JPS6165957A - 送りネジシステム - 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１ 本発明は、駆動源の回転運動を直線運動に変換する目的
で使用される送りネジシステムに関し、待に、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）幾描を構成するのに好適な送りネジシス
テムに関する。

［発明の背景］ 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送りネジ装置は、
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との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を挟んで送りネジ
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。このダブルナツトの定すきま予圧方式と呼ばれ
る方法は、送りネジ軸４とナツト１．２との相互の弾性
変形を利用して送りネジ軸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、送りネジ軸４にリード誤差があると送
りネジ軸４の回転トルクに変動を生じ、この方式の送り
機構を用いて精密位置決め用の試料移送装置を構成した
場合、精密な位置決めゐ制御が困難となる欠点があった
。また、送りネジ軸４とナツト部（ナツト１゜２　Ｂよ
びスペーサ３）の剛性を高めた場合、スラストガタやバ
ックラッシなどを小さくおさえるために予圧♀を大きく
すると、送りネジ軸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き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の代わりに冊バネ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送りネ
ジ＠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、送りネジ軸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
ある送りネジ軸とナツトの製作誤差、特にリード誤差に
よって生じる送りネジ軸の回転トルクの変動を？ｉ′１
ｉｔｎするとどもに、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Ｖ「用時にもバックラッシ
のない送りネジシステムを提供することにある。

［発明の概要Ｊ 上記目的を達成するため本発明の送りネジシステムでは
、ナツト部を２つのナンドに分割し、これらのナツト間
の相対的な回転を規制するとともに、リード誤差等によ
る送り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
記送りネジ軸の回転トルクおよびその変動を減少さゼ、
かつバックラッシをなくしている。

また、送りネジ軸の回転初期の起動トルクが定常トルク
に比べて大きくなるのは、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と動摩擦
状態となるが、一般に動摩擦に比べて滑り始める瞬間の
最大静止摩擦力が大きいことに基因するものと考えられ
る。この摩擦力は送り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、回転初期の静止摩擦力お
よび回転トルクを減少させ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凹部との摺動可能な嵌合等、種々の
機構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端面にそれぞれのナツ
トを接着等により固着してもよい。

２つのナツトの送り軸方向の間隔を制御するための微小
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、熱膨脹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…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１ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る送りネジシステムの
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送りネジ軸４には、
微小変位装＠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５Ｊ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、送りネジ軸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に与えられ、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副（１１１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）、移動層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送りネジ系のバックラ
ッシをなくするのに必要な予圧量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後、主制御装置２４に送
出される。この場合、記憶装置２１は、必要に応じて上
記制御データを記憶する。

王制ｗＪ装置２４は、反発力・変動検出装置２３および
指令装置２５から与えられる各データに基づきモータド
ライバ２６オ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、この送りネジシステムの動作を説明する。

指令装置１ｆ２５へは、外部入力として、予め、オペ　
　　　　□レータのキー操作、またはこの送りネジシス
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
データと予圧量データ等の制御データが入力される。指
令装＠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馴初指令
が入力されると、主制御装置２４に前記の制御データを
送る。そして、主副御装Ｍ２４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に電圧をかけて主ナツト
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からの予圧量デ
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、送りネ
ジ＠４の回転中に送りネジ軸４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。

これによって送り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、予圧量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、上記予圧量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は上記一定の予圧量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
２４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
発生する誤差増幅器で構成することができる。

ざらに、精密位置決めを行なう場合を考えると、通常は
、可動テーブル１７のｌｉｌ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ナーボモータを
使用することが多い。このような場合には、萌述の送り
ネジシステムのバッ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送りネジシステム
の剛性を高めることの方が主目的となる。このような時
、本発明の送りネジシステムにおいて（ユ、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１１１０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ｍ！ｌ　ｔ２Ｉｌ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で反発力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らことによ
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、分割した主副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
は送りネジ軸、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図において、３３は主ナツト１とＤＪ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を暦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図の凹部３９と同様の凹部に嵌合さ
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の相対的回転を現制し、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
ぐは流体圧または熱を利用することにより膨張収縮する
微小変位袋＠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１６１）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１５
ａおよび圧電素子１５１１　、１６１）は、環状本体の
両端面をナツト１゜２を、また圧電素子１５ｂと１６ｂ
の相対する面を接着等により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、送りネジ軸とナツト
の予圧量を送り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送りネジシステムの
全体構成図、 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す図、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す図、 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・・・送りネ
ジ軸、１５、１５ａ　、　＋５ｂ・・・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・・・凹部、４０
．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
   される送りネジシステムにおいて、送りネジ軸に係合す
   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送りネジシステム。 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項記載の送りネジシステム。 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のナツ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項記載の送りネジシ
   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つに記載の送りネジシステム。 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
   送りネジシステム。 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つて該円形断面と同
   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
   つに記載の送りネジシステム。 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つに記載の送りネジシステ
   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つに記載の送りネジ
   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つに記載の送りネジシステム。 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つに記載の送
   りネジシステム。 １１、前記微小変位装置が、物体の熱膨脹を利用するも
   のである特許請求の範囲第１〜９項のいずれか１つに記
   載の送りネジシステム。 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つに記載の送りネジシステム。 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項記載の送りネジシステム。 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項記載の送りネジシステム
   。 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つに記載の送りネジシステム。 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つに記載の送りネジシステム。