JP2003029844A - 位置制御方法および位置制御装置 - Google Patents
位置制御方法および位置制御装置Info
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16H—GEARING
- F16H25/00—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms
- F16H25/18—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
- F16H25/20—Screw mechanisms
- F16H25/2003—Screw mechanisms with arrangements for taking up backlash
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
- B23Q11/001—Arrangements compensating weight or flexion on parts of the machine
- B23Q11/0014—Arrangements compensating weight or flexion on parts of the machine using static reinforcing elements, e.g. pre-stressed ties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q5/00—Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
- B23Q5/22—Feeding members carrying tools or work
- B23Q5/34—Feeding other members supporting tools or work, e.g. saddles, tool-slides, through mechanical transmission
- B23Q5/38—Feeding other members supporting tools or work, e.g. saddles, tool-slides, through mechanical transmission feeding continuously
- B23Q5/40—Feeding other members supporting tools or work, e.g. saddles, tool-slides, through mechanical transmission feeding continuously by feed shaft, e.g. lead screw
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
- Transmission Devices (AREA)
- Details Of Measuring And Other Instruments (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 振動等の外乱に強く、しかも高精度な位置決
めを可能とする位置制御方法および位置制御装置を提供
する。 【解決手段】 ベース部材に対して所定方向における相
対移動が可能なテーブル部材にねじ部が設けてあり、ベ
ース部材に回転可能に固定され、テーブル部材のねじ部
と嵌合するねじ軸が設けられている。このねじ軸をモー
タにより回転させることでテーブル部材をねじ軸に沿っ
て変位させる。モータを回転させることによりねじ軸を
ねじれ方向に弾性変形させ、弾性変形した状態のままテ
ーブル部材を変位させる。モータを停止する場合には、
ねじ軸を弾性変形させたままの状態で保持する。
めを可能とする位置制御方法および位置制御装置を提供
する。 【解決手段】 ベース部材に対して所定方向における相
対移動が可能なテーブル部材にねじ部が設けてあり、ベ
ース部材に回転可能に固定され、テーブル部材のねじ部
と嵌合するねじ軸が設けられている。このねじ軸をモー
タにより回転させることでテーブル部材をねじ軸に沿っ
て変位させる。モータを回転させることによりねじ軸を
ねじれ方向に弾性変形させ、弾性変形した状態のままテ
ーブル部材を変位させる。モータを停止する場合には、
ねじ軸を弾性変形させたままの状態で保持する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、モータ等の回転駆
動装置を駆動源とするテーブルを用いた位置制御方法、
および位置制御装置の改良に関するものである。
動装置を駆動源とするテーブルを用いた位置制御方法、
および位置制御装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図５にステッピングモータを駆動源とす
るテーブルの位置制御装置を示す。
るテーブルの位置制御装置を示す。
【０００３】３１はテーブルであり、モータの軸方向に
沿ったガイド部を介してベース３２上を摺動可能に移動
する。この図５のｘ方向に沿ってテーブル３１とベース
３２が相対移動を行う。テーブル３１にはナット３３が
固定されており、ナット３３はテーブル３１と一体的に
移動を行う。このナット３３にはステッピングモータ３
４によって回転を行うねじ軸３５が挿入されている。ナ
ット３３の内周部およびねじ軸３５の外周部にはねじ構
造が形成され互いに嵌合しているため、ねじ軸３５の回
転方向に応じてナット３３に固定されたテーブル３１が
ｘ軸に沿って移動を行う。ねじ軸３５の一端はステッピ
ングモータ３４の回転軸とカップリング３６によって連
結され、このカップリング３６と、ナット３３と嵌合す
るねじ軸３５の駆動部との間にベース３２に固定された
ベアリング等の軸受け３７を有している。この軸受け３
７でねじ軸を受けることにより、ｘ方向と直交する方向
にねじ軸が揺動することを防ぎ、ｘ軸に直交する方向の
位置規制も行っている。ベース３２に設けられた不図示
のインデックススケールとテーブル３１に設けられた不
図示のメインスケールとを対向させ、インデックススケ
ールを挟んでメインスケールと反対側に投光部と受光セ
ンサを設ける。投光部が発した光はインデックススケー
ルを透過してメインスケールで反射され、再度インデッ
