JP2976177B2 - Ball screw device equipped with a mechanism for minute displacement between double nuts - Google Patents
Ball screw device equipped with a mechanism for minute displacement between double nutsInfo
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Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ball screw device used for a device requiring precise positioning, such as a machine tool, a measuring machine, and an optical device, and more particularly to a ball screw device utilizing the deformation behavior of a ball screw. The present invention relates to a ball screw device having a minute displacement mechanism between double nuts for performing precision positioning or precision processing.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art When precise positioning or processing is performed by a ball screw device, a method is employed in which coarse movement is performed by a ball screw feed mechanism, and after reaching a position near a target, positioning is performed by another fine movement mechanism. Have been. For example, as described in JP-A-4-30931,
After the ball screw was rotated by a servomotor or the like to move the nut member in the ball screw axial direction to roughly move the moving table locked to the nut member, the ball member was inserted between the moving table and the nut member. A method has been adopted in which the elastic body is expanded and contracted in the axial direction of the ball screw shaft using a piezoelectric element or the like to finely move the moving table. On the other hand, in the nut member of the ball screw device, an unavoidable gap exists between the screw groove and the ball or the like, and as it is, rattling or backlash increases, and precise positioning is difficult. In general, a spacer is provided between two nut members to regulate the length between the nut members, and a preload is applied between the nut members by adjusting the thickness of the spacer to eliminate rattling. Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 2-221747 discloses that a preload detecting means and a piezoelectric element are interposed between a first nut and a second nut to detect an axial pressure, and to respond to the pressure change. A ball screw device is disclosed in which a generated voltage is applied to a piezoelectric element to control an amount of preload to prevent an operation failure such as rattling of a nut.
【０００３】[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。However, the ball screw device described in JP-A-4-30931 is
When moving the table roughly by the rotation of the ball screw shaft and moving to the fine movement operation that requires precise positioning, there is a mechanism to fix the positional relationship between the nut member and the ball screw shaft and perform accurate fine movement. The requirement complicates the device.
In the case of precision machining of a workpiece on a table, an excessive load is applied to the nut member, and the rigidity of the ball screw mechanism itself is low, so that the strain amount increases and precision machining becomes difficult. was there.
【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。In the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-221747, rattling between a ball screw shaft and a nut required for precise positioning is controlled to prevent operation failure due to table movement, and to provide appropriate rigidity. The purpose is to secure, but the table cannot be finely moved under controlled conditions. The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to fix a positional relationship between a ball screw shaft and a nut member to perform precise fine movement and to realize a compact device configuration. It is an object of the present invention to provide a ball screw device provided with a minute displacement mechanism.
【０００５】[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のナット部材の回転を規
制するガイド部材と、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、予め求められる予圧力と偏差との
関係を用いて前記偏差に対応する予圧力を求め、前記圧
力センサーの出力値を該偏差に対応する予圧力に設定し
て前記伸縮手段を駆動し、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。According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
The ball screw device provided with the minute displacement mechanism between the double nuts described above, a ball screw shaft one end or both ends of which are supported by a bearing, first and second nut members screwed to the ball screw shaft, A guide member for controlling rotation of the first and second nut members; and a control device for controlling the rotation of the first and second nut members. A ball screw device that moves in an axial direction of a screw shaft and moves a mounted moving table back and forth, wherein an expansion and contraction unit that expands and contracts in an axial direction of the ball screw shaft between the first and second nut members; 1
And a pressure sensor for detecting the pressure between the second nut members are inserted in series, and the moving table is attached to one of the first and second nut members, and the position of the moving table is detected. After the position of the moving table is moved by rotating the ball screw shaft, the control device detects a deviation between the position of the moving table and a target position, and determines a pre-pressure determined in advance. A preload corresponding to the deviation is obtained using the relationship with the deviation, the output value of the pressure sensor is set to a preload corresponding to the deviation, the expansion / contraction unit is driven, and a distance corresponding to the deviation is moved. Fine movement control means is provided and configured.
【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。According to a second aspect of the present invention, there is provided a ball screw device provided with a double-nuts minute displacement mechanism.
