工作機械用アタッチメント
【課題】工作機械を用いたワークの微細加工を高精度に実現可能な工作機械用アタッチメントの提供。
【解決手段】工作機械に着脱可能に取り付けられる工作機械用アタッチメント６に、微細加工用工具５をワークに対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に微動させる各微動駆動機構６１，６２，６３を設けた。そして、Ｚ微動駆動機構６３により、微細加工用工具５を±Ｚ方向へ往復微動させつつワークの微細加工を実施する。このため、微細加工用工具５を±Ｚ方向に往復微動させることでワークを微細加工するので、微細加工用工具５をＺ方向に粗動させてワークを微細加工する構成と比べてイナーシャを小さくすることができ、ワークの微細加工を高精度に実現できる。
【解決手段】工作機械に着脱可能に取り付けられる工作機械用アタッチメント６に、微細加工用工具５をワークに対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に微動させる各微動駆動機構６１，６２，６３を設けた。そして、Ｚ微動駆動機構６３により、微細加工用工具５を±Ｚ方向へ往復微動させつつワークの微細加工を実施する。このため、微細加工用工具５を±Ｚ方向に往復微動させることでワークを微細加工するので、微細加工用工具５をＺ方向に粗動させてワークを微細加工する構成と比べてイナーシャを小さくすることができ、ワークの微細加工を高精度に実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークを加工する工作機械に取り付けられる工作機械用アタッチメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大型のワークを加工する機械として、いわゆるマシニングセンタと呼ばれる工作機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載のものは、門型のコラムに両端が支持されたクロスレールを備えている。このクロスレールには、その長手方向（Ｙ方向）に沿って移動可能に支持されたサドルを介して、ラムがＺ方向に移動可能に設けられている。このラムには、主軸を介して工具が装着される。また、ラムの下方には、ワークが設置されるテーブルがＸ方向に移動可能に設けられている。
そして、テーブル、サドル、ラムをＸ，Ｙ，Ｚ方向に適宜移動させつつ、ワークを加工する構成が採られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような特許文献１のような大型のワークを加工する構成では、取り付けられる主軸や工具が限定されてしまうため、微細な孔あけ加工などを実施するのが困難である。すなわち、微細な加工を実現するために工具をＺ方向に移動させる際の速度を最も低く設定しても、イナーシャの影響により微細な加工を高精度に実現できないおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、このような実情などに鑑みて、工作機械を用いたワークの微細加工を高精度に実現可能な工作機械用アタッチメントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の工作機械用アタッチメントは、ワークを大型加工する大型加工用工具を前記ワークに対して相対的に粗動させる粗動駆動部を備えた工作機械に取り付けられる工作機械用アタッチメントであって、前記ワークを微細加工する微細加工用工具が取り付けられる微細加工用工具取付部と、この微細加工用工具取付部を前記ワークに対して相対的に微動させる微動駆動部と、この微動駆動部に設けられ前記粗動駆動部に着脱可能に取り付けられるアタッチメント側取付部と、を備え、前記微動駆動部は、前記微細加工用工具取付部を前記ワークに対して接離するＺ方向へ微動させるＺ微動駆動機構と、前記Ｚ方向と直交するＹ方向へ微動させるＹ微動駆動機構と、前記Ｚ方向および前記Ｙ方向と直交するＸ方向へ微動させるＸ微動駆動機構と、を備え、前記Ｚ微動駆動機構は、前記Ｚ方向へ往復駆動して前記微細加工用工具取付部を微動させることを特徴とする。
【０００７】
ここで、微細加工としては、マイクロメートル単位、ナノメール単位での孔あけ加工、切削加工などが例示できる。また、微細加工用工具としては、微細加工用や超音波切削用あるいは測定用のスピンドル、レーザ加工用のレーザヘッド、微粉末を除去するノズルなどが例示できる。
さらに、微動とは、マイクロメートル単位、ナノメール単位、ピコメートル単位で相対移動させることを意味する。そして、粗動とは、ミリメートル単位で相対移動させることを意味する。
また、相対的な粗動の方向としては、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のうち少なくともいずれか１つの方向が例示できる。そして、微動の方向と、粗動の方向とは、一致していてもよいし、一致していなくてもよいし、さらには、直交していてもよいし、直交していなくてもよい。
さらに、微細加工用工具で微細加工されるワークは、一般的に微細加工の対象として認識されている半導体や精密機械などの大きくても数ミリメートルのワークや、車両用、建築用、大型装置用などの小さくてもセンチメートル単位のワークなどが例示できる。
【０００８】
この発明によれば、Ｚ微動駆動機構により、微細加工用工具をＺ方向に微動させかつ往復（以下、往復微動と称す）させることでワークを微細加工するので、微細加工用工具をＺ方向に粗動させてワークを微細加工する構成と比べてイナーシャが小さくなり、ワークの微細加工を高精度に実現できる。
さらに、工作機械に、大型加工用工具または工作機械用アタッチメントを選択的に取り付けることができるので、加工形状に応じてワークを高精度に加工できる。そして、従来ある工作機械に工作機械用アタッチメントを取り付けることができ、工作機械用アタッチメントの利用拡大を容易に図ることができる。
【０００９】
本発明の工作機械用アタッチメントでは、前記Ｚ微動駆動機構は、前記Ｚ方向へ往復可能なＺ移動子と、このＺ移動子に固定された磁性体と、前記Ｚ移動子および前記磁性体を覆い、通電により前記Ｚ移動子および前記磁性体を前記Ｚ方向へ往復させる力を発生させるコイルと、を備えた構成が好ましい。
この発明によれば、コイルへの通電状態によりＺ移動子が微動する単位を調節することができ、目的に応じた高精度な微細加工を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［第１実施形態］
以下に、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
〔工作機械の構成〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る工作機械の概略構成を示す斜視図、図２は、工作機械用アタッチメントの概略構成を示す側面図、図３は、工作機械用アタッチメントの概略構成を示す斜視図、図４は、コントローラの概略構成を示すブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、工作機械１は、いわゆる門型のマシニングセンタであり、半導体や精密機械などの大きくても数ミリメートルのワークＷや、車両用、建築用、大型装置用などの小さくてもセンチメートル単位の複数のワークＷを微細加工することで、微細加工物を製造する。また、ワークＷを大型加工する。
この工作機械１は、ワークＷを大型加工する大型加工用工具２と、この大型加工用工具２をワークＷに対して相対的に粗動させる粗動駆動部３と、この粗動駆動部３に着脱可能に取り付けられる主軸４と、ワークＷを微細加工する微細加工用工具５と、この微細加工用工具５が取り付けられるとともに主軸４に着脱可能に取り付けられる工作機械用アタッチメント６と、粗動駆動部３で着脱可能に保持される主軸４、この主軸４で着脱可能に保持される大型加工用工具２および工作機械用アタッチメント６とを交換する保持交換部７と、工作機械１全体を制御するコントローラ８（図４参照）と、を備えている。
【００１３】
大型加工用工具２は、例えばミリメートル単位での孔あけ加工を実施するスピンドルであり、粗動駆動部３により着脱可能に保持される。この大型加工用工具２には、粗動駆動部３で保持されるための構成である、例えば略円錐台形状のテーパシャンク部２１と、このテーパシャンク部２１の先端に設けられた略棒状のプルスタッド２２と、テーパシャンク部２１の基端に設けられた大型工具位置決め突部（不図示）と、が設けられている。また、大型加工用工具２には、この大型加工用工具２を駆動する大型加工駆動機構２４（図４参照）が設けられている。この大型加工駆動機構２４は、大型加工用工具２が粗動駆動部３で保持された際に、図４の二点鎖線で示すようにコントローラ８に電気的に接続され、このコントローラ８の制御により駆動する。
【００１４】
粗動駆動部３は、水平面内の一方向であるＸ方向に沿ったＸ駆動軸を有するＸ粗動駆動機構３１と、水平面内でＸ方向に直交する方向であるＹ方向に沿ったＹ駆動軸を有するＹ粗動駆動機構３２と、Ｘ方向およびＹ方向に直交するＺ方向に沿ったＺ駆動軸を有するＺ粗動駆動機構３３と、を備えている。
【００１５】
なお、このように各粗動駆動機構３１，３２，３３の駆動軸方向によって規定される座標系をマシン座標系とする。以後の説明では、必要に応じて、このマシン座標系に従って方向を説明する。
【００１６】
Ｘ粗動駆動機構３１は、Ｘ方向に沿ったＸ駆動ガイド軸３１１と、このＸ駆動ガイド軸３１１によってＸ方向へスライド移動可能にガイドされるとともにワークＷが載置されるワーク載置部としてのテーブル面３１３を上面に有するＸスライダ３１２と、を備えている。
【００１７】
Ｙ粗動駆動機構３２は、Ｘ粗動駆動機構３１を間にしてＹ方向に沿った両側から立設された二本のコラム３２１と、Ｘスライダ３１２から所定の高さをもつとともにＹ方向に沿ってコラム３２１に架設されたＹ駆動ガイド軸３２２と、Ｙ駆動ガイド軸３２２に沿ってスライド移動可能にガイドされたＹスライダ３２３と、を備えている。
【００１８】
Ｚ粗動駆動機構３３は、筒軸をＺ方向に有する筒状に形成されたＹスライダ３２３の内周においてＺ方向に沿って設けられたＺ駆動ガイド軸３３１と、Ｙスライダ３２３からＸスライダ３１２に載置されたワークＷに向けてＺ駆動ガイド軸３３１に沿ってスライド可能にガイドされたＺスライダ３３２と、を備えている。
【００１９】
各粗動駆動機構３１，３２，３３は、それぞれ独立して動力源（不図示）および動力源の動力をスライダに伝達する動力伝達機構（不図示）を備えている。この駆動源は、コントローラ８により制御される。そして、動力伝達機構によって駆動源の動力が各スライダ３１２，３２３，３３２に向けて伝達されて、各スライダ３１２，３２３，３３２が移動する。なお、動力源としてはリニアモータや回転子を有するモータなどの種々のモータを利用することができる。また、動力伝達機構としては、リニアモータの摺動子をスライダ３１２，３２３，３３２に取り付けた構成や、回転子に接続されたボールねじにスライダ３１２，３２３，３３２を螺合させた構成が例として挙げられる。
【００２０】
主軸４は、Ｚスライダ３３２の下端側に着脱可能な首振り主軸４１および普通主軸４２から構成されている。
