JPS6165958A - 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、ボールネジ軸とそれに螺合するナツトとの間
で回転運動と直線運動との相互変換を行なうボールネジ
システムに関し、待に、Ｍ密工作喋械や精密計測装置な
ど精凹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喋構を構
成するのに好適なボール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ボールネジ装置は
、第１０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
、ボールネジ軸４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
ルネジ軸４の回転トルクに変動を生じ、この方式の送り
Ｒ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、スラストガタやバッ
クラッシなどを小さくおさ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１１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あるいは主たット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。

さらに、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１２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補償
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バ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規制するとともに、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
く伸縮継手）、送り軸方向に摺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粘動可能な嵌合等、種々の
義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磁歪素子等を用いることができ
る。

ボールネジ軸の回転トルクもしくはその変動を検出する
ための手段としては、例えばボールネジ軸とこのボール
ネジ軸の駆動源の出力軸との間に結合された動トルク計
、あるいは該駆動源への供給電力もしくはその変動を検
出してこれをトルクに換算するもの等を用いればよい。

［実施例の説明］ 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軸４に
は、微小変位装置１５を挟んで豆いに相対回転不能に連
結された主ナツト１と副ナツト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３ている。また、ボールネジ軸
４の一端にはカップリング１９ａを介して動トルク計１
６が連結され、ざらに動トルク計１６にはカップリング
１９ｂ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。

勤トルク計１６の出力は、トルク・変動検出装置２３に
与えられ、トルク・変動検出装＠２３は、ボールネジ′
＠４の回転トルクもしくはその変動を検出してそのトル
ク値またはトルク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ａｔ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ック
ラッシをなくするのに必要な予圧ｍ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２γ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、トルク・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
量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２７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に前記の制御データを
送る。そして、主制御装置２４は、回転トルクもしくは
その変動を検出する動トルク計１６からの信号をトルク
・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７５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、肋トルク計１６からの検出信
号が、指令装置２５からの予圧ロデータと一致、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
にボールネジ軸４のリード誤差などによって動トルク計
１６からの検出信号が変化した時、すなわらボールネジ
＠４に回転トルクの変動を生じた場合にも、王制ＤＩ］
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■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
ルクの変動を茗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の駆動前に設定するようにしたが
、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するこ
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
回転トルク制御部分は上記制御信号と回転トルク・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。

さらに、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の位置を検出する手段、例えば磁気
スケール、光学式スケニル、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１１ない、駆動モ
ータ２１としても直流あるいは交流のザーボモータを使
用することが多い。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おいては、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２
２を介して微小変位装置１５を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ｍ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、送りネジ４
の回転トルクの変動を補償するように勤トルク計１６で
回転トルクまた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はナラ
ｌ−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を店動可能に受は
入れるためａ１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
１５ａの代わりに圧電素子による微小変位装置１５ｂを
ナツト１，２間に介装したものである。

第９図は、本発明の他の実施例に係るボールネジシステ
ムの構成図であり、第１図のシステムとの差異は、トル
ク検出部分にある。すなわち、この例では、動トルク計
１６を用いておらず、代わりにモータ２１への供給電力
を検出する電力検出装置５１が配設され、この電力検出
装置５１の出力をトルク・変動検出装置２３によって回
転トルクもしくは回転トルク変動に換算して主制御装置
２４に与えるようになっている。その他は第１図の例と
同様であるのでこれ以上の説明は省略する。

［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回転トルクもしくは回転ト
ルク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
圧量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
などの効果を秦し１９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
の全体構成図、 第２〜６図は、それぞれ本発明におけるナラ１−の相対
的回転規制手段の実施例を承り図、ｉＴ　７　Ｊ５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、 ＄９図は、本発明の他の実施例に係るボールネジシステ
ムの全体構成図、 第１０図は、従来例の定すきま予圧方式の縦断面図、 第１１図は、従来例の定圧予圧方式の縦断面図、第１２
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・・・ボール
ネジ軸、１５、１５ａ　、　７５ｂ・・・微小変位装置
、１６・・・妨トルク計、１７・・・可動テーブル、１
８・・・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、５１・・・電力検出装置。 第１図 ＣＱ）　　　　第２図　　　（ｂ） 第５図 第６図 （０）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　（ｂン第７図 ？ 第８図 第９図 ２７′

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転運動を直線運動に、あるいは直線運動を回転運
   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、ボールネジ軸の回転トル
   クもしくは回転トルク変動を検出する手段、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、前記回転ト
   ルクもしくは回転トルク変動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つて該非円形断
   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、前記ボールネジ軸の回転トルクもしくは回転トル
   ク変動を検出する手段が、ボールネジ軸と該ボールネジ
   軸の駆動源の出力軸との間に結合された動トルク計であ
   る特許請求の範囲第１〜１３項のいずれか１つに記載の
   ボールネジシステム。 １５、前記ボールネジ軸の回転トルクもしくは回転トル
   ク変動を検出する手段が、該ボールネジ軸の駆動源に供
   給される電力もしくは電力変動を検出する電力計と、該
   電力計の出力をボールネジ軸の回転トルクもしくは回転
   トルク変動値に変換するトルク検出装置を含んでいる特
   許請求の範囲第１〜１３項のいずれか１つに記載のボー
   ルネジシステム。