The drive-side bearing portion of the ball screw shaft is configured as a fixed end that restricts expansion and contraction in the axial direction, and the non-drive-side bearing portion is configured as a free end that can move in the axial direction. The ball screw device provided with the minute displacement mechanism between double nuts according to claim 3 is the ball screw device provided with the minute displacement mechanism between double nuts according to claim 1 or 2, wherein the expansion / contraction means is composed of a piezoelectric element. Is configured. The ball screw device provided with the minute displacement mechanism between double nuts according to claim 4 is the ball screw device provided with the minute displacement mechanism between double nuts according to claim 1 or 2, wherein the expansion / contraction means has a pressure medium inside. It is composed of a filled hollow member, and its length is changed by changing the pressure of the pressure medium. A ball screw device provided with a minute displacement mechanism between double nuts according to claim 5 is a ball screw device provided with a minute displacement mechanism between double nuts according to claim 1 or 2, wherein the expansion and contraction means comprises heating means and temperature measurement. Means are provided so as to be made of an elastic body whose length changes according to a temperature change.
【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。Here, the expansion / contraction means and the pressure sensor are connected to each other by a first method.
And inserting in series between the second nut member means that the first and second nut members are mechanically fixed by the expansion and contraction means and the pressure sensor itself, and the first and second nut members are interposed between the first and second nut members. Regulating relative movement. In addition, fixing the moving table to one of the first and second nut members means that the moving table is fixed to one of the nut members so that the moving table moves along with the movement of the nut member so that the moving table has the ball screw shaft. This refers to the ability to move in the axial direction. The moving table refers to a base for fixing an object, a stylus, a tool, and the like at the time of processing, measurement, observation, or the like.
【０００８】[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。The feed device using a ball screw is a device that converts a rotary motion into a linear motion and performs positioning. However, the ball screw device has low rigidity due to its original mechanical structure, and has a ball (steel ball) and a ball groove. In order to avoid the gap between them, conventionally, a spacer is provided between two nut members for holding the ball, and a tension or compression preload is applied thereto to define the position of the nut member. ing. The inventor has
By using a minute change in the distance between the nut members caused by the above preload, as fine movement control means,
The present invention has been completed based on the idea that the rigidity of the device is increased, and at the same time, the amount of expansion and contraction of the expansion and contraction means between the nut members is reduced so that minute displacement can be easily output.
【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、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。That is, a ball screw device provided with a mechanism for minutely displacing between double nuts according to the first aspect of the present invention comprises a first and second ball screw shafts having one end or both ends supported by bearings.
And a pressure sensor for detecting a pressure between the first and second nut members are inserted in series between the first and second nut members. A moving table attached to one of the nut members and a position detecting means for detecting a position of the moving table, the control device comprising: rotating the ball screw shaft to move the moving table; Fine movement control means for detecting a deviation between the position of the moving table and the target position and driving the expansion / contraction means on the moving table with reference to the output of the pressure sensor to move the distance by the deviation is provided. By rotating the ball screw shaft, coarse movement of the moving table can be performed, and the expansion and contraction means provided between the nut members is expanded and contracted, so that the nut member is moved to the ball screw shaft. By reduction displaced in the axial direction, to allow fine motion of the fixed moving table to the nut member.
Then, based on the position of the moving table detected by the position detecting means and the signal from the pressure sensor, the expansion and contraction of the expanding and contracting means can be accurately controlled without hysteresis. Furthermore, when only one end of the ball screw shaft is supported by the bearing, fine adjustment operation using a processing tool or a probe can be performed in the space on the other end side, so that the apparatus itself can be downsized.
【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への応力
を逃がすことができる。In the ball screw device provided with the mechanism for minutely displacing between the double nuts according to the second aspect, the bearing portion on the driving side of the ball screw shaft is a fixed end for restricting expansion and contraction in the axial direction, and is not provided on the non-driving side. Is configured as a free end movable in the axial direction, so that the displacement amount of the moving table locked by the nut member on the free end side can be increased, and the ball screw shaft generated by expansion and contraction of the expansion and contraction means can be taken. Stress can be released.
【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。Particularly, in the ball screw device having the minute displacement mechanism between double nuts according to the third aspect, since the expansion / contraction means is constituted by a piezoelectric element, the amount of expansion / contraction can be easily controlled by an applied voltage. And the device can be simply constructed. In a ball screw device provided with a mechanism for minutely displacing between double nuts according to claim 4, the expansion and contraction means is formed by a hollow member filled with a pressure medium, and the pressure medium is varied by changing the pressure of the pressure medium. Since the length is changed, a large displacement can be obtained. In the ball screw device provided with the minute displacement mechanism between double nuts according to claim 5, the expansion / contraction means is constituted by an expansion / contraction body having a heating means and a temperature measurement means, the length of which is changed by a temperature change. Therefore, the structure is simple, and a minute displacement can be accurately controlled.