首振り主軸４１は、主軸基端部４１１と、主軸先端部４１２と、主軸先端部４１２を主軸基端部４１１に対してＹＺ平面上で揺動可能に支持する首振り軸４１３と、を備えている。また、普通主軸４２は、主軸本体４２１を備えている。
【００２１】
首振り主軸４１における主軸基端部４１１の上端および普通主軸４２における主軸本体４２１の上端と、Ｚスライダ３３２の下端とには、これらを着脱可能にする着脱機構（不図示）が設けられている。この着脱機構としては、クランプ機構、ドローバなどを適用できる。
また、首振り主軸４１の主軸先端部４１２の下端には、図２に示すように、大型加工用工具２や工作機械用アタッチメント６を着脱可能に保持する工具取付部４１５が設けられている。この工具取付部４１５は、いわゆるクランプ機構により構成され、主軸先端部４１２の上端に向かうにしたがって縮径する略円錐状に形成されたテーパ孔４１５Ａと、このテーパ孔４１５Ａの上端側に設けられ大型加工用工具２や工作機械用アタッチメント６を着脱可能に把持するコレクトチャック４１５Ｂと、主軸先端部４１２の下端面におけるテーパ孔４１５Ａの一縁に設けられた位置決め溝部４１５Ｃと、を備えている。この工具取付部４１５は、普通主軸４２の主軸本体４２１の下端にも設けられている。
なお、工具取付部４１５で大型加工用工具２や工作機械用アタッチメント６を保持する動作については、後述する。
【００２２】
微細加工用工具５は、例えばナノメートル単位での孔あけ加工を実施するスピンドルであり、工作機械用アタッチメント６により着脱可能に保持される。この微細加工用工具５には、図２に示すように、工作機械用アタッチメント６で保持されるための構成である、テーパシャンク部５１と、プルスタッド５２と、位置決め突部（不図示）と、が設けられている。また、微細加工用工具５には、この微細加工用工具５を駆動する微細加工駆動機構５４（図４参照）が設けられている。この微細加工駆動機構５４は、工作機械用アタッチメント６が主軸４で保持された際に、図４の実線で示すようにコントローラ８に電気的に接続され、このコントローラ８の制御により駆動する。
【００２３】
工作機械用アタッチメント６は、主軸４で保持された際に、図４の実線で示すように電気的にコントローラ８に接続される。この工作機械用アタッチメント６は、図２および図３に示すように、Ｘ微動駆動機構６１と、Ｙ微動駆動機構６２と、Ｚ微動駆動機構６３と、Ｘ微動原点センサ６４（図４参照）と、Ｙ微動原点センサ（図４参照）と、Ｚ微動原点センサ６６（図４参照）と、を備えている。なお、各微動駆動機構６１，６２，６３は、本発明の微動駆動部を構成している。
【００２４】
Ｘ微動駆動機構６１は、微細加工用工具５をＸ方向に例えばナノメートル単位で微動させる。このＸ微動駆動機構６１は、主軸４の工具取付部４１５により保持される連結テーブル６１１と、この連結テーブル６１１と対向する状態で設けられるＸテーブル６１２と、連結テーブル６１１におけるＸテーブル６１２と対向する面に設けられた一対のＸガイドレール６１３と、これら一対のＸガイドレール６１３に摺動可能に設けられるとともにＸテーブル６１２に固定されたＸ摺接保持部６１４と、Ｘテーブル６１２を連結テーブル６１１に対してＸ方向に移動させるＸリニアモータ６１５と、を備えている。
【００２５】
連結テーブル６１１は、工具取付部４１５で保持されるための構成として、大型加工用工具２と同一のものを備えている。すなわち、連結テーブル６１１は、テーパシャンク部６１１Ａと、プルスタッド６１１Ｂと、アタッチメント位置決め突部６１１Ｃと、を有するアタッチメント側取付部６１１Ｄを備えている。
【００２６】
Ｘガイドレール６１３は、断面略Ｔ字状に形成されている。また、Ｘ摺接保持部６１４は、Ｘガイドレール６１３に対応する断面略Ｔ字状の溝部を有し、直列状に設けられた２個ずつの部材により構成されている。
Ｘリニアモータ６１５は、連結テーブル６１１における一対のＸガイドレール６１３の間にＸ方向に沿って設けられたＸ固定子６１５Ａと、このＸ固定子６１５Ａに対して隙間を隔ててＸテーブル６１２に設けられたＸ可動子６１５Ｂと、を備えている。
【００２７】
Ｙ微動駆動機構６２は、微細加工用工具５をＹ方向に例えばナノメートル単位で微動させる。このＹ微動駆動機構６２は、Ｘテーブル６１２と対向する状態で設けられるＹテーブル６２１と、このＸテーブル６１２におけるＹテーブル６２１と対向する面に設けられた一対のＹガイドレール６２２と、これら一対のＹガイドレール６２２に摺動可能に設けられるとともにＹテーブル６２１に固定されたＹ摺接保持部６２３と、Ｙテーブル６２１をＸテーブル６１２に対してＹ方向に移動させるＹリニアモータ６２４と、を備えている。
【００２８】
Ｙガイドレール６２２およびＹ摺接保持部６２３は、Ｘガイドレール６１３およびＸ摺接保持部６１４と同様の構成を有している。
Ｙリニアモータ６２４は、Ｘテーブル６１２における一対のＹガイドレール６２２の間にＹ方向に沿って設けられたＹ固定子６２４Ａと、このＹ固定子６２４Ａに対して隙間を隔ててＹテーブル６２１に設けられたＹ可動子（不図示）と、を備えている。
【００２９】
Ｚ微動駆動機構６３は、微細加工用工具５をＺ方向に例えばナノメートル単位で往復微動させる。このＺ微動駆動機構６３は、略四角筒状に形成され、軸方向一端がＹテーブル６２１の下面に取り付けられるヨーク６３１を備えている。このヨーク６３１の内周面における軸方向（上下方向）略中央には、互いに略対向する位置から径方向中央側へ延びる延出部６３２が設けられている。また、ヨーク６３１の軸方向一端（上端）には、略四角板状の板ばねで構成された上ストッパばね６３３が設けられている。さらに、ヨーク６３１の軸方向他端（下端）には、略中央に工具連通孔６３４Ａを有する四角板状の板ばねで構成された下ストッパばね６３４が設けられている。
また、ヨーク６３１における延出部６３２の上端側および下端側の内周面には、それぞれ上コイル６３５および下コイル６３６が設けられている。この上コイル６３５および下コイル６３６には、コントローラ８の制御により電流が供給される。
【００３０】
さらに、上コイル６３５および下コイル６３６の内側には、２個の磁性体としての磁石６３７が設けられている。この磁石６３７は、例えば円弧状に形成され、その周方向の端部にＳ極およびＮ極が設定されている。そして、磁石６３７は、Ｓ極が上コイル６３５に対向し、Ｎ極が下コイル６３６に対向する状態で設けられている。
また、２個の磁石６３７は、これらの間に設けられた四角柱状のＺ移動子６３８に固定されている。このＺ移動子６３８は、ヨーク６３１よりも小さい高さ寸法を有し、ヨーク６３１内で上下方向（±Ｚ方向）に往復移動可能に設けられている。そして、Ｚ移動子６３８および磁石６３７は、ヨーク６３１の上下方向中央に位置したときに、上ストッパばね６３３および下ストッパばね６３４との間、Ｓ極側およびＮ極側のそれぞれの端部と延出部６３２との間に隙間Ｐが形成される形状を有している。さらに、Ｚ移動子６３８の下端側には、微細加工用工具５を着脱可能に保持するための構成として、微細加工用工具取付部６３９が設けられている。
【００３１】
この微細加工用工具取付部６３９は、工具取付部４１５と同様の構成を有し、略円錐状のテーパ孔６３９Ａと、コレクトチャック６３９Ｂと、位置決め溝部（不図示）と、を備えている。
そして、微細加工用工具取付部６３９は、微細加工用工具５のテーパシャンク部５１をテーパ孔６３９Ａに嵌合させるとともに位置決め突部を位置決め溝部に嵌合させることで、微細加工用工具５をＹテーブル６２１に対して位置決めし、プルスタッド５２をコレクトチャック６３９Ｂで把持することで、微細加工用工具５を着脱可能に保持する。なお、図２では、構成を理解しやすいように、テーパシャンク部５１と、テーパ孔６３９Ａと、を離して示しているが、実際には密接している。
【００３２】
各微動原点センサ６４，６５，６６は、例えばリニアセンサであり、連結テーブル６１１と、Ｘテーブル６１２と、Ｚ移動子６３８と、にそれぞれ設けられている。この各微動原点センサ６４，６５，６６は、Ｘ，Ｙテーブル６１２，６２１、Ｚ移動子６３８の位置を検出し、この検出した位置に関する信号をコントローラ８へ出力する。
【００３３】
そして、工作機械用アタッチメント６は、連結テーブル６１１のテーパシャンク部６１１Ａがテーパ孔４１５Ａに嵌合されるとともに、位置決め突部６１１Ｃが位置決め溝部４１５Ｃに嵌合することで主軸４に対して位置決めされ、プルスタッド６１１Ｂがコレクトチャック４１５Ｂで把持されることで、工具取付部４１５で着脱可能に保持される。なお、図２では、構成を理解しやすいように、テーパシャンク部６１１Ａと、テーパ孔４１５Ａと、を離して示しているが、実際には密接している。また、大型加工用工具２も工作機械用アタッチメント６と同様の機構により、工具取付部４１５で保持される。
【００３４】
保持交換部７は、図１に示すように、Ｘ駆動ガイド軸３１１とコラム３２１で構成される隅部に設けられている。この保持交換部７は、略四角箱状の交換本体７１と、この交換本体７１の上面７１１上に設けられた４個のパレット７２Ａ〜７２Ｄと、保持交換部７を駆動する交換駆動機構７４（図４参照）と、を備えている。
【００３５】
交換本体７１の上面７１１におけるＸ駆動ガイド軸３１１に隣接する側縁側の領域は、パレット７２Ａ〜７２ＤがＸ方向に往復移動可能なパレット移動領域７１１Ａとされている。また、このパレット移動領域７１１Ａに対してＸ駆動ガイド軸３１１と反対側の領域は、パレット７２Ａ〜７２Ｄが待機するパレット待機領域７１１Ｂとされている。さらに、パレット移動領域７１１Ａにおけるコラム３２１近傍の領域は、パレット交換領域７１１Ｃとされている。
パレット７２Ａには首振り主軸４１が、パレット７２Ｂには普通主軸４２が、パレット７２Ｃには大型加工用工具２が、パレット７２Ｄには工作機械用アタッチメント６が着脱可能に保持される。
交換駆動機構７４は、Ｚスライダ３３２で保持された主軸４や、主軸４で保持された大型加工用工具２や工作機械用アタッチメント６を交換する際に、パレット７２Ａ〜７２Ｄをパレット待機領域７１１Ｂ、パレット移動領域７１１Ａ、パレット交換領域７１１Ｃとの間で往復移動させる。
【００３６】
コントローラ８は、図４に示すように、粗動駆動部３および交換駆動機構７４に電気的に接続されている。また、主軸４で工作機械用アタッチメント６が保持された場合に工作機械用アタッチメント６および微細加工駆動機構５４と、大型加工用工具２が保持された場合に大型加工用工具２と、電気的に接続される。そして、コントローラ８は、粗動制御部８１と、微動制御部８２と、全体制御部８３と、を備えている。
【００３７】
粗動制御部８１は、全体制御部８３の制御に基づき、粗動駆動部３の各粗動駆動機構３１，３２，３３の駆動量を例えばミリメートル単位で制御する。例えば、粗動制御部８１は、電流を各粗動駆動機構３１，３２，３３に流して、各粗動駆動機構３１，３２，３３の駆動量を制御する。
微動制御部８２は、全体制御部８３の制御に基づき、工作機械用アタッチメント６の各微動駆動機構６１，６２，６３に所定の電流を流して、各微動駆動機構６１，６２，６３の駆動量を例えばナノメートル単位で制御する。
【００３８】
ここで、Ｚ微動駆動機構６３の動作について、詳細に説明する。
例えば上コイル６３５のみに一方向への電流が供給されると、この電流と磁石６３７のＳ極の磁場とにより上方向（＋Ｚ方向）への力が発生して、磁石６３７に固定されたＺ移動子６３８とともに微細加工用工具５がナノメートル単位で＋Ｚ方向へ移動する。また、下コイル６３６のみに一方向への電流が供給されると下方向（−Ｚ方向）への力が発生して、微細加工用工具５がナノメートル単位で−Ｚ方向へ移動する。