クススケールを透過して受光センサに入射する。この受
光センサの光電変換信号を解析することで、テーブルの
移動変位量を高分解能、高精度で検出することが可能で
ある。
沿ったガイド部を介してベース３２上を摺動可能に移動
する。この図５のｘ方向に沿ってテーブル３１とベース
３２が相対移動を行う。テーブル３１にはナット３３が
固定されており、ナット３３はテーブル３１と一体的に
移動を行う。このナット３３にはステッピングモータ３
４によって回転を行うねじ軸３５が挿入されている。ナ
ット３３の内周部およびねじ軸３５の外周部にはねじ構
造が形成され互いに嵌合しているため、ねじ軸３５の回
転方向に応じてナット３３に固定されたテーブル３１が
ｘ軸に沿って移動を行う。ねじ軸３５の一端はステッピ
ングモータ３４の回転軸とカップリング３６によって連
結され、このカップリング３６と、ナット３３と嵌合す
るねじ軸３５の駆動部との間にベース３２に固定された
ベアリング等の軸受け３７を有している。この軸受け３
７でねじ軸を受けることにより、ｘ方向と直交する方向
にねじ軸が揺動することを防ぎ、ｘ軸に直交する方向の
位置規制も行っている。ベース３２に設けられた不図示
のインデックススケールとテーブル３１に設けられた不
図示のメインスケールとを対向させ、インデックススケ
ールを挟んでメインスケールと反対側に投光部と受光セ
ンサを設ける。投光部が発した光はインデックススケー
ルを透過してメインスケールで反射され、再度インデッ
クススケールを透過して受光センサに入射する。この受
光センサの光電変換信号を解析することで、テーブルの
移動変位量を高分解能、高精度で検出することが可能で
ある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のテーブルの位置
決め装置では、精度０．１μｍ程度の精度であれば問題
なく位置制御が可能であった。しかしさらに精度をあげ
てテーブルの位置決め制御を行おうとしても、１０ｎｍ
単位でのテーブルの位置制御は実現が困難であった。た
とえテーブルを所望の位置に停止させることができたと
しても、微小な振動等による外乱がテーブルに加わるだ
けで、１０ｎｍ以上の位置ずれを生じてしまっているの
が確認できた。
決め装置では、精度０．１μｍ程度の精度であれば問題
なく位置制御が可能であった。しかしさらに精度をあげ
てテーブルの位置決め制御を行おうとしても、１０ｎｍ
単位でのテーブルの位置制御は実現が困難であった。た
とえテーブルを所望の位置に停止させることができたと
しても、微小な振動等による外乱がテーブルに加わるだ
けで、１０ｎｍ以上の位置ずれを生じてしまっているの
が確認できた。
【０００５】これらの原因として以下のことが考えられ
る。
る。
【０００６】上記のような構成のテーブル位置決め制御
を行う装置では、ボールねじが多く使われている。図５
に示すように、ボールねじの一端は駆動源であるステッ
ピングモータに結合され、反対側はテーブルと一体に結
合されたナットに勘合している。ステッピングモータが
微小回転をした場合、ボールねじに働く回転するための
力Ｆとボールねじの回転変位ａとの間には図６のような
応答特性があらわれる。
を行う装置では、ボールねじが多く使われている。図５
に示すように、ボールねじの一端は駆動源であるステッ
ピングモータに結合され、反対側はテーブルと一体に結
合されたナットに勘合している。ステッピングモータが
微小回転をした場合、ボールねじに働く回転するための
力Ｆとボールねじの回転変位ａとの間には図６のような
応答特性があらわれる。
【０００７】図６において、点Ｏはステッピングモータ
とボールねじとが共に停止した状態である。この状態か
らステッピングモータを駆動させると、力Ｆと回転変位
ａとの関係は、点Ｏから点Ａに向かって移動する。これ
はモータに微小な回転をさせた場合、回転当初はボール
ねじの微小な弾性変形が生じているために、回転力が弾
性変形に吸収されてしまうためである。この状態は、ス
テッピングモータが微小回転を行い、ステッピングモー
タに結合しているボールねじの一端の部位も微小回転を
行っているが、ボールねじのナットに勘合している部位
は回転を行っていない。つまり、この点Ａまでの回転変
位ａはボールねじの弾性変形による変位であって、ボー
ルねじ自体はまだ転がり始めていないのである。さらに
モータを回転させて力Ｆが点Ａに達すると、ボールねじ
の弾性変形に対する抵抗力が転がり摩擦力Ｆ０より大き
くなり、回転方向の力Ｆが転がり摩擦力Ｆ０に相当する
ようになる。この状態からさらにモータを回転させれ
ば、ボールねじはこれ以上の弾性変形を行わずにナット
の表面を滑り始めるため、ボールねじが転がり始める。
このときのボールねじは弾性変形した状態を保ったまま
転がっている。
とボールねじとが共に停止した状態である。この状態か
らステッピングモータを駆動させると、力Ｆと回転変位
ａとの関係は、点Ｏから点Ａに向かって移動する。これ
はモータに微小な回転をさせた場合、回転当初はボール
ねじの微小な弾性変形が生じているために、回転力が弾
性変形に吸収されてしまうためである。この状態は、ス
テッピングモータが微小回転を行い、ステッピングモー
タに結合しているボールねじの一端の部位も微小回転を
行っているが、ボールねじのナットに勘合している部位
は回転を行っていない。つまり、この点Ａまでの回転変
位ａはボールねじの弾性変形による変位であって、ボー
ルねじ自体はまだ転がり始めていないのである。さらに
モータを回転させて力Ｆが点Ａに達すると、ボールねじ
の弾性変形に対する抵抗力が転がり摩擦力Ｆ０より大き
くなり、回転方向の力Ｆが転がり摩擦力Ｆ０に相当する
ようになる。この状態からさらにモータを回転させれ
ば、ボールねじはこれ以上の弾性変形を行わずにナット
の表面を滑り始めるため、ボールねじが転がり始める。
このときのボールねじは弾性変形した状態を保ったまま
転がっている。
【０００８】ボールねじが転がり始めたので、このまま
回転を続けて点Ｂに到達させる。点Ｂに達したところで
モータの回転を停止させる。するとボールねじは弾性変
形をした状態であったので変形を復元させようとする力
が発生する。ステッピングモータのロータに保持電流が
流されていたとしても、この復元力に対して完全に対抗
することは難しく、この復元力によってステッピングモ
ータのロータがわずかに回転してしまう。ロータが回転