【００１２】[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。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of a ball screw device provided with a mechanism for minute displacement between double nuts according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory view of the same principle, and FIG. 3 is a relationship between displacement and preload change. FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a preload change amount and a nut member end axial displacement amount, and FIG. 5 is a ball screw provided with a double nut-to-double nut minute displacement mechanism according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a flow chart of a positioning operation.
【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。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the preload change amount ΔF measured by the pressure sensor 26 shown in FIG. 2 and the displacement amount δ in the axial direction of the nut member on the free end side. Here, the preload change amount ΔF is measured by a pressure sensor 26 disposed in series with the expansion / contraction means 25, and the displacement amount δ in the axial direction of the nut member end is a value measured by a precision position measuring device (not shown). In the same figure, since a substantially linear relationship is established between the preload change amount ΔF and the displacement amount δ in the axial direction of the nut member end, the expansion / contraction means 25 is expanded and contracted to reduce the value of the preload generated at that time. By measuring, the displacement amount δ in the axial direction of the nut member end can be easily controlled.
【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。This will be described in more detail with reference to the principle explanatory diagram shown in FIG. FIG. 2A shows a nut member 23,
FIG. 2B shows a case where the flange 22 is provided outside the nut member 23 to restrict the distance between the nut members 23 and 24. FIG. 2B shows a case where the flange 22 is provided inside the nut member 23 and 24. In either case, similar handling is possible as a mechanical system. The ball screw shaft 27 is rotatably disposed, the left end of the ball screw shaft 27 is supported as a fixed end, and the right end is a free end that allows the ball screw shaft 27 to expand and contract. The expansion and contraction means 25 and the pressure sensor 26 are provided between the flanges 22 provided between the two nut members 23 and 24 to define the distance therebetween.
And are arranged in series. The relative position of the nut members 23 and 24 can be changed by expanding and contracting the expansion and contraction means 25. First, the two nut members 2
In order to suppress the backlash between 3 and 24, the expansion and contraction means 25
The nut members 23 and 24 are fixed by applying a predetermined amount of preload by setting the length of the expansion / contraction means 25 to L, thereby setting the positions of the nut members 23 and 24 as base points. When the length L of the expansion / contraction means 25 is changed by ΔL, the displacement amount δ1 of the nut member 23 on the fixed end side and the displacement amount δ2 of the nut member 24 on the free end side are expressed by the following equations. δ1 = δa (Hertz contact deformation between steel ball and ball screw)
+ Δc (the amount of axial deformation of the thread) δ2 = δ1 + δb (the amount of deformation of the screw shaft portion d between the double nuts) However, when both ends of the ball screw shaft 27 are fixed, the amount of displacement of the nut members 23 and 24 The side also becomes substantially equal to δ1. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between each displacement amount and the preload change amount under a predetermined condition. By adjusting each element of the ball screw device, it is possible to obtain a large range of the displacement amount that can be controlled by the preload. I understand. The axial displacement amount δ2 of the nut member 24 on the free end side is determined by the ball screw shaft 27.
Can move freely, so that the nut member 2 on the fixed end side can be moved freely.
3 is always larger than the axial displacement amount δ1. Therefore, by locking the moving table to one of the nut members according to the required amount of displacement, an appropriate fine movement operation of the moving table becomes possible.
【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。Subsequently, a ball screw device 10 provided with a mechanism for minute displacement between double nuts according to the first embodiment shown in FIG.
Will be described. The ball screw device 10 is a position detecting means 2 for detecting the position of the object 21 on the moving table 15.
8, a ball screw feed mechanism, and a control device 29 which is an example of fine movement control means for controlling the ball screw feed mechanism. The ball screw feed mechanism is a ball screw shaft 10a.
, Servo motor 19 as an example of a drive mechanism for driving ball screw shaft 10a, nut members 13 and 14 screwed to ball screw shaft 10a, and guide member The nut members 13 and 14 hold a plurality of balls (steel balls) 20 therein. Between the nut members 13 and 14, an expansion / contraction means 17 composed of a piezoelectric element and a pressure sensor 18 are arranged in series. ing. The moving table 15 is fixed to the nut member 14 so as to be able to move with the movement of the nut member 14.
