JPH08233060A - ダブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ボールねじ軸とナット部材間の位置関係を固
定して精密な微動が可能であると共に、コンパクトな装
置構成とすることができるダブルナット間微小変位機構
を備えたボールねじ装置を提供する。 【構成】 第１のナット部材１３と第２のナット部材１
４の間にボールねじ軸１０ａの軸方向に伸縮する伸縮手
段１７と、両ナット部材１３、１４間の圧力を検出する
圧力センサー１８とを直列に介挿し、移動テーブル１５
を第１のナット部材１３及び第２のナット部材１４の何
れか一方に固定し、移動テーブル１５の位置を検出する
位置検出手段２８を有すると共に、位置検出手段２８及
び圧力センサー１８からの信号に基づいて伸縮手段１７
を伸縮させる制御装置２９を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械、測定機、光
学装置等、精密な位置決めを必要とする装置に採用され
るボールねじ装置に関し、さらに詳しくはボールねじの
変形挙動を利用して精密位置決め又は精密加工等を行う
ダブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ボールねじ装置により精密な位置決めも
しくは加工を行う場合には、粗動をボールねじ送り機構
により行い、目標近くの位置に到達した後は別の微動機
構により位置決めを行う方法が採用されている。例えば
特開平４−３０９３１号公報に記載されているように、
ボールねじをサーボモータ等により回転させて、ナット
部材をボールねじ軸方向に移動させることによりナット
部材に係止された移動テーブルを粗動させた後、移動テ
ーブルとナット部材間に介挿された弾性体を圧電素子等
でボールねじ軸の軸方向に伸縮させて移動テーブルを微
動させる等の方法が採用されている。一方、ボールねじ
装置のナット部材は、そのねじ溝とボール間等に不可避
的な間隙が存在して、そのままではがたつきやバックラ
ッシュが大きくなって、精密な位置決めが困難であるた
め、２つのナット部材間にナット部材間の長さを規制す
る間座を設けて、この間座の厚みの調整によりナット部
材間に予圧をかけて、がたつきを無くす方法が一般に行
われている。また、特開平２−２２１７４７号公報に
は、第１のナットと第２のナットの間に予圧検出手段と
圧電素子とを介在させて、軸方向の圧力を検知して、そ
の圧力変化に応じた発生電圧を圧電素子に印加すること
により、予圧量を制御してナットのがたつき等の作動不
良を防止するボールねじ装置が示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開平４−３０９３１号公報に記載のボールねじ装置は、
ボールねじ軸の回転によりテーブルを粗動させて、精密
位置決めを必要とする微動動作に移る際には、ナット部
材とボールねじ軸との位置関係を固定して正確な微動を
行うための機構が必要となるために装置が複雑になる。
またテーブル上の加工物を精密加工するような場合に
は、過大な負荷がナット部材にかかり、ボールねじ機構
自体の剛性が低いために、ひずみ量が大きくなって精密
な加工が困難となる問題があった。

【０００４】特開平２−２２１７４７号公報に記載の技
術では、精密位置決めに必要なボールねじ軸とナット間
のがたつきを制御してテーブルの移動に伴う作動不良を
防止し、適正な剛性を確保することを目的としている
が、テーブルを制御された状態の下で微動させることは
できない。本発明はこのような事情に鑑みてなされたも
ので、ボールねじ軸とナット部材間の位置関係を固定し
て精密な微動が可能であると共に、コンパクトな装置構
成とすることができるダブルナット間微小変位機構を備
えたボールねじ装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項１
記載のダブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ
装置は、一端又は両端を軸受部によって支持されたボー
ルねじ軸と、該ボールねじ軸に螺合する第１及び第２の
ナット部材と、該第１及び第２のナット部材のガイド部
材と、これらの制御装置とを有し、前記ボールねじ軸を
駆動機構により回転させて、前記第１及び第２のナット
部材を該ボールねじ軸の軸方向に移動させ、取付けられ
た移動テーブルを進退するボールねじ装置において、前
記第１及び第２のナット部材の間に前記ボールねじ軸の
軸方向に伸縮する伸縮手段と、前記第１及び第２のナッ
ト部材間の圧力を検出する圧力センサーとを直列に介挿
し、前記第１及び第２のナット部材の何れか一方に前記
移動テーブルを取付けると共に、該移動テーブルの位置
を検出する位置検出手段を備え、前記制御装置には、前
記ボールねじ軸を回転させて前記移動テーブルを移動さ
せた後、該移動テーブルの位置と目標位置との偏差を検
知し、該移動テーブルを前記圧力センサーの出力を基準
として前記伸縮手段を駆動して前記偏差分の距離を移動
させる微動制御手段が設けられて構成されている。