することでボールねじの弾性変形は復元し、復元した分
だけ逆に弾性変形に許容量が生じてしまう。ボールねじ
がこの弾性変形の許容量を有する状態で、テーブルに振
動等の外乱が加わると、この許容量の範囲内で弾性変形
が生じてしまい、その変形分だけテーブルが移動してし
まうのである。点Ａに到達する前にモータを停止させた
場合は、ボールねじは転がっておらず弾性変形しただけ
であるので、モータの停止後は弾性変形を復元させる力
が働き、復元した分だけ弾性変形に許容量が生じてしま
う。これが１０ｎｍ単位以上のレベルで生じてしまうた
め、１０ｎｍ単位での位置制御を行うことを難しくして
いた。
回転を続けて点Ｂに到達させる。点Ｂに達したところで
モータの回転を停止させる。するとボールねじは弾性変
形をした状態であったので変形を復元させようとする力
が発生する。ステッピングモータのロータに保持電流が
流されていたとしても、この復元力に対して完全に対抗
することは難しく、この復元力によってステッピングモ
ータのロータがわずかに回転してしまう。ロータが回転
することでボールねじの弾性変形は復元し、復元した分
だけ逆に弾性変形に許容量が生じてしまう。ボールねじ
がこの弾性変形の許容量を有する状態で、テーブルに振
動等の外乱が加わると、この許容量の範囲内で弾性変形
が生じてしまい、その変形分だけテーブルが移動してし
まうのである。点Ａに到達する前にモータを停止させた
場合は、ボールねじは転がっておらず弾性変形しただけ
であるので、モータの停止後は弾性変形を復元させる力
が働き、復元した分だけ弾性変形に許容量が生じてしま
う。これが１０ｎｍ単位以上のレベルで生じてしまうた
め、１０ｎｍ単位での位置制御を行うことを難しくして
いた。
【０００９】つまり、ステッピングモータを駆動源とし
てテーブルの１０ｎｍ単位の位置制御を行う場合には、
このボールねじの回転方向の力Ｆとボールねじの回転変
位ａとの間のヒステリシスが問題となっていたのであ
る。
てテーブルの１０ｎｍ単位の位置制御を行う場合には、
このボールねじの回転方向の力Ｆとボールねじの回転変
位ａとの間のヒステリシスが問題となっていたのであ
る。
【００１０】よって、このヒステリシスである非線形応
答をなくせばよいのであり、そのためのねじが提案され
ている。その中の一つに、油静圧ねじを用いたものがあ
る。これはナットのねじ面の片側に凹部を設け、ナット
とねじの間に油を充填したものである。このねじによれ
ばナットとねじの間の摩擦は油の粘性による抵抗のみで
あるので摩擦抵抗力が小さく、またねじの送り方向（ス
ラスト方向）の剛性が高く、送りの垂直方向（ラジアル
方向）の剛性を持たないように構成できる。これにより
ねじの曲がりやうねりによる上下方向の振動をなくすこ
とができ、この静圧ねじを送り系の機械要素全てに用い
ればよい。油静圧ねじのほかにも同様なものとして空気
静圧ナット等があるが、これらは特別な構成を有するね
じであり、加工に手間を要し、コストアップにもつなが
る。
答をなくせばよいのであり、そのためのねじが提案され
ている。その中の一つに、油静圧ねじを用いたものがあ
る。これはナットのねじ面の片側に凹部を設け、ナット
とねじの間に油を充填したものである。このねじによれ
ばナットとねじの間の摩擦は油の粘性による抵抗のみで
あるので摩擦抵抗力が小さく、またねじの送り方向（ス
ラスト方向）の剛性が高く、送りの垂直方向（ラジアル
方向）の剛性を持たないように構成できる。これにより
ねじの曲がりやうねりによる上下方向の振動をなくすこ
とができ、この静圧ねじを送り系の機械要素全てに用い
ればよい。油静圧ねじのほかにも同様なものとして空気
静圧ナット等があるが、これらは特別な構成を有するね
じであり、加工に手間を要し、コストアップにもつなが
る。
【００１１】また特開平１０−５８３６７号公報に記載
されているように、ステッピングモータ、ボールねじ、
ピエゾアクチュエータを同軸上に配置したものが提案さ
れている。これはステッピングモータを用いてねじを回
転させ、このねじと嵌合するナットを軸方向に駆動させ
て粗動駆動を行い、ピエゾアクチュエータの収縮を用い
てテーブルの微動駆動を行うものである。しかし、これ
は当然のようにステッピングモータやボールねじの構成
に加えて、ピエゾアクチュエータを配置する必要があ
り、コストに相当の差を生じてしまう。
されているように、ステッピングモータ、ボールねじ、
ピエゾアクチュエータを同軸上に配置したものが提案さ
れている。これはステッピングモータを用いてねじを回
転させ、このねじと嵌合するナットを軸方向に駆動させ
て粗動駆動を行い、ピエゾアクチュエータの収縮を用い
てテーブルの微動駆動を行うものである。しかし、これ
は当然のようにステッピングモータやボールねじの構成
に加えて、ピエゾアクチュエータを配置する必要があ
り、コストに相当の差を生じてしまう。
【００１２】本発明の課題は、上記の様に特別な構成の
ねじやピエゾ素子を用いることなくテーブルを微小変位
で位置制御するためのテーブル駆動方法およびテーブル
駆動装置を提供することである。
ねじやピエゾ素子を用いることなくテーブルを微小変位
で位置制御するためのテーブル駆動方法およびテーブル
駆動装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本願の請求項１に係る発明は、ベース部材に対して
所定方向における相対移動が可能なテーブル部材にねじ
部が設けてあり、前記ベース部材に回転可能に固定され
前記ねじ部と嵌合するねじ軸をモータにより回転させる
ことにより前記テーブル部材をねじ軸に沿って変位させ
る位置制御方法において、前記モータを回転させること
により前記ねじ軸をねじれ方向に弾性変形させた状態で
前記テーブル部材を変位させ、モータを停止時において
も前記ねじ軸を弾性変形させた状態で保持するものであ
る。
に、本願の請求項１に係る発明は、ベース部材に対して
所定方向における相対移動が可能なテーブル部材にねじ
部が設けてあり、前記ベース部材に回転可能に固定され
前記ねじ部と嵌合するねじ軸をモータにより回転させる
ことにより前記テーブル部材をねじ軸に沿って変位させ
る位置制御方法において、前記モータを回転させること
により前記ねじ軸をねじれ方向に弾性変形させた状態で
前記テーブル部材を変位させ、モータを停止時において
も前記ねじ軸を弾性変形させた状態で保持するものであ
る。
【００１４】同様に上記課題を解決するために、本願の