【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。The bearing 11 on the side of the servomotor 19 is a fixed end for restricting the expansion and contraction of the ball screw shaft 10a in the axial direction. One bearing 12 allows the expansion and contraction of the ball screw shaft 10a in the axial direction. It is a free end. Accordingly, even if a part of the ball screw shaft 10a is elastically expanded and contracted in the axial direction, no load is applied to the bearing portions 11 and 12, and at the same time, the ball screw shaft 10
a can be rotated without hindrance.
【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。The moving table 15 is provided with the ball screw shaft 1.
Since the nut member 14 is configured to be movable in the axial direction of the ball screw shaft 10a while being fitted to the guide member 16 arranged in parallel with the nut member 14, the nut member 14 locked to the moving table 15 17 and the rotation of the nut member 13 engaged via the pressure sensor 18 are restricted. Therefore, by rotating the ball screw shaft 10a by the servo motor 19, the rotational motion can be converted into a reciprocating motion, and the nut members 13, 14 can be moved in the axial direction of the ball screw shaft 10a.
【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。Since the expansion / contraction means 17 composed of a piezoelectric element and the pressure sensor 18 are arranged in series between the nut members 13 and 14, the relative movement between the nut members 13 and 14 is restricted, and The length between the nut members 13 and 14 in the axial direction of the ball screw shaft 10a can be controlled by expanding and contracting the means 17 as necessary by an appropriate amount. The pressure sensor 18 is formed of a ring-shaped load cell using a strain gauge or the like.
The pressure value acting between 14 can be measured. The piezoelectric element is a stack of 60 1 mm thick ring-shaped elements.
It has the characteristic that its length changes about 35 μm with an applied voltage of 1000V. However, since the deformation characteristics of the piezoelectric element with respect to the voltage show hysteresis, it is difficult to appropriately control the amount of expansion and contraction by using such a voltage. Therefore,
It is desirable for accurate control to control the amount of expansion and contraction by a pressure value without hysteresis.
【００１９】また、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。The expansion / contraction means 17 other than the piezoelectric element comprises a hollow member provided with a hollow portion extending in the axial direction of the ball screw shaft 10a inside the elastic body and filled with a pressure medium in the hollow portion. By applying pressure to a liquid pressure medium, such as water, having a low compressibility, the elastic body is moved to the ball screw shaft 1.
A mechanism that expands and contracts in the axial direction of 0a can be used. In this case, there is an advantage that the amount of displacement can be large, and the amount of expansion and contraction can be precisely controlled by changing the pressure. Here, as the elastic body, a material such as a metal and a high-strength plastic can be used by utilizing an elastic deformation region of the material itself.
【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。Further, as the expansion / contraction means 17, a means provided with expansion / contraction means by thermal expansion can be used. That is, the elastic member made of a metal plate or the like having a large thermal expansion coefficient is
3 and 14, the metal plate is heated by a heating means such as an electric heater, and the temperature of the metal plate is measured by a temperature measuring means such as a thermocouple. By maintaining the temperature at a predetermined temperature according to the correspondence table between the nut members 13 and 14, the distance between the nut members 13 and 14 can be precisely controlled, the control without hysteresis can be performed, and the apparatus can be simply configured. it can.
【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。Table 1 shows the specifications of the nut member and the ball screw used in this embodiment.
【００２２】[0022]
【表１】 [Table 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***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。The position detecting means 28 for detecting the position of the object 21 on the moving table 15 employs, for example, a lens drive type light spot displacement method. Here, the nut members 13, 1
4, the moving table 15 and the object 21 are fixed to each other and the relative positional relationship between the three does not change. Therefore, when measuring the position, the nut members 13 and 14, the moving table 15 or the processing on the moving table 15 are performed. A measurement point can be set at any place where measurement is easy, such as the object 21. That is, a distributed refraction lens is fixed to the end of the nut member 14 or the object 21, a light beam emitted from a laser light source is applied to the lens, and the output is detected by a semiconductor position detection device (PSD). As a result, when the distributed refraction lens moves minutely, the exit angle of the light beam passing through the lens changes greatly, so that the position can be measured with high accuracy.
9 to control the following positioning operation.
