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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-28
(45)【発行日】2022-08-05
(54)【発明の名称】工作機械の送り装置
(51)【国際特許分類】
B23Q 5/40 20060101AFI20220729BHJP
B23Q 11/00 20060101ALI20220729BHJP
B23Q 1/01 20060101ALI20220729BHJP
F16H 25/22 20060101ALI20220729BHJP
【ＦＩ】
B23Q5/40 B
B23Q11/00 A
B23Q1/01 W
F16H25/22 Z
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2019007016
(22)【出願日】2019-01-18
(65)【公開番号】P2020116648
(43)【公開日】2020-08-06
【審査請求日】2021-05-07
(73)【特許権者】
【識別番号】000154990
【氏名又は名称】株式会社牧野フライス製作所
(73)【特許権者】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100147555
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 公一
(74)【代理人】
【識別番号】100160705
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 健太郎
(74)【代理人】
【識別番号】100174942
【弁理士】
【氏名又は名称】平方 伸治
(72)【発明者】
【氏名】高野 和雅
(72)【発明者】
【氏名】梶川 真吾
(72)【発明者】
【氏名】磯▲崎▼ 泰佑
(72)【発明者】
【氏名】杉田 直彦
(72)【発明者】
【氏名】木崎 通
(72)【発明者】
【氏名】柏原 翔一
【審査官】増山 慎也
(56)【参考文献】
【文献】特開平０６－２９７２８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００７４９４６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－１０６６２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－２０１００２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０２０４３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開平０４－１１８７５８（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２０１３－０２２６７４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｑ ５／４０
Ｂ２３Ｑ １１／００
Ｂ２３Ｑ １／０１
Ｆ１６Ｈ ２５／２２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ベース部材に対して移動体が案内、送り駆動される工作機械の送り装置において、前記ベース部材と前記移動体との間に配置され、前記ベース部材に対する前記移動体の移動を案内する直動転がりガイドと、
前記ベース部材に対して前記移動体を駆動するボールねじ機構であって、
ねじ軸と、
前記ねじ軸に沿って移動するナットと、
前記ベース部材に対して固定され且つ前記ねじ軸を支持するねじ軸ホルダと、
を有する、ボールねじ機構と、
を備え、
前記ねじ軸ホルダと前記ベース部材との間に第１のＣＦＲＰ材が挟まれる、工作機械の送り装置。
【請求項2】
前記直動転がりガイドは、前記ベース部材又は前記移動体の一方に固定されたレールと、他方に固定され前記レールに沿って相対移動するキャリッジと、を有し、
前記レール又は前記キャリッジの内、前記ベース部材に固定される一方と前記ベース部材との間に第２のＣＦＲＰ材が挟まれる、請求項１に記載の工作機械の送り装置。
【請求項3】