請求項３に記載の発明は、ベース部材に対して所定方向
における相対移動が可能なテーブル部材と、前記ベース
部材に回転可能に固定され、ねじれ方向の弾性変形が可
能なねじ軸と、前記ねじ軸と嵌合し、前記テーブル部材
に一体的に固定されたねじ部と、前記ねじ軸の一端と連
結され、ねじ軸を回転させることにより前記テーブル部
材を変位させるモータと、前記ねじ軸と前記モータとの
連結部の近傍に配置され前記ねじ軸を加圧固定する加圧
固定手段とを有することを特徴とする位置制御装置とす
る。
請求項３に記載の発明は、ベース部材に対して所定方向
における相対移動が可能なテーブル部材と、前記ベース
部材に回転可能に固定され、ねじれ方向の弾性変形が可
能なねじ軸と、前記ねじ軸と嵌合し、前記テーブル部材
に一体的に固定されたねじ部と、前記ねじ軸の一端と連
結され、ねじ軸を回転させることにより前記テーブル部
材を変位させるモータと、前記ねじ軸と前記モータとの
連結部の近傍に配置され前記ねじ軸を加圧固定する加圧
固定手段とを有することを特徴とする位置制御装置とす
る。
【００１５】同様に上記課題を解決するために、本願の
請求項４に記載の発明は、ベース部材に対して所定方向
における相対移動が可能なテーブル部材と、前記ベース
部材に回転可能に固定され、ねじれ方向の弾性変形が可
能なねじ軸と、前記ねじ軸と嵌合し、前記テーブル部材
に一体的に固定されたねじ部と、前記ねじ軸の一端と連
結され、ねじ軸を回転させることにより前記テーブル部
材を変位させるモータと、前記モータの回転軸を加圧固
定する加圧固定手段とを有することを特徴とする位置制
御装置とする。
請求項４に記載の発明は、ベース部材に対して所定方向
における相対移動が可能なテーブル部材と、前記ベース
部材に回転可能に固定され、ねじれ方向の弾性変形が可
能なねじ軸と、前記ねじ軸と嵌合し、前記テーブル部材
に一体的に固定されたねじ部と、前記ねじ軸の一端と連
結され、ねじ軸を回転させることにより前記テーブル部
材を変位させるモータと、前記モータの回転軸を加圧固
定する加圧固定手段とを有することを特徴とする位置制
御装置とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に本願の発明の実施形態につ
いて説明を行う。
いて説明を行う。
【００１７】図１に本発明を実施するための位置制御装
置の簡単な構成図を示す。１はテーブルであり、モータ
の軸方向に沿ったガイド部を介してベース２上を摺動可
能にｘ軸に沿って移動する。テーブル１にはナット３が
固定されており、このナット３にはモータ４によって回
転を行うねじ軸５が挿入されている。ねじ軸５の一端は
モータ４の回転軸とカップリング６によって連結され、
このカップリング６と、ナット３と嵌合するねじ軸５の
駆動部との間に、ベース２に固定された軸受け７を有し
ている。以上の構成は図５に示した従来の位置制御装置
と同一の構成である。この図において従来のものと異な
る点は、ベース２にモータ４の回転軸がカップリングを
介して連結するねじ軸５の一端を固定する加圧固定手段
８を設けたことである。この加圧固定手段８はねじ軸５
に当接することで摩擦でねじ軸５が回転しないようにし
ている。図１の加圧固定手段８は剛性の高いアーム状で
構成されているが、図２に示したようにアーム部に設け
られたバネの収縮によって摩擦固定する加圧固定手段９
であってもよく、これらの形状でなくとも機械的固定手
段であればよいことは当然である。
置の簡単な構成図を示す。１はテーブルであり、モータ
の軸方向に沿ったガイド部を介してベース２上を摺動可
能にｘ軸に沿って移動する。テーブル１にはナット３が
固定されており、このナット３にはモータ４によって回
転を行うねじ軸５が挿入されている。ねじ軸５の一端は
モータ４の回転軸とカップリング６によって連結され、
このカップリング６と、ナット３と嵌合するねじ軸５の
駆動部との間に、ベース２に固定された軸受け７を有し
ている。以上の構成は図５に示した従来の位置制御装置
と同一の構成である。この図において従来のものと異な
る点は、ベース２にモータ４の回転軸がカップリングを
介して連結するねじ軸５の一端を固定する加圧固定手段
８を設けたことである。この加圧固定手段８はねじ軸５
に当接することで摩擦でねじ軸５が回転しないようにし
ている。図１の加圧固定手段８は剛性の高いアーム状で
構成されているが、図２に示したようにアーム部に設け
られたバネの収縮によって摩擦固定する加圧固定手段９
であってもよく、これらの形状でなくとも機械的固定手
段であればよいことは当然である。
【００１８】モータ４を回転させ、ボールねじ５が弾性
変形させたまま回転させ、目標とする変位までテーブル
１を移動させる。加圧固定手段８がモータ４の停止時に
ボールねじ５を強固に固定する。この加圧固定手段８に
より、モータ４を停止するとボールねじ５は弾性変形を
復元しようとするが、加圧固定手段８によって強固に固
定されているため弾性変形をしたままの状態で保持され
る。ボールねじ５を弾性変形させたままの状態で保持を
するには、モータ４を停止させる前には加圧固定手段８
を駆動させ、モータ４が停止する直前にボールねじが強
固に加圧固定されている必要がある。このときボールね
じ５には、弾性変形を復元しようとする復元力と、この
復元力に対抗する加圧固定手段８の摩擦力とが作用して
いる。そのため、相反する方向に働く均衡した２つの力
がボールねじ５に加わり、ボールねじ５には弾性変形の
許容量がなく、テーブル１に振動等の外乱が加わったと
してもボールねじ５が変形しないためにテーブル１の位
置がずれることはない。従来はボールねじ５の弾性変形
の許容範囲内でテーブル１が位置ずれを起こす可能性が
あった。そこで、ボールねじ５を弾性変形の生じ得ない
状況で保持するようにする。そのために、ボールねじ５
に可能な範囲の弾性変形を生じさせ、この変形を保つよ
うに固定させたのである。この状態のボールねじ５に限
っては、弾性変形を生じないため図６のようなヒステリ
シスを描く応答特性はない。図１では加圧固定手段８は
ねじ軸５を加圧して摩擦固定しているが、ねじ軸５と連
結されたモータ４の回転軸を加圧して摩擦固定しても構
わない。
変形させたまま回転させ、目標とする変位までテーブル
１を移動させる。加圧固定手段８がモータ４の停止時に
ボールねじ５を強固に固定する。この加圧固定手段８に
