JPS6162658A - ボ−ルネジシステム - 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】 ［発明の分野］ 本発明は、駆動源の回転運動を直線運りＪに変換する目
的で使用されるボールネジシステムに関し、特に、精密
工作機械や精密計測装置など精密な送り技術を必要とす
る装置、例えば半導体製造装置の超精密位置決め用の試
料移送装置の送り機構を構成するのに好適なボールネジ
システムに関ツる。

［発明の青票］ 従来、精密工作機械や精密計測装置など精密な送り技術
を必要とする装置において用いられるボールネジ装置は
、第９図に示すように、ナツト部を主ナツト１と副ナツ
ト２どの２つに分割し、これらの主ナツト１と副ナツト
２との間に所定厚さの円盤状スペーサ３を挟んでボール
ネジ軸４とナツト１，２との間のガタを小さくし、これ
により、送り軸方向のスラストガタを少なくする方法を
とっている。ここで、６はボールベアリングである。

このダブルナツトの定すきま予圧方式と呼ばれる方法は
、ボールネジｌＮ１４とナツト１，２との相互の弾性変
形を利用してボールネジ軸４とナツト１゜２の製作誤差
により生じるスラストガタを小さくできる利点がある。

しかし、一方で、ボールネジ軸４にリード誤差があると
ボールネジ＠４の回転トルクに変動を生じ、この方式の
送り別（苗を用いて精密位置決め用の試わＦ移送装置を
構成した揚台、猪密な位置決め制御が困難となる欠点が
あった。

また、ボールネジ軸４とナツト部（ナツト１，２および
スペーサ３）の剛性を高めた場合、スラストガクやバッ
クラッシなどを小さく　ａ５ざえるために予圧岱を大き
くすると、ボールネジ軸４の回転トルクの絶対値および
回転トルクの変動値も大ぎくなってしまうという欠点が
あった。

この方式の欠点を除去する目的で、第１０図に示すよう
に、所定厚さの円盤状スペーサ３の代わりに皿バネ５を
挟んだ、いわゆる定圧予圧方式も考えられているが、こ
の場合、設定した予圧力以上の送り軸方向荷重をボール
ネジ軸４あるいは主ナツト１に作用させるとバックラッ
シが大きくなるという欠点があった。

ざらに、定すきま予圧および定圧予圧のいずれの方式に
おいても、第１１図に示すように、ボールネジ軸４の駆
動に際して回転初期における起動トルクが定常トルクに
比べて非常に大きくなる欠点もあった。

（発明の目的］ 本発明の目的は、上述従来の定すきま予圧方式の欠点で
あるボールネジ軸とナツトの製作誤差、特にリード誤差
によって生じるボールネジ軸の回転トルクの変動をｉ１
１償するとともに、従来の定圧予圧方式の欠点である予
圧力以上の送り軸方向荷重作用時にもパックラッシのな
いボールネジシステムを提供することにある。

［発明の概要］ 上記目的を達成するため本発明のボールネジシステムで
は、ナツト部を２つのナツトに分割し、これらのナツト
間の相対的な回転を現Ｔｈ１ｌするとともに、リード誤
差等によるボールネジ軸の回転トルクもしくはその変動
を２分割したナツト間の送り軸方向の反発力もしくはそ
の変化として検出し、この検出出力に基づいて上記２つ
のナツトの送り軸方向の間隔を負帰還的に制御し、これ
によって上記ボールネジ軸の回転トルクおよびその変動
を減少させ、かつバックラッシをなくしている。

また、ボールネジ軸の回転初期の起動トルクが定常トル
クに比べて大ぎくなるのは、静止状態から起動させる時
は静止摩擦力が作用し、これが定常回転に達するど動摩
擦状態となるが、一般に動摩擦に比べて冶り始める１間
の最大静止ｉ振力が大きいことに基因するものと考えら
れる。この摩擦力はボールネジ軸とナツトの接触面圧に
関係するので、本発明では、回転初期においては、上記
２つのナツト間の間隔を変化させて両ナツト間に加わる
予圧力を小さくすることにより、回転初期の静止１１Ｌ
ｔ力および回転トルクを減少さけることが可能になって
いる。