【０００６】請求項２記載のダブルナット間微小変位機
構を備えたボールねじ装置は、請求項１記載のダブルナ
ット間微小変位機構を備えたボールねじ装置において、
前記ボールねじ軸の駆動側の前記軸受部を、軸方向の伸
縮を規制した固定端として、非駆動側の軸受部を軸方向
に移動可能な自由端として構成されている。請求項３記
載のダブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ装
置は、請求項１又は２記載のダブルナット間微小変位機
構を備えたボールねじ装置において、前記伸縮手段は、
圧電素子からなるように構成されている。請求項４記載
のダブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ装置
は、請求項１又は２記載のダブルナット間微小変位機構
を備えたボールねじ装置において、前記伸縮手段は、内
部に圧力媒体が充填された中空部材からなって、前記圧
力媒体の圧力を変動することによってその長さが変わる
ように構成されている。請求項５記載のダブルナット間
微小変位機構を備えたボールねじ装置は、請求項１又は
２記載のダブルナット間微小変位機構を備えたボールね
じ装置において、前記伸縮手段は、加熱手段と温度測定
手段を備え温度変化によってその長さが変わる伸縮体か
らなるように構成されている。

【０００７】ここで、伸縮手段と圧力センサーとを第１
及び第２のナット部材間に直列に介挿するとは、第１及
び第２のナット部材間を伸縮手段と圧力センサー自体と
によって機械的に固定して、第１及び第２のナット部材
間の相対的な運動を規制することをいう。また、移動テ
ーブルを第１及び第２のナット部材の何れか一方に固定
するとは、移動テーブルを何れかのナット部材に固定す
ることにより、ナット部材の動きに伴って移動テーブル
がボールねじ軸の軸方向に移動できるようにすることを
いう。また、移動テーブルとは、加工、測定、又は観察
等に際して、その対象物あるいは触針、工具等を固定す
るための基盤をいう。

【０００８】

【作用】ボールねじによる送り装置は、回転運動を直線
運動に変換し位置決めを行う装置であるが、ボールねじ
装置は本来の機械的構造上から剛性が低く、またボール
（鋼球）とボール溝間の空隙が避けられないために、従
来はボールを保持する２つのナット部材間に間座を設
け、ここに引張や圧縮の予圧をかけて、ナット部材の位
置を規定するようにして使用されている。本発明者は、
上記の予圧によって生じる前記ナット部材間の微小な距
離の変化を、微動制御手段として利用することにより、
装置の剛性を高めると同時に、ナット部材間の伸縮手段
の伸縮量が縮小されて微小な変位が容易に出力できると
いう考えに基づいて本発明を完成させるに至ったもので
ある。

【０００９】即ち、請求項１記載のダブルナット間微小
変位機構を備えたボールねじ装置は、一端又は両端を軸
受部によって支持されたボールねじ軸上の第１及び第２
のナット部材の間に前記ボールねじ軸の軸方向に伸縮す
る伸縮手段と、前記第１及び第２のナット部材間の圧力
を検出する圧力センサーとを直列に介挿し、前記第１及
び第２のナット部材の何れか一方に前記移動テーブルを
取付けると共に該移動テーブルの位置を検出する位置検
出手段を備え、前記制御装置には、前記ボールねじを回
転させて前記移動テーブルを移動させた後、該移動テー
ブルの位置と目標位置との偏差を検知し、該移動テーブ
ルを前記圧力センサーの出力を基準として前記伸縮手段
を駆動して前記偏差分の距離を移動させる微動制御手段
が設けられて構成されているので、ボールねじ軸を回転
させることにより移動テーブルの粗動動作が行えると共
に、ナット部材間におかれた伸縮手段を伸縮させて、ナ
ット部材をボールねじ軸の軸方向に縮小変位させて、前
記ナット部材に固定された移動テーブルの微動を可能と
する。そして、位置検出手段により検出される移動テー
ブルの位置、及び圧力センサーからの信号に基づいて前
記伸縮手段の伸縮をヒステリシスのない状態で的確に制
御することができる。さらに、ボールねじ軸の一端のみ
を軸受部によって支持した場合には、他端側の空間で加
工具あるいはプローブ等を使った微動操作ができるため
に、装置自体を小型にすることができる。

