JP5582002B2

JP5582002B2 - 粗微動位置決め装置

Info

Publication number: JP5582002B2
Application number: JP2010270351A
Authority: JP
Inventors: 俊文田口
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: JP2012117644A

Description

本発明は、長ストロークの範囲で高精度な微細位置決めを行う粗微動位置決め装置に関する。

粗微動位置決め装置は、ねじ軸とナットを螺合させたねじ機構を用いて長ストロークの範囲を駆動する粗動機構と、圧電アクチュエータによる微動機構とを組み合わせて粗動動作及び微動動作を行っている（例えば、特許文献１）。
特許文献１の装置の粗動機構は、基台に回転自在に支持されているねじ軸と、このねじ軸に螺合して移動テーブルに固定されたナットと、基台に固定された駆動モータとを備え、駆動モータのモータ軸に、カップリング及び微動機構を介してねじ軸の一端が結合されており、駆動モータの回転駆動力が、カップリング及び微動機構を介してねじ軸の回転として伝達されることで、移動テーブルを大きな移動量でねじ軸の軸線方向に移動させる。
また、微動機構は、圧電アクチュエータの伸縮によりねじ軸を軸方向に移動させることで、移動テーブルをナノメータレベルで微小移動させる機構である。

２００７−１９８９０９号公報

ところで、上述した特許文献１の粗微動位置決め装置は、微動機構の作動時に、圧電アクチュエータの伸縮によりねじ軸が微小に移動することでカップリング及びモータ軸に軸方向の負荷が加わる。
ここで、カップリング及びモータ軸に作用する軸方向の負荷を吸収する機構を、カップリングや基台のモータ固定部に設けると、ねじ軸及び駆動モータの間の剛性が低下してしまうので、粗動機構の作動時の位置決め精度が低下するという問題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、微動機構の作動時における直動方向の負荷を抑制しながら粗動機構の作動時における位置決め精度を向上させることができる粗微動位置決め装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る粗微動位置決め装置は、基台上に転がり軸受を介して回転自在に支持され、且つ軸方向に微小移動可能に配置した粗微動伝達軸と、この粗微動伝達軸の一方の端部に同軸に固定したナットと、このナットに螺合したねじ軸と、このねじ軸を回転不能、且つ軸方向移動自在に支持しているねじ軸支持手段と、前記ねじ軸を大きな移動量で軸方向に移動させる粗動機構と、前記ねじ軸を微小な移動量で軸方向に移動させる微動機構とを備え、前記粗動機構は、前記粗微動伝達軸の他方の端部にモータ軸が同軸に直結している駆動モータと、この駆動モータを前記粗微動伝達軸の軸方向に移動自在に支持するモータガイド手段とを備え、前記微動機構は、印加電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの伸縮方向の端部に当接する前記転がり軸受の外輪とを備え、前記圧電アクチュエータが変位すると、前記外輪の軸方向の微小移動により前記粗微動伝達軸の外周に一体化した前記転がり軸受の内輪が前記外輪と同一の軸方向に微小移動するようにし、前記モータガイド手段は、前記基台に、前記粗微動伝達軸の軸方向に沿って形成した直動案内部と、前記駆動モータの筐体に一体化され、前記直動案内部に係合する被案内部を設けたモータブラケットとで構成されている。

この発明によると、圧電アクチュエータの変位により転がり軸受の外輪が軸方向に微小移動すると、転がり軸受の内輪も同一の軸方向に微小移動するので、転がり軸受の内輪に一体化された粗微動伝達軸が微小に移動し、粗微動伝達軸の一方の端部に固定したナットとともに、ねじ軸も微小に移動する。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の粗微動位置決め装置において、前記転がり軸受は、前記粗微動伝達軸の軸方向に隣接して配置した一対のアンギュラ軸受である。
さらに、請求項３記載の発明は、請求項２記載の粗微動位置決め装置において、前記ナットの外周にロックナットが外嵌し、このロックナットと前記粗微動伝達軸の一方の端部が同軸に固定されているとともに、前記粗微動伝達軸の外周に設けた内輪係止部と前記ロックナットとの間に前記一対のアンギュラ軸受の内輪が挟持され、当該一対のアンギュラ軸受の内輪が前記粗微動伝達軸の外周に一体化されている。

本発明に係る粗微動位置決め装置によれば、微動機構の作動時には、粗微動伝達軸の他方の端部にモータ軸が同軸に直結している駆動モータが、モータガイド手段に案内されながらねじ軸及び粗微動伝達軸とともに軸方向に移動するので、駆動モータのモータ軸に作用する軸方向の負荷を抑制することができる。また、本発明に係る粗微動位置決め装置は、従来装置のように駆動モータの軸方向の負荷を吸収する機構が不要となり、駆動モータのモータ軸とねじ軸の間の粗動機構を構成する部材の剛性を維持することができる。