さらに、本発明では、一方向に定常回転中には必要でな
い上記２つのナツト間の予圧を加えないように制御し、
回転方向が変化するような運転状態の時のみ、必要最小
限の予圧力を与えるようにすることも可能にしている。

本発明における２つのナツト間の相対的な回転を規制す
る手段としては、例えば送り軸方向に伸縮可能な弾性体
（伸縮継手）、送り軸方向に活動可能な非円形スリーブ
、円筒状スリーブとキーとの組合せ、または送り軸方向
に設けられた凸部と四部との活動可能な嵌合等、種々の
載面を用いることができ、あるいは下記の微小変位装置
自体を両ナツトの結合のための継手に兼用してもよい。

この場合、微小変位装置の両変位喘面にそれぞれのナツ
トを接着等により固着してしよい。　　　　　２つのナ
ツトの送り軸方向の間隔を２＋＋Ｉ　ｌするための微小
変位装置としては、例えば空気圧や液体圧等の流体圧に
より容積が変化するもの、熱膨張収縮により体積もしく
は長さが変化するもの、ピエゾ素子等のように圧電効果
による厚み変化を応用した圧電素子、または磁歪効果に
よる厚み変化を応用した磁歪素子等を用いることができ
る。

２つのナツトの送り軸方向の反発力もしくはその変化を
検出する手段としては、例えば流体圧もしくはその変動
を検出するもの、ナツト間に挟み込んだ圧電素子の発生
電圧を検出するもの等を用いることができる。また、上
記微小変位装置が流体圧を利用するものである場合は、
この微小変位装置自体の流体圧もしくはその変動を検出
するようにしてもよい。

［実施例の説明］ 以下、図面を用いて本発明の実施ヤ）を説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係るボールネジシステム
の全体構成を示す。同図において、ベアリング入りハウ
ジング１１．１２によって軸支されたボールネジ＠ｉ１
４には、微小変位装置１５および反発力検出装置１６を
挟んで互いに相対回転不能に連結された主ナツト１とｄ
ｉナツト２とが螺合されており、主ナツト１は、移動ガ
イド１８によって案内される可動テーブル１７に係合さ
れている。また、ボールネジ軸４の一端にはカップリン
グ１９を介して駆動モータ２１が連結されている。駆動
モータ２１は、基台２０に固定されている。

反発力検出装置１６の出力は、反発力・変動検出装置２
３に与えらね、反発力・変動検出装置２３は、ナツト１
，２間の送り軸方向の反発力もしくはその変化を検出し
てその反発力値または反発力変動値を主制御装置２４に
供給する。

指令装置２５には、図示しないキーボードまたはデータ
伝送装置等のデータ入力装置が設けられており、このデ
ータ入力装置を介して速度、速度変化パターン（速度の
変化のさせ方）、移動のおよび移動方向などテーブル１
７の駆動に必要なデータならびにボールネジ系のバツク
ラツシをなくするのに必要な予圧Ｄデータ等の制御デー
タが入力される。これらの制御データは、そのまま、ま
たは所望の制御信号に変換された蛍、主ｆｌｉｌＪ　ｇ
ａ装置２４に送出される。この場合、記憶装置２７は、
必要に応じて上記制御データを記憶する。

主制御装置２４は、反発力・変動検出装置２３および指
令袋Ｍ２５から与えられる各データに基づきモータドラ
イバ２６および微小変位装置ドライバ２２を介して駆動
モータ２１および微小変位装置１５を駆動制御する。

次に、このボールネジシステムの動作を説明する。

指令装置２５へは、外部入力として、予め、オペレータ
のキー操作、またはこのボールネジシステムが適用され
ている主装置の制御プログラムもしくは制御スケジュー
ル等にしたがって、テーブル１７の駆動データと予圧ｍ
データ等の制御データが入力される。指令装置２５は、
必要があればこれらの制御データを記憶装置２１に転送
しておく。