微動制御部８２は、上コイル６３５および下コイル６３６のみに同じ方向への電流を交互に流すことにより、Ｚ移動子６３８とともに微細加工用工具５を±Ｚ方向へ微動させる。そして、Ｚ移動子６３８は、ヨーク６３１の上端および下端に到達すると、上ストッパばね６３３および下ストッパばね６３４に当接して、これらを弾性変形させる。この弾性変形によりＺ移動子６３８と上ストッパばね６３３などとの当接の衝撃が吸収され、Ｚ移動子６３８の破損が防止される。
【００３９】
全体制御部８３は、いわゆるＧコードやＭコードを用いたプログラムにより構成され、交換制御部８３１と、加工制御部８３２と、を備えている。
【００４０】
交換制御部８３１は、Ｚスライダ３３２で保持された首振り主軸４１および普通主軸４２を交換したり、主軸４で保持された大型加工用工具２および工作機械用アタッチメント６を交換する。
具体的には、交換制御部８３１は、例えば図１に示すように、首振り主軸４１で保持された工作機械用アタッチメント６を保持交換部７で保持された大型加工用工具２に交換する場合、交換駆動機構７４を制御して、矢印Ｆ１に示すようにパレット待機領域７１１Ｂのパレット７２Ｄをパレット交換領域７１１Ｃまで移動させる。さらに、Ｙスライダ３２３を、Ｚスライダ３３２がパレット交換領域７１１Ｃの上方に位置する（２点鎖線で示す位置）まで移動させ、Ｚスライダ３２３を−Ｚ方向（下方）へ移動させることで、パレット７２Ｄに工作機械用アタッチメント６を保持させる。さらに、Ｚスライダ３３２を＋Ｚ方向（上方）へ移動させ、工具取付部４１５のコレクトチャック４１５Ｂを開かせてプルスタッド６１１Ｂの把持を解除させることで、工具取付部４１５による工作機械用アタッチメント６の保持を解除する。
【００４１】
また、交換制御部８３１は、パレット７２Ｄをパレット待機領域７１１Ｂまで戻した後に、パレット７２Ｃをパレット交換領域７１１Ｃまで移動させる。そして、Ｚスライダ３３２を−Ｚ方向へ移動させることで、大型加工用工具２のテーパシャンク部２１を工具取付部４１５のテーパ孔４１５Ａに嵌合させる。そして、さらにＺスライダ３３２を−Ｚ方向へ移動させ、プルスタッド２２をコレクトチャック４１５Ｂにより把持させつつ、位置決め突部を位置決め溝部４１５Ｃに嵌合させることで、工具取付部４１５で大型加工用工具２を保持させる。また、大型加工用工具２が保持されたら、Ｚスライダ３３２を＋Ｚ方向へ移動させる。
以上により、交換処理が終了する。
【００４２】
加工制御部８３２は、例えば作業者によりワークＷの加工条件が設定されると、この加工条件に基づいて粗動制御部８１、大型加工駆動機構２４、微動制御部８２、および、微細加工駆動機構５４を制御する。
【００４３】
具体的には、加工制御部８３２は、大型加工用工具２を用いて大型加工をする旨の条件が設定された場合、粗動制御部８１および大型加工駆動機構２４を制御して、大型加工用工具２をミリメートル単位で適宜移動させつつワークＷを大型加工する。
【００４４】
また、加工制御部８３２は、微細加工用工具５を用いて、例えば図１に示すようなワークＷを微細加工する旨の条件が設定された場合、微動制御部８２を介して各微動駆動機構６１，６２を制御して、微細加工用工具５をナノメートル単位でＸ，Ｙ方向に微動させる。さらには、必要に応じて、Ｚ微動駆動機構６３を制御して、微細加工用工具５をナノメートル単位でＺ方向に往復微動させる。また、必要に応じて、粗動制御部８１を介して各粗動駆動機構３１，３２，３３を制御して、微細加工用工具５をミリメートル単位でＸ，Ｙ，Ｚ方向に粗動させる。
【００４５】
〔工作機械の動作〕
次に、工作機械１の動作として、微細加工物の製造動作を説明する。
図５は、微細加工物の製造動作を示すフローチャートである。なお、以下の動作の説明において、微細加工用工具５を工具５と、工作機械用アタッチメント６をアタッチメント６と省略して説明する。
【００４６】
まず、コントローラ８の加工制御部８３２は、図５に示すように、アタッチメント６へ交換されたことを認識すると（ステップＳ１）、アタッチメント６とコントローラ８とを制御可能に接続（サーボオン）して（ステップＳ２）、両者の接続が解除されている旨の設定をオフ（サーボデリートオフ）にする（ステップＳ３）。
次に、加工制御部８３２は、工具取付部４１５を基準位置へ移動させ、Ｘ，Ｙテーブル６１２，６２１の原点（リニア原点）を確立する（ステップＳ４）。具体的には、各微動原点センサ６４，６５，６６からＸ，Ｙテーブル６１２，６２１、Ｚ移動子６３８の位置に関する信号を取得する。そして、この信号に基づいて、各微動駆動機構６１，６２，６３を制御して、Ｘ，Ｙテーブル６１２，６２１、Ｚ移動子６３８を±Ｘ，Ｙ，Ｚ方向へ移動させることで、工具取付部４１５を基準位置に位置させる。
【００４７】
次に、加工制御部８３２は、各粗動駆動機構３１，３２，３３と、各微動駆動機構６１，６２，６３との座標を関連付けて（第２座標系を設定して）（ステップＳ５）、工具５を最初に加工するワークＷの最初の加工位置の上方（ワーク原点）へ移動させる（ステップＳ６）。そして、工具５を例えば回転駆動させる（ステップＳ７）。
そして、加工制御部８３２は、例えば工具５を粗動させて加工位置まで移動させ（ステップＳ８）、±Ｘ，Ｙ方向へ微動、あるいは±Ｚ方向へ往復微動させることで加工位置を微細加工する（ステップＳ９）。
以上の工程により、微細加工物が製造される。
【００４８】
〔第１実施形態の作用効果〕
以上の第１実施形態の工作機械１によれば、以下の作用効果が期待できる。
【００４９】
（１）工作機械１に着脱可能に取り付けられる工作機械用アタッチメント６に、微細加工用工具５をワークＷに対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に微動させる各微動駆動機構６１，６２，６３を設けている。そして、Ｚ微動駆動機構６３により、微細加工用工具５を±Ｚ方向へ往復微動させつつワークＷの微細加工を実施する。
このため、微細加工用工具５を±Ｚ方向に往復微動させることでワークＷを微細加工するので、微細加工用工具５をＺ方向に粗動させてワークＷを微細加工する構成と比べてイナーシャを小さくすることができ、ワークＷの微細加工を高精度に実現できる。また、工作機械１に、大型加工用工具２または工作機械用アタッチメント６を選択的に取り付けることができるので、加工形状に応じてワークＷを高精度に加工できる。そして、従来ある工作機械１に工作機械用アタッチメント６を取り付けることができ、工作機械用アタッチメント６の利用拡大を容易に図ることができる。
【００５０】
（２）Ｚ微動駆動機構６３を、Ｚ方向へ往復可能なＺ移動子６３８と、このＺ移動子６３８に固定された磁石６３７と、Ｚ移動子６３８および磁石６３７を覆い、通電によりＺ移動子６３８および磁石６３７をＺ方向へ往復させる力を発生させる上，下コイル６３５，６３６と、で構成している。
このため、上，下コイル６３５，６３６への通電状態によりＺ移動子６３８が微動する単位を調節することができ、目的に応じた高精度な微細加工を実現できる。
【００５１】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、図１の工作機械１に着脱可能に設けられる工作機械用アタッチメントについて説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については、同一符号を付し説明を省略あるいは簡略化する。
図６は、第２実施形態に係る工作機械用アタッチメントの概略構成を示す側面図、図７は、図６に示す工作機械用アタッチメントから非回転部材を取り外したところを示す部分拡大図、図８は、図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。
【００５２】
〔工作機械用アタッチメントの構成〕
図６に示すように、工作機械用アタッチメント６Ａは、Ｚ微動駆動機構１０００のみが第１実施形態の工作機械用アタッチメント６と異なる構成を有している。
【００５３】
Ｚ微動駆動機構１０００は、刃具１０５０を±Ｚ方向に例えばナノメートル単位で往復微動させる。このＺ微動駆動機構１０００は、図６〜図８に示すように、回転駆動部１０１０と、回転部材１０２０と、非回転部材１０３０と、保持部材１０４０を備えている。非回転部材１０３０は、回転部材１０２０の微細加工用工具としての刃具１０５０側の一部と、保持部材１０４０の回転駆動部１０１０側の一部を覆っている。
【００５４】
回転駆動部１０１０は、回転部材１０２０を保持するとともに、矢印Ｒ１の向きに回転させる。
回転部材１０２０の刃具１０５０側の端部には、後述する第１冠歯車１０６０が装着されている。また、回転部材１０２０には、中心部に管路１０２１が形成されている。この管路１０２１に連通するように、管路１０２１の内径よりも拡径された接続孔１０２２が形成されている。管路１０２１には、図示しないエア源から供給される圧縮空気ＣＡが供給される。さらに、回転部材１０２０は、中空円筒状の非回転部材１０３０の内周面に軸受１０２３を介して回転自在に保持されている。
第１冠歯車１０６０は、基準ピッチ円すい角が９０°のかさ歯車であり、そのピッチ面は平面である。第１冠歯車１０６０は、歯が形成されている端部を刃具１０５０側にして、回転部材１０２０に固定されている。また、第１冠歯車１０６０の回転軸部分には、上記の接続孔１０２２と連通する空孔が形成されている。
【００５５】
非回転部材１０３０は、円筒状の部材からなり、内部に収容孔１０３１を備えている。また、非回転部材１０３０には、Ｙテーブル６２１側の側面に当該Ｙテーブル６２１側に向かって突出するように固定された回り止めピン１０３２を備えている。この回り止めピン１０３２は、回転部材１０２０が回転駆動部１０１０に回転可能に装着されることにより、Ｙテーブル６２１のテーブル嵌合穴６２１Ａに挿入される。この回り止めピン１０３２がテーブル嵌合穴６２１Ａに挿入されることにより、非回転部材１０３０は回転部材１０２０の回転に関わらず回転が規制される。
保持部材１０４０も円筒状の部材からなり、内部に収容孔１０４１を備えている。この収容孔１０４１に、エアモータ１０７０が挿入されている。エアモータ１０７０は、保持部材１０４０に固定されている。保持部材１０４０の外周には、ばね受け部材１０８０が内周面を保持部材１０４０の外周面に嵌合して固定されている。このばね受け部材１０８０に、第２冠歯車１０９０がさらに嵌合している。
第２冠歯車１０９０は、第１冠歯車１０６０と同様の基準ピッチ円すい角が９０°のかさ歯車である。第２冠歯車１０９０のピッチ面も、第１冠歯車１０６０の場合と同じく平面である。第２冠歯車１０９０は、歯が形成されている端部を回転駆動部１０１０側にして、反対側の端部をばね受け部材１０８０に固着させて、ばね受け部材１０８０と一体化している。
第２冠歯車１０９０とばね受け部材１０８０は、非回転部材１０３０の収容孔１０３１に収容される。ばね受け部材１０８０は、収容孔１０３１に収容された時に、当該ばね受け部材１０８０と非回転部材１０３０のフランジ１０３３との間に配置されるコイルスプリング１１００の付勢力を受け止める。
【００５６】