したがって、本発明に係る粗微動位置決め装置は、微動機構の作動時における軸方向の負荷を抑制し、粗動機構の作動時における位置決め精度を向上させることができる。

本発明に係る粗微動位置決め装置の実施形態を示す側面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る粗微動位置決め装置の１実施形態を示す側面図である。
本実施形態の粗微動位置決め装置１は、基台２に軸受ハウジング３が固定されており、軸受ハウジング３に配置したナット４と、ナット４に螺合したねじ軸５とからなるねじ機構を用いて粗動動作及び微動動作を行う。

なお、ナット４及びネジ軸５は、オーバーサイズボール（不図示）等により予圧により軸方向に遊びがない状態で螺合している。
軸受ハウジング３の内部には、ＤＦ（正面）組合せで配置した一対のアンギュラ軸受６，７を介して粗微動伝達軸８が回転自在に、且つ軸方向に微小移動可能に配置されている。

アンギュラ軸受６，７の内輪６ａ，７ａの間には、内輪６ａ，７ａと略同等の外径および内径を有する円筒状部材のスペーサ９が配置されている。
粗微動伝達軸８の一端側には第１軸穴８ａが形成され、他端側に第２軸穴８ｂが形成されており、粗微動伝達軸８の他端外周には雄ねじ８ｃが形成されている。
粗微動伝達軸８の第１軸穴８ａには駆動モータ１０のモータ軸１０ａが挿入され、粗微動伝達軸８及びモータ軸１０ａは、結合ボルト１１を介して同軸に直結されている。

ナット４の外周には略円筒形状のロックナット１２が嵌合しており、このロックナット１２のナット４を嵌合していない端部内周に雌ねじ１２ａが形成されている。
そして、ロックナット１２は、軸受ハウジング３の他端側に形成した開口部３ａに挿入され、雌ねじ１２ａが粗微動伝達軸８の雄ねじ８ｃに螺合されている。これにより、ロックナット１２と粗微動伝達軸８の外周に設けた内輪係止部８ｄとの間で内輪６ａ，７ａ、スペーサ９が締め付けられ、アンギュラ軸受６，７の内輪６ａ，７ａは、粗微動伝達軸８の軸方向への移動が拘束されている。

また、ロックナット１２及び粗微動伝達軸８が結合することで、ナット４に螺合しているねじ軸５の一部は、粗微動伝達軸８の第２軸穴８ｂに入り込んでいる。
一方、軸受ハウジング３の内部には、粗微動伝達軸８を挿通した状態で軸受ハウジング３の一端側開口部を閉塞している蓋部材１３とアンギュラ軸受６の外輪６ｂとの間に、圧電アクチュエータ１４及び間座１５が配置されている。

圧電アクチュエータ１４は、単独または複数の圧電素子（不図示）を柱状に積層した中空のアクチュエータであって、一端が蓋部材１３に当接し、他端が間座１５に当接して粗微動伝達軸８の軸方向に延在しながら粗微動伝達軸８の外周に所定間隔をあけて配置されており、圧電駆動手段（不図示）から印加される電圧に応じて軸方向に伸縮する。
間座１５は略円筒形状の部材であり、一端に圧電アクチュエータ１４が当接し、他端がアンギュラ軸受６の外輪６ｂに当接しており、圧電アクチュエータ１４の変位（軸方向の伸縮）は、間座１５を介してアンギュラ軸受６の外輪６ｂに伝達されるようになっている。

基台２の幅方向（図１の紙面の奥行き方向）の両縁部には、長手方向（図１の左右方向）に連続して直動案内部１６が形成されている。
駆動モータ１０の本体ケースには、基台２に向けて延在するモータブラケット１７が固定されており、このモータブラケット１７に、基台２の直動案内部１６に係合して基台２の長手方向に摺動可能な案内部１８が形成されている。これにより、粗微動伝達軸８にモータ軸１０ａが直結している駆動モータ１０は、互いに係合した基台の直動案内部１６及びモータブラケット１７の案内部１８により軸方向移動が案内されている。

また、ナット４に螺合しているねじ軸５は、軸受ハウジング３から外部に突出しているねじ端部に、連結ナット１９を介してねじ軸ブラケット２０が固定されている。このねじ軸ブラケット２０は、基台２に向けて延在し、基台２の直動案内部１６に係合して基台２の長手方向に摺動可能な被案内部２１が形成されている。これにより、ねじ軸ブラケット２０が連結して回転が規制されたねじ軸５は、ナット４から回転が伝達されると、互いに係合した基台の直動案内部１６及び被案内部２１に案内されながら軸方向に移動するようになっている。

ここで、本実施形態の粗微動位置決め装置１の粗動機構は、駆動モータ１０、駆動モータ１０のモータ軸１０ａに直結した粗微動伝達軸８、ロックナット１２、ナット４及びねじ軸５で構成されている。
本実施形態の粗動機構は、駆動モータ１０の回転力が駆動力８、ロックナット１２及びナット４を介してねじ軸５に伝達されると、基台の直動案内部１６に係合したねじ軸ブラケット２０により回転が規制されているねじ軸５が、ねじ軸ブラケット２０に案内されながら軸方向に所定ストロークだけ駆動し、ねじ軸５の粗動位置決めが行われる。