前記ねじ軸ホルダは、前記ねじ軸に沿って離間して配置された第１及び第２の軸受ブラケットユニットを含み、前記第１のＣＦＲＰ材は、前記第１及び第２の軸受ブラケットユニットを含む範囲に敷き詰められている、請求項１に記載の工作機械の送り装置。
【請求項4】
少なくとも前記第１のＣＦＲＰ材又は前記第２のＣＦＲＰ材の一方は、各々が所定の方向に沿ったカーボン繊維を含有する複数の層を含み、前記複数の層は、前記カーボン繊維の配向が前記移動体の移動方向に対して±４５°となるように積層されている、請求項２に記載の工作機械の送り装置。
【請求項5】
前記ベース部材が、アルミニウム合金製である、請求項１に記載の工作機械の送り装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、工作機械の送り装置に関する。
【背景技術】
【0002】
工作機械の分野では、振動を低減するための様々な構造が提案されている。例えば、特許文献１は、工作機械として光走査型レーザ加工機を開示している。この工作機械は、ベッドと、ベッド上を移動するクロスビームと、クロスビーム上を移動するサドルと、サドルによって支持される加工ヘッドと、を備えている。この工作機械では、クロスビームに全体的にＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）が用いられている。このような構成によって、軽重量及び高剛性を達成しつつ、振動を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０００－２６３３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
一般的に、工作機械では、様々な振動が発生する。これらは、例えば、（１）回転する主軸のアンバランスによるもの、（２）断続的な切削力によるもの、（３）再生びびりによるもの、及び、（４）移動体が移動を開始又は停止するときにベース部材に作用する反力によるもの、等の振動を含む。（１）主軸のアンバランスによる振動では、主に、主軸が振動する。また、（２）断続的な切削力による振動では、主に、主軸及びテーブルが振動する。また、（３）再生びびりによる振動では、主に、工具が振動する。これら主軸、テーブル及び工具は、比較的重量が軽く、且つ、工作機械の末端に位置する。したがって、これらの構成要素の振動は、ベッド、コラム及びサドル等の比較的重量が重く且つ工作機械のより下方に位置する、ベース部材の低い周波数での大きな変位の振動を引き起しにくい。これに対して、（４）移動体の動作に起因してベース部材に作用する反力による振動は、その反力が転がりガイド及びボールねじを介してベース部材に対して直接的に作用し、ベース部材の低い周波数での大きな変位の振動を引き起しやすい。近年は、高速加工が頻繁に行われ、移動体は高加速度及び高減速度で移動される。したがって、このような移動体の動作に起因する反力によって、ベース部材が加振され、ワークの加工面品位が悪化する場合がある。このような問題に対処するには、ベース部材を重くして剛性を増すことが考えられる。しかしながら、これは工作機械全体の重量の増加につながり、好ましくない。また、特許文献１の工作機械のように、クロスビーム等の移動体に全体的にＣＦＲＰを用いることも考えられる。しかしながら、ＣＦＲＰでは繊維の方向以外の方向の剛性は比較的低いため、移動体に全体的にＣＦＲＰを用いることは、静剛性の低下につながり得る。
【0005】
本発明は、静剛性が高く、且つ、移動体が移動を開始又は停止するときの反力によるベース部材の振動変位を低減することができる、工作機械の送り装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一態様は、ベース部材に対して移動体が案内、送り駆動される工作機械の送り装置において、ベース部材と移動体との間に配置され、ベース部材に対する移動体の移動を案内する直動転がりガイドと、ベース部材に対して移動体を駆動するボールねじ機構であって、ねじ軸と、ねじ軸に沿って移動するナットと、ベース部材に対して固定され且つねじ軸を支持するねじ軸ホルダと、を有する、ボールねじ機構と、を備え、ねじ軸ホルダとベース部材との間に第１のＣＦＲＰ材が挟まれる、工作機械の送り装置である。
【0007】