ばね受け部材１０８０の外周面には、少なくとも一のキー溝１０８１が軸方向に沿って形成されている。また、非回転部材１０３０の収容孔１０３１の内周面には、すべり摩擦を低減するための玉を備えたキー１０３４が、軸方向に沿って固定されている。このキー１０３４がキー溝１０８１に嵌合すると、保持部材１０４０は、キー１０３４に備えられた玉により点接触状態で非回転部材１０３０に保持される。これにより、保持部材１０４０は、回転部材１０２０に対して図６および図８に示す回転軸方向Ａ１およびＡ２に移動自在となり、かつ、非回転部材１０３０に対して回転が規制される。したがって、回転部材１０２０が回転しても、保持部材１０４０は非回転部材１０３０に嵌合したままであり、回転することはない。
保持部材１０４０の刃具１０５０側の端部には、収容孔１０４１と連通するように支持孔１０４２が形成されている。この支持孔１０４２は、保持部材１０４０の刃具１０５０側端部で開口している。支持孔１０４２の内周には、軸受１０４３を介してエアモータ１０７０の駆動軸１０７１が回転自在に支持されている。エアモータ１０７０は、回転駆動部１０１０側に接続管１０７２を備え、この接続管１０７２は、第１冠歯車１０６０の空孔を貫通して回転部材１０２０の接続孔１０２２に嵌合しており、接続管１０７２が接続孔１０２２内を軸方向に移動可能となっている。また、接続管１０７２と接続孔１０２２との間には、Ｏリング１０７３が設けられており、このＯリング１０７３は接続管１０７２と接続孔１０２２との間をシールしている。
エアモータ１０７０は、管路１０２１を通じて供給される圧縮空気ＣＡの圧力に応じた回転数で駆動軸１０７１を駆動する。駆動軸１０７１の先端には、チャッキング部材１１１０が設けられており、このチャッキング部材１１１０にドリル等の刃具１０５０が着脱される。
【００５７】
楕円歯車１１２０は、環状のキャリア１１３０の外周面に所定枚数、回転軸１１２１によって回転自在に支持されている。キャリア１１３０は、非回転部材１０３０の収容孔１０３１内において、保持部材１０４０の回転駆動部１０１０側先端部で、回転駆動部１０１０の回転軸まわりに回転自在、かつ、回転軸方向Ａ３およびＡ４の向きに移動自在に設置されている。楕円歯車１１２０は、非回転部材１０３０の内周面とキャリア１１３０の外周面との間に配置され、第１冠歯車１０６０と第２冠歯車１０９０に噛合する。
前述のように、ばね受け部材１０８０と非回転部材１０３０のフランジ１０３３との間には、コイルスプリング１１００が配置されており、ばね受け部材１０８０と非回転部材１０３０を互いに離隔する方向に付勢力が作用している。コイルスプリング１１００の付勢力により、ばね受け部材１０８０と一体化された保持部材１０４０および第２冠歯車１０９０は回転駆動部１０１０方向に押し付けられる。これにより楕円歯車１１２０を第１冠歯車１０６０と第２冠歯車１０９０で挟み込んだ歯車機構が構成され、回転部材１０２０が回転することにより保持部材１０４０が往復運動する。非回転部材１０３０は、ワーク加工時に発生する切り粉等の異物がこのギヤ機構部に侵入することを防ぐカバーの機能も果たしている。楕円歯車１１２０の形状や第１冠歯車１０６０および第２冠歯車１０９０の歯数等は実施例に応じて適宜定めればよいが、本実施形態では、回転部材１０２０の一回転毎に保持部材１０４０が回転軸方向Ａ１およびＡ２に２往復するようになっている。
【００５８】
〔工作機械用アタッチメントの動作〕
次に、工作機械用アタッチメント６Ａの動作の一例について説明する。なお、Ｘ，Ｙ方向への微動については第１実施形態と同様の動作なので、ここでは、Ｚ方向への往復微動のみについて説明する。
図９は、楕円歯車と第２冠歯車との関係が保持部材を回転部材に対して最上点に位置させる関係に変化した状態を示す図、図１０は、図９のX−X線に沿った断面図、図１１は、保持部材の最下点から最上点への位置の変化の際の楕円歯車、第１冠歯車および第２冠歯車の動作をさらに詳細に説明するための図である。
【００５９】
まず、図８に示すように、刃具１０５０をＺ方向に往復微動させる際には、エア源から所望の圧力に調整された圧縮空気ＣＡを回転部材１０２０の管路１０２１に供給する。管路１０２１を通じて、エアモータ１０７０には圧縮空気ＣＡが供給され、駆動軸１０７１が回転する。これによって、刃具１０５０は、図６〜図８に示す矢印Ｒ２の向きに、たとえば、数万ｍｉｎ−１で回転する。
一方、図６および図７に示すように、回転駆動部１０１０の駆動により回転部材１０２０を矢印Ｒ１の向きに回転させる。回転部材１０２０の回転は、第１冠歯車１０６０を介して楕円歯車１１２０の回転に変換される。楕円歯車１１２０は、ばね受け部材１０８０を楕円歯車１１２０に押し付けるコイルスプリング１１００の付勢力により、第１冠歯車１０６０および第２冠歯車１０９０と噛合したまま、回転軸１１２１まわりに回転しつつ、キャリア１１３０の回転軸を中心にした円周方向の遊星運動も行う。その際に、楕円歯車１１２０は、その長軸と短軸の長さの違いにより、図８に示す回転軸方向Ａ３およびＡ４の向きにも往復運動する。それゆえ、楕円歯車１１２０と噛合している第２冠歯車１０９０とともに、保持部材１０４０および刃具１０５０も回転軸方向Ａ１およびＡ２の向きに往復運動する。ただし、保持部材１０４０は非回転部材１０３０に対して回転が規制されているので、回転軸方向にのみ往復運動する。
【００６０】
たとえば、図７に示す状態において、楕円歯車１１２０と第２冠歯車１０９０との関係が、保持部材１０４０を回転部材１０２０に対して最下点に位置させる関係にあるとする。
図９に示すように、刃具１０５０が最下点から数ナノメートルのストロークＳＴ１だけ上昇すると、Ｚ微動駆動機構１０００の内部では、図１０に示すように保持部材１０４０およびエアモータ１０７０も回転部材１０２０に向かって移動する。このとき、楕円歯車１１２０は、第１冠歯車１０６０の矢印Ｒ１への回転により、図１１（Ａ）に示されている位置から図１１（Ｂ）に示されている位置へ移動している。その際、第１冠歯車１０６０は回転軸方向へは移動せず、一方、第２冠歯車１０９０は回転軸方向へは移動自在であるが、回転軸まわりには回転しない。また、コイルスプリング１１００の付勢力ＳＰにより、楕円歯車１１２０と第１冠歯車１０６０および第２冠歯車１０９０との噛合は常に保たれる。さらに、前述のように、楕円歯車１１２０を支持しているキャリア１１３０は、回転軸方向に移動自在である。したがって、第１冠歯車１０６０の矢印Ｒ１への回転にともなって、楕円歯車１１２０は、回転軸１１２１まわりに回転しつつ第２冠歯車１０９０の円周方向への遊星運動を行なって、図１１（Ａ）の位置から図１１（Ｂ）の位置へ移動する。また、第１冠歯車１０６０の回転軸方向へも、数ナノメートルのストロークＳＴ２分だけ移動する。
回転部材１０２０が連続的に回転すると、刃具１０５０はストロークＳＴ１の往復運動を繰り返す。楕円歯車１１２０、第１冠歯車１０６０、第２冠歯車１０９０の形状や歯数等は、ストロークＳＴ１の往復運動が回転部材１０２０の１回転あたり２回発生するように形成されているため、たとえば、回転部材１０２０の回転数が１０００ｍｉｎ−１である場合には、刃具１０５０は１分間あたり２０００往復する。
【００６１】
〔第２実施形態の作用効果〕
以上の第２実施形態の工作機械用アタッチメント６Ａによれば、第１実施形態の（１）と同様の作用効果が期待できる。
【００６２】
［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。
【００６３】
すなわち、図１２に示すような工作機械用アタッチメント６Ｂとしてもよい。この工作機械用アタッチメント６Ｂは、第１実施形態の工作機械用アタッチメント６のＹテーブル６２１とＺ微動駆動機構６３との間に回転駆動部６７を設けたものである。この回転駆動部６７は、Ｚ微動駆動機構６３を矢印Ｒ１の向きに回転させる。そして、コントローラ８は、微細加工用工具５をＺ微動駆動機構６３により往復微動させるとともに回転駆動部６７により回転させて、ワークＷを微細加工する。
【００６４】
また、工具取付部４１５として、いわゆるドローバを適用してもよい。
さらに、第１実施形態において、例えば上コイル６３５のみを設け、この上コイル６３５に流れる電流の方向を切り替えることでＺ移動子６３８を往復微動させてもよい。
そして、工作機械用アタッチメント６の構成として、主軸４側からＸ，Ｙ，Ｚ微動駆動機構６１，６２，６３の順序で配置したものを適用したが、異なる順序で配置してもよい。
さらに、本発明の工作機械用アタッチメントを例えば特開２００４−３４１６８号公報に記載の５軸制御機械に適用してもよい。
【００６５】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などに適宜変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、ワークを加工する工作機械に取り付けられる工作機械用アタッチメントに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る工作機械の概略構成を示す斜視図。
【図２】工作機械用アタッチメントの概略構成を示す側面図。
【図３】工作機械用アタッチメントの概略構成を示す斜視図。
【図４】コントローラの概略構成を示すブロック図。
【図５】微細加工物の製造動作を示すフローチャート。
【図６】本発明の第２実施形態に係る工作機械用アタッチメントの概略構成を示す側面図。
【図７】図６に示す工作機械用アタッチメントから非回転部材を取り外したところを示す部分拡大図。
【図８】図７のVIII−VIII線に沿った断面図。
【図９】楕円歯車と第２冠歯車との関係が保持部材を回転部材に対して最上点に位置させる関係に変化した状態を示す図。
【図１０】図９のX−X線に沿った断面図。
【図１１】保持部材の最下点から最上点への位置の変化の際の楕円歯車、第１冠歯車および第２冠歯車の動作をさらに詳細に説明するための図。
【図１２】本発明の変形例に係る工作機械用アタッチメントの概略構成を示す側面図。
【符号の説明】
【００６８】
１…工作機械
２…大型加工用工具
３…粗動駆動部
５…微細加工用工具
６，６Ａ，６Ｂ…工作機械用アタッチメント
７…保持交換部
６１…微動駆動部を構成するＸ微動駆動機構
６２…微動駆動部を構成するＹ微動駆動機構
６３，１０００…微動駆動部を構成するＺ微動駆動機構
６１１Ｄ…アタッチメント側取付部
６３５，６３６…上，下コイル
６３７…磁性体としての磁石
６３８…Ｚ移動子
６３９…微細加工用工具取付部
１０５０…微細加工用工具としての刃具
Ｗ…ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークを加工する工作機械に取り付けられる工作機械用アタッチメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大型のワークを加工する機械として、いわゆるマシニングセンタと呼ばれる工作機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載のものは、門型のコラムに両端が支持されたクロスレールを備えている。このクロスレールには、その長手方向（Ｙ方向）に沿って移動可能に支持されたサドルを介して、ラムがＺ方向に移動可能に設けられている。このラムには、主軸を介して工具が装着される。また、ラムの下方には、ワークが設置されるテーブルがＸ方向に移動可能に設けられている。
