JPH03153917A - 直線運動案内機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は直線移動装置の移動案内機構に関し、と（に半
導体製造装置などの超精密位置決めを必要とするものに
関する。

［従来の技術］ 従来、精密工作機械のテーブルなどの摺動部に設けられ
る直線運動案内機構はボールとボールガイドによって構
成され、ボールとボールガイドの間に遊びができないよ
うにテーブルの進行方向および進行方向に直角方向に予
圧をかけている。また、テーブルとボールガイドとの間
にピエゾ素子により作動させる圧電アクチュエータを設
け、ピエゾ素子に加える電圧を制御して、予圧を切削抵
抗の変化などに応じて変えることにより、位置決め精度
を維持するようにしたものが開示されている（例えば特
開昭６３−３１８３１３号公報）。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、位置決め精度がミクロンオーダになると、予
圧の変化量が精度に大きく影響する。予圧の変化量を大
きくするとボールがボールガイドに損傷を与えることが
あり、予圧の変化量を小さくすると、ボールとボールガ
イドとの間の空隙が大きくなってガタが生じ、ピエゾ素
子に加える電圧の制御が難しいなどの欠点があった。

本発明は、ボールまたはボールガイドの弾性変形を利用
して高精度の位置決めを可能にした直線運動案内機構を
提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、ベッドの長手方向に移動しうるテーブルと、
前記ベッドの上部にボールが転動する転動溝を備え、か
つ前記ベッドの長手方向に沿って設けられたボールガイ
ドと、前記テーブルの下部に設けられたボールを保持し
て転動させる転動溝を備えたボールホルダと、前記テー
ブルに前記ボールホルダを前記ベースの方向に押圧する
ように設けられた圧電アクチュエータとを備えた直線運
動案内機構において、前記ボールまたは前記ボールガイ
ドのいずれか一方を他方より弾性変形し易い機構により
構成したものである。

［作用］ ボールまたはボールガイドを弾性変形し易い材質により
構成しであるので、予圧力を加えながらテーブルを移動
させると、予圧力の作用によるボールまたはボールガイ
ドの増大した弾性変形量だけテーブルの移動を制御する
距離が太き（なる。その間に、圧縮力の反力を受ながら
テーブルの位置決め制御を行うので、テーブルの位置決
め精度を高く維持することができる。

［実施例］ 本発明を図に示す実施例について説明する。

第１図は本発明の実施例を示す正面図で、テーブルｌが
ベッド２の上部に設けられ、ベッド２の上部両側にはボ
ール３．３゛が転動する転動溝４１゜４１’　を備え、
ベッド２の長手方向に沿ってボールガイド４．４゛が設
けられている。テーブルｌの下部に設けられた収納溝１
１にはボール３．３′を保持して転動させる転動溝３１
，３１°を備えたボールホルダ３２．３２′が設けられ
、テーブルｌの移動方向に対し直角方向に摺動しうるよ
うにしである。したがって、テーブルｌはボール３．３
′およびボールホルダ３２．３２゛　ならびにボールガ
イド４．４゛　によって支持されている。ボール３．３
′は比較的弾性変形量の大きい、すなわち縦弾性係数の
小さい材料により構成されている。

収納溝１１の底部には複数個積層されたピエゾ素子から
なる圧電アクチュエータ５を収納した固定溝１２が設け
られている。圧電アクチュエータ５に電圧を印加するこ
とにより圧電アクチュエータ５が伸び、ボールホルダ３
２をボールガイド４の方向に押し付け、ボール３とボー
ルガイド４との間に予圧を加えるようにしである。

ベッド２の中央部にはりニアモータ６の固定子６Ｉが設
けられ、テーブル１の下部中央部には固定子６１に空隙
を介して対向する移動子６２が設けられ、テーブルｌを
ベッド２の長手方向に直線駆動するようにしである。

テーブル１の移動位置は、第２図に示すように、レーザ
変位計７によって検出されるようにしてある。レーザ変
位計７はテーブル１に取り付けられた干渉計７１と、ベ
ッド２の一端に取り付けられた反射鏡７２とベッド２の
外部に設けられたレシーバ７３によって構成されている
。レーザ変位計７のテーブル位置検出信号は制御ユニッ
ト８に送られ、制御ユニット８により圧電アクチュエー
タ５に印加する電圧が制御されるようにしである。

なお、制御ユニット８にはレーザ変位計７のテーブル位
置検出値とテーブル１の停止位置設定器８１の出力との
偏差に対し、ゲインを逓倍する関数発生器８２と増幅器
８３が設けられている。ボールが線形バネ系の場合は直
線的に変化する関数発生器が使用され、ボールが非線形
バネ系の場合は２次曲線等の曲線状に変化する関数発生
器が使用され、圧電アクチュエータ５により与えられる
予圧が常に直線的に変化するようにしである。