本開示の一態様に係る工作機械の送り装置では、ボールねじ機構のねじ軸ホルダとベース部材との間にＣＦＲＰ材が挟まれる。本発明者は、当該箇所に第１のＣＦＲＰ材を挟むことによって、ベース部材又は移動体の材質を変更することなく、移動体が移動を開始又は停止するときの反力によるベース部材の振動変位を低減することができることを見出した。したがって、高い静剛性を維持しつつ、上記のようなベース部材の振動変位を低減することができる。
【0008】
前記直動転がりガイドは、前記ベース部材又は前記移動体の一方に固定されたレールと、他方に固定され前記レールに沿って相対移動するキャリッジと、を有し、前記レール又は前記キャリッジの内、前記ベース部材に固定される一方と前記ベース部材との間に第２のＣＦＲＰ材が挟まれてもよい。
【0009】
ねじ軸ホルダは、ねじ軸に沿って離間して配置された第１及び第２の軸受ブラケットユニットを含んでもよく、ＣＦＲＰ材は、第１及び第２の軸受ブラケットユニットを含む範囲に敷き詰められてもよい。この場合、第１及び第２の軸受ブラケットユニットの間に隙間なくＣＦＲＰ材が敷き詰められるため、ベース部材の振動変位がさらに低減され得る。
【0010】
ＣＦＲＰ材は、各々が所定の方向に沿ったカーボン繊維を含有する複数の層を含んでもよく、複数の層は、カーボン繊維の配向が移動体の移動方向に対して±４５°となるように積層されていてもよい。この場合、移動体の移動方向を含む平面内の全方向に対して、ＣＦＲＰ材が高い剛性を有する。
【0011】
ベース部材が、アルミニウム合金製であってもよい。この場合、ベース部材を軽量化することができる。
【発明の効果】
【0012】
本開示の一態様によれば、静剛性が高く、且つ、移動体が移動を開始又は停止するときの反力によるベース部材の振動変位を低減することができる、工作機械の送り装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】一実施形態に係る送り装置を具備する工作機械を示す正面図である。
【図4】送り装置を示す拡大側面図である。
【図5】送り装置を示す拡大正面図である。
【図7】実験結果の一例を示すグラフである。
【図8】（ａ）はアルミニウム合金の振動減衰挙動を示すグラフである。（ｂ）はＣＦＲＰの振動減衰挙動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、添付図面を参照して、実施形態に係る工作機械の送り装置を説明する。同様な又は対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。理解を容易にするために、図の縮尺は変更されている場合がある。
【0015】
図１は、一実施形態に係る送り装置を具備する工作機械を示す正面図である。また、図２及び図３は、それぞれ、図１の工作機械を示す平面図及び側面図である。図１を参照して、工作機械１００は、例えば、立形マシニングセンタであることができる。工作機械１００は、他の加工機であってもよい。工作機械１００は、ベッド１と、スライダ２と、サドル３と、ラム４と、主軸頭５と、主軸６と、テーブル７と、を備えている。工作機械１００は、他の構成要素を更に有していてもよい。
【0016】
本実施形態では、主軸６は、鉛直な軸線Ｏｓ周りに回転する。工作機械１００では、軸線Ｏｓに沿った方向がＺ軸方向（上下方向とも称され得る）である。また、図２を参照して、工作機械１００では、水平方向のうち、スライダ２、サドル３、ラム４及び主軸頭５が配列されている方向が、Ｙ軸方向（前後方向とも称され得る）である。スライダ２に対してサドル３、ラム４及び主軸頭５が在る側が前側であり、その反対の側が後側である。さらに、工作機械１００では、水平方向のうち、Ｙ軸方向と垂直な方向が、Ｘ軸方向（左右方向とも称され得る）である。
【0017】
図１を参照して、ベッド１は、土台１１と、本体部１２と、を有する。土台１１は、工場の床面等の基礎上に配置されている。本体部１２は、土台１１の上方に設けられている。本体部１２は、一対の側壁１２ａと、一対の側壁１２ａの上部に架け渡された天井壁１２ｂと、を有している。一対の側壁１２ａは、Ｘ軸方向において互いに対向するように配置されている。天井壁１２ｂは、一対の側壁１２ａの上部を連結している。
【0018】
図２を参照して、スライダ２は、ベッド１の一対の側壁１２ａの上面に跨っている。本実施形態では、スライダ２は、軽量化のために、アルミニウム合金によって形成されている。スライダ２は、送り装置ＦＳ１によって、ベッド１上をＹ軸方向に沿って駆動される。すなわち、ベッド１及びスライダ２の間の関係においては、スライダ２が、所定の方向（Ｙ軸方向）に移動する「移動体」としての役割を果たし、ベッド１が、移動体を支持する「ベース部材」としての役割を果たす。送り装置ＦＳ１は、１つ又は複数（本実施形態では一対）の直動転がりガイドＬ１と、ボールねじ機構ＢＳ１と、モータＭ１と、を有している。