指令装置２５は、次に外部入力としてテーブル駆動指令
が入力されると、主制御装置２４にｎｒＪ記の制御デー
タを送る。そして、主制御装置２４は、反発力もしくは
その変化を検出する反発力検出装置１６例えば圧電素子
からの信号を反発力・変動検出装置２３を介してモニタ
しながら微小変位装置ドライバ２２を介して例えば圧電
素子などからなる微小変位装置１５に電圧をか（プて主
ナツト１と副ナツト２の間隔を変化させてゆき、反発力
検出装置１６からの検出信号が、指令装置２５からの予
圧ｍデータと一致した時にモータドライバ２６を起動し
、モータ２１を駆動データに従って制御する。さらに、
ボールネジ軸４の回転中にボールネジｑ１１４のリード
誤差などによって反発力検出装置１６からの検出信号が
変化した時、すなわちナツト１，２間に反発力の変動を
生じた場合にも、主制御装置２４は、微小変位装置ドラ
イバ２２を介して微小変位装置１５を駆動し、上記検出
信号が常に指令装置２５からの予圧量データに一致する
ようにフィードバック制御を行なう。これによってボー
ルネジシステムの回転トルクの変動を著しく軽減するこ
とができる。

なお、上述においては、予圧ｍデータをこのシステムに
よる可動テーブル１７の駆動に先立って設定するように
しているが、可動テーブル１７による送り軸方向加重の
変化が少ない場合、上記予圧Ｍデータを所望の一定値に
固定しておくことができる。この場合、例えば指令装置
２５は上記〜定の予圧」データに対応する制御信号を発
生する基準電圧源または可変抵抗で、また主制御装置２
４の予圧または反発力制御部分は上記制御信号と反発力
・変動検出装置２３の検出出力との差に応じた出力を発
生ずる誤差増幅器で構成することができる。

さらに、精密位置決めを行なう場合を考えると、通常）
よ、可動テーブル１７の位置を検出する手段、例えば磁
気スケール、光学式スケール、レーザ干渉計またはホロ
グラムスケールなどによって位置計測を行ない、駆動モ
ータ２１としても直流あるいは交流のサーボモータを使
用丈ることが多い。このような場合には、前述のボール
ネジシステムのバツクラッシを減少させる目的よりも、
起動トルクの減少と位置決め制御時のボールネジシステ
ムの剛性を高めることの方が主目的となる。このような
時、本発明のボールネジシステムに３３いては、起動時
はナツト１，２の予圧量を零に設定し、速度制御によっ
て所定の位置決め位置近くまで可動テーブル１７を移動
し、位置決め制御に入った時点で微小変位装置ドライバ
２２を介して微小変位装置１５をル制御することにより
ナツト１，２に予圧をかける。これは、例えば指令装置
２５から上記各時点で零または必要量の予圧量データを
主制御装置２４に与えることにより行なうことができる
。そして、予圧をかけた以降は、上述のように、その予
圧を一定に保つように反発力検出装置１６で反発ツノも
しくはその変動を検出しながらフィードバック制御を行
ない、回転トルクの変動を小さくする。以上のような制
御を行なうことによって、高速かつ高精度の位置決めを
行なうことができる。