そして、テーブル、サドル、ラムをＸ，Ｙ，Ｚ方向に適宜移動させつつ、ワークを加工する構成が採られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような特許文献１のような大型のワークを加工する構成では、取り付けられる主軸や工具が限定されてしまうため、微細な孔あけ加工などを実施するのが困難である。すなわち、微細な加工を実現するために工具をＺ方向に移動させる際の速度を最も低く設定しても、イナーシャの影響により微細な加工を高精度に実現できないおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、このような実情などに鑑みて、工作機械を用いたワークの微細加工を高精度に実現可能な工作機械用アタッチメントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の工作機械用アタッチメントは、ワークを大型加工する大型加工用工具を前記ワークに対して相対的に粗動させる粗動駆動部を備えた工作機械に取り付けられる工作機械用アタッチメントであって、前記ワークを微細加工する微細加工用工具が取り付けられる微細加工用工具取付部と、この微細加工用工具取付部を前記ワークに対して相対的に微動させる微動駆動部と、この微動駆動部に設けられ前記粗動駆動部に着脱可能に取り付けられるアタッチメント側取付部と、を備え、前記微動駆動部は、前記微細加工用工具取付部を前記ワークに対して接離するＺ方向へ微動させるＺ微動駆動機構と、前記Ｚ方向と直交するＹ方向へ微動させるＹ微動駆動機構と、前記Ｚ方向および前記Ｙ方向と直交するＸ方向へ微動させるＸ微動駆動機構と、を備え、前記Ｚ微動駆動機構は、前記Ｚ方向へ往復駆動して前記微細加工用工具取付部を微動させることを特徴とする。
【０００７】
ここで、微細加工としては、マイクロメートル単位、ナノメール単位での孔あけ加工、切削加工などが例示できる。また、微細加工用工具としては、微細加工用や超音波切削用あるいは測定用のスピンドル、レーザ加工用のレーザヘッド、微粉末を除去するノズルなどが例示できる。
さらに、微動とは、マイクロメートル単位、ナノメール単位、ピコメートル単位で相対移動させることを意味する。そして、粗動とは、ミリメートル単位で相対移動させることを意味する。
また、相対的な粗動の方向としては、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のうち少なくともいずれか１つの方向が例示できる。そして、微動の方向と、粗動の方向とは、一致していてもよいし、一致していなくてもよいし、さらには、直交していてもよいし、直交していなくてもよい。
さらに、微細加工用工具で微細加工されるワークは、一般的に微細加工の対象として認識されている半導体や精密機械などの大きくても数ミリメートルのワークや、車両用、建築用、大型装置用などの小さくてもセンチメートル単位のワークなどが例示できる。
【０００８】
この発明によれば、Ｚ微動駆動機構により、微細加工用工具をＺ方向に微動させかつ往復（以下、往復微動と称す）させることでワークを微細加工するので、微細加工用工具をＺ方向に粗動させてワークを微細加工する構成と比べてイナーシャが小さくなり、ワークの微細加工を高精度に実現できる。
さらに、工作機械に、大型加工用工具または工作機械用アタッチメントを選択的に取り付けることができるので、加工形状に応じてワークを高精度に加工できる。そして、従来ある工作機械に工作機械用アタッチメントを取り付けることができ、工作機械用アタッチメントの利用拡大を容易に図ることができる。
【０００９】
本発明の工作機械用アタッチメントでは、前記Ｚ微動駆動機構は、前記Ｚ方向へ往復可能なＺ移動子と、このＺ移動子に固定された磁性体と、前記Ｚ移動子および前記磁性体を覆い、通電により前記Ｚ移動子および前記磁性体を前記Ｚ方向へ往復させる力を発生させるコイルと、を備えた構成が好ましい。
この発明によれば、コイルへの通電状態によりＺ移動子が微動する単位を調節することができ、目的に応じた高精度な微細加工を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［第１実施形態］
以下に、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
〔工作機械の構成〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る工作機械の概略構成を示す斜視図、図２は、工作機械用アタッチメントの概略構成を示す側面図、図３は、工作機械用アタッチメントの概略構成を示す斜視図、図４は、コントローラの概略構成を示すブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、工作機械１は、いわゆる門型のマシニングセンタであり、半導体や精密機械などの大きくても数ミリメートルのワークＷや、車両用、建築用、大型装置用などの小さくてもセンチメートル単位の複数のワークＷを微細加工することで、微細加工物を製造する。また、ワークＷを大型加工する。
この工作機械１は、ワークＷを大型加工する大型加工用工具２と、この大型加工用工具２をワークＷに対して相対的に粗動させる粗動駆動部３と、この粗動駆動部３に着脱可能に取り付けられる主軸４と、ワークＷを微細加工する微細加工用工具５と、この微細加工用工具５が取り付けられるとともに主軸４に着脱可能に取り付けられる工作機械用アタッチメント６と、粗動駆動部３で着脱可能に保持される主軸４、この主軸４で着脱可能に保持される大型加工用工具２および工作機械用アタッチメント６とを交換する保持交換部７と、工作機械１全体を制御するコントローラ８（図４参照）と、を備えている。
【００１３】
大型加工用工具２は、例えばミリメートル単位での孔あけ加工を実施するスピンドルであり、粗動駆動部３により着脱可能に保持される。この大型加工用工具２には、粗動駆動部３で保持されるための構成である、例えば略円錐台形状のテーパシャンク部２１と、このテーパシャンク部２１の先端に設けられた略棒状のプルスタッド２２と、テーパシャンク部２１の基端に設けられた大型工具位置決め突部（不図示）と、が設けられている。また、大型加工用工具２には、この大型加工用工具２を駆動する大型加工駆動機構２４（図４参照）が設けられている。この大型加工駆動機構２４は、大型加工用工具２が粗動駆動部３で保持された際に、図４の二点鎖線で示すようにコントローラ８に電気的に接続され、このコントローラ８の制御により駆動する。
【００１４】
粗動駆動部３は、水平面内の一方向であるＸ方向に沿ったＸ駆動軸を有するＸ粗動駆動機構３１と、水平面内でＸ方向に直交する方向であるＹ方向に沿ったＹ駆動軸を有するＹ粗動駆動機構３２と、Ｘ方向およびＹ方向に直交するＺ方向に沿ったＺ駆動軸を有するＺ粗動駆動機構３３と、を備えている。
【００１５】
なお、このように各粗動駆動機構３１，３２，３３の駆動軸方向によって規定される座標系をマシン座標系とする。以後の説明では、必要に応じて、このマシン座標系に従って方向を説明する。
【００１６】
Ｘ粗動駆動機構３１は、Ｘ方向に沿ったＸ駆動ガイド軸３１１と、このＸ駆動ガイド軸３１１によってＸ方向へスライド移動可能にガイドされるとともにワークＷが載置されるワーク載置部としてのテーブル面３１３を上面に有するＸスライダ３１２と、を備えている。
【００１７】
Ｙ粗動駆動機構３２は、Ｘ粗動駆動機構３１を間にしてＹ方向に沿った両側から立設された二本のコラム３２１と、Ｘスライダ３１２から所定の高さをもつとともにＹ方向に沿ってコラム３２１に架設されたＹ駆動ガイド軸３２２と、Ｙ駆動ガイド軸３２２に沿ってスライド移動可能にガイドされたＹスライダ３２３と、を備えている。
【００１８】
Ｚ粗動駆動機構３３は、筒軸をＺ方向に有する筒状に形成されたＹスライダ３２３の内周においてＺ方向に沿って設けられたＺ駆動ガイド軸３３１と、Ｙスライダ３２３からＸスライダ３１２に載置されたワークＷに向けてＺ駆動ガイド軸３３１に沿ってスライド可能にガイドされたＺスライダ３３２と、を備えている。
【００１９】
各粗動駆動機構３１，３２，３３は、それぞれ独立して動力源（不図示）および動力源の動力をスライダに伝達する動力伝達機構（不図示）を備えている。この駆動源は、コントローラ８により制御される。そして、動力伝達機構によって駆動源の動力が各スライダ３１２，３２３，３３２に向けて伝達されて、各スライダ３１２，３２３，３３２が移動する。なお、動力源としてはリニアモータや回転子を有するモータなどの種々のモータを利用することができる。また、動力伝達機構としては、リニアモータの摺動子をスライダ３１２，３２３，３３２に取り付けた構成や、回転子に接続されたボールねじにスライダ３１２，３２３，３３２を螺合させた構成が例として挙げられる。
【００２０】
主軸４は、Ｚスライダ３３２の下端側に着脱可能な首振り主軸４１および普通主軸４２から構成されている。
首振り主軸４１は、主軸基端部４１１と、主軸先端部４１２と、主軸先端部４１２を主軸基端部４１１に対してＹＺ平面上で揺動可能に支持する首振り軸４１３と、を備えている。また、普通主軸４２は、主軸本体４２１を備えている。
【００２１】
首振り主軸４１における主軸基端部４１１の上端および普通主軸４２における主軸本体４２１の上端と、Ｚスライダ３３２の下端とには、これらを着脱可能にする着脱機構（不図示）が設けられている。この着脱機構としては、クランプ機構、ドローバなどを適用できる。
また、首振り主軸４１の主軸先端部４１２の下端には、図２に示すように、大型加工用工具２や工作機械用アタッチメント６を着脱可能に保持する工具取付部４１５が設けられている。この工具取付部４１５は、いわゆるクランプ機構により構成され、主軸先端部４１２の上端に向かうにしたがって縮径する略円錐状に形成されたテーパ孔４１５Ａと、このテーパ孔４１５Ａの上端側に設けられ大型加工用工具２や工作機械用アタッチメント６を着脱可能に把持するコレクトチャック４１５Ｂと、主軸先端部４１２の下端面におけるテーパ孔４１５Ａの一縁に設けられた位置決め溝部４１５Ｃと、を備えている。この工具取付部４１５は、普通主軸４２の主軸本体４２１の下端にも設けられている。
なお、工具取付部４１５で大型加工用工具２や工作機械用アタッチメント６を保持する動作については、後述する。
【００２２】
微細加工用工具５は、例えばナノメートル単位での孔あけ加工を実施するスピンドルであり、工作機械用アタッチメント６により着脱可能に保持される。この微細加工用工具５には、図２に示すように、工作機械用アタッチメント６で保持されるための構成である、テーパシャンク部５１と、プルスタッド５２と、位置決め突部（不図示）と、が設けられている。また、微細加工用工具５には、この微細加工用工具５を駆動する微細加工駆動機構５４（図４参照）が設けられている。この微細加工駆動機構５４は、工作機械用アタッチメント６が主軸４で保持された際に、図４の実線で示すようにコントローラ８に電気的に接続され、このコントローラ８の制御により駆動する。
【００２３】
工作機械用アタッチメント６は、主軸４で保持された際に、図４の実線で示すように電気的にコントローラ８に接続される。この工作機械用アタッチメント６は、図２および図３に示すように、Ｘ微動駆動機構６１と、Ｙ微動駆動機構６２と、Ｚ微動駆動機構６３と、Ｘ微動原点センサ６４（図４参照）と、Ｙ微動原点センサ（図４参照）と、Ｚ微動原点センサ６６（図４参照）と、を備えている。なお、各微動駆動機構６１，６２，６３は、本発明の微動駆動部を構成している。