【0019】
図３を参照して、直動転がりガイドＬ１は、ベッド１とスライダ２との間に配置されており、ベッド１に対するスライダ２の移動を案内する。直動転がりガイドＬ１の各々は、レールＲ１と、１つ又は複数（本実施形態では一対）のキャリッジＣ１と、を含んでいる。送り装置ＦＳ１では、レールＲ１が、「ベース部材」であるベッド１の上面に対して固定され、キャリッジＣ１が、「移動体」であるスライダ２の底面に対して固定されている。
【0020】
図２を参照して、ボールねじ機構ＢＳ１は、ベッド１に対してスライダ２を駆動する。ボールねじ機構ＢＳ１は、ねじ軸Ｓ１と、ナットＮ１と、ねじ軸ホルダＢ１と、を含んでいる。ねじ軸Ｓ１は、その中心軸線がＹ軸方向に沿うように配置されている。ねじ軸ホルダＢ１は、ねじ軸Ｓ１に沿って離間して配置された第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ１ａを含んでいる（図では、一方の軸受ブラケットユニットＢ１ａのみ図示）。各軸受ブラケットユニットＢ１ａは、１つ又は複数の転がり軸受と、当該転がり軸受を支持するブラケットと、を含んでいる。第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ１ａは、例えば、ねじ軸Ｓ１の両端を支持することができる。ねじ軸ホルダＢ１は、ベッド１の天井壁１２ｂに対して固定されている。なお、他の実施形態では、ねじ軸ホルダＢ１は、１つのみの軸受ブラケットユニットＢ１ａを含んでもよい（例えば、ねじ軸Ｓ１が片持ちで支持されてもよい）。
【0021】
ナットＮ１は、ねじ軸Ｓ１に沿って移動する。ナットＮ１は、スライダ２の底面に対して固定されている。モータＭ１は、ねじ軸Ｓ１の一方の端部に連結されている。ナットＮ１及びスライダ２は、モータＭ１によってねじ軸Ｓ１が回転されるにつれて、Ｙ軸方向に沿って移動する。スライダ２のＹ軸方向の送りは、ＮＣ装置（不図示）によって制御される。
【0022】
サドル３は、スライダ２の前面に取り付けられている。サドル３は、送り装置ＦＳ２によって、スライダ２上をＸ軸方向に沿って駆動される。すなわち、スライダ２及びサドル３の間の関係においては、スライダ２が、「ベース部材」としての役割を果たし、サドル３が、「移動体」としての役割を果たす。送り装置ＦＳ２は、１つ又は複数（本実施形態では一対）の直動転がりガイドＬ２と、ボールねじ機構ＢＳ２と、モータＭ２と、を有している。
【0023】
直動転がりガイドＬ２は、スライダ２とサドル３との間に配置されており、スライダ２に対するサドル３の移動を案内する。直動転がりガイドＬ２の各々は、レールＲ２と、１つ又は複数（本実施形態では一対）のキャリッジＣ２と、を含んでいる。送り装置ＦＳ２では、レールＲ２が、「ベース部材」であるスライダ２の前面に対して固定されており、キャリッジＣ２が、「移動体」であるサドル３の後面に対して固定されている。
【0024】
ボールねじ機構ＢＳ２は、スライダ２に対してサドル３を駆動する。ボールねじ機構ＢＳ２は、ねじ軸Ｓ２と、ナットＮ２と、ねじ軸ホルダＢ２と、を含んでいる。ねじ軸Ｓ２は、Ｘ軸方向に沿うように配置されている。ねじ軸ホルダＢ２は、ねじ軸Ｓ２に沿って離間して配置された第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ２ａを含んでいる（図５参照）。各軸受ブラケットユニットＢ２ａは、１つ又は複数の転がり軸受と、当該転がり軸受を支持するブラケットと、を含んでいる。第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ２ａは、例えば、ねじ軸Ｓ２の両端を支持することができる。ねじ軸ホルダＢ２は、スライダ２の前面に対して固定されている。他の実施形態では、ねじ軸ホルダＢ２は、１つのみの軸受ブラケットユニットＢ２ａを含んでもよい（例えば、ねじ軸Ｓ２が片持ちで支持されてもよい）。
【0025】