【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。Control device 2 for controlling ball screw feed mechanism
Reference numeral 9 designates an instruction to change the rotation of the ball screw shaft 10a and the amount of expansion and contraction of the expansion and contraction means 17 according to the deviation between the position signal from the position detection means 28 and the target position where the moving table 15 is to be moved. This is a device including fine movement control means such as a computer incorporating a procedure for sending to the servo motor 19 and expansion / contraction means 17 of 10a. FIG. 6 is a flowchart of such a positioning operation.
【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１）、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２）。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３）。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。Subsequently, using the ball screw device 10 provided with the above-mentioned double displacement mechanism between the double nuts, the moving table 1 is used.
The procedure for performing the positioning operation 5 will be described with reference to FIG. First, after setting the target position A (step 1), the object 21 is fixed on the moving table 15, and the servomotor 19 is driven to rotate the ball screw shaft 10a to move to the predetermined reference position S. (Step 2). By setting the reference position S in advance with a limit switch or the like, it can be executed only by sending a start signal. Thereafter, the required movement amount (A-S) of the moving table 15 is divided by the pitch P of the screws of the ball screw shaft 10a to calculate the required number of rotations, and the servo motor 19 is rotated to bring the desired position near the required position. Position (step 3). During this time, if the length of the expansion / contraction means 17 composed of a piezoelectric element is adjusted and a necessary preload is applied, a smooth moving operation can be performed while preventing backlash and rattling during movement.
【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４）、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５）、
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６）。Thereafter, while measuring the pressure value obtained by the pressure sensor 18 such as a strain gauge,
The initial preload (F0) is 1.96 by expanding and contracting 7.
After kN is added between the nut members 13 and 14 to fix the positional relationship between the ball screw shaft 10a and the nut members 13 and 14, the ball of the object 21 fixed on the moving table 15 by the position detecting means 28 The current position B of the screw shaft 10a in the axial direction is detected (step 4), and the preload H by the pressure sensor 18 is accurately measured (step 5).
Deviation (displacement) δ from target position A to be positioned thereafter
= (AB) (step 6).
【００２７】そして、ステップ７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３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８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８）、圧力センサー１８
の予圧力Ｈを前記のステップ８にて決定した予圧力変化
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９）。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２
１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、予圧力をプラスマイナス０．５ｋＮの範囲で変化
させることによってナット部材１４の端面でプラスマイ
ナス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。In step 7, a comparative evaluation of δ is performed. That is, (a) when δ is equal to or larger than the predetermined limit value ε1 of the coarse movement operation, the operations after step 3 are repeated. If (b) δ is smaller than the error limit ε2, the positioning operation ends here. (C) When δ is in the range of ε1 to ε2,
The operation after step 8 is performed. According to the relationship between the displacement amount δ and the preload change amount ΔF shown in FIG.
A preload change amount ΔF corresponding to the deviation (displacement amount) δ between the pressure sensor and the target position A is determined (step 8), and the pressure sensor 18
The piezoelectric element is expanded and contracted so that the preload H becomes equal to the preload variation ΔF determined in step 8 (step 9). Thus, the fine movement control means for finely moving the nut member 14 by the deviation (displacement amount) δ allows the object 2
1 is positioned at the target position A. And
The necessary positioning operation can be executed using the control device 29 according to the functions shown in the flowchart of FIG. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the actual preload change amount ΔF and the displacement amount δ. By changing the preload in the range of ± 0.5 kN, ± 1. It can be seen that a displacement of about 5 μm can be obtained. The amount of displacement of the end surface of the nut member 14 with respect to the change in the preload varies depending on the length of the screw shaft portion between the double nuts and the rigidity of the mechanical system even if the ball screw dimensions are the same. That is, the sensitivity of the nut displacement amount to the preload change can be adjusted by the screw shaft length between the double nuts and the rigidity of the mechanical system, and it becomes possible to set conditions according to the required positioning accuracy.
【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。Hereinafter, a second embodiment shown in FIG. 5 will be described. A ball screw device 30 provided with a mechanism for minute displacement between double nuts in the same figure has a ball screw shaft 31 having one end supported by a bearing 30a, and a first nut member 32 screwed to the ball screw shaft 31. A stretching means comprising a piezoelectric element 34 and a strain gauge 35 as an example of a pressure sensor are inserted in series between the second nut member 33 and the second nut member 33, and a probe 3 for thin film processing is attached to the second nut member 33.
