ごとに個別にモードを選択することができ、例えば、Ｘ軸を粗加工モード、Ｙ軸及びＺ軸を仕上げ加工モードとして運転することもできる。

なお機械ベース７８は、床面に配置されたエアダンパ９０の上に載せてもよく、これにより床振動の影響を除去することができる。但し、一般にエアダンパは、その上の機械が高速動作するとその反動で大きく揺れるので、精度を重視しない粗加工モードでは、エアダンパ９０への空気供給を遮断して、工作機械７０の揺れを抑制してもよい。

従来、空気軸受と従来のリニアモータを組み合わせた直線駆動装置を搭載した超精密加工機では、高負荷での駆動に向かないため、仕上げ加工の用途でしか用いることができなかった。これに対し、図４に記載されるような超精密加工機では、高負荷の粗加工モードでは高速・高能率を優先した加工を行い、その後、精度を優先した仕上げ加工モードで従来の超精密加工機と同じ精度の加工を行うことができる。このように、加工に合わせた使用方法が選択できることで、加工時間の大幅な短縮や加工コストの削減が実現される。

また、転がり軸受や静圧油軸受と従来のリニアモータを組み合わせた超精密加工機では、軸受の駆動抵抗が発熱の原因となるので、高速加工を行うと発熱の影響が無視できない。そこで本発明に係るリニアモータを、空気静圧軸受という発熱の少ない軸受と組合せて使用することで、粗加工から仕上げ加工まで最小の発熱で加工できるという非常に大きなメリットが得られる。また、剛性が低いという空気軸受の短所についても、加工モードを適宜切り替えることで、加工精度への影響を最小にすることができる。

このように工作機械では、加工によって必要とされる速度と精度が大きく異なるので、粗加工と仕上げ加工とで磁気ギャップの大きさを変えることで、高速・高能率加工と高精度加工を使い分けることができる。また、粗加工モード及び仕上げ加工モードだけでなく、その中間的な磁気ギャップのモードや特定の軸だけ磁気ギャップを変えるモード（例えば、１軸のみ高速駆動するモード）を設定してもよい。

２０、４０ 直線駆動装置
２２、４２ａ、４２ｂ コイル
２４、４４ スライド
２６、４６ａ、４６ｂ 磁石
３０、５０ａ、５０ｂ 固定子
３４、５４ スライド軸受
３６、５６ａ、５６ｂ アクチュエータ
３８、５８ａ、５８ｂ コイル軸受
６４ 圧力源
６６ 電磁弁
７０ 工作機械
７２、７４、７６ 直動軸
８０ ワーク
８２ 工具
８４ 主軸
８６ 制御装置
８８ 操作パネル
９０ エアダンパ

Claims (6)

1. コイル鉄心を有するコイル及び磁石を備えたリニアモータを具備し、固定部に対して可動部が軸受を介して直線的に移動可能となっている直線駆動装置を有する工作機械において、
   前記コイルを、前記コイル及び前記磁石が互いに接離するように変位させることにより、前記コイルと前記磁石との間に形成される磁気ギャップの大きさを変更する磁気ギャップ変更機構を有し、
   前記コイルは、該コイルの移動方向を磁気ギャップ方向に限定するコイル軸受を有し、
   前記磁気ギャップの大きさが互いに異なる複数の加工モードを持ち、前記複数の加工モードは、粗加工モードと、前記粗加工モードより大きい磁気ギャップで行われる仕上げ加工モードとを含むことを特徴とする、工作機械。
2. 前記磁気ギャップ変更機構は、電気、空気圧又は油圧で駆動するアクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 前記磁気ギャップ変更機構は、前記コイルを前記磁石に対して、前記磁気ギャップが第１の値となる第１の位置と、前記磁気ギャップが前記第１の値より大きい第２の値となる第２の位置と、前記第１の位置と前記第２の位置との間の位置に位置決めし保持するように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の工作機械。
4. 一対のリニアモータが、前記磁気ギャップの方向に互いに対向して配置され、前記一対のリニアモータの磁気ギャップは互いに等しいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械。
5. 前記一対のリニアモータにおいて、前記コイル、前記磁石及び前記アクチュエータが対称構造であり、前記アクチュエータは磁気ギャップを同時に同じ変位量で変更できるように構成されることを特徴とする、請求項２に従属するときの請求項４に記載の工作機械。
6. 前記軸受が静圧空気軸受であることを特徴する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の工作機械。

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