図２を参照して、ナットＮ２は、ねじ軸Ｓ２に沿って移動する。ナットＮ２は、サドル３の後面に対して固定されている。モータＭ２は、ねじ軸Ｓ２の一方の端部に連結されている。ナットＮ２及びサドル３は、モータＭ２によってねじ軸Ｓ２が回転されるにつれて、Ｘ軸方向に沿って移動する。サドル３のＸ軸方向の送りは、ＮＣ装置によって制御される。
【0026】
図３を参照して、ラム４は、サドル３の前面に取り付けられている。ラム４は、送り装置ＦＳ３によって、サドル３上をＺ軸方向に沿って駆動される。すなわち、サドル３及びラム４の間の関係においては、サドル３が、「ベース部材」としての役割を果たし、ラム４が、「移動体」としての役割を果たす。送り装置ＦＳ３は、１つ又は複数（本実施形態では一対）の直動転がりガイドＬ３と、ボールねじ機構ＢＳ３と、モータＭ３と、を有している。
【0027】
直動転がりガイドＬ３は、サドル３とラム４との間に配置されており、サドル３に対するラム４の移動を案内する。直動転がりガイドＬ３の各々は、レールＲ３と、１つ又は複数（本実施形態では一対）のキャリッジＣ３と、を含んでいる。上記の送り装置ＦＳ１，ＦＳ２では、レールＲ１，Ｒ２が「ベース部材」に対して固定され、キャリッジＣ１，Ｃ２が「移動体」に対して固定されている一方で、送り装置ＦＳ３では、レールＲ３が「移動体」であるラム４の後面に対して固定されており、キャリッジＣ３が「ベース部材」であるサドル３の前面に対して固定されている。
【0028】
ボールねじ機構ＢＳ３は、サドル３に対してラム４を駆動する。ボールねじ機構ＢＳ３は、Ｚ軸方向に沿うように配置されたねじ軸（不図示）と、ラム４に対して固定されたナット（不図示）と、ねじ軸ホルダＢ３と、を含むことができる。ねじ軸ホルダＢ３は、ねじ軸に沿って離間して配置された第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ３ａを含んでいる（図では、一方の軸受ブラケットユニットＢ３ａのみ図示）。各軸受ブラケットユニットＢ３ａは、１つ又は複数の転がり軸受と、当該転がり軸受を支持するブラケットと、を含んでいる。第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ３ａは、例えば、ねじ軸の両端を支持することができる。ねじ軸ホルダＢ３は、サドル３の前面に対して固定されている。他の実施形態では、ねじ軸ホルダＢ３は、１つのみの軸受ブラケットユニットＢ３ａを含んでもよい（例えば、ねじ軸が片持ちで支持されてもよい）。モータＭ３は、ねじ軸の一方の端部に連結されている。
【0029】
ボールねじ機構ＢＳ３のナットは、上記のボールねじ機構ＢＳ１，ＢＳ２のナットＮ１，Ｎ２と同様に構成されることができ、これによって、ナット及びラム４が、モータＭ３によってねじ軸が回転されるにつれて、Ｚ軸方向に沿って移動することができる。ラム４のＺ軸方向の送りは、ＮＣ装置によって制御される。
【0030】
次に、上記の工作機械１００のうち、スライダ２とサドル３との間の送り装置ＦＳ２について詳細に説明する。
【0031】
図４及び図５は、それぞれ、送り装置ＦＳ２を示す拡大側面図及び拡大正面図である。なお、図４及び図５では、理解し易いように、いくつかの構成要素（例えば、サドル３及びナットＮ２等）が省略されていることに留意されたい。図５に示されるように、送り装置ＦＳ２では、ねじ軸ホルダＢ２と、スライダ２との間に、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）材５０が挟まれている。
【0032】
ＣＦＲＰ材５０は、第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ２ａを含む範囲に敷き詰められている。具体的には、図５では、ＣＦＲＰ材５０は、１枚の板であり、スライダ２の前面の略全体を覆うことができるサイズを有している。これによって、第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ２ａの間には、隙間なくＣＦＲＰ材５０が敷き詰められている。代替的に、図５のＣＦＲＰ材５０は、複数の板に分割されていてもよい。さらに代替的に、図６に示されるように、ＣＦＲＰ材５０は、第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ２ａのそれぞれの直下にのみ配置されてもよい。この場合、第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ２ａの間には、ＣＦＲＰ材が配置されていないスペースが存在する。
