JPS586162B2

JPS586162B2 - 微小位置決め装置

Info

Publication number: JPS586162B2
Application number: JP3973877A
Authority: JP
Inventors: 宮下政和; 金井彰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-07
Filing date: 1977-04-07
Publication date: 1983-02-03
Also published as: JPS53125055A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、駆動方向に関して静圧支持された位置決め
対象を希望する微小量だけ移動させようとする場合に使
用される微小位置決め装置に関するものである。

一般に、位置決め対象を微小量だけ移動させて正確な位
置決め、もしくは位置の補正を実施する場合、使用され
る位置決め装置は、往復の遊びがなく、擾乱が小さく、
そして変動負荷に対しても振動を起すことがなく、力学
的に高剛性で微小な変位量を制御できるものであること
が望まれる。

遊びの除去は、最大負荷を上回る充分な負荷重を駆動方
向に駆動部と従動部との間に与えておくか、あるいはＮ
Ｃ駆動系におけるように、遊びの量をあらかじめ測定し
ておき、往復動に際してその遊び量の分の補正を行うこ
とによって達成できる。

しかしながら前者の場合には、予荷量の分だけ駆動系に
負荷が加わり、駆動系の弾性変形を増大させることから
、位置決め誤差が大きくなる欠点が伴なう。

また後者の場合には、負荷変動などによる遊び量のばら
つき以上の位置決め精度を期待することはできない。

また微小な移動量を制御するには、ばね力や電磁力など
の力を調整して位置決め対象の支持体を微小量だけ変形
させることによって移動されるか、磁歪効果による磁歪
素子の弾性変形を利用するのが一般的である。

しかし前者は、外力による弾性変形を利用する原理にも
とづくものであるために支持剛性に限界があり、変動不
荷のもとての位置決め精度は制約される。

これに比べて後者は剛性には秀れるが、磁性材料のもつ
ヒステリシス特性から、往復運動に際して現われるヒス
テリシスを避けることはできない。

最近、これらの欠点を克服する手段として、静圧軸受を
利用することが行われている。

これは、油圧供給源と静圧パツドとの間に設けた絞りを
調整することによって軸を微小移動させるものである。

この場合には、剛性は静圧軸受の剛性に依存するために
比較的高く、微細送りに適しているが、制御工学的には
開回路であるため、位置決め精度が絞りの設定精度に直
接支配される。

この発明は以上のことに鑑みてなされたもので、位置決
め対象の位置決め誤差を検出し、これに応じた圧力をサ
ーボ弁により静圧パツドに加えて所定の大きさの力を発
生させ、この力を位置決め対象に加えて位置決め誤差を
修正する閉回路を設け、これによって往復の遊びがなく
、変動負荷に対して振動を起すこともなく、力学的に高
剛性であり、そしてきわめて微小な（たとえば１／１０
０μｍオーダー）位置決めを正確に行い得るようにした
位置決め装置を提供することを目的としている。

以下にこの発明の一実施例について図面を参照して説明
する。

第１図において、位置決め対象である移動体１は、基礎
定盤２に固着された保持部材３の中に、３個の静圧パツ
ド４，５および６によって、保持部材３に対して設定す
きまを介して静圧支持されている。

この移動体１は、スプール弁を有さない一段増幅型サー
ボ弁７を操作することによって、右静圧パツド４および
左静圧パツド５への供給圧力を制御することにより、第
１図に矢印ａで示す水平方向に微小量だけ移動させるこ
とができる。

また下面こ配置された静圧パツド６は、固定絞り８を介
して一定の供給圧力Ｐ３を受けることによって、移動体
１との間にこれを垂直方向の一定位置に保持する制圧保
持機構を構成している。

また保持部材３と位置決め対象である移動体１との間の
相対変位を検出する変位検出器９が、移動体１の位置決
め方向（すなわち第１図の水平方向）に対向して保持部
材３上に装着され、差動増幅器１０は、変位検出器９の
出力信号Ｈを，第１の入力信号とし、図示しない指令機
構から与えられた位置決め指令信号Ｈｅを第２の入力信
号とする。