【００２４】
Ｘ微動駆動機構６１は、微細加工用工具５をＸ方向に例えばナノメートル単位で微動させる。このＸ微動駆動機構６１は、主軸４の工具取付部４１５により保持される連結テーブル６１１と、この連結テーブル６１１と対向する状態で設けられるＸテーブル６１２と、連結テーブル６１１におけるＸテーブル６１２と対向する面に設けられた一対のＸガイドレール６１３と、これら一対のＸガイドレール６１３に摺動可能に設けられるとともにＸテーブル６１２に固定されたＸ摺接保持部６１４と、Ｘテーブル６１２を連結テーブル６１１に対してＸ方向に移動させるＸリニアモータ６１５と、を備えている。
【００２５】
連結テーブル６１１は、工具取付部４１５で保持されるための構成として、大型加工用工具２と同一のものを備えている。すなわち、連結テーブル６１１は、テーパシャンク部６１１Ａと、プルスタッド６１１Ｂと、アタッチメント位置決め突部６１１Ｃと、を有するアタッチメント側取付部６１１Ｄを備えている。
【００２６】
Ｘガイドレール６１３は、断面略Ｔ字状に形成されている。また、Ｘ摺接保持部６１４は、Ｘガイドレール６１３に対応する断面略Ｔ字状の溝部を有し、直列状に設けられた２個ずつの部材により構成されている。
Ｘリニアモータ６１５は、連結テーブル６１１における一対のＸガイドレール６１３の間にＸ方向に沿って設けられたＸ固定子６１５Ａと、このＸ固定子６１５Ａに対して隙間を隔ててＸテーブル６１２に設けられたＸ可動子６１５Ｂと、を備えている。
【００２７】
Ｙ微動駆動機構６２は、微細加工用工具５をＹ方向に例えばナノメートル単位で微動させる。このＹ微動駆動機構６２は、Ｘテーブル６１２と対向する状態で設けられるＹテーブル６２１と、このＸテーブル６１２におけるＹテーブル６２１と対向する面に設けられた一対のＹガイドレール６２２と、これら一対のＹガイドレール６２２に摺動可能に設けられるとともにＹテーブル６２１に固定されたＹ摺接保持部６２３と、Ｙテーブル６２１をＸテーブル６１２に対してＹ方向に移動させるＹリニアモータ６２４と、を備えている。
【００２８】
Ｙガイドレール６２２およびＹ摺接保持部６２３は、Ｘガイドレール６１３およびＸ摺接保持部６１４と同様の構成を有している。
Ｙリニアモータ６２４は、Ｘテーブル６１２における一対のＹガイドレール６２２の間にＹ方向に沿って設けられたＹ固定子６２４Ａと、このＹ固定子６２４Ａに対して隙間を隔ててＹテーブル６２１に設けられたＹ可動子（不図示）と、を備えている。
【００２９】
Ｚ微動駆動機構６３は、微細加工用工具５をＺ方向に例えばナノメートル単位で往復微動させる。このＺ微動駆動機構６３は、略四角筒状に形成され、軸方向一端がＹテーブル６２１の下面に取り付けられるヨーク６３１を備えている。このヨーク６３１の内周面における軸方向（上下方向）略中央には、互いに略対向する位置から径方向中央側へ延びる延出部６３２が設けられている。また、ヨーク６３１の軸方向一端（上端）には、略四角板状の板ばねで構成された上ストッパばね６３３が設けられている。さらに、ヨーク６３１の軸方向他端（下端）には、略中央に工具連通孔６３４Ａを有する四角板状の板ばねで構成された下ストッパばね６３４が設けられている。
また、ヨーク６３１における延出部６３２の上端側および下端側の内周面には、それぞれ上コイル６３５および下コイル６３６が設けられている。この上コイル６３５および下コイル６３６には、コントローラ８の制御により電流が供給される。
【００３０】
さらに、上コイル６３５および下コイル６３６の内側には、２個の磁性体としての磁石６３７が設けられている。この磁石６３７は、例えば円弧状に形成され、その周方向の端部にＳ極およびＮ極が設定されている。そして、磁石６３７は、Ｓ極が上コイル６３５に対向し、Ｎ極が下コイル６３６に対向する状態で設けられている。
また、２個の磁石６３７は、これらの間に設けられた四角柱状のＺ移動子６３８に固定されている。このＺ移動子６３８は、ヨーク６３１よりも小さい高さ寸法を有し、ヨーク６３１内で上下方向（±Ｚ方向）に往復移動可能に設けられている。そして、Ｚ移動子６３８および磁石６３７は、ヨーク６３１の上下方向中央に位置したときに、上ストッパばね６３３および下ストッパばね６３４との間、Ｓ極側およびＮ極側のそれぞれの端部と延出部６３２との間に隙間Ｐが形成される形状を有している。さらに、Ｚ移動子６３８の下端側には、微細加工用工具５を着脱可能に保持するための構成として、微細加工用工具取付部６３９が設けられている。
【００３１】
この微細加工用工具取付部６３９は、工具取付部４１５と同様の構成を有し、略円錐状のテーパ孔６３９Ａと、コレクトチャック６３９Ｂと、位置決め溝部（不図示）と、を備えている。
そして、微細加工用工具取付部６３９は、微細加工用工具５のテーパシャンク部５１をテーパ孔６３９Ａに嵌合させるとともに位置決め突部を位置決め溝部に嵌合させることで、微細加工用工具５をＹテーブル６２１に対して位置決めし、プルスタッド５２をコレクトチャック６３９Ｂで把持することで、微細加工用工具５を着脱可能に保持する。なお、図２では、構成を理解しやすいように、テーパシャンク部５１と、テーパ孔６３９Ａと、を離して示しているが、実際には密接している。
【００３２】
各微動原点センサ６４，６５，６６は、例えばリニアセンサであり、連結テーブル６１１と、Ｘテーブル６１２と、Ｚ移動子６３８と、にそれぞれ設けられている。この各微動原点センサ６４，６５，６６は、Ｘ，Ｙテーブル６１２，６２１、Ｚ移動子６３８の位置を検出し、この検出した位置に関する信号をコントローラ８へ出力する。
【００３３】
そして、工作機械用アタッチメント６は、連結テーブル６１１のテーパシャンク部６１１Ａがテーパ孔４１５Ａに嵌合されるとともに、位置決め突部６１１Ｃが位置決め溝部４１５Ｃに嵌合することで主軸４に対して位置決めされ、プルスタッド６１１Ｂがコレクトチャック４１５Ｂで把持されることで、工具取付部４１５で着脱可能に保持される。なお、図２では、構成を理解しやすいように、テーパシャンク部６１１Ａと、テーパ孔４１５Ａと、を離して示しているが、実際には密接している。また、大型加工用工具２も工作機械用アタッチメント６と同様の機構により、工具取付部４１５で保持される。
【００３４】
保持交換部７は、図１に示すように、Ｘ駆動ガイド軸３１１とコラム３２１で構成される隅部に設けられている。この保持交換部７は、略四角箱状の交換本体７１と、この交換本体７１の上面７１１上に設けられた４個のパレット７２Ａ〜７２Ｄと、保持交換部７を駆動する交換駆動機構７４（図４参照）と、を備えている。
【００３５】
交換本体７１の上面７１１におけるＸ駆動ガイド軸３１１に隣接する側縁側の領域は、パレット７２Ａ〜７２ＤがＸ方向に往復移動可能なパレット移動領域７１１Ａとされている。また、このパレット移動領域７１１Ａに対してＸ駆動ガイド軸３１１と反対側の領域は、パレット７２Ａ〜７２Ｄが待機するパレット待機領域７１１Ｂとされている。さらに、パレット移動領域７１１Ａにおけるコラム３２１近傍の領域は、パレット交換領域７１１Ｃとされている。
パレット７２Ａには首振り主軸４１が、パレット７２Ｂには普通主軸４２が、パレット７２Ｃには大型加工用工具２が、パレット７２Ｄには工作機械用アタッチメント６が着脱可能に保持される。
交換駆動機構７４は、Ｚスライダ３３２で保持された主軸４や、主軸４で保持された大型加工用工具２や工作機械用アタッチメント６を交換する際に、パレット７２Ａ〜７２Ｄをパレット待機領域７１１Ｂ、パレット移動領域７１１Ａ、パレット交換領域７１１Ｃとの間で往復移動させる。
【００３６】
コントローラ８は、図４に示すように、粗動駆動部３および交換駆動機構７４に電気的に接続されている。また、主軸４で工作機械用アタッチメント６が保持された場合に工作機械用アタッチメント６および微細加工駆動機構５４と、大型加工用工具２が保持された場合に大型加工用工具２と、電気的に接続される。そして、コントローラ８は、粗動制御部８１と、微動制御部８２と、全体制御部８３と、を備えている。
【００３７】
粗動制御部８１は、全体制御部８３の制御に基づき、粗動駆動部３の各粗動駆動機構３１，３２，３３の駆動量を例えばミリメートル単位で制御する。例えば、粗動制御部８１は、電流を各粗動駆動機構３１，３２，３３に流して、各粗動駆動機構３１，３２，３３の駆動量を制御する。
微動制御部８２は、全体制御部８３の制御に基づき、工作機械用アタッチメント６の各微動駆動機構６１，６２，６３に所定の電流を流して、各微動駆動機構６１，６２，６３の駆動量を例えばナノメートル単位で制御する。
【００３８】
ここで、Ｚ微動駆動機構６３の動作について、詳細に説明する。
例えば上コイル６３５のみに一方向への電流が供給されると、この電流と磁石６３７のＳ極の磁場とにより上方向（＋Ｚ方向）への力が発生して、磁石６３７に固定されたＺ移動子６３８とともに微細加工用工具５がナノメートル単位で＋Ｚ方向へ移動する。また、下コイル６３６のみに一方向への電流が供給されると下方向（−Ｚ方向）への力が発生して、微細加工用工具５がナノメートル単位で−Ｚ方向へ移動する。
微動制御部８２は、上コイル６３５および下コイル６３６のみに同じ方向への電流を交互に流すことにより、Ｚ移動子６３８とともに微細加工用工具５を±Ｚ方向へ微動させる。そして、Ｚ移動子６３８は、ヨーク６３１の上端および下端に到達すると、上ストッパばね６３３および下ストッパばね６３４に当接して、これらを弾性変形させる。この弾性変形によりＺ移動子６３８と上ストッパばね６３３などとの当接の衝撃が吸収され、Ｚ移動子６３８の破損が防止される。
【００３９】
全体制御部８３は、いわゆるＧコードやＭコードを用いたプログラムにより構成され、交換制御部８３１と、加工制御部８３２と、を備えている。
【００４０】
交換制御部８３１は、Ｚスライダ３３２で保持された首振り主軸４１および普通主軸４２を交換したり、主軸４で保持された大型加工用工具２および工作機械用アタッチメント６を交換する。
具体的には、交換制御部８３１は、例えば図１に示すように、首振り主軸４１で保持された工作機械用アタッチメント６を保持交換部７で保持された大型加工用工具２に交換する場合、交換駆動機構７４を制御して、矢印Ｆ１に示すようにパレット待機領域７１１Ｂのパレット７２Ｄをパレット交換領域７１１Ｃまで移動させる。さらに、Ｙスライダ３２３を、Ｚスライダ３３２がパレット交換領域７１１Ｃの上方に位置する（２点鎖線で示す位置）まで移動させ、Ｚスライダ３２３を−Ｚ方向（下方）へ移動させることで、パレット７２Ｄに工作機械用アタッチメント６を保持させる。さらに、Ｚスライダ３３２を＋Ｚ方向（上方）へ移動させ、工具取付部４１５のコレクトチャック４１５Ｂを開かせてプルスタッド６１１Ｂの把持を解除させることで、工具取付部４１５による工作機械用アタッチメント６の保持を解除する。
【００４１】
また、交換制御部８３１は、パレット７２Ｄをパレット待機領域７１１Ｂまで戻した後に、パレット７２Ｃをパレット交換領域７１１Ｃまで移動させる。そして、Ｚスライダ３３２を−Ｚ方向へ移動させることで、大型加工用工具２のテーパシャンク部２１を工具取付部４１５のテーパ孔４１５Ａに嵌合させる。そして、さらにＺスライダ３３２を−Ｚ方向へ移動させ、プルスタッド２２をコレクトチャック４１５Ｂにより把持させつつ、位置決め突部を位置決め溝部４１５Ｃに嵌合させることで、工具取付部４１５で大型加工用工具２を保持させる。また、大型加工用工具２が保持されたら、Ｚスライダ３３２を＋Ｚ方向へ移動させる。