【００１０】そして、請求項２記載のダブルナット間微
小変位機構を備えたボールねじ装置においては、ボール
ねじ軸の駆動側の軸受部を、軸方向の伸縮を規制した固
定端として、非駆動側の軸受部を軸方向に移動可能な自
由端として構成しているので、自由端側のナット部材に
係止された移動テーブルの変位量を大きく取れると共
に、伸縮手段の伸縮により生じるボールねじ軸装置への
応力を逃がすことができる。

【００１１】特に、請求項３記載のダブルナット間微小
変位機構を備えたボールねじ装置においては、伸縮手段
は圧電素子からなるように構成されているので、付加す
る電圧により伸縮量を容易に制御することができ、かつ
装置を単純に構成できる。また、請求項４記載のダブル
ナット間微小変位機構を備えたボールねじ装置は、前記
伸縮手段は内部に圧力媒体が充填された中空部材からな
って、前記圧力媒体の圧力を変動することによってその
長さが変わるように構成されているので変位量を大きく
取れる。請求項５記載のダブルナット間微小変位機構を
備えたボールねじ装置においては、前記伸縮手段は加熱
手段と温度測定手段を備え温度変化によってその長さが
変わる伸縮体からなるように構成されているので、構造
が簡単であり、かつ微小な変位量を正確に制御すること
ができる。

【００１２】

【実施例】続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明
を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供す
る。図１は本発明の第１の実施例に係るダブルナット間
微小変位機構を備えたボールねじ装置の断面図、図２は
同原理説明図、図３は変位量と予圧力変化量との関係を
示す図、図４は予圧力変化量とナット部材端軸方向変位
量との関係を示す図、図５は本発明の第２の実施例に係
るダブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ装置
の一部省略断面図、図６は位置決め操作のフローチャー
トである。

【００１３】図４は、図２に示す圧力センサー２６によ
り測定される予圧力変化量ΔＦと自由端側のナット部材
軸方向の変位量δとの関係を示す図である。ここで予圧
力変化量ΔＦは伸縮手段２５と直列に配置された圧力セ
ンサー２６により測定され、ナット部材端軸方向の変位
量δは図示しない精密位置測定装置により測定された値
である。同図において予圧力変化量ΔＦとナット部材端
軸方向の変位量δとの間には、ほぼ直線関係が成立して
いるため、伸縮手段２５を伸縮させて、その時発生する
予圧力の値を測定することにより簡単にナット部材端軸
方向の変位量δを制御することができる。