第２〜６図は、分割した主ＤＪ　２つのナツトの相対的
回転を規制する結合構造の種々の例を示す。

第２〜４図の（ａ）および第５図は正面図、第２〜４図
の（ｂ）は側面図で、第６図の（ａ）は側面図、（ｂ）
は微小変位装置部分の斜視図である。

第２〜６図において、１は主ナツト、２は副ナツト、４
はボールネジ軸、１５は主ナツト１と副ナツト２の間隔
を変化させるための微小変位装置である。第２図におい
て、３１は主ナツト１と副ナツト２の相対的回転を規制
するため送り軸方向に伸縮可能な弾性部材、３２はナツ
ト１．２と弾性部材３１とを結合するためのビスである
。第３図にＪ５いて、３３は主ナツト１と副ナツト２の
相対的回転を規制するための内周が円形以外の断面形状
を有するスリーブ、３４はスリーブ３３を主ナツト１に
固定するためのビスである。第４図において、３５は送
り軸方向のキー溝を有する円筒状スリーブ、３６は主ナ
ツト１と副ナツト２を送り軸方向に相対変位させるため
上記キー溝に差込まれた平行キー、３７は平行キー３６
を主ナツト１に固定するためのビスである。第５図にお
いて、３８は主ナツト１に送り軸方向に設けられた凸部
、３９は主ナツト１の凸部３８を１習動可能に受は入れ
るため副ナツト２に設けられた凹部である。第６図にお
いて、４０．４１は主ナツト１および副ナツト２にそれ
ぞれ設けられている第５図の四部３９と同様の四部に嵌
合させることによりそれぞれのナツトに対する微小変位
装置１５の相対的回転を規制し、これによって主ナツト
１と副ナツト２の相対的回転を規制するために微小変位
装置１５の各変位面に設けられた突起である。