以上により、交換処理が終了する。
【００４２】
加工制御部８３２は、例えば作業者によりワークＷの加工条件が設定されると、この加工条件に基づいて粗動制御部８１、大型加工駆動機構２４、微動制御部８２、および、微細加工駆動機構５４を制御する。
【００４３】
具体的には、加工制御部８３２は、大型加工用工具２を用いて大型加工をする旨の条件が設定された場合、粗動制御部８１および大型加工駆動機構２４を制御して、大型加工用工具２をミリメートル単位で適宜移動させつつワークＷを大型加工する。
【００４４】
また、加工制御部８３２は、微細加工用工具５を用いて、例えば図１に示すようなワークＷを微細加工する旨の条件が設定された場合、微動制御部８２を介して各微動駆動機構６１，６２を制御して、微細加工用工具５をナノメートル単位でＸ，Ｙ方向に微動させる。さらには、必要に応じて、Ｚ微動駆動機構６３を制御して、微細加工用工具５をナノメートル単位でＺ方向に往復微動させる。また、必要に応じて、粗動制御部８１を介して各粗動駆動機構３１，３２，３３を制御して、微細加工用工具５をミリメートル単位でＸ，Ｙ，Ｚ方向に粗動させる。
【００４５】
〔工作機械の動作〕
次に、工作機械１の動作として、微細加工物の製造動作を説明する。
図５は、微細加工物の製造動作を示すフローチャートである。なお、以下の動作の説明において、微細加工用工具５を工具５と、工作機械用アタッチメント６をアタッチメント６と省略して説明する。
【００４６】
まず、コントローラ８の加工制御部８３２は、図５に示すように、アタッチメント６へ交換されたことを認識すると（ステップＳ１）、アタッチメント６とコントローラ８とを制御可能に接続（サーボオン）して（ステップＳ２）、両者の接続が解除されている旨の設定をオフ（サーボデリートオフ）にする（ステップＳ３）。
次に、加工制御部８３２は、工具取付部４１５を基準位置へ移動させ、Ｘ，Ｙテーブル６１２，６２１の原点（リニア原点）を確立する（ステップＳ４）。具体的には、各微動原点センサ６４，６５，６６からＸ，Ｙテーブル６１２，６２１、Ｚ移動子６３８の位置に関する信号を取得する。そして、この信号に基づいて、各微動駆動機構６１，６２，６３を制御して、Ｘ，Ｙテーブル６１２，６２１、Ｚ移動子６３８を±Ｘ，Ｙ，Ｚ方向へ移動させることで、工具取付部４１５を基準位置に位置させる。
【００４７】
次に、加工制御部８３２は、各粗動駆動機構３１，３２，３３と、各微動駆動機構６１，６２，６３との座標を関連付けて（第２座標系を設定して）（ステップＳ５）、工具５を最初に加工するワークＷの最初の加工位置の上方（ワーク原点）へ移動させる（ステップＳ６）。そして、工具５を例えば回転駆動させる（ステップＳ７）。
そして、加工制御部８３２は、例えば工具５を粗動させて加工位置まで移動させ（ステップＳ８）、±Ｘ，Ｙ方向へ微動、あるいは±Ｚ方向へ往復微動させることで加工位置を微細加工する（ステップＳ９）。
以上の工程により、微細加工物が製造される。
【００４８】
〔第１実施形態の作用効果〕
以上の第１実施形態の工作機械１によれば、以下の作用効果が期待できる。
【００４９】
（１）工作機械１に着脱可能に取り付けられる工作機械用アタッチメント６に、微細加工用工具５をワークＷに対してＸ，Ｙ，Ｚ方向に微動させる各微動駆動機構６１，６２，６３を設けている。そして、Ｚ微動駆動機構６３により、微細加工用工具５を±Ｚ方向へ往復微動させつつワークＷの微細加工を実施する。
このため、微細加工用工具５を±Ｚ方向に往復微動させることでワークＷを微細加工するので、微細加工用工具５をＺ方向に粗動させてワークＷを微細加工する構成と比べてイナーシャを小さくすることができ、ワークＷの微細加工を高精度に実現できる。また、工作機械１に、大型加工用工具２または工作機械用アタッチメント６を選択的に取り付けることができるので、加工形状に応じてワークＷを高精度に加工できる。そして、従来ある工作機械１に工作機械用アタッチメント６を取り付けることができ、工作機械用アタッチメント６の利用拡大を容易に図ることができる。
【００５０】
（２）Ｚ微動駆動機構６３を、Ｚ方向へ往復可能なＺ移動子６３８と、このＺ移動子６３８に固定された磁石６３７と、Ｚ移動子６３８および磁石６３７を覆い、通電によりＺ移動子６３８および磁石６３７をＺ方向へ往復させる力を発生させる上，下コイル６３５，６３６と、で構成している。
このため、上，下コイル６３５，６３６への通電状態によりＺ移動子６３８が微動する単位を調節することができ、目的に応じた高精度な微細加工を実現できる。
【００５１】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、図１の工作機械１に着脱可能に設けられる工作機械用アタッチメントについて説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については、同一符号を付し説明を省略あるいは簡略化する。
図６は、第２実施形態に係る工作機械用アタッチメントの概略構成を示す側面図、図７は、図６に示す工作機械用アタッチメントから非回転部材を取り外したところを示す部分拡大図、図８は、図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。
【００５２】
〔工作機械用アタッチメントの構成〕
図６に示すように、工作機械用アタッチメント６Ａは、Ｚ微動駆動機構１０００のみが第１実施形態の工作機械用アタッチメント６と異なる構成を有している。
【００５３】
Ｚ微動駆動機構１０００は、刃具１０５０を±Ｚ方向に例えばナノメートル単位で往復微動させる。このＺ微動駆動機構１０００は、図６〜図８に示すように、回転駆動部１０１０と、回転部材１０２０と、非回転部材１０３０と、保持部材１０４０を備えている。非回転部材１０３０は、回転部材１０２０の微細加工用工具としての刃具１０５０側の一部と、保持部材１０４０の回転駆動部１０１０側の一部を覆っている。
【００５４】
回転駆動部１０１０は、回転部材１０２０を保持するとともに、矢印Ｒ１の向きに回転させる。
回転部材１０２０の刃具１０５０側の端部には、後述する第１冠歯車１０６０が装着されている。また、回転部材１０２０には、中心部に管路１０２１が形成されている。この管路１０２１に連通するように、管路１０２１の内径よりも拡径された接続孔１０２２が形成されている。管路１０２１には、図示しないエア源から供給される圧縮空気ＣＡが供給される。さらに、回転部材１０２０は、中空円筒状の非回転部材１０３０の内周面に軸受１０２３を介して回転自在に保持されている。
第１冠歯車１０６０は、基準ピッチ円すい角が９０°のかさ歯車であり、そのピッチ面は平面である。第１冠歯車１０６０は、歯が形成されている端部を刃具１０５０側にして、回転部材１０２０に固定されている。また、第１冠歯車１０６０の回転軸部分には、上記の接続孔１０２２と連通する空孔が形成されている。
【００５５】
非回転部材１０３０は、円筒状の部材からなり、内部に収容孔１０３１を備えている。また、非回転部材１０３０には、Ｙテーブル６２１側の側面に当該Ｙテーブル６２１側に向かって突出するように固定された回り止めピン１０３２を備えている。この回り止めピン１０３２は、回転部材１０２０が回転駆動部１０１０に回転可能に装着されることにより、Ｙテーブル６２１のテーブル嵌合穴６２１Ａに挿入される。この回り止めピン１０３２がテーブル嵌合穴６２１Ａに挿入されることにより、非回転部材１０３０は回転部材１０２０の回転に関わらず回転が規制される。
保持部材１０４０も円筒状の部材からなり、内部に収容孔１０４１を備えている。この収容孔１０４１に、エアモータ１０７０が挿入されている。エアモータ１０７０は、保持部材１０４０に固定されている。保持部材１０４０の外周には、ばね受け部材１０８０が内周面を保持部材１０４０の外周面に嵌合して固定されている。このばね受け部材１０８０に、第２冠歯車１０９０がさらに嵌合している。
第２冠歯車１０９０は、第１冠歯車１０６０と同様の基準ピッチ円すい角が９０°のかさ歯車である。第２冠歯車１０９０のピッチ面も、第１冠歯車１０６０の場合と同じく平面である。第２冠歯車１０９０は、歯が形成されている端部を回転駆動部１０１０側にして、反対側の端部をばね受け部材１０８０に固着させて、ばね受け部材１０８０と一体化している。
第２冠歯車１０９０とばね受け部材１０８０は、非回転部材１０３０の収容孔１０３１に収容される。ばね受け部材１０８０は、収容孔１０３１に収容された時に、当該ばね受け部材１０８０と非回転部材１０３０のフランジ１０３３との間に配置されるコイルスプリング１１００の付勢力を受け止める。
【００５６】
ばね受け部材１０８０の外周面には、少なくとも一のキー溝１０８１が軸方向に沿って形成されている。また、非回転部材１０３０の収容孔１０３１の内周面には、すべり摩擦を低減するための玉を備えたキー１０３４が、軸方向に沿って固定されている。このキー１０３４がキー溝１０８１に嵌合すると、保持部材１０４０は、キー１０３４に備えられた玉により点接触状態で非回転部材１０３０に保持される。これにより、保持部材１０４０は、回転部材１０２０に対して図６および図８に示す回転軸方向Ａ１およびＡ２に移動自在となり、かつ、非回転部材１０３０に対して回転が規制される。したがって、回転部材１０２０が回転しても、保持部材１０４０は非回転部材１０３０に嵌合したままであり、回転することはない。
保持部材１０４０の刃具１０５０側の端部には、収容孔１０４１と連通するように支持孔１０４２が形成されている。この支持孔１０４２は、保持部材１０４０の刃具１０５０側端部で開口している。支持孔１０４２の内周には、軸受１０４３を介してエアモータ１０７０の駆動軸１０７１が回転自在に支持されている。エアモータ１０７０は、回転駆動部１０１０側に接続管１０７２を備え、この接続管１０７２は、第１冠歯車１０６０の空孔を貫通して回転部材１０２０の接続孔１０２２に嵌合しており、接続管１０７２が接続孔１０２２内を軸方向に移動可能となっている。また、接続管１０７２と接続孔１０２２との間には、Ｏリング１０７３が設けられており、このＯリング１０７３は接続管１０７２と接続孔１０２２との間をシールしている。
エアモータ１０７０は、管路１０２１を通じて供給される圧縮空気ＣＡの圧力に応じた回転数で駆動軸１０７１を駆動する。駆動軸１０７１の先端には、チャッキング部材１１１０が設けられており、このチャッキング部材１１１０にドリル等の刃具１０５０が着脱される。
【００５７】
楕円歯車１１２０は、環状のキャリア１１３０の外周面に所定枚数、回転軸１１２１によって回転自在に支持されている。キャリア１１３０は、非回転部材１０３０の収容孔１０３１内において、保持部材１０４０の回転駆動部１０１０側先端部で、回転駆動部１０１０の回転軸まわりに回転自在、かつ、回転軸方向Ａ３およびＡ４の向きに移動自在に設置されている。楕円歯車１１２０は、非回転部材１０３０の内周面とキャリア１１３０の外周面との間に配置され、第１冠歯車１０６０と第２冠歯車１０９０に噛合する。