この差動増幅器１０の出力信号は、補償回路１１を通り
、サーボ増幅器１２を介してサーボ弁７に導かれる。

この発明の装置において、サーボ弁７は、相対向する静
圧パツド４および５に対して、駆動信号に従って差圧的
に作動圧を加えることによって移動体１を移動させ、移
動体１に外力が加わらない状態では指令位置決め量だけ
移動した時点で両静イ圧パッド４，５の圧力を平衡させ
ることが必要である。

このような機能を有するサーボ弁７の構造の一例を第２
図に示す。

第２図において、符号７１はトルクモー夕のアーマチュ
ア（磁石、コイルは図示していない）、７２および７３
はアーマチュア１１に固定されたフラツパ、７４，７５
．７６および１７はノズル、１ａおよび７ｂは制御ポー
ト、１ｃはドレインポ−１、７ｄは圧力供給ポートをそ
れぞれ示す。

制御ポー｝７ａ，７ｂはそれぞれ第１図における静圧パ
ツド４，５に接続され、ドレインポート７ｃは閉じられ
ている。

このサーボ弁Ｔに供給される制御信号がゼロのときは、
制御ポート７ａ，７ｂにおける作動流体（たとえば油）
の圧力および流量は相互に等しく、移動体１は静圧パツ
ド４および５間の中央位置に静止する。

ここで駆動信号が加わると、アーマチュアＴ１とともに
フラツパ７２，７３が変位して、フラツパ１２およびノ
ズル７５間のすき間と、フラツパ７３およびノズル７５
間のすき間との関係は、一方が増加した分だけ他方が減
少するように変化する。

これによって制御ポート７ａおよびＩｂ間の圧力の平衡
がくずれ、静圧パツド４および５間に差圧が生じる。

この結果、移動体１はいずれかの方向に移動し、制御ポ
ート７ａ，Ｉｂ間の差圧がゼロになった位置で停止する
。

この停止位置は、指令位置決め量と、移動体１の移動量
とを比較し、移動量が指令位置決め量と等しくなるよう
に修正動作を行うフィードバック系を構成するこの発明
の装置においては、指令位置決め量にほぼ完全に一致す
る。

上記サーボ弁７は、スプール案内弁を有する流量制御用
のサーボ弁に置き換えることができる。

この場合には、三方案内弁あるいは四方案内弁をもつサ
ーボ弁を２個使用するか、またはラップ量を調整した四
方案内弁を有するサーボ弁を１個使用する。

ただしスプール案内弁を有する通常のサーボ弁を使用し
た場合には、たとえば第２図に示したようなサーボ弁を
使用した場合に得られるような精度と同程度の精度を得
ることは難しい。

したがってこの発明では、スプール案内弁を有さないサ
ーボ弁を使用することが望ましい。

つぎに動作について説明する。

位置決め指令信号Ｈｃが差動増輻器１０に加えられると
、差動増幅器１０は、この信号Ｈｃと、移動体１および
保持部材３間の相対変位に対応した変位検出器９の出力
信号Ｈとの間で減算を行い、その差を増幅する。

この増幅された誤差信号は、補償回路１１を通り、サー
ボ増幅器１２とよって得られた制御信号Ｉとしてサーボ
弁７に供給される。

このサーボ弁７は、変位検出信号Ｈｃと指令信号Ｈとの
差がゼロになるように、すなわち移動体１が指令位置に
保持されるように、供給圧力（Ｐｓｕ）を右静圧パツド
４および左静圧パツド５に配分する比率を制御するよう
に働く。

すなわちこの発明による位置決め装置は、位置決め信号
Ｈｃに対する位置決め誤差を検出し、この誤差に応じた
力を静圧パツド４，５を介して位置決め対象である移動
体１に加えてその位置決め誤差を修正する「力を操作量
とする変位制御系」を構成しており、高い精度の位置決
めを達成することを特徴としている。

なお補償回路１１は、この制御系の修正動作における特
性たとえば定常特性を調整するために挿入されたもので
ある。

つぎに第１図に示した装置を用いて行った実験結果を示
す。

使用した実験装置の構成要素および実験条件は下記のと
おりである。

移動体１の重量２０ｋｇ精圧パ
ツド４，５の各有効断面積６３．８ｃｍ２保持すき
ま５０μｍサーボ弁７への
供給圧力（Ｐｓｕ）４０ｋｇ／ｃｍ２変位検出器９の
感度４００ｍＶ／ｔｍ第３図は、この
発明による微小位置決め装置の定常特性を示す実験結果
で、各指令位置決め量Ｈｃに対する誤差εをプロットし
たものである。