【００１４】これを図２に示す原理説明図に基づいてさ
らに詳細に説明する。図２（ａ）は、ナット部材２３、
２４の外側にナット部材２３、２４間の距離を規制する
フランジ２２を設けた場合であり、図２（ｂ）は、ナッ
ト部材２３、２４間の内側にフランジ２２を設けた場合
であるが、いずれの場合においても、機械系としては同
様な取り扱いが可能である。ボールねじ軸２７が回転可
能に配置され、ボールねじ軸２７の左端は固定端となっ
て支持され、右端はボールねじ軸２７の伸縮を許す自由
端となっており、ボールねじ軸２７に螺合する２つのナ
ット部材２３、２４間に両者の距離を規定するように設
けたフランジ２２間に伸縮手段２５と圧力センサー２６
とが直列に配置されている。そして伸縮手段２５を伸縮
させることによりナット部材２３、２４の相対位置を変
化させることができる。まず、前記２つのナット部材２
３、２４間のがたつきを抑止するために、伸縮手段２５
を伸縮させて伸縮手段２５の長さをＬとすることにより
所定量の予圧力をかけてナット部材２３、２４を固定
し、ここにおけるナット部材２３、２４の位置を基点と
して設定する。そして伸縮手段２５の長さＬをΔＬだけ
変化させたときの、固定端側のナット部材２３の変位量
δ１と自由端側のナット部材２４の変位量δ２は、以下
の式で表わされる。 δ１＝δａ（鋼球とボールねじ間のヘルツ接触変形量）
＋δｃ（ねじ山の軸方向変形量） δ２＝δ１＋δｂ（ダブルナット間ねじ軸部ｄの変形
量） 但し、ボールねじ軸２７の両端を固定した場合には、ナ
ット部材２３、２４の変位量はどの側もδ１にほぼ等し
くなる。図３は所定条件の下で各変位量と予圧力変化量
との関係を示した図であり、ボールねじ装置の各要素を
調整することにより予圧力によって制御できる変位量の
範囲を大きく取れることが分かる。また、自由端側のナ
ット部材２４の軸方向変位量δ２は、ボールねじ軸２７
の右端が自由移動できるため、固定端側のナット部材２
３の軸方向の変位量δ１より常に大きくなる関係にあ
る。従って、必要とする変位量の大きさに応じて、移動
テーブルをいずれか一方のナット部材に係止することに
より、移動テーブルの適正な微動操作が可能となる。

【００１５】続いて、図１に示す第１の実施例に係るダ
ブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ装置１０
について説明する。ボールねじ装置１０は移動テーブル
１５上の対象物２１の位置を検出する位置検出手段２
８、ボールねじ送り機構、及びボールねじ送り機構を制
御する微動制御手段の一例である制御装置２９とを有す
る。そして、ボールねじ送り機構はボールねじ軸１０ａ
の両端に配置された軸受部１１、１２と、ボールねじ軸
１０ａを駆動させるための駆動機構の一例であるサーボ
モータ１９と、ボールねじ軸１０ａに螺合するナット部
材１３、１４と、ガイド部材１６とからなり、ナット部
材１３、１４は内部に複数のボール（鋼球）２０を保持
し、ナット部材１３、１４間には圧電素子からなる伸縮
手段１７と圧力センサー１８とが直列に配置されてい
る。そして、移動テーブル１５がナット部材１４の動き
に伴って移動できるようにナット部材１４に固定されて
いる。

【００１６】サーボモータ１９側の軸受部１１は、ボー
ルねじ軸１０ａの軸方向の伸縮を規制する固定端となっ
ており、一方の軸受部１２は、ボールねじ軸１０ａの軸
方向の伸縮を許す自由端となっている。これによりボー
ルねじ軸１０ａの一部を軸方向に弾性的に伸縮させて
も、軸受部１１、１２に負荷がかかることがなく、また
同時にサーボモータ１９の駆動によるボールねじ軸１０
ａの回転が支障なく行えるようになる。

【００１７】また、移動テーブル１５はボールねじ軸１
０ａと平行に配置されたガイド部材１６に嵌合した状態
でボールねじ軸１０ａの軸方向に移動できるように構成
されているために、移動テーブル１５に係止されたナッ
ト部材１４と、伸縮手段１７、及び圧力センサー１８を
介して係合するナット部材１３のそれぞれの回転が規制
されている。従って、ボールねじ軸１０ａをサーボモー
タ１９によって回転させることによって、回転運動を往
復運動に変換してナット部材１３、１４をボールねじ軸
１０ａの軸方向に移動させることができる。