テーブルｌを所要の位置に比較的早い速度（粗動）によ
り移動する場合、まず、圧電アクチュエータ５に印加す
る電圧を小さくしてボール３とボールガイド４との間の
予圧を小さくし、ボール３が容易に転動しうる状態にす
る。この状態で固定子コイル６３に通電し、テーブルｌ
を移動する。この時、ボール３は第３図（ａ）に示すよ
うに、あまり変形せずに転動するため、テーブルに働く
摩擦力は非常に小さく、テーブルｌは小さな推力で高速
に移動することができる。

レーザ変位計７によりテーブル１の位置が目標位置に対
して予め停止位置設定器８１に設定した距離、例えば数
マイクロメートル以内、あるいは数十ナノメートル以内
という範囲に入ると、テーブルｌを微動させるため、圧
電アクチュエータ５に印加する電圧を大きくして圧電ア
クチュエータ５を伸張させ、ボール３とボールガイド４
との間の予圧を増大させる。

すると、第３図（ｂ）に示すように、ボールホルダ３２
およびボールガイド４のボール３との接触面Ｓとボール
３とが互いに強い力で押圧されてボール３に弾性変形を
起こす。

この時の接触面Ｓとボール３の接近量δ。と、ひずみ円
直径ａは、接触面Ｓとボール３の縦弾性係数Ｅが同じ場
合、次の式で与えられる（曽田範宗著、合波全書２５７
「軸受」より）。

δｏ＝ｌ、　　　２３　　（Ｐ”／Ｅ２　ｒ）　　１′
３　［ｃｍコａ＝２．　　２２　　　（Ｐｒ／Ｅ）　　
１／３　　　　［ｃｍコ　・　　　（１）ここで、Ｐ：
押付は圧力（予圧力） Ｅ：縦弾性係数（ヤング率） ｒ：ボールの半径 ボール３の接触面Ｓへのくい込み量δは、０〈δくδ。

の範囲にあり、−船釣に次の式（２）で表わされる。た
だしくい込み量δは接触面Ｓの弾性限界内とする。

δ＝ＣＩ　（Ｐ”／Ｅ２ｒ）　１′３　　　　　・　（
２）ここで、Ｃ１：定数 この状態で、テーブルｌに推力を加えると、転動体であ
るボール３は強く押圧されて第４図（ａ）に示すように
、ボール３の移動方向前面Ｓ′　と、それに接している
接触面Ｓの移動方向前面Ｓ′とに、移動方向に向いた圧
縮力が発生する。この圧縮力によって弾性体であるボー
ル３と接触面Ｓとが弾性変形する。

この時の弾性変形量λは一般的に次の式で表わされる。

λ＝Ｃ２・Ｐ、／　Ｅ　Ａ ここで、Ｐ、：圧縮力（＝推力） Ａ：加圧部断面積 Ｃ２：定数 したがって、ボール３とボールガイド４との間の予圧を
増大させた後にテーブルｌを移動させるということは、
次の式（３）で表わされるばね定数ｋを持つばねを変位
させることと等価になる。

ｋ　＝　Ｐ、／λ＝　Ｅ　Ａ／　Ｃ１・・・（３）式（
３）中の加圧部断面積Ａは第４図（ｂ）に示すように、
式（１）と（２）の積によって代表されるボール３の進
行方向投影面積であるので、次の（４）式で表わされる
。

Ａ＝Ｃ３−Ｃ，（Ｐ’／Ｅ’ｒ）　ｌ７３−２．２２　
（Ｐ　ｒ／Ｅ）　”’＝Ｃ４−Ｐ／Ｅ−（４）ここで、
Ｃ，、Ｃ，：定数 式（４）を式（３）に代入すると、 ｋ　＝　Ｐ、／λ＝　　（Ｅ／Ｃ，）　　　（Ｃ，・Ｐ
／Ｅ）＝Ｃ，Ｐ　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（５）ここで、Ｃｇ：定数 となる。

式（５）より、このばね定数にはボール３とボールガイ
ド４との間に加わる予圧力Ｐに比例することが分かる。

テーブルｌはリニアモータ６によりて駆動され、テーブ
ル１とベッド２との間にはボール３とボールガイド４以
外の接触部分がないため、前記ばね定数ｋに関与する因
子は式（５）で示したように予圧力Ｐのみである。

したがって、予圧力Ｐを接触面Ｓまたはボール３の弾性
限界内で、出来るだけ大きい値まで増大させてテーブル
ｌを位置決めすると、このボール３と接触面Ｓとの弾性
変形によって、圧縮力の反力を受ながらテーブルｌを移
動させることになる。

したがって、増大した弾性変形量だけテーブルｌの移動
を制御する距離が大きくなり、その間ボール３とボール
ガイド４にガタが生じない状態で、かつボール３と接触
面Ｓに損傷を与えることなく、位置決め制御を行うので
、テーブルｌの位置決め精度を高く維持することができ
る。