6 is fixed. In addition, in the figure, a guide member for preventing rotation of each of the first nut member 32 and the second nut member 33 is omitted. In this embodiment, the probe 36 is fixed to the second nut member 33, but the probe 36 and the nut member 33 may be mechanically fixed via a base such as a moving table. When a minute point on the thin film 37 is palpated by the ball screw device 30 provided with the above-mentioned double-nut minute displacement mechanism, the probe 36 is rotated by rotating the ball screw shaft 31 by a drive mechanism such as a servo motor (not shown). The film is roughly moved to a position near the thin film 37 set in advance. Then, the position of the probe 36 is measured by position detection means (not shown),
A deviation from the target position is obtained, and a voltage corresponding to the deviation is added to the piezoelectric element 34 which is an example of the expansion / contraction means by the fine movement control means of a control device (not shown) to expand and contract the piezoelectric element 34. At this time, by setting the voltage amount on the basis of a pressure value output from a strain gauge 35 which is an example of a pressure sensor, it is possible to eliminate fluctuation factors such as hysteresis. Therefore, since the minute displacement can be directly taken out by the above compact device configuration,
For example, even in the case where there is a spatial restriction that requires a minute displacement in the field of view of the microscope, there is an advantage that precise position control of the probe or the like can be performed and the device itself can be downsized.
【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。Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and any change in conditions without departing from the gist is within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the guide member guiding the moving table in the ball screw axis direction is used to indirectly prevent the rotation of the nut member. However, a separate guide mechanism is provided to directly restrict the rotation of the nut member. It may be provided. Further, the moving table can be locked to a nut member on the fixed end side, and the support structure of the ball screw shaft can be set as a fixed end that restricts expansion and contraction in the ball screw axial direction at both ends.
【００３０】[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。According to the ball screw device provided with the minute displacement mechanism between the double nuts according to the first to fifth aspects, an expansion and contraction means is provided between a nut member on a ball screw shaft having one end or both ends supported by a bearing portion; A pressure sensor is interposed, and a position detecting means for detecting a position of the moving table is provided.The control device detects a deviation between the position of the moving table and a target position, and the moving table is determined based on an output of the pressure sensor. Since the fine movement control means for driving the expansion / contraction means to move the distance corresponding to the deviation is provided, the positional relationship between the ball screw shaft and the nut member is fixed, and the expansion / contraction means placed between the nut members is By expanding and contracting, the nut member is reduced and displaced in the axial direction of the ball screw to enable fine movement of the moving table fixed to the nut member. And the expansion and contraction of the expansion and contraction means can be appropriately controlled based on the position of the moving table detected by the position detection means and the signal from the pressure sensor. Further, when one end of the ball screw shaft is supported by a bearing, a cutting tool, a probe, a processing member, and the like can be fixed to the moving table fixed to the nut member under a condition with little spatial restriction. With a rigid and compact mechanical configuration, the positioning operation from coarse movement to fine movement can be relatively easily realized by the ball screw feed mechanism. Further, by changing the rigidity value of the mechanical system and the length of the screw shaft between the nut members, the minute displacement amount at the end of the nut member can be changed to a required range, and the minimum resolution can be up to the 1 nm class. Further, there is an advantage that the rigidity of a mechanical element such as a pressure sensor is adjusted to change the rigidity value of a mechanical system, thereby controlling the sensitivity of a minute displacement.
【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。Further, in the ball screw device provided with the minute displacement mechanism between the double nuts according to the second aspect, the driving portion of the ball screw shaft is a fixed end for restricting expansion and contraction in the axial direction, and is not driven one-way. The bearing on the side is configured as a free end movable in the axial direction, so that the displacement amount of the moving table locked on the nut member on the free end can be large, and the ball screw shaft generated by the expansion and contraction of the expansion and contraction means. In addition to allowing the stress to be released, the size of the apparatus can be reduced, and high-precision machining can be easily performed by a simple mechanical structure having high rigidity.
【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。In particular, in the ball screw device provided with the minute displacement mechanism between the double nuts according to the third aspect, since the expansion / contraction means is constituted by a piezoelectric element, the amount of expansion / contraction is controlled by an electric voltage. Can be controlled more easily, and the apparatus can be simply configured. Further, in the ball screw device provided with the minute displacement mechanism between double nuts according to claim 4, the expansion / contraction means is formed by a hollow member filled with a pressure medium therein, and by changing the pressure of the pressure medium. Since the length is changed, not only the displacement can be increased, but also the amount of expansion and contraction can be precisely controlled. In particular, in the ball screw device provided with the minute displacement mechanism between double nuts according to claim 5,
Since the expansion and contraction unit is configured to include an expansion and contraction unit having a heating unit and a temperature measurement unit, the length of which changes according to a temperature change, the structure is simple, and it is possible to accurately control a minute displacement amount. it can.
