(57)【要約】【課題】長ストロークで高い応答性の微動動作が可能であるとともに圧電アクチュエータの破損を防止することができる回転機構付軸方向微動機構を提供する。【解決手段】粗動機構は、基台に回転可能に支持されたねじ軸と、ねじ軸に螺合し、移動台に固定されたナットとを有し、ねじ軸の回転により移動台を基台に対して軸方向に移動させる。回転機構付軸方向微動機構は、対向配置して予圧を付与した２つの転がり軸受装置と、基台に固定され、転がり軸受装置のそれぞれの外輪が嵌合するハウジングと、伸縮方向に対して直列に配置した２つの圧電アクチュエータとを有し、転がり軸受装置のそれぞれの内輪をねじ軸に嵌合させ、内輪をねじ軸に軸方向に固定し、外輪の一方を軸方向に拘束し、外輪間の軸方向の距離を複数の圧電アクチュエータの伸縮により変化させるようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置して予圧を付与した２つの転がり軸受装置と、前記転がり軸受装置のそれぞれの内輪が嵌合する軸と、複数の圧電アクチュエータとを備え、
前記内輪を前記軸に軸方向に固定し、前記転がり軸受装置の外輪の一方を前記軸方向に拘束し、前記外輪間の前記軸方向の距離を前記複数の圧電アクチュエータの伸縮により変化させるようにしたことを特徴とする回転機構付軸方向微動機構。
【請求項２】
基台に回転可能に支持されたねじ軸と、前記ねじ軸に螺合し、移動台に固定されたナットとを有し、前記ねじ軸の回転により前記移動台を前記基台に対して軸方向に移動させる粗動機構と、
対向配置して予圧を付与した２つの転がり軸受装置と、前記基台に固定され、前記転がり軸受装置のそれぞれの外輪が嵌合するハウジングと、複数の圧電アクチュエータとを有し、前記転がり軸受装置のそれぞれの内輪を前記ねじ軸に嵌合させ、前記内輪を前記ねじ軸に前記軸方向に固定し、前記外輪の一方を前記軸方向に拘束し、前記外輪間の前記軸方向の距離を前記複数の圧電アクチュエータの伸縮により変化させるようにした回転機構付軸方向微動機構とを備えることを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記複数の圧電アクチュエータは、標準化された積層型の圧電アクチュエータであることを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項４】
請求項２および３のいずれか１項において、
前記複数の圧電アクチュエータを伸縮方向に対して直列に配置したことを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項５】
請求項２および３のいずれか１項において、
前記複数の圧電アクチュエータを伸縮方向に対して並列に配置したことを特徴とする粗微動位置決め装置。
【請求項６】
請求項２および３のいずれか１項において、
少なくともｎ（ｎは２以上の整数）×ｍ（ｍは２以上の整数）個の前記圧電アクチュエータを備え、
前記複数の圧電アクチュエータを伸縮方向に対してｎ個直列に配置しかつｍ個並列に配置したことを特徴とする粗微動位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長ストロークの範囲で高精度な微細位置決めを行う回転機構付軸方向微動機構およびそれを用いた位置決め装置に係り、特に、長ストロークで高い応答性の微動動作が可能であるとともに圧電アクチュエータの破損を防止することができる回転機構付軸方向微動機構および粗微動位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の粗微動位置決め装置は、ねじ軸とナットを螺合させたボールねじ装置を用いて長ストロークの範囲を駆動する粗動機構と、圧電アクチュエータによる微動機構を組み合わせて粗動動作および微動動作を行っている。従来の粗微動位置決め装置としては、例えば、非特許文献１記載の技術が知られている。非特許文献１の第１の構成は、粗動テーブルと微動テーブルの間に圧電アクチュエータを配置し、基台と微動テーブルとの位置を圧電アクチュエータの伸縮により変化させるものである。非特許文献１の第２の構成は、ボールねじ装置のナットと移動台の間に圧電アクチュエータを配置し、基台と移動台との位置を圧電アクチュエータの伸縮により変化させるものである。このような構成により、長ストロークの範囲でナノメータレベルの高精度な微細位置決めを行っている。