以上は、接触面Ｓとボール３の材質が同一の場合につい
て説明したが、両者の材質が異なる場合も、接近量δは δ＝　Ｃｓ　（Ｐ”−（Ｃ７／Ｅｌ　ｒ　＋Ｃａ／Ｅ２
ｒ）　）　”’ここで、Ｃ６、Ｃ１、Ｃ６：定数 Ｅ、：接触面Ｓの縦弾性係数 Ｅ２：ボール３の縦弾性係数 となり、両者の材質が同一の場合とほぼ同様の原理が成
り立つ。

例えば、ボール３の縦弾性係数Ｅが２１０００ｋｇｆ／
ｍｍ２の軸受鋼とし、ボール３の外周に、たとえば、テ
フロン（ふっそ樹脂の商品名）などの縦弾性係数Ｅが２
０００ｋｇｆ／ｍｍ２で、軸受鋼の約１０分の１の材料
の皮膜を被覆する。

この場合、接近量δは接触面Ｓとボール３の材質が軸受
鋼である場合と比較して３倍程度となり、微少な移動量
を得る領域を広げることができる。

また、上記実施例とは逆に、ボール３を弾性変形しにく
い材質とし、ボールガイド４の接触面を弾性変形しやす
い材質にしてもよい。

また、他の実施例として、第５図に示すように、ボール
ホルダ３２のボール３に近接する複数の位置にレバー９
の一方端を固定させ、それぞれ中央部でボール３に接触
させ、他方端を他のレバー９の他方端とリンク結合して
、リンク結合点９１を圧電アクチュエータ５により予圧
を加えてレバー９を均一に弾性変形させるようにしても
よい。

また、第６図に示すように、ボールガイド４の転動溝４
１の下に空隙部４２を設けて、転動溝４１の接触面が弾
性変形し易いように構成しても良い。

また、ボール３を中空のりん青銅等の弾性変形し易い材
料で構成してもよく、また、ボールガイド４をＡｌ−Ｎ
ｉ−Ｍｏ窒化鋼等の極度に硬い材質とし、ボール３の縦
弾性係数Ｅとの差を大きくしてもよい。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば圧電アクチュエータ
による予圧力が小さくても、ボールまたはボールガイド
の縦弾性係数を小さいものにすることによって、予圧力
を加えたときの位置決め精度を向上させることができる
ので、極めて安定した精密位置決めができる直線運動案
内機構を提供しうる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す正面図、第２図は制御ユ
ニットの説明図、第３図（ａ）、（ｂ）はボールに予圧
が加わるときの説明図、第４図（ａ）は圧縮力の説明図
、第４図（ｂ）はそのｂ−ｂ矢視からみた説明図、第５
図、第６図は他の実施例を示す要部側面図である。 １・・・テーブル、２・・・ベッド、３・・・ボール、
３２・・・ボールホルダ、４・・・ボールガイド、５・
・・圧電アクチュエータ、６・・リニアモータ、７・・
・レーザ変位計、８・・・制御ユニット、９・・・レバ
ー第 １ 図 第 図 第 図 （ａ）予圧力Ｐが小 （ｂ）予圧力Ｐが大 第 図 （ａ） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ベッドの長手方向に移動しうるテーブルと、前記ベ
   ッドの上部にボールが転動する転動溝を備え、かつ前記
   ベッドの長手方向に沿って設けられたボールガイドと、
   前記テーブルの下部に設けられたボールを保持して転動
   させる転動溝を備えたボールホルダと、前記テーブルに
   前記ボールホルダを前記ベースの方向に押圧するように
   設けられた圧電アクチュエータとを備えた直線運動案内
   機構において、 前記ボールまたは前記ボールガイドのいずれか一方を他
   方より弾性変形し易い機構により構成したことを特徴と
   する直線運動案内機構。 ２、前記圧電アクチュエータが複数個積層されたピエゾ
   素子からなり、前記ピエゾ素子に印加する電圧を、テー
   ブルの粗動時は小さくし、微動時は大きくして、前記ボ
   ールに加える予圧の大きさを制御する制御ユニットを設
   けた請求項１記載の直線運動案内機構。 ３、前記弾性変形し易い機構が、表面を縦弾性係数の低
   い材料により被覆した前記ボールにより構成された請求
   項１または２記載の直線運動案内機構。 ４、前記弾性変形し易い機構が、中空ボールにより構成
   された請求項１または２記載の直線運動案内機構。 ５、前記弾性変形し易い機構が、レバーの中央部でボー
   ルに接触させ、前記レバーの一方端を前記ボールガイド
   に設けられたボールホルダに固定させ、前記レバーの他
   方端を他の前記レバーの他方端とリンク結合し、前記リ
   ンク結合点を圧電アクチュエータにより前記ベースの方
   向に押圧して前記レバーを均一に弾性変形させるように
   構成された請求項１または２記載の直線運動案内機構。 ６、前記弾性変形し易い機構が、前記レールの転動溝の
   下に接触面が弾性変形し易いように空隙部を設けて構成
   された請求項１または２記載の直線運動案内機構。