より、モータ４を停止するとボールねじ５は弾性変形を
復元しようとするが、加圧固定手段８によって強固に固
定されているため弾性変形をしたままの状態で保持され
る。ボールねじ５を弾性変形させたままの状態で保持を
するには、モータ４を停止させる前には加圧固定手段８
を駆動させ、モータ４が停止する直前にボールねじが強
固に加圧固定されている必要がある。このときボールね
じ５には、弾性変形を復元しようとする復元力と、この
復元力に対抗する加圧固定手段８の摩擦力とが作用して
いる。そのため、相反する方向に働く均衡した２つの力
がボールねじ５に加わり、ボールねじ５には弾性変形の
許容量がなく、テーブル１に振動等の外乱が加わったと
してもボールねじ５が変形しないためにテーブル１の位
置がずれることはない。従来はボールねじ５の弾性変形
の許容範囲内でテーブル１が位置ずれを起こす可能性が
あった。そこで、ボールねじ５を弾性変形の生じ得ない
状況で保持するようにする。そのために、ボールねじ５
に可能な範囲の弾性変形を生じさせ、この変形を保つよ
うに固定させたのである。この状態のボールねじ５に限
っては、弾性変形を生じないため図６のようなヒステリ
シスを描く応答特性はない。図１では加圧固定手段８は
ねじ軸５を加圧して摩擦固定しているが、ねじ軸５と連
結されたモータ４の回転軸を加圧して摩擦固定しても構
わない。
【００１９】この駆動方法はモータ４を同一方向に順回
転させる場合は、途中で停止させ再駆動させる場合であ
っても何ら不具合はなく、途中から逆回転させる場合で
もある程度の回転変位を行うのであれば問題はない。こ
こでいうある程度の回転変位とは図６における点Ｏから
点Ａまでの変位量の略２倍の変位量のことである。モー
タ４を途中から逆転させた場合、最初の微小変位におい
てはボールねじ５の弾性変形が復元が行われるのみであ
る。当然のことながら、この現象が点Ｏから点Ａまでの
変位分だけ生じ、さらに微小変位させると、今度は逆側
への弾性変形が開始され点Ｏから点Ａまでの変位に略等
しい分において弾性変形が続く。つまり逆回転を開始し
てから点Ｏから点Ａまでの変位量の略２倍の変位量にお
いては、ボールねじ５の弾性変形のみが行われるのであ
る。この変位を超えるようにモータ４を回転させれば、
回転力Ｆが転がり摩擦力Ｆ０を超え、ボールねじ５が転
がり始める。したがって点Ｏから点Ａまでの変位量の略
２倍以上の変位の回転を行うのであれば、逆回転をさせ
ても問題はない。
転させる場合は、途中で停止させ再駆動させる場合であ
っても何ら不具合はなく、途中から逆回転させる場合で
もある程度の回転変位を行うのであれば問題はない。こ
こでいうある程度の回転変位とは図６における点Ｏから
点Ａまでの変位量の略２倍の変位量のことである。モー
タ４を途中から逆転させた場合、最初の微小変位におい
てはボールねじ５の弾性変形が復元が行われるのみであ
る。当然のことながら、この現象が点Ｏから点Ａまでの
変位分だけ生じ、さらに微小変位させると、今度は逆側
への弾性変形が開始され点Ｏから点Ａまでの変位に略等
しい分において弾性変形が続く。つまり逆回転を開始し
てから点Ｏから点Ａまでの変位量の略２倍の変位量にお
いては、ボールねじ５の弾性変形のみが行われるのであ
る。この変位を超えるようにモータ４を回転させれば、
回転力Ｆが転がり摩擦力Ｆ０を超え、ボールねじ５が転
がり始める。したがって点Ｏから点Ａまでの変位量の略
２倍以上の変位の回転を行うのであれば、逆回転をさせ
ても問題はない。
【００２０】反対に点Ｏから点Ａまでの変位の略２倍よ
りも小さい変位だけ回転させる場合には異なる駆動方法
が必要となる。つまり点Ｏから点Ａまでの変位の略２倍
よりも小さい変位のときに、すでにボールねじ５が弾性
変形を行い、それ以上弾性変形の許容量がない状態にし
なければならない。このためにはモータ４を逆回転させ
る前に、微小変位だけ順回転させておく。順回転させる
ことにより、目標とする位置までに点Ｏから点Ａまでの
変位量の略２倍以上の変位を確保するのである。なお、
この加圧固定手段８に適用できるものとしてディスクブ
レーキ等が考えられる。テーブル１の位置制御の駆動源
としてステッピングモータ等の電磁モータが用いられる
のであれば、モータの静止トルクが弱いのでこのような
加圧固定手段が必要となる。
りも小さい変位だけ回転させる場合には異なる駆動方法
が必要となる。つまり点Ｏから点Ａまでの変位の略２倍
よりも小さい変位のときに、すでにボールねじ５が弾性
変形を行い、それ以上弾性変形の許容量がない状態にし
なければならない。このためにはモータ４を逆回転させ
る前に、微小変位だけ順回転させておく。順回転させる
ことにより、目標とする位置までに点Ｏから点Ａまでの
変位量の略２倍以上の変位を確保するのである。なお、
この加圧固定手段８に適用できるものとしてディスクブ
レーキ等が考えられる。テーブル１の位置制御の駆動源
としてステッピングモータ等の電磁モータが用いられる
のであれば、モータの静止トルクが弱いのでこのような
加圧固定手段が必要となる。
【００２１】しかし、反対にモータの静止トルクが強け
れば加圧固定手段は別途設ける必要がなくなる。例え
ば、テーブル１の位置制御の駆動源として振動波モータ
（超音波モータ）を用いれば、この加圧固定手段を別途
に設ける必要がなくなる。なぜならば振動波モータは回
転移動体であるロータと、振動体であるステータとが常
に摩擦接触し、モータの停止時においてもロータとステ
ータとの間には摩擦力が生じているからである。この摩
擦力、つまり静止トルクは概してボールねじ５の弾性復
元力よりも大きい。そのため、モータを回転させてボー
ルねじ５を弾性変形させた場合に、そのままモータの回
転を停止させるだけでボールねじの弾性変形の復元に対
抗することができる。この状態であれば、弾性変形を復
元しようとする復元力とこの復元力に対抗する加圧固定
手段の摩擦力との均衡した２つの力がボールねじ５に加
わり、ボールねじ５には弾性変形の許容量がなくなる。
よってテーブル１に振動等の外乱が加わったとしてもボ
ールねじ５が変形しないためにテーブル１の位置がずれ
ることはない。
れば加圧固定手段は別途設ける必要がなくなる。例え
ば、テーブル１の位置制御の駆動源として振動波モータ
（超音波モータ）を用いれば、この加圧固定手段を別途
に設ける必要がなくなる。なぜならば振動波モータは回
転移動体であるロータと、振動体であるステータとが常