【０００３】
また、非特許文献２記載の技術のように、ボールねじ装置のねじ軸とナットの間のバックラッシュをコイルスプリングによりなくすようにし、ねじ軸の一端と基台との間に配置した圧電アクチュエータを伸縮させ、ナットに固定された移動台の軸方向の微細位置決めを行っているものも知られている。
このような場合に用いられる圧電アクチュエータは、一般に積層型の圧電アクチュエータが用いられるが、積層型の圧電アクチュエータは、圧縮方向の荷重に対しては十分な強度や剛性を有するが、引張方向の荷重に対しては圧電アクチュエータの材料の機械的特性や積層間の接着強度による強度が極めて弱く、小さな引張荷重であっても破損してしまう場合がある。
【０００４】
図９は、従来の圧電アクチュエータの取付構造を説明するための図である。
この問題を解決するために、圧電アクチュエータの製造メーカ（例えば、独国Ｐｈｙｓｉｋ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社）では、図９に示すように、圧電アクチュエータ１００の出力軸１０１をバネ１０２で押圧し、引張荷重が出力軸に作用した場合においても、圧電アクチュエータ１００には圧縮荷重が作用する構造とすることを推奨している。
【０００５】
【非特許文献１】大塚二郎他１名著、「精密位置決め機構」、第２版、株式会社工業調査会、２００１年８月１５日、ｐ．１１８−２０１
【非特許文献２】大塚二郎他２名、「１ｎｍ分解能の小型変位センサと小型超精密位置決め装置の開発」、精密工学会誌、財団法人精密工学会、平成１５年１０月５日、第６９巻、第１０号、ｐ．１４３１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１、２記載の粗微動位置決め装置にあっては、圧電アクチュエータの両端部をナットまたは移動台に直接取り付けているため、粗微動位置決め装置を左右に移動させると左右方向に荷重が作用し、圧電アクチュエータに引張荷重が作用して圧電アクチュエータを破損する可能性があるという問題がある。
また、非特許文献１、２記載の粗微動位置決め装置に図９の取付構造を適用した場合は、圧電アクチュエータに作用する引張荷重が、出力軸に配置されたバネによる圧縮荷重より小さい範囲における低速での移動に対しては所定の位置決めを行うことができるものの、高速応答に対しては引張方向を支持しているバネが比較的柔らかいバネであるので、微動機構の剛性が低下してその固有振動数が低下し、高速での微動動作を行おうとすると、発振が生じて高速応答を行うことができなくなる可能性があるという問題がある。このことは、粗微動位置決め装置が２次元方向（Ｘ−Ｙ方向）の移動を行う２軸の重ね合わせ構造の場合や、１軸であっても移動台に取付治具等の部品が取付られた結果、移動台の質量が大きくなる場合に特に重要である。
【０００７】
さらに、積層型の圧電アクチュエータは、高精度な位置決めが可能なものの変位量が小さいため、長ストロークの微動動作を行うことができないという問題がある。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、長ストロークで高い応答性の微動動作が可能であるとともに圧電アクチュエータの破損を防止することができる回転機構付軸方向微動機構および粗微動位置決め装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載の回転機構付軸方向微動機構は、対向配置して予圧を付与した２つの転がり軸受装置と、前記転がり軸受装置のそれぞれの内輪が嵌合する軸と、複数の圧電アクチュエータとを備え、前記内輪を前記軸に軸方向に固定し、前記転がり軸受装置の外輪の一方を前記軸方向に拘束し、前記外輪間の前記軸方向の距離を前記複数の圧電アクチュエータの伸縮により変化させるようにした。
【０００９】