【0033】
図５を参照して、ＣＦＲＰ材５０は、複数の層を含んでいる。各層は、所定の方向に沿ったカーボン繊維を含有している。具体的には、複数の層は、カーボン繊維の配向５１がサドル３の移動方向（Ｘ軸方向）に対して±４５°となるように、積層されている。ＣＦＲＰ材５０は、例えば、複数のボルト５２によって、スライダ２に対して固定されることができる。ねじ軸ホルダＢ２は、複数のボルト５３によって、ＣＦＲＰ材５０と共にスライダ２に対して固定されることができる。スライダ２とＣＦＲＰ材５０との間、及び、ＣＦＲＰ材５０とねじ軸ホルダＢ２との間には、接着剤がさらに使用されてもよい。ＣＦＲＰ材５０の各種仕様（例えば、厚さ、ヤング率等の弾性率、引張強さ等の強度、マトリクス樹脂の種類、炭素繊維の種類、及び、炭素繊維含有量等）は、例えばＣＦＲＰ材５０にかかる荷重等の様々な要因を考慮して適宜決定され得る。これらの仕様は、例えば機械の送り軸設計仕様に合わせて静剛性を下げ過ぎない厚さ（例えば、１～５ｍｍ）、特定方向の減衰性の高い配向（例えば０°、９０°）、ヤング率の高い熱硬化性樹脂とすることができる。
【0034】
図４を参照して、送り装置ＦＳ２では、直動転がりガイドＬ２とスライダ２との間にも、ＣＦＲＰ材６０が挟まれている。具体的には、送り装置ＦＳ２では、レールＲ２とスライダ２との間に、ＣＦＲＰ材６０が挟まれている。ＣＦＲＰ材６０は、例えば、一枚の板であることができ、レールＲ２の略全長に亘るサイズを有することができる。代替的に、ＣＦＲＰ材６０は、複数の板に分割されていてもよい。ＣＦＲＰ材６０は、上記のＣＦＲＰ材５０と同様に、複数の層を含んでおり、これら複数の層は、ＣＦＲＰ材６０のカーボン繊維の配向がサドル３の移動方向（Ｘ軸方向）に対して±４５°となるように、積層されている。
【0035】
図５を参照して、レールＲ２は、例えば、複数のボルト５４によって、ＣＦＲＰ材６０（図５において不図示）と共にスライダ２に対して固定されることができる。スライダ２とＣＦＲＰ材６０との間、及び、ＣＦＲＰ材６０とレールＲ２との間には、接着剤がさらに使用されてもよい。ＣＦＲＰ材６０の各種仕様は、例えば、ＣＦＲＰ材６０にかかる荷重等の様々な要因を考慮して適宜決定され得、例えば、ＣＦＲＰ材５０と同様であることができる。
【0036】
次に、サドル３が移動を開始又は停止するときにスライダ２に作用する反力について説明する。
【0037】
図６は、図５中のVI-VI矢視断面図である。なお、図６では、理解し易いように、いくつかの構成要素（例えば、モータＭ２等）が省略されていることに留意されたい。図６は、サドル３が右側への移動を停止するときの状態を示している。この状態では、慣性によりサドル３には、サドル３を時計回りに回転させるようにモーメントが作用する。したがって、右側のキャリッジＣ２には、下向きの力Ｆ１が作用し、スライダ２には、逆向きの反力ＲＦ１が作用する。また、左側のキャリッジＣ２には、上向きの力Ｆ２が作用し、スライダ２には、逆向きの反力ＲＦ２が作用する。第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ２ａには、それぞれ、サドル３からナットＮ２及びねじ軸Ｓ２を介して慣性力Ｆ３，Ｆ４が作用し、スライダ２には、逆向きの反力ＲＦ３，ＲＦ４が作用する。以上のような反力ＲＦ１，ＲＦ２，ＲＦ３，ＲＦ４は、スライダ２の振動を発生し得る。特に、反力ＲＦ３，ＲＦ４は、ボールねじ機構ＢＳ２を介してスライダ２に対してＸ軸方向に直接的に作用し、スライダ２の低い周波数での大きな変位の振動を引き起しやすい。なお、サドル３が右側への移動を開始するときの状態では、スライダ２に上記の反力ＲＦ１，ＲＦ２，ＲＦ３，ＲＦ４と逆向きの反力が作用することが理解可能であろう。
【0038】
上記のように、以上のような反力は、サドル３がＸ軸方向の移動を開始又は停止するときに、スライダ２に作用する。このような反力に起因するスライダ２の振動は、主軸６に取り付けられた工具がワークと接触していない早送りや空切削の場合には、ワークの加工面品位に影響しない。しかしながら、いくつかの加工においては、主軸６に取り付けられた工具がワークと接触しているときに、サドル３がＸ軸方向の移動を開始又は停止する場合がある（例えば、エンドミルによるＸ軸及びＹ軸方向の移動を含むコーナー加工、並びに、ボールエンドミルによるＸ軸及びＺ軸方向の移動を含み、Ｙ軸方向のピックフィードを繰り返すスキャン加工等）。このような場合、反力に起因するスライダ２の振動は、ワークの加工面品位に影響し得る。