【００１８】ナット部材１３、１４間には圧電素子から
なる伸縮手段１７と圧力センサー１８とが直列に配置さ
れているために、ナット部材１３、１４間の相対的な運
動が規制され、かつ伸縮手段１７を必要に応じて適正量
伸縮させることにより、ボールねじ軸１０ａの軸方向の
ナット部材１３、１４間の長さを制御することができ
る。そして圧力センサー１８はストレンゲージ等を利用
したリング状のロードセルからなり、ナット部材１３、
１４間に働く圧力値を測定することができる。圧電素子
は厚み１ｍｍのリング状素子を６０枚積層したもので、
１０００Ｖの印加電圧でその長さが約３５μｍ変化する
特性を持っている。ただし、電圧に対する圧電素子の変
形特性はヒステリシスを示すので、このような電圧によ
り伸縮量を適正に制御することは困難である。従って、
伸縮量の制御をヒステリシスのない圧力値によって行う
ことが正確な制御には望ましい。

【００１９】又、圧電素子以外の伸縮手段１７として
は、弾性体の内部にボールねじ軸１０ａの軸方向に伸延
する中空部を設けて、該中空部に圧力媒体を充填した中
空部材からなり、水等の圧縮率の小さい液体の圧力媒体
に圧力を加えることにより前記弾性体をボールねじ軸１
０ａの軸方向に伸縮させる機構のものが利用できる。こ
の場合は変位量を大きく取れる他に、圧力を変動させる
ことにより伸縮量を精密に制御できる利点がある。ここ
で弾性体としては、材料自体の弾性変形領域を利用する
ことにより金属、高強度プラスチック等の材料が使用で
きる。

【００２０】さらに、伸縮手段１７として、熱膨張によ
る伸縮手段を備えたものも利用可能である。即ち、熱膨
張係数の大きい金属板等からなる伸縮体をナット部材１
３、１４の間に配し、電気ヒーター等の加熱手段により
前記金属板を加熱する一方、該金属板の温度を熱電対な
どの温度測定手段により測定して、予め求めてある該金
属板温度と膨張量との対応表に従って、前記温度を所定
温度に維持することにより、ナット部材１３、１４間の
距離を精密に制御することができ、ヒステリシスのない
制御ができ、しかも装置を簡単に構成できる。

【００２１】本実施例に使用したナット部材、及びボー
ルねじの諸元を表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】移動テーブル１５上の対象物２１の位置を
検出する位置検出手段２８には一例としてレンズ駆動型
光点変位方式を採用した。ここで、ナット部材１３、１
４、移動テーブル１５、及び対象物２１は互いに固定さ
れて三者間の相対的な位置関係は変化しないため、位置
測定に際しては、ナット部材１３、１４、移動テーブル
１５もしくは移動テーブル１５上の加工対象物２１等の
何れかの測定のしやすい箇所に測定点を設定できる。即
ち、ナット部材１４の端もしくは対象物２１に分布屈折
レンズを固定し、これにレーザ光源から発射された光線
を当て、その出力を半導体位置検出装置（ＰＳＤ）で検
出する。これにより分布屈折レンズが微小移動するとそ
れを通過した光線の射出角度が大きく変化するため、高
精度での位置測定ができ、この測定データを制御装置２
９に送り、以下に示す位置決め操作の制御が行われるよ
うに構成されている。

【００２４】ボールねじ送り機構を制御する制御装置２
９は、位置検出手段２８からの位置の信号と、移動テー
ブル１５を移動すべき目標位置との偏差により、ボール
ねじ軸１０ａの回転及び伸縮手段１７の伸縮量を変化さ
せる指示を、ボールねじ軸１０ａのサーボモータ１９及
び伸縮手段１７に送る手順を組み込んでなるコンピュー
タ等の微動制御手段を含む装置である。図６はこのよう
な位置決め操作のフローチャートである。

【００２５】続いて、前記のダブルナット間微小変位機
構を備えたボールねじ装置１０を用い、移動テーブル１
５の位置決め操作を行う手順を図６に従って述べる。ま
ず、目標位置Ａを設定した後（ステップ）、移動テー
ブル１５上に対象物２１を固定し、サーボモータ１９を
駆動させてボールねじ軸１０ａを回転させて予め定めて
ある基準位置Ｓに移動させる（ステップ）。基準位置
Ｓはリミットスイッチ等により予め設定しておくことに
より、開始信号を送るだけで実行できる。しかる後に移
動テーブル１５の所望移動量（Ａ−Ｓ）をボールねじ軸
１０ａのねじのピッチＰで除して、必要な回転数を算出
し、サーボモータ１９を回転させ、必要な位置の近傍に
位置付ける（ステップ）。なお、この間、圧電素子か
らなる伸縮手段１７の長さを調整して、必要な予圧力を
かけておけば、移動中のバックラッシュ、がたつき等を
防いで滑らかな移動操作ができる。