に摩擦接触し、モータの停止時においてもロータとステ
ータとの間には摩擦力が生じているからである。この摩
擦力、つまり静止トルクは概してボールねじ５の弾性復
元力よりも大きい。そのため、モータを回転させてボー
ルねじ５を弾性変形させた場合に、そのままモータの回
転を停止させるだけでボールねじの弾性変形の復元に対
抗することができる。この状態であれば、弾性変形を復
元しようとする復元力とこの復元力に対抗する加圧固定
手段の摩擦力との均衡した２つの力がボールねじ５に加
わり、ボールねじ５には弾性変形の許容量がなくなる。
よってテーブル１に振動等の外乱が加わったとしてもボ
ールねじ５が変形しないためにテーブル１の位置がずれ
ることはない。
【００２２】なお、上記の説明では位置制御の精度を確
保するためにモータの回転変位を点Ｏから点Ａまでの変
位量の略２倍を確保するとしているが、この値に限られ
たものではないことは当然である。モータの順方向回転
時と逆方向回転時とでボールねじの弾性が同様なもので
あるならば上記の条件となるが、順方向回転時と逆方向
回転時とで弾性が異なる場合は、両者を合わせた分だけ
の回転変位を確保すればよい。
保するためにモータの回転変位を点Ｏから点Ａまでの変
位量の略２倍を確保するとしているが、この値に限られ
たものではないことは当然である。モータの順方向回転
時と逆方向回転時とでボールねじの弾性が同様なもので
あるならば上記の条件となるが、順方向回転時と逆方向
回転時とで弾性が異なる場合は、両者を合わせた分だけ
の回転変位を確保すればよい。
【００２３】図３に駆動源として振動波モータを用いた
位置制御装置の上面図を示す。また、図４に図３のＡ方
向から見た位置制御装置の断面図を示す。
位置制御装置の上面図を示す。また、図４に図３のＡ方
向から見た位置制御装置の断面図を示す。
【００２４】１１はテーブルであり、モータの軸方向に
沿ったガイド部を介してベース１２上を摺動可能に移動
する。テーブル１１にはナット１３が固定されており、
ナット１３はテーブル１１と一体的に移動を行う。この
ナット１３には振動波モータ１４によって回転を行うね
じ軸１５が挿入され、ねじ軸１５の回転方向に応じてナ
ット１３に固定されたテーブル１１がねじ軸に沿って移
動する。ねじ軸１５の一端は振動波モータ１４の回転軸
とカップリング１６によって連結されている。上述した
ように、振動波モータはロータとステータとが加圧接触
しており静止トルクが大きいため、図１の加圧固定手段
８をも兼用する役目を有する。カップリング１６のナッ
ト側の近傍にはねじ軸を軸支して空間位置を規制する軸
受け３７を有している。ベース１２のテーブル１１と対
向する面にはインデックススケール１９が設けられ、イ
ンデックススケールの裏側でベースの内部に設けられた
空間内に投光素子と受光センサが配置される。テーブル
１１のベース１２と対向する面にはメインスケール２０
が設けられている。ベース１２内に設けられた投光素子
が照射を行うと、照射された光はインデックススケール
１９の第１格子部を透過してメインスケール２０に到達
する。光がメインスケール２０に到達するとメインスケ
ール２０に設けられた格子で反射され、インデックスス
ケール１９の第２格子部を透過して、ベース１２内の受
光センサに到達する。この受光センサの光電変換出力を
解析することで、テーブル１１とベース１２との相対位
置を高精度に検出することができる。また、テーブル１
１には検出プレート２３が設けられている。テーブル１
１がモータ１４に近づく方向に移動して、移動し得る範
囲の端部までくると、ベース１２に設けられた後退限界
検出器２１が検出プレート２３を検出する。反対にテー
ブル１１がモータ１４から離れる方向に移動して、移動
し得る範囲の端部までくると、ベース１２に設けられた
前進限界検出器２２が検出プレート２３を検出する。つ
まり後退限界検出器２１、前進限界検出器２２および検
出プレート２３によってテーブルの移動範囲を規制して
いる。
沿ったガイド部を介してベース１２上を摺動可能に移動
する。テーブル１１にはナット１３が固定されており、
ナット１３はテーブル１１と一体的に移動を行う。この
ナット１３には振動波モータ１４によって回転を行うね
じ軸１５が挿入され、ねじ軸１５の回転方向に応じてナ
ット１３に固定されたテーブル１１がねじ軸に沿って移
動する。ねじ軸１５の一端は振動波モータ１４の回転軸
とカップリング１６によって連結されている。上述した
ように、振動波モータはロータとステータとが加圧接触
しており静止トルクが大きいため、図１の加圧固定手段
８をも兼用する役目を有する。カップリング１６のナッ
ト側の近傍にはねじ軸を軸支して空間位置を規制する軸
受け３７を有している。ベース１２のテーブル１１と対
向する面にはインデックススケール１９が設けられ、イ
ンデックススケールの裏側でベースの内部に設けられた
空間内に投光素子と受光センサが配置される。テーブル
１１のベース１２と対向する面にはメインスケール２０
が設けられている。ベース１２内に設けられた投光素子
が照射を行うと、照射された光はインデックススケール
１９の第１格子部を透過してメインスケール２０に到達
する。光がメインスケール２０に到達するとメインスケ
ール２０に設けられた格子で反射され、インデックスス
ケール１９の第２格子部を透過して、ベース１２内の受
光センサに到達する。この受光センサの光電変換出力を
解析することで、テーブル１１とベース１２との相対位
置を高精度に検出することができる。また、テーブル１
１には検出プレート２３が設けられている。テーブル１
１がモータ１４に近づく方向に移動して、移動し得る範
囲の端部までくると、ベース１２に設けられた後退限界
検出器２１が検出プレート２３を検出する。反対にテー
ブル１１がモータ１４から離れる方向に移動して、移動
し得る範囲の端部までくると、ベース１２に設けられた
前進限界検出器２２が検出プレート２３を検出する。つ
まり後退限界検出器２１、前進限界検出器２２および検
出プレート２３によってテーブルの移動範囲を規制して
いる。
【００２５】図３，４に記載の位置制御装置を用いてテ
ーブルの位置決め制御を行った。テーブルの前進限界位
置からモータの回転速度２０ｒｐｍにてテーブル駆動を
行い、テーブルの駆動量を測長ポテンシャル１．２５ｎ
ｍのレーザー測長システムにて計測した。そのときの位
置決め計測結果を表１に示す。
ーブルの位置決め制御を行った。テーブルの前進限界位