第７図は、微小変位装置の配置例を示しており、この例
では流体圧または熱を利用することにより膨張収縮する
微小変位装置１５ａをナツト１．２間に挟み込んでいる
。また、第８図は第７図の流体圧による微小変位装置１
５ａの代わりに微小変位装置としての圧電素子１５ｂと
反発力検出装置としての圧電素子１６ｂをナツト１，２
間に介装したものである。これらの微小変位装置１５ａ
および圧電素子１５ｔ＋　、　１（３ｂは、環状本体の
両端面をナツト１゜２に接着等により固着し、また、圧
電素子１５ｂと１６ｂの相対する面も固着して上記相対
的回転規制手段を兼ねさせるようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、ボールネジ軸とナツ
トの予圧量をボールネジ軸の反発力もしくは反発力変動
として検出するとともに、この予圧量を可変制御できる
ようにしているため、定常回転時のトルク変動を小さく
押えることができ、また、回転開始時の起動トルクを減
少させることができる。また、必要以上の予圧ｍを常時
加えておかなくても済むことから、回転時の発熱を減少
させ、ネジ寿命が延長し、駆動電力も少ないなどの効果
を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係るボールネジシステム
の全体梅成図、 第２〜６図は、それぞれ本発明におけるナツトの相対的
回転規制手段の実施例を示ず図、第７および８図は、そ
れぞれ本発明の微小変位装置の実施例を示づ図、 第９図は、従来例の定すきま予圧方式の縦断面図、 第１０図は、従来例の定圧予圧方式の縦断面図、第１１
図は、従来例の定へすきま予圧方式の回転トルク特性例
を示すグラフである。 １・・・主ナツト、２・・・副ナツト、４・・・ボール
ネジ軸、１５、１５ａ　、　１５ｂ・・・微小変位装置
、１６・・・反発力検出装置、１７・・・可動テーブル
、１８・・・ガイド、２１・・・駆動モータ、２４・・
・主制御装置、２５・・・指令装置、３１・・・弾性部
材、３３・・・内周が円形以外の断面形状を有するスリ
ーブ、３５・・・キー溝を有する円筒状スリーブ、３６
・・・平行キー、３８・・・凸部、３９・・・四部、４
０．４１・・・突起。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、駆動源の回転運動を直線運動に変換する目的で使用
   されるボールネジシステムにおいて、ボールネジ軸に係
   合するナットを２分割し、第１のナットと第２のナット
   との相対的な回転を規制する手段、第１のナットと第２
   のナットとの送り軸方向の間隔を可変制御する微小変位
   装置、第１のナットと第２のナットの送り軸方向の反発
   力もしくはその変化を検出する手段、該検出手段の出力
   と所定の制御信号とに基づいて上記微小変位装置を駆動
   制御する制御装置、および該制御装置に該制御信号を与
   える指令装置を設けたことを特徴とするボールネジシス
   テム。 ２．前記指令装置が、データ入力装置を備え、該入力装
   置を介して外部から入力されるデータに基づき作成した
   前記制御信号を前記制御装置に与えることにより、前記
   第１のナットと第２のナットの送り軸方向の間隔を上記
   指令装置を介して外部から制御可能にしている特許請求
   の範囲第１項記載のボールネジシステム。 ３、前記指令装置から前記制御装置に与えられる制御信
   号が所定の一定値であり、上記制御装置が、前記反発力
   もしくはその変化を検出する手段からの信号に応じて前
   記第１のナットと第２のナットの送り軸方向の間隔を自
   動的に制御する特許請求の範囲第１項記載のボールネジ
   システム。 ４、前記第１のナットと第２のナットとが、送り軸方向
   に伸縮可能な弾性体で結合されている特許請求の範囲第
   １〜３項のいずれか１つに記載のボールネジシステム。 ５、前記第１および第２のナットが、それぞれの向い合
   う部分に或る長さの非円形断面外形の部分を有し、上記
   ２つのナットの非円形断面外形部分に渡って該非円形断
   面と同一の内寸法を有する筒状のスリーブがかぶされて
   いる特許請求の範囲第１〜３項のいずれか１つに記載の
   ボールネジシステム。 ６、前記第１および第２のナットが、それぞれの向い合
   う部分に或る長さの円形断面外形の部分と前記送り軸方
   向に設けられた少なくとも１つのキー溝を有し、上記２
   つのナットの円形断面外形部分に渡って該円形断面と同
   一の内寸法でかつ上記キー溝に対応するキー溝を有する
   円筒状スリーブをかぶせるとともに、上記２つのナット
   のキー溝と上記円筒状スリーブのキー溝とを平行キーで
   結合して上記２つのナットを送り軸方向にのみ相対移動
   可能にしている特許請求の範囲第１〜３項のいずれか１
   つに記載のボールネジシステム。 ７、前記第１および第２のナットのそれぞれの相対する
   面に設けられた凸部と凹部によって、上記２つのナット
   が送り軸方向に相対的に変位可能な嵌合部を形成し、上
   記２つのナットの相対的回転を規制している特許請求の
   範囲第１〜３項のいずれか１つに記載のボールネジシス
   テム。 ８、前記微小変位装置が、前記第１のナットと第２のナ
   ットとの相対的な回転を規制する手段を兼ねている特許
   請求の範囲第１〜３項のいずれか１つに記載のボールネ
   ジシステム。 ９、前記第１のナットと第２のナットが、前記微小変位
   装置の両端面に固着されている特許請求の範囲第１〜８
   項のいずれか１つに記載のボールネジシステム。 １０、前記微小変位装置が、流体圧を利用するものであ
   る特許請求の範囲第１〜９項のいずれか１つに記載のボ
   ールネジシステム。 １１、前記微小変位装置が、物体の熱膨張を利用するも
   のである特許請求の範囲第１〜９項のいずれか１つに記
   載のボールネジシステム。 １２、前記微小変位装置が、圧電素子または磁歪素子を
   組込んだものである特許請求の範囲第１〜９項のいずれ
   か１つに記載のボールネジシステム。 １３、前記微小変位装置の圧電素子が、ピエゾ素子であ
   る特許請求の範囲第１２項記載のボールネジシステム。 １４、前記第１のナットと第２のナットの送り軸方向の
   反発力もしくはその変化を検出する手段が、前記微小変
   位装置における流体圧もしくはその変化を検出するもの
   である特許請求の範囲第１０項記載のボールネジシステ
   ム。 １５、前記第１のナットと第２のナットの送り軸方向の
   反発力もしくはその変化を検出する手段が、圧電素子を
   組込んだものである特許請求の範囲第１〜１４項のいず
   れか１つに記載のボールネジシステム。 １６、前記第１のナットと第２のナットの送り軸方向の
   反発力もしくはその変化を検出する手段が、抵抗線歪計
   を組込んだものである特許請求の範囲第１〜１４項のい
   ずれか１つに記載のボールネジシステム。