【００２６】しかる後、ストレンゲージ等の圧力センサ
ー１８により得られる圧力値を測定しつつ、伸縮手段１
７を伸縮させることにより初期予圧力（Ｆ０）１．９６
ｋＮをナット部材１３、１４間に付加して、ボールねじ
軸１０ａ及びナット部材１３、１４間の位置関係を固定
した後に、位置検出手段２８により移動テーブル１５上
に固定された対象物２１のボールねじ軸１０ａの軸方向
の現位置Ｂを検出し（ステップ）、また圧力センサー
１８による予圧力Ｈとを正確に測定し（ステップ）、
その後位置決めすべき目標位置Ａとの偏差（変位量）δ
＝（Ａ−Ｂ）を求める（ステップ）。

【００２７】そして、ステップにおいてδの比較評価
を行う。即ち（イ）δが予め定めてある粗動操作の限界
値ε１以上の場合には、再度ステップ以降の操作を繰
り返して行う。また、（ロ）δが誤差限界のε２より小
さい場合には、ここで位置決め操作は終了となる。さら
に、（ハ）δが前記ε１〜ε２の範囲にある場合には、
ステップ以降の操作を行う。図４に示す変位量δと予
圧力変化量ΔＦとの関係により、対象物２１の現位置Ｂ
と目標位置Ａとの偏差（変位量）δに相当する予圧力変
化量ΔＦを決定して（ステップ）、圧力センサー１８
の予圧力Ｈを前記のステップにて決定した予圧変位量
ΔＦに等しくなるように圧電素子を伸縮させる（ステッ
プ）。これにより、ナット部材１４を偏差（変位量）
δ分だけ微動させる微動制御手段により、対象物２１が
目標位置Ａに位置決めされるようになる。そして、コン
ピュータ等の制御手段により図６のフローチャートに示
される各機能に従って、必要な位置決め操作を制御装置
２９を使って実行させることができる。図４は実際の予
圧力変化量ΔＦと変位量δとの関係を求めた図である
が、予圧力を±０．５ｋＮの範囲で変化させることによ
ってナット部材１４の端面で±１．５μｍ程度の変位が
得られることが分かる。なお、予圧力変化に対するナッ
ト部材１４の端面の変位量は、ボールねじ寸法は同じで
も、ダブルナット間のねじ軸部長さや、機械系の剛性で
変化する。即ち、予圧力変化に対するナット変位量の感
度はダブルナット間のねじ軸長さや機械系の剛性によっ
て調整でき、要求される位置決め精度に応じた条件の設
定が可能となる。

【００２８】以下は図５に示す第２の実施例について説
明する。同図におけるダブルナット間微小変位機構を備
えたボールねじ装置３０は、一端を軸受部３０ａによっ
て支持されたボールねじ軸３１を有し、該ボールねじ軸
３１に螺合する第１のナット部材３２と第２のナット部
材３３との間に圧電素子３４からなる伸縮手段と、圧力
センサーの一例であるストレンゲージ３５とを直列に介
挿し、第２のナット部材３３に薄膜加工用のプローブ３
６が固定されている。なお、同図においては第１のナッ
ト部材３２と第２のナット部材３３のそれぞれの回転を
阻止するガイド部材を省略して示している。また、本実
施例ではプローブ３６を第２のナット部材３３に固定し
たが、移動テーブル等の基盤を介してプローブ３６とナ
ット部材３３とを機械的に固定してもよい。上記のダブ
ルナット間微小変位機構を備えたボールねじ装置３０に
より薄膜３７上の微小点を触診する場合には、ボールね
じ軸３１を図示しないサーボモータ等の駆動機構により
回転させることによりプローブ３６を予め設定されてい
る薄膜３７の手前近傍に粗動させる。そして、図示しな
い位置検出手段によりプローブ３６の位置を測定して、
目標位置との偏差を求め、図示しない制御装置の微動制
御手段により、この偏差に相当する電圧量を伸縮手段の
一例である圧電素子３４に付加して、圧電素子３４を伸
縮させる。この際、前記電圧量は圧力センサーの一例で
あるストレンゲージ３５から出力される圧力値を基準と
して設定することによりヒステリシス等による変動要因
を除くことができる。従って、上記のコンパクトな装置
構成により微小変位を直接取り出すことができるため、
例えば顕微鏡の視野内で微小な変位を必要とするような
空間的な制約のある場合でも、プローブ等の精密な位置
制御を行うことができる他、装置自体を小型化できる利
点がある。