前述のように、ばね受け部材１０８０と非回転部材１０３０のフランジ１０３３との間には、コイルスプリング１１００が配置されており、ばね受け部材１０８０と非回転部材１０３０を互いに離隔する方向に付勢力が作用している。コイルスプリング１１００の付勢力により、ばね受け部材１０８０と一体化された保持部材１０４０および第２冠歯車１０９０は回転駆動部１０１０方向に押し付けられる。これにより楕円歯車１１２０を第１冠歯車１０６０と第２冠歯車１０９０で挟み込んだ歯車機構が構成され、回転部材１０２０が回転することにより保持部材１０４０が往復運動する。非回転部材１０３０は、ワーク加工時に発生する切り粉等の異物がこのギヤ機構部に侵入することを防ぐカバーの機能も果たしている。楕円歯車１１２０の形状や第１冠歯車１０６０および第２冠歯車１０９０の歯数等は実施例に応じて適宜定めればよいが、本実施形態では、回転部材１０２０の一回転毎に保持部材１０４０が回転軸方向Ａ１およびＡ２に２往復するようになっている。
【００５８】
〔工作機械用アタッチメントの動作〕
次に、工作機械用アタッチメント６Ａの動作の一例について説明する。なお、Ｘ，Ｙ方向への微動については第１実施形態と同様の動作なので、ここでは、Ｚ方向への往復微動のみについて説明する。
図９は、楕円歯車と第２冠歯車との関係が保持部材を回転部材に対して最上点に位置させる関係に変化した状態を示す図、図１０は、図９のX−X線に沿った断面図、図１１は、保持部材の最下点から最上点への位置の変化の際の楕円歯車、第１冠歯車および第２冠歯車の動作をさらに詳細に説明するための図である。
【００５９】
まず、図８に示すように、刃具１０５０をＺ方向に往復微動させる際には、エア源から所望の圧力に調整された圧縮空気ＣＡを回転部材１０２０の管路１０２１に供給する。管路１０２１を通じて、エアモータ１０７０には圧縮空気ＣＡが供給され、駆動軸１０７１が回転する。これによって、刃具１０５０は、図６〜図８に示す矢印Ｒ２の向きに、たとえば、数万ｍｉｎ−１で回転する。
一方、図６および図７に示すように、回転駆動部１０１０の駆動により回転部材１０２０を矢印Ｒ１の向きに回転させる。回転部材１０２０の回転は、第１冠歯車１０６０を介して楕円歯車１１２０の回転に変換される。楕円歯車１１２０は、ばね受け部材１０８０を楕円歯車１１２０に押し付けるコイルスプリング１１００の付勢力により、第１冠歯車１０６０および第２冠歯車１０９０と噛合したまま、回転軸１１２１まわりに回転しつつ、キャリア１１３０の回転軸を中心にした円周方向の遊星運動も行う。その際に、楕円歯車１１２０は、その長軸と短軸の長さの違いにより、図８に示す回転軸方向Ａ３およびＡ４の向きにも往復運動する。それゆえ、楕円歯車１１２０と噛合している第２冠歯車１０９０とともに、保持部材１０４０および刃具１０５０も回転軸方向Ａ１およびＡ２の向きに往復運動する。ただし、保持部材１０４０は非回転部材１０３０に対して回転が規制されているので、回転軸方向にのみ往復運動する。
【００６０】
たとえば、図７に示す状態において、楕円歯車１１２０と第２冠歯車１０９０との関係が、保持部材１０４０を回転部材１０２０に対して最下点に位置させる関係にあるとする。
図９に示すように、刃具１０５０が最下点から数ナノメートルのストロークＳＴ１だけ上昇すると、Ｚ微動駆動機構１０００の内部では、図１０に示すように保持部材１０４０およびエアモータ１０７０も回転部材１０２０に向かって移動する。このとき、楕円歯車１１２０は、第１冠歯車１０６０の矢印Ｒ１への回転により、図１１（Ａ）に示されている位置から図１１（Ｂ）に示されている位置へ移動している。その際、第１冠歯車１０６０は回転軸方向へは移動せず、一方、第２冠歯車１０９０は回転軸方向へは移動自在であるが、回転軸まわりには回転しない。また、コイルスプリング１１００の付勢力ＳＰにより、楕円歯車１１２０と第１冠歯車１０６０および第２冠歯車１０９０との噛合は常に保たれる。さらに、前述のように、楕円歯車１１２０を支持しているキャリア１１３０は、回転軸方向に移動自在である。したがって、第１冠歯車１０６０の矢印Ｒ１への回転にともなって、楕円歯車１１２０は、回転軸１１２１まわりに回転しつつ第２冠歯車１０９０の円周方向への遊星運動を行なって、図１１（Ａ）の位置から図１１（Ｂ）の位置へ移動する。また、第１冠歯車１０６０の回転軸方向へも、数ナノメートルのストロークＳＴ２分だけ移動する。
回転部材１０２０が連続的に回転すると、刃具１０５０はストロークＳＴ１の往復運動を繰り返す。楕円歯車１１２０、第１冠歯車１０６０、第２冠歯車１０９０の形状や歯数等は、ストロークＳＴ１の往復運動が回転部材１０２０の１回転あたり２回発生するように形成されているため、たとえば、回転部材１０２０の回転数が１０００ｍｉｎ−１である場合には、刃具１０５０は１分間あたり２０００往復する。
【００６１】
〔第２実施形態の作用効果〕
以上の第２実施形態の工作機械用アタッチメント６Ａによれば、第１実施形態の（１）と同様の作用効果が期待できる。
【００６２】
［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。
【００６３】
すなわち、図１２に示すような工作機械用アタッチメント６Ｂとしてもよい。この工作機械用アタッチメント６Ｂは、第１実施形態の工作機械用アタッチメント６のＹテーブル６２１とＺ微動駆動機構６３との間に回転駆動部６７を設けたものである。この回転駆動部６７は、Ｚ微動駆動機構６３を矢印Ｒ１の向きに回転させる。そして、コントローラ８は、微細加工用工具５をＺ微動駆動機構６３により往復微動させるとともに回転駆動部６７により回転させて、ワークＷを微細加工する。
【００６４】
また、工具取付部４１５として、いわゆるドローバを適用してもよい。
さらに、第１実施形態において、例えば上コイル６３５のみを設け、この上コイル６３５に流れる電流の方向を切り替えることでＺ移動子６３８を往復微動させてもよい。
そして、工作機械用アタッチメント６の構成として、主軸４側からＸ，Ｙ，Ｚ微動駆動機構６１，６２，６３の順序で配置したものを適用したが、異なる順序で配置してもよい。
さらに、本発明の工作機械用アタッチメントを例えば特開２００４−３４１６８号公報に記載の５軸制御機械に適用してもよい。
【００６５】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などに適宜変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、ワークを加工する工作機械に取り付けられる工作機械用アタッチメントに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る工作機械の概略構成を示す斜視図。
【図２】工作機械用アタッチメントの概略構成を示す側面図。
【図３】工作機械用アタッチメントの概略構成を示す斜視図。
【図４】コントローラの概略構成を示すブロック図。
【図５】微細加工物の製造動作を示すフローチャート。
【図６】本発明の第２実施形態に係る工作機械用アタッチメントの概略構成を示す側面図。
【図７】図６に示す工作機械用アタッチメントから非回転部材を取り外したところを示す部分拡大図。
【図８】図７のVIII−VIII線に沿った断面図。
【図９】楕円歯車と第２冠歯車との関係が保持部材を回転部材に対して最上点に位置させる関係に変化した状態を示す図。
【図１０】図９のX−X線に沿った断面図。
【図１１】保持部材の最下点から最上点への位置の変化の際の楕円歯車、第１冠歯車および第２冠歯車の動作をさらに詳細に説明するための図。
【図１２】本発明の変形例に係る工作機械用アタッチメントの概略構成を示す側面図。
【符号の説明】
【００６８】
１…工作機械
２…大型加工用工具
３…粗動駆動部
５…微細加工用工具
６，６Ａ，６Ｂ…工作機械用アタッチメント
７…保持交換部
６１…微動駆動部を構成するＸ微動駆動機構
６２…微動駆動部を構成するＹ微動駆動機構
６３，１０００…微動駆動部を構成するＺ微動駆動機構
６１１Ｄ…アタッチメント側取付部
６３５，６３６…上，下コイル
６３７…磁性体としての磁石
６３８…Ｚ移動子
６３９…微細加工用工具取付部
１０５０…微細加工用工具としての刃具
Ｗ…ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを大型加工する大型加工用工具を前記ワークに対して相対的に粗動させる粗動駆動部を備えた工作機械に取り付けられる工作機械用アタッチメントであって、
前記ワークを微細加工する微細加工用工具が取り付けられる微細加工用工具取付部と、
この微細加工用工具取付部を前記ワークに対して相対的に微動させる微動駆動部と、
この微動駆動部に設けられ前記粗動駆動部に着脱可能に取り付けられるアタッチメント側取付部と、を備え、
前記微動駆動部は、前記微細加工用工具取付部を前記ワークに対して接離するＺ方向へ微動させるＺ微動駆動機構と、前記Ｚ方向と直交するＹ方向へ微動させるＹ微動駆動機構と、前記Ｚ方向および前記Ｙ方向と直交するＸ方向へ微動させるＸ微動駆動機構と、を備え、
前記Ｚ微動駆動機構は、前記Ｚ方向へ往復駆動して前記微細加工用工具取付部を微動させることを特徴とする工作機械用アタッチメント。
【請求項２】
請求項１に記載の工作機械用アタッチメントにおいて、
前記Ｚ微動駆動機構は、
前記Ｚ方向へ往復可能なＺ移動子と、
このＺ移動子に固定された磁性体と、
前記Ｚ移動子および前記磁性体を覆い、通電により前記Ｚ移動子および前記磁性体を前記Ｚ方向へ往復させる力を発生させるコイルと、を備えたことを特徴とする工作機械用アタッチメント。
【請求項１】
ワークを大型加工する大型加工用工具を前記ワークに対して相対的に粗動させる粗動駆動部を備えた工作機械に取り付けられる工作機械用アタッチメントであって、
前記ワークを微細加工する微細加工用工具が取り付けられる微細加工用工具取付部と、
この微細加工用工具取付部を前記ワークに対して相対的に微動させる微動駆動部と、
この微動駆動部に設けられ前記粗動駆動部に着脱可能に取り付けられるアタッチメント側取付部と、を備え、
前記微動駆動部は、前記微細加工用工具取付部を前記ワークに対して接離するＺ方向へ微動させるＺ微動駆動機構と、前記Ｚ方向と直交するＹ方向へ微動させるＹ微動駆動機構と、前記Ｚ方向および前記Ｙ方向と直交するＸ方向へ微動させるＸ微動駆動機構と、を備え、
前記Ｚ微動駆動機構は、前記Ｚ方向へ往復駆動して前記微細加工用工具取付部を微動させることを特徴とする工作機械用アタッチメント。
【請求項２】
請求項１に記載の工作機械用アタッチメントにおいて、
前記Ｚ微動駆動機構は、
前記Ｚ方向へ往復可能なＺ移動子と、
このＺ移動子に固定された磁性体と、
前記Ｚ移動子および前記磁性体を覆い、通電により前記Ｚ移動子および前記磁性体を前記Ｚ方向へ往復させる力を発生させるコイルと、を備えたことを特徴とする工作機械用アタッチメント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１６６２０４（Ｐ２００９−１６６２０４Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９２４６（Ｐ２００８−９２４６）
【出願日】平成２０年１月１８日（２００８．１．１８）
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１８日（２００８．１．１８）
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【Ｆターム（参考）】
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