置からモータの回転速度２０ｒｐｍにてテーブル駆動を
行い、テーブルの駆動量を測長ポテンシャル１．２５ｎ
ｍのレーザー測長システムにて計測した。そのときの位
置決め計測結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】目標値１を６９０ｎｍに設定してテーブル
駆動を１５回行った場合の計測結果は、最も大きな位置
ずれでも５ｎｍであり、標準偏差σは３．５４であり１
０ｎｍには充分に収まっている。また目標値２を１２０
ｎｍに設定してテーブル駆動を１５回行った場合の計測
結果は、最も大きな位置ずれは目標値１と同様に５ｎｍ
であり、標準偏差σは３．４８であり１０ｎｍには充分
に収まっている。したがって本実施形態の位置制御装置
を用いれば１０ｎｍ単位での位置制御が可能となる。
駆動を１５回行った場合の計測結果は、最も大きな位置
ずれでも５ｎｍであり、標準偏差σは３．５４であり１
０ｎｍには充分に収まっている。また目標値２を１２０
ｎｍに設定してテーブル駆動を１５回行った場合の計測
結果は、最も大きな位置ずれは目標値１と同様に５ｎｍ
であり、標準偏差σは３．４８であり１０ｎｍには充分
に収まっている。したがって本実施形態の位置制御装置
を用いれば１０ｎｍ単位での位置制御が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば特別な構
成のねじやピエゾ素子を用いることなく、テーブルを微
小変位、具体的には１０ｎｍ単位で位置制御が可能とな
り、テーブルに加わる振動等の外乱によってもテーブル
の位置がずれることのない高精度の位置制御方法および
位置制御装置を提供することができる。
成のねじやピエゾ素子を用いることなく、テーブルを微
小変位、具体的には１０ｎｍ単位で位置制御が可能とな
り、テーブルに加わる振動等の外乱によってもテーブル
の位置がずれることのない高精度の位置制御方法および
位置制御装置を提供することができる。
【図１】本発明の実施形態における位置制御装置の断面
図
図
【図２】本発明の別の実施形態における位置制御装置の
断面図
断面図
【図３】駆動源として振動波モータを用いた位置制御装
置の上面図
置の上面図
【図４】図３のＡ方向から見た位置制御装置の断面図
【図５】従来の位置制御装置の断面図
【図６】ボールねじに加えられた回転方向の力Ｆとボー
ルねじの回転変位ａとの応答特性を示す図
ルねじの回転変位ａとの応答特性を示す図
【符号の説明】
１，１１ テーブル
２，１２ ベース
３，１３ ナット
４，１４ 駆動手段（モータ）
５，１５ ねじ軸（ボールねじ）
６，１６ カップリング
７，１７ 軸受け
８，９ 加圧固定手段
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｆ１６Ｈ 35/00 Ｆ１６Ｈ 35/00 Ｈ
(72)発明者 柳 栄一
東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ
ン株式会社内
(72)発明者 西本 義文
東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ
ン株式会社内
(72)発明者 鈴木 正晴
東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ
ン株式会社内
Ｆターム(参考） 3J062 AB22 AC07 BA14 CD02 CD12
CD22 CD45 CD79
5H303 AA01 AA04 BB01 BB06 BB11
CC09 DD01 DD21 DD25 EE03
EE08 FF04 GG13 HH02 KK10
Claims (6)
- 【請求項１】 ベース部材に対して所定方向における相
対移動が可能なテーブル部材にねじ部が設けてあり、前
記ベース部材に回転可能に固定され、前記ねじ部と嵌合
するねじ軸をモータにより回転させることにより前記テ
ーブル部材をねじ軸に沿って変位させる位置制御方法に
おいて、 前記モータを回転させることにより前記ねじ軸をねじれ
方向に弾性変形させた状態で前記テーブル部材を変位さ
せ、モータを停止時においても前記ねじ軸を弾性変形さ
せた状態で保持することを特徴とする位置制御方法。 - 【請求項２】 前記ねじ軸またはモータの回転軸を加圧
固定することで、モータを停止時においても前記ねじ軸
を弾性変形させた状態で保持することを特徴とする請求
項１に記載の位置制御方法。 - 【請求項３】 ベース部材に対して所定方向における相
対移動が可能なテーブル部材と、 前記ベース部材に回転可能に固定され、ねじれ方向の弾
性変形が可能なねじ軸と、 前記ねじ軸と嵌合し、前記テーブル部材に一体的に固定
されたねじ部と、 前記ねじ軸の一端と連結され、ねじ軸を回転させること
により前記テーブル部材を変位させるモータと、 前記ねじ軸と前記モータとの連結部の近傍に配置され前
記ねじ軸を加圧固定する加圧固定手段とを有することを
特徴とする位置制御装置。 - 【請求項４】 ベース部材に対して所定方向における相
対移動が可能なテーブル部材と、 前記ベース部材に回転可能に固定され、ねじれ方向の弾
性変形が可能なねじ軸と、 前記ねじ軸と嵌合し、前記テーブル部材に一体的に固定
されたねじ部と、 前記ねじ軸の一端と連結され、ねじ軸を回転させること
により前記テーブル部材を変位させるモータと、 前記モータの回転軸を加圧固定する加圧固定手段とを有
することを特徴とする位置制御装置。 - 【請求項５】 前記モータおよび前記加圧固定手段とが
振動波駆動装置であることを特徴とする請求項３または
４に記載の位置制御装置。 - 【請求項６】 前記振動波駆動装置は移動体と振動体と
の静止摩擦により前記回転軸を加圧固定することを特徴
とする請求項５に記載の位置制御手段。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001216745A JP4323733B2 (ja) | 2001-07-17 | 2001-07-17 | 位置制御方法および位置制御装置 |