【００２９】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明はこれらの実施例に限定されるものではなく、要旨を
逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲であ
る。例えば前記実施例においては、移動テーブルをボー
ルねじ軸方向に案内するガイド部材により、間接的にナ
ット部材の回転を阻止する手段としたが、直接ナット部
材の回転を拘束するように別にガイド機構を設けてもよ
い。また、移動テーブルを固定端側のナット部材に係止
することもでき、ボールねじ軸の支持構造を両端ともに
ボールねじ軸方向の伸縮を規制するような固定端として
設定することもできる。

【００３０】

【発明の効果】請求項１〜５記載のダブルナット間微小
変位機構を備えたボールねじ装置においては、一端又は
両端を軸受部によって支持されたボールねじ軸上のナッ
ト部材間に伸縮手段と、圧力センサーとを介挿し、移動
テーブルの位置を検出する位置検出手段を備え、制御装
置には移動テーブルの位置と目標位置との偏差を検知
し、該移動テーブルを前記圧力センサーの出力を基準と
して前記伸縮手段を駆動して前記偏差分の距離を移動さ
せる微動制御手段が設けられているので、ボールねじ軸
とナット部材との位置関係を固定して、ナット部材間に
置かれた伸縮手段を伸縮させることにより、ナット部材
をボールねじ軸方向に縮小変位させて、前記ナット部材
に固定された移動テーブルの微動を可能とする。そし
て、位置検出手段により検出される移動テーブルの位置
及び圧力センサーからの信号とに基づいて前記伸縮手段
の伸縮を適正に制御することができる。さらに、ボール
ねじ軸の一端を軸受部によって支持した場合には、ナッ
ト部材に固定された移動テーブルに切削用のバイト、プ
ローブ、加工部材等を空間的な制約が少ない条件で固定
できるので、高剛性を持ったコンパクトな機械的構成に
より、粗動から微動までの位置決め操作をボールねじ送
り機構で比較的簡単に実現することができる。また、機
械系の剛性値、ナット部材間ねじ軸長さを変えることに
より、ナット部材端の微小変位量を必要とする範囲に変
えることができ、最小分解能は１ｎｍクラスまで可能で
ある。さらに、圧力センサー等の機械要素の剛性を調整
することで機械系の剛性値を変化させ、微小変位の感度
を制御できる利点がある。

【００３１】また、請求項２記載のダブルナット間微小
変位機構を備えたボールねじ装置においては、ボールね
じ軸の駆動側の軸受部を、軸方向の伸縮を規制した固定
端として、一方非駆動側の軸受部を軸方向に移動可能な
自由端として構成しているので、自由端側のナット部材
に係止された移動テーブルの変位量を大きく取れると共
に、伸縮手段の伸縮により生じるボールねじ軸への応力
を逃がすことができるために、装置の小型化が図れる
他、高剛性を持った単純な機械的構成により高精度の加
工を容易とする。