【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。FIG. 1 is a cross-sectional view of a ball screw device provided with a mechanism for minutely displacing between double nuts according to a first embodiment of the present invention.
【図２】同原理説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the same principle.
【図３】変位量と予圧力変化量との関係を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a displacement amount and a preload change amount.
【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。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a preload change amount and a nut member end axial displacement amount.
【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。FIG. 5 is a partially omitted cross-sectional view of a ball screw device provided with a mechanism for minutely displacing between double nuts according to a second embodiment of the present invention.
【図６】位置決め操作のフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart of a positioning operation.
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、１
８：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、２
９：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10: Ball screw device provided with a mechanism for minute displacement between double nuts, 10a: Ball screw shaft, 11: Bearing, 12: Bearing, 13: Nut member, 14: Nut member, 15: Moving table, 16: Guide member , 17: telescopic means, 1
8: Pressure sensor, 19: Servo motor, 20: Ball, 21: Object, 22: Flange, 23: Nut member, 24: Nut member, 25: Telescopic means, 26: Pressure sensor, 27: Ball screw shaft, 28 ： Position detecting means, 2
9: control device, 30: ball screw device provided with a mechanism for minute displacement between double nuts, 30a: bearing portion, 31: ball screw shaft, 32: nut member, 33: nut member, 34: piezoelectric element (expansion / contraction means), 35: strain gauge (pressure sensor), 36: probe, 37: thin film
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−62658（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−260740（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−140160（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−138484（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−141498（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−84954（ＪＰ，Ｕ) 特公 平４−42132（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭43−3859（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F16H 25/20 - 25/24 B23Q 5/40 - 5/44 Continuation of front page (56) References JP-A-61-62658 (JP, A) JP-A-63-260740 (JP, A) JP-A-63-140160 (JP, A) JP-A-5-138484 (JP) JP-A-5-141498 (JP, A) JP-A-4-84954 (JP, U) JP-B-4-42132 (JP, B2) JP-B-43-3859 (JP, B1) (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) F16H 25/20-25/24 B23Q 5/40-5/44
Claims (5)
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のナット部材の回
転を規制するガイド部材と、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、予め求められる予圧力と偏
差との関係を用いて前記偏差に対応する予圧力を求め、
前記圧力センサーの出力値を該偏差に対応する予圧力に
設定して前記伸縮手段を駆動し、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。A ball screw shaft having one or both ends supported by a bearing portion, first and second nut members screwed to the ball screw shaft, and rotation of the first and second nut members. The ball screw shaft is rotated by a driving mechanism, and the first and second nut members are moved in the axial direction of the ball screw shaft, and are attached. A ball screw device for moving the moving table back and forth, wherein a telescopic means for expanding and contracting in the axial direction of the ball screw shaft between the first and second nut members, and a pressure between the first and second nut members. A pressure sensor to be detected is inserted in series, and the moving table is attached to one of the first and second nut members, and a position detecting unit for detecting a position of the moving table is provided. Is After moving the moving table by rotating the ball screw shaft, a deviation between the position of the moving table and a target position is detected, and the deviation is corresponded by using a relationship between the preload and the deviation obtained in advance. To determine the preload
Fine movement control means for setting the output value of the pressure sensor to a preload corresponding to the deviation to drive the expansion / contraction means and to move the distance corresponding to the deviation is provided. Ball screw device with a displacement mechanism.
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。2. A driving part of the ball screw shaft,
2. The ball screw device according to claim 1, wherein the non-drive-side bearing portion is a free end movable in the axial direction as the fixed end that restricts expansion and contraction in the axial direction.
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。3. The ball screw device according to claim 1, wherein the expansion / contraction means is made of a piezoelectric element.
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。4. The micro nut between double nuts according to claim 1, wherein the expansion / contraction means is formed of a hollow member filled with a pressure medium therein, and the length thereof changes by changing the pressure of the pressure medium. Ball screw device with a displacement mechanism.
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。5. The ball screw device according to claim 1, wherein the expansion / contraction means comprises a heating means and a temperature measuring means, and comprises an expansion / contraction body whose length changes according to a temperature change.
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