【0039】
本発明者は、このような問題に対処するために、ねじ軸ホルダＢ２とスライダ２との間にＣＦＲＰ材５０が挿入され、且つ、レールＲ２とスライダ２との間にＣＦＲＰ材６０が挿入されている場合、上記のような反力ＲＦ１，ＲＦ２，ＲＦ３，ＲＦ４によるスライダ２の振動がＣＦＲＰ材５０，６０によって低減可能であることを見出した。
【0040】
具体的には、本発明者は、上記のような工作機械１００において、図６に示されるようにサドル３のＸ軸方向の移動を停止させた場合、工作機械１００は、その構造全体がＸ軸方向に低周波数（一例では、約３０Ｈｚ）で振動するモードを有することを見出した。このモードについて調べるために、工作機械１００において、加振試験を行った。具体的には、主軸６に取り付けられた工具に加速度センサを設置し、工具の先端をＸ軸方向に加振した。試験は、ＣＦＲＰ材５０，６０が設けられている条件と、ＣＦＲＰ材５０，６０が設けられていない条件と、について実施された。
【0041】
図７は、実験結果の一例を示すグラフである。横軸は周波数を示し、縦軸は振幅を示している。図７に示されるように、ＣＦＲＰ材５０，６０が設けられている条件Ｃｎ１及びＣＦＲＰ材５０，６０が設けられていない条件Ｃｎ２の各々が、約３０Ｈｚに大きなピークを有することがわかる。図７に示されるように、条件Ｃｎ１のピークは、ＣＦＲＰ材５０，６０の存在によって、条件Ｃｎ２のピークから低減されていることがわかる。この結果からも、ＣＦＲＰ材５０，６０によって、問題としている振動変位を低減可能であることがわかる。尚、主軸６とテーブル７との間にＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の静荷重を与えて、主軸６の変位を測定した結果、ＣＦＲＰ材５０，６０の有無による差は認められず、共に静剛性に問題のないことが確認できている。
【0042】
以上のように、実施形態に係る工作機械１００の送り装置ＦＳ２では、ボールねじ機構ＢＳ２のねじ軸ホルダＢ２と、スライダ２との間に、ＣＦＲＰ材５０が挟まれている。上記のように、本発明者は、当該箇所にＣＦＲＰ材５０を挟むことによって、スライダ２又はサドル３の材質を変更することなく、サドル３がＸ軸方向の移動を開始又は停止するときの反力ＲＦ１，ＲＦ２，ＲＦ３，ＲＦ４によるスライダ２の振動変位を低減可能であることを見出した。したがって、高い静剛性を維持しつつ、スライダ２の振動変位を低減することができる。
【0043】
また、送り装置ＦＳ２では、直動転がりガイドＬ２のレールＲ２とスライダ２との間に、ＣＦＲＰ材６０が挟まれている。したがって、スライダ２の振動変位がさらに低減され得る。
【0044】
また、送り装置ＦＳ２では、ねじ軸ホルダＢ２は、ねじ軸Ｓ２に沿って離間して配置された第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ２ａを含んでおり、図５の形態では、ＣＦＲＰ材５０は、第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ２ａを含む範囲に敷き詰められている。したがって、第１及び第２の軸受ブラケットユニットＢ２ａの間に隙間なくＣＦＲＰ材が敷き詰められ、スライダ２の振動変位がさらに低減され得る。
【0045】
また、送り装置ＦＳ２では、ＣＦＲＰ材５０は、各々が所定の方向に沿ったカーボン繊維を含有する複数の層を含んでおり、複数の層は、カーボン繊維の配向５１がサドル３の移動方向（Ｘ軸方向）に対して±４５°となるように、積層されている。したがって、サドル３の移動方向を含むＸＺ平面内の全方向に対して、ＣＦＲＰ材５０が高い剛性を有する。
【0046】
また、送り装置ＦＳ２では、スライダ２が、アルミニウム合金製である。したがって、スライダ２、ひいては工作機械１００全体を軽量化することができる。従来は、振動を低減するために、ベース部材であるスライダ２を重い鉄鋳物で製作することが一般的であったが、ＣＦＲＰ材５０，６０を挟むことによって振動が低減でき、ベース部材を重くする必要がなくなった。そして、ヤング率が鉄鋳物よりやや劣るものの、アルミニウム合金等の軽量金属材料を使うことができるようになった。
【0047】