【００３２】特に、請求項３記載のダブルナット間微小
変位機構を備えたボールねじ装置においては、伸縮手段
は圧電素子からなるように構成されているので、付加す
る電圧により伸縮量を電気的手段により容易に制御する
ことができ、かつ装置を単純に構成できる。また、請求
項４記載のダブルナット間微小変位機構を備えたボール
ねじ装置においては、前記伸縮手段は内部に圧力媒体が
充填された中空部材からなって、前記圧力媒体の圧力を
変動することによってその長さが変わるように構成され
ているので変位量を大きく取れる他に伸縮量を精密に制
御することができる。特に、請求項５記載のダブルナッ
ト間微小変位機構を備えたボールねじ装置においては、
前記伸縮手段は加熱手段と温度測定手段を備え温度変化
によってその長さが変わる伸縮体からなるように構成さ
れているので、構造が簡単であり、かつ微小な変位量を
正確に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るダブルナット間微
小変位機構を備えたボールねじ装置の断面図である。

【図２】同原理説明図である。

【図３】変位量と予圧力変化量との関係を示す図であ
る。

【図４】予圧力変化量とナット部材端軸方向変位量との
関係を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施例に係るダブルナット間微
小変位機構を備えたボールねじ装置の一部省略断面図で
ある。

【図６】位置決め操作のフローチャートである。

【符号の説明】

１０ ダブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ
装置 １０ａ ボールねじ軸 １１ 軸受部 １２ 軸受部 １３ ナット部材 １４ ナット部材 １５ 移動テーブル １６ ガイド部材 １７ 伸縮手段 １８ 圧力センサー １９ サーボモータ ２０ ボール ２１ 対象物 ２２ フランジ ２３ ナット部材 ２４ ナット部材 ２５ 伸縮手段 ２６ 圧力センサー ２７ ボールねじ軸 ２８ 位置検出手段 ２９ 制御装置 ３０ ダブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ
装置 ３０ａ 軸受部 ３１ ボールねじ軸 ３２ ナット部材 ３３ ナット部材 ３４ 圧電素子（伸縮手段） ３５ ストレンゲージ（圧力センサー） ３６ プローブ ３７ 薄膜

フロントページの続き (72)発明者 中島 克洋 福岡県北九州市八幡西区東鳴水１丁目７番 15号

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端又は両端を軸受部によって支持され
   たボールねじ軸と、該ボールねじ軸に螺合する第１及び
   第２のナット部材と、該第１及び第２のナット部材のガ
   イド部材と、これらの制御装置とを有し、前記ボールね
   じ軸を駆動機構により回転させて、前記第１及び第２の
   ナット部材を該ボールねじ軸の軸方向に移動させ、取付
   けられた移動テーブルを進退するボールねじ装置におい
   て、 前記第１及び第２のナット部材の間に前記ボールねじ軸
   の軸方向に伸縮する伸縮手段と、前記第１及び第２のナ
   ット部材間の圧力を検出する圧力センサーとを直列に介
   挿し、 前記第１及び第２のナット部材の何れか一方に前記移動
   テーブルを取付けると共に、該移動テーブルの位置を検
   出する位置検出手段を備え、 前記制御装置には、前記ボールねじ軸を回転させて前記
   移動テーブルを移動させた後、該移動テーブルの位置と
   目標位置との偏差を検知し、該移動テーブルを前記圧力
   センサーの出力を基準として前記伸縮手段を駆動して前
   記偏差分の距離を移動させる微動制御手段が設けられて
   いることを特徴とするダブルナット間微小変位機構を備
   えたボールねじ装置。
2. 【請求項２】 前記ボールねじ軸の駆動側の前記軸受部
   を、軸方向の伸縮を規制した固定端として、非駆動側の
   軸受部を軸方向に移動可能な自由端とした請求項１記載
   のダブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ装
   置。
3. 【請求項３】 前記伸縮手段は、圧電素子からなる請求
   項１又は２記載のダブルナット間微小変位機構を備えた
   ボールねじ装置。
4. 【請求項４】 前記伸縮手段は、内部に圧力媒体が充填
   された中空部材からなって、前記圧力媒体の圧力を変動
   することによってその長さが変わる請求項１又は２記載
   のダブルナット間微小変位機構を備えたボールねじ装
   置。
5. 【請求項５】 前記伸縮手段は、加熱手段と温度測定手
   段を備え温度変化によってその長さが変わる伸縮体から
   なる請求項１又は２記載のダブルナット間微小変位機構
   を備えたボールねじ装置。