| US10/196,108 US6809460B2 (en) | 2001-07-17 | 2002-07-16 | Position control apparatus and method for table member |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001216745A JP4323733B2 (ja) | 2001-07-17 | 2001-07-17 | 位置制御方法および位置制御装置 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003029844A true JP2003029844A (ja) | 2003-01-31 |
| JP2003029844A5 JP2003029844A5 (ja) | 2007-11-01 |
| JP4323733B2 JP4323733B2 (ja) | 2009-09-02 |
Family
ID=19051183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001216745A Expired - Fee Related JP4323733B2 (ja) | 2001-07-17 | 2001-07-17 | 位置制御方法および位置制御装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6809460B2 (ja) |
| JP (1) | JP4323733B2 (ja) |
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| JP2010112501A (ja) * | 2008-11-07 | 2010-05-20 | Canon Inc | 駆動装置 |
| CN106704771A (zh) * | 2015-07-21 | 2017-05-24 | 孙长顺 | 行程随机滑行台 |
| CN112025379A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-12-04 | 珠海格力电器股份有限公司 | 丝杆预拉伸调节结构及方法、数控机床 |
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| FR2912375B1 (fr) * | 2007-02-14 | 2009-12-18 | Eurocopter France | Verin electrique de commande de vol pour aeronef |
| CN102298394B (zh) * | 2010-06-28 | 2014-04-09 | 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 | 一种提高电动缸运行精度的方法、装置及电动缸 |
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| JPH06187043A (ja) * | 1992-12-16 | 1994-07-08 | Nippei Toyama Corp | 位置決め制御方法 |
| JPH1042578A (ja) * | 1996-07-17 | 1998-02-13 | Canon Inc | 振動型駆動装置、回転体駆動装置およびこれを用いた装置 |
| JP2000287465A (ja) * | 1999-03-30 | 2000-10-13 | Canon Inc | モータ駆動制御装置、駆動制御方法、及び記憶媒体 |
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| JPS60114441A (ja) * | 1983-11-24 | 1985-06-20 | Hitachi Ltd | 送り機構 |
| JPS60116506U (ja) * | 1984-01-18 | 1985-08-07 | 日本精工株式会社 | テ−ブルの超精密位置決め機構 |
| JPS60263765A (ja) * | 1984-06-13 | 1985-12-27 | Hiroshi Teramachi | ボ−ルねじを用いた移送装置 |
| GB2183929B (en) | 1985-08-05 | 1989-11-15 | Canon Kk | Vibration wave motor |
| JPH01303361A (ja) * | 1988-05-30 | 1989-12-07 | Komatsu Ltd | 移動体の送り装置 |
| JPH0386238U (ja) * | 1989-12-25 | 1991-08-30 | ||
| DE69416989T2 (de) | 1993-12-27 | 1999-08-26 | Canon K.K. | Vibrationswellenantrieb |
| JPH1058267A (ja) | 1996-08-23 | 1998-03-03 | Sigma Tec Kk | 位置決め装置 |
| JP2001157473A (ja) | 1999-11-26 | 2001-06-08 | Canon Inc | 電気機械エネルギ変換素子を振動源とする振動体、この振動体を駆動源とする振動波駆動装置、振動波駆動装置を有する装置およびこの振動体を搬送源とする搬送装置 |
-
2001
- 2001-07-17 JP JP2001216745A patent/JP4323733B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-07-16 US US10/196,108 patent/US6809460B2/en not_active Expired - Lifetime
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| JP2000287465A (ja) * | 1999-03-30 | 2000-10-13 | Canon Inc | モータ駆動制御装置、駆動制御方法、及び記憶媒体 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20030047662A1 (en) | 2003-03-13 |
| JP4323733B2 (ja) | 2009-09-02 |
| US6809460B2 (en) | 2004-10-26 |
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