指令位置決め量Ｈｅは、変位検出器９の変位一出力信号
特性から決まる位置決め量に相当する電圧信号として加
え、誤差εは差動増幅器１０の出力信号として検出され
た。

指令位置決め量ＨＣと誤差εの関係は非線形特性を示し
、指令位置決め量が増大すると誤差εは減少し、指令位
置決め量Ｈｃが２４μｍを越えると位置決めが不可能と
なる。

逆方向も全く同様な特性を示し、本装置での可動ストロ
ークは、保持すきま量５０μｍに対し±２４μｍである
。

また最大指令位置決め量２４μｍに対して誤差が０。

０６％の精度で、また指令位置決め量２μｍに対して誤
差が０．１７％の精度で位置決めが可能であることを示
している。

第４図ａは指令位置決め量±０．０１μｍに対するる移
動体１の変位量Ｈを、また第４図ｂはこのときの誤差ε
を記録したものである。

この結果、±０．０１μｍの指令位置決め量に対して、
０。

０００２μｍの誤差範囲で微小位置決めが可能であるこ
とを示している。

さらに第５図ａは、指令位置決め量±０．０５μｍに対
する移動体１の変位量Ｈの変化を示し、また第５図ｂは
、同じ指令位置決め信号Ｈｃに対する誤差εを記録した
ものである。

すなわち±０．０５μｍの指令位置決め量に対して、０
．０００４μｍの誤差範囲で微小位置決めできることを
示している。

また静剛性については、実験により直接測定することは
できないが、この発明による位置決め装置は閉回路を構
成しているために原理的に非常に高く、解析結果として
は１０３ｋｇ／μｍオーダーの値を得ている。

以上の実験結果からも明らかなように、この発明で提案
された微小位置決め装置は、静圧パツドの供給圧力を操
作してその保持すきまを変えることによって位置決め対
象を微小移動させ、その移動量を検出してフィードバッ
クし、指令位置決め量との差を修正して正確な微小位置
決めを行うことを特徴とするもので、高感度の変位検出
器を用いた場合、０．０１μｍオーダーの指令位置決め
量に対し、０．０００１μｍオーダーの誤差のもとで、
駆動方向に１０３ｋｇ／μｍオーダーの剛性で正確な微
小位置決めを行うことが可能である。

したがって工作機械を含む多くの分野できわめて高い有
用性が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による微小位置決め装置の
概略的縦断面図、第２図は同装置に用いられたサーボ弁
の構成を示す斜視図、第３図は同装置の定常特性を示す
グラフ、第４図ａ，ｂおよび第５図ａ，ｂは所定の指令
位置決め量に対する変位量および誤差を示すグラフであ
る。１・・・・・・移動体、２・・・・・・基礎定盤、３・
・・・・・保持部材、４，５，６・・・・・・静圧パツ
ド、７・・・・・・サーボ弁、７１・・・・・・アーマ
チュア、７２，７３・・・・・・フラツパ、７４〜７７
・・・・・・ノズル、７ａ，７ｂ・・・・・・制御ポー
ト、７ｃ・・・・・・ドレインポート、７ｄ・・・・・
・圧力供給ポート、８・・・・・・固定絞り、９・・・
・・・変位検出器、１０・・・・・・差動増幅器、１１
・・・・・・補償回路、１２・・・・・・サーボ増幅器
、Ｐｓｕ，Ｐ３・・・・・・供給圧力。

Claims

【特許請求の範囲】

１位置決め対象の移動量を検出する変位検出器、位置
決め指令信号と変位信号の差を求める差動増幅器、差信
号に応じた作動圧を供給するサーボ弁、このサーボ弁を
駆動するサーボ増幅器、および位置決め対象を支持し、
前記サーボ弁から発生した作動圧が絞りを通して、もし
くは直接に位置決め誤差をゼロにする方向に加えられる
２個もしくはそれ以上の静圧パツドからなり、位置決め
指令信号に対する位置決め誤差を検出し、これに応じた
力を前記静圧パツドを介して位置決め対象に加え、位置
決め誤差を修正することを特徴とする微小位置決め装置
。