ＣＦＲＰは、軽量・高剛性な材料であるため、構造体の固有振動数を高くすることができる。アルミニウム合金とＣＦＲＰの振動減衰挙動を図８の（ａ）と（ｂ）にそれぞれ示す。減衰挙動の周期は固有振動数に依存するため、高い固有振動数を有する材料は、振動減衰性能も高くなる。したがって、ＣＦＲＰ材を挟んだ移動体では、発進、停止時の慣性力による振動が抑制される。
【0048】
工作機械の送り装置の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。当業者であれば、上記の実施形態の様々な変形が可能であることを理解するだろう。また、当業者であれば、１つの実施形態に含まれる特徴は、矛盾が生じない限り、他の実施形態に組み込むことができる、又は、他の実施形態に含まれる特徴と交換可能であることを理解するだろう。
【0049】
例えば、上記の実施形態では、ＣＦＲＰ材５０，６０が、送り装置ＦＳ２にのみ用いられている。しかしながら、他の実施形態では、代替的に又は追加的に、ＣＦＲＰ材が、送り装置ＦＳ１及び／又は送り装置ＦＳ３に用いられてもよい。
【0050】
具体的には、図２を参照して、送り装置ＦＳ１では、上記のように、スライダ２が、所定の方向（Ｙ軸方向）に移動する「移動体」の役割を果たし、ベッド１が、移動体を支持する「ベース部材」の役割を果たす。ＣＦＲＰ材が送り装置ＦＳ１に用いられる場合、ベッド１とねじ軸ホルダＢ１との間に、ＣＦＲＰ材が挟まれることができる。また、ベッド１とレールＲ１との間にも、ＣＦＲＰ材が挟まれてもよい。この場合、スライダ２がＹ軸方向の移動を開始又は停止するときの反力によるベッド１の振動変位を低減可能である。
【0051】
図３を参照して、送り装置ＦＳ３では、ラム４が、所定の方向（Ｚ軸方向）に移動する「移動体」の役割を果たし、サドル３が、移動体を支持する「ベース部材」の役割を果たす。ＣＦＲＰ材が送り装置ＦＳ３に用いられる場合、サドル３とねじ軸ホルダＢ３との間に、ＣＦＲＰ材が挟まれることができる。また、サドル３とキャリッジＣ３との間にも、ＣＦＲＰ材が挟まれてもよい。この場合、ラム４がＺ軸方向の移動を開始又は停止するときの反力によるサドル３の振動変位を低減可能である。
【符号の説明】
【0052】
１ ベッド（ベース部材）
２ スライダ（ベース部材、移動体）
３ サドル（ベース部材、移動体）
４ ラム（移動体）
５０ ＣＦＲＰ材
５１ ＣＦＲＰ材の配向
６０ ＣＦＲＰ材
１００ 工作機械
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ ねじ軸ホルダ
Ｂ１ａ，Ｂ２ａ，Ｂ３ａ 第１及び第２の軸受ブラケットユニット
ＢＳ１，ＢＳ２，ＢＳ３ ボールねじ機構
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ キャリッジ
ＦＳ１，ＦＳ２，ＦＳ３ 送り装置
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 直動転がりガイド
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３ ナット
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ レール
Ｓ１，Ｓ２ ねじ軸
２ スライダ（ベース部材、移動体）
３ サドル（ベース部材、移動体）
４ ラム（移動体）
５０ ＣＦＲＰ材
５１ ＣＦＲＰ材の配向
６０ ＣＦＲＰ材
１００ 工作機械
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ ねじ軸ホルダ
Ｂ１ａ，Ｂ２ａ，Ｂ３ａ 第１及び第２の軸受ブラケットユニット
ＢＳ１，ＢＳ２，ＢＳ３ ボールねじ機構
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ キャリッジ
ＦＳ１，ＦＳ２，ＦＳ３ 送り装置
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 直動転がりガイド
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３ ナット
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ レール
Ｓ１，Ｓ２ ねじ軸
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