また、本実施形態の装置１の微動機構は、蓋部材１３、圧電アクチュエータ１４、間座１５、一対のアンギュラ軸受６，７、スペーサ９、粗微動伝達軸８、ロックナット１２、ナット４及びねじ軸５で構成されている。
本実施形態の微動機構は、圧電駆動手段（不図示）から印加される電圧に応じて圧電アクチュエータ１４が変位すると、圧電アクチュエータ１４の変位が、間座１５を介して一対のアンギュラ軸受６，７の外輪６ｂ，７ｂに、微小の軸方向移動として伝達される。

そして、一対のアンギュラ軸受６，７の外輪６ｂ，７ｂが軸方向に微小移動すると、一対のアンギュラ軸受６，７の内輪６ａ，７ａも同一軸方向に移動し、内輪６ａ，７ａの内周に一体に配置された粗微動伝達軸８も同一軸方向に微小に移動する。
この際、粗微動伝達軸８にモータ軸１０ａを介して直結している駆動モータ１０は、モータブラケット１７の案内部１８が基台２の直動案内部１６に案内されながら、粗微動伝達軸８とともに微小に移動する。

そして、この粗微動伝達軸８の軸方向移動とともに、粗微動伝達軸８に一体化したナット４を介してねじ軸５が同一軸方向に微小に移動し、ねじ軸５の微動位置決めが行われる。
次に、本実施形態の粗微動位置決め装置１の作用効果について説明する。
本実施形態の粗微動位置決め装置１は、微動機構の作動時に、圧電アクチュエータ１４の伸縮によりねじ軸５が微小に軸方向移動すると、ねじ軸５に軸方向移動を伝達可能に連結した駆動モータ１０が、モータブラケット１７を介して基台２に案内されながらねじ軸５とともに移動するので、駆動モータ１０のモータ軸１０ａに作用する軸方向の負荷を抑制することができる。

また、本実施形態の粗微動位置決め装置１は、従来装置のように駆動モータ１０の軸方向の負荷を吸収する機構が不要となり、駆動モータ１０のモータ軸１０ａとねじ軸５の間の粗動機構を構成する部材の剛性を維持することができる。
したがって、本実施形態の粗微動位置決め装置１は、微動機構の作動時における軸方向（直動方向）の負荷を抑制し、粗動機構の作動時における位置決め精度を向上させることができる。

１…粗微動位置決め装置、２…基台、３…軸受ハウジング、３ａ…開口部、４…ナット、５…ねじ軸、６，７…アンギュラ軸受、６ａ，７ａ…内輪、６ｂ，７ｂ…外輪、８…粗微動伝達軸、８ａ…第１軸穴、８ｂ…第２軸穴、８ｃ…雄ねじ、８ｄ…内輪係止部、９…スペーサ、１０…駆動モータ、１０ａ…モータ軸、１１…結合ボルト、１２…ロックナット、１２ａ…雌ねじ、１３…蓋部材、１４…圧電アクチュエータ、１５…間座、１６…直動案内部、１７…モータブラケット、１８…案内部、１９…連結ナット、２０…ねじ軸ブラケット、２１…被案内部

Claims

基台上に転がり軸受を介して回転自在に支持され、且つ軸方向に微小移動可能に配置した粗微動伝達軸と、
この粗微動伝達軸の一方の端部に同軸に固定したナットと、
このナットに螺合したねじ軸と、
このねじ軸を回転不能、且つ軸方向移動自在に支持しているねじ軸支持手段と、
前記ねじ軸を大きな移動量で軸方向に移動させる粗動機構と、
前記ねじ軸を微小な移動量で軸方向に移動させる微動機構とを備え、
前記粗動機構は、前記粗微動伝達軸の他方の端部にモータ軸が同軸に直結している駆動モータと、この駆動モータを前記粗微動伝達軸の軸方向に移動自在に支持するモータガイド手段とを備え、
前記微動機構は、印加電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの伸縮方向の端部に当接する前記転がり軸受の外輪とを備え、前記圧電アクチュエータが変位すると、前記外輪の軸方向の微小移動により前記粗微動伝達軸の外周に一体化した前記転がり軸受の内輪が前記外輪と同一の軸方向に微小移動するようにし、
前記モータガイド手段は、前記基台に、前記粗微動伝達軸の軸方向に沿って形成した直動案内部と、前記駆動モータの筐体に一体化され、前記直動案内部に係合する被案内部を設けたモータブラケットとで構成されていることを特徴とする粗微動位置決め装置。
前記転がり軸受は、前記粗微動伝達軸の軸方向に隣接して配置した一対のアンギュラ軸受であることを特徴とする請求項１記載の粗微動位置決め装置。
前記ナットの外周にロックナットが外嵌し、このロックナットと前記粗微動伝達軸の一方の端部が同軸に固定されているとともに、前記粗微動伝達軸の外周に設けた内輪係止部と前記ロックナットとの間に前記一対のアンギュラ軸受の内輪が挟持され、当該一対のアンギュラ軸受の内輪が前記粗微動伝達軸の外周に一体化されていることを特徴とする請求項２記載の粗微動位置決め装置。