このような構成であれば、各圧電アクチュエータに電圧が印加され、各圧電アクチュエータが伸縮すると、外輪間の軸方向の距離が変化する。このとき、外輪の一方が軸方向に拘束されているので、外輪間の変位によって外輪と内輪との間に弾性変形が生じ、それぞれの内輪が変位する。そして、内輪の変位に伴って軸が移動する。また、圧電アクチュエータの伸長時には、圧電アクチュエータに予圧の反力が作用するので、圧縮荷重を掛けながら微動動作が行われる。
また、複数の圧電アクチュエータにより微動動作を行うので、それらの一部または全部が伸縮方向に対して直列に配置されている場合は、ストローク長が大きくなり、それらの一部または全部が伸縮方向に対して並列に配置されている場合は、回転機構付軸方向微動機構の剛性が高くなる。
【００１０】
一方、上記目的を達成するために、本発明に係る請求項２記載の粗微動位置決め装置は、基台に回転可能に支持されたねじ軸と、前記ねじ軸に螺合し、移動台に固定されたナットとを有し、前記ねじ軸の回転により前記移動台を前記基台に対して軸方向に移動させる粗動機構と、対向配置して予圧を付与した２つの転がり軸受装置と、前記基台に固定され、前記転がり軸受装置のそれぞれの外輪が嵌合するハウジングと、複数の圧電アクチュエータとを有し、前記転がり軸受装置のそれぞれの内輪を前記ねじ軸に嵌合させ、前記内輪を前記ねじ軸に前記軸方向に固定し、前記外輪の一方を前記軸方向に拘束し、前記外輪間の前記軸方向の距離を前記複数の圧電アクチュエータの伸縮により変化させるようにした回転機構付軸方向微動機構とを備える。
このような構成であれば、粗動機構では、ねじ軸が回転すると、移動台に固定されているナットが軸方向に移動し、これに伴って移動台が移動する。
【００１１】
回転機構付軸方向微動機構では、各圧電アクチュエータに電圧が印加され、各圧電アクチュエータが伸縮すると、外輪間の軸方向の距離が変化する。このとき、外輪の一方が軸方向に拘束されているので、外輪間の変位によって外輪と内輪との間に弾性変形が生じ、それぞれの内輪が変位する。そして、内輪の変位に伴って移動台が移動する。また、圧電アクチュエータの伸長時には、圧電アクチュエータに予圧の反力が作用するので、圧縮荷重を掛けながら微動動作が行われる。
また、複数の圧電アクチュエータにより微動動作を行うので、それらの一部または全部が伸縮方向に対して直列に配置されている場合は、ストローク長が大きくなり、それらの一部または全部が伸縮方向に対して並列に配置されている場合は、回転機構付軸方向微動機構の剛性が高くなる。
【００１２】
さらに、本発明に係る請求項３記載の粗微動位置決め装置は、請求項２記載の粗微動位置決め装置において、前記複数の圧電アクチュエータは、標準化された積層型の圧電アクチュエータである。
さらに、本発明に係る請求項４記載の粗微動位置決め装置は、請求項２および３のいずれか１項に記載の粗微動位置決め装置において、前記複数の圧電アクチュエータを伸縮方向に対して直列に配置した。
このような構成であれば、複数の圧電アクチュエータが伸縮方向に対して直列に配置されているので、ストローク長が大きくなる。
【００１３】
さらに、本発明に係る請求項５記載の粗微動位置決め装置は、請求項２および３のいずれか１項に記載の粗微動位置決め装置において、前記複数の圧電アクチュエータを伸縮方向に対して並列に配置した。
このような構成であれば、複数の圧電アクチュエータが伸縮方向に対して並列に配置されているので、回転機構付軸方向微動機構の剛性が高くなる。
【００１４】
さらに、本発明に係る請求項６記載の粗微動位置決め装置は、請求項２および３のいずれか１項に記載の粗微動位置決め装置において、少なくともｎ（ｎは２以上の整数）×ｍ（ｍは２以上の整数）個の前記圧電アクチュエータを備え、前記複数の圧電アクチュエータを伸縮方向に対してｎ個直列に配置しかつｍ個並列に配置した。
このような構成であれば、複数の圧電アクチュエータが伸縮方向に対してｎ個直列に配置されかつｍ個並列に配置されているので、ストローク長が大きくなり、回転機構付軸方向微動機構の剛性も高くなる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明に係る請求項１記載の回転機構付軸方向微動機構、または請求項２記載の粗微動位置決め装置によれば、対向配置した転がり軸受装置を剛性の高いバネ部材として機能させ、圧電アクチュエータの圧縮方向の高い剛性と高剛性のバネ部材との組み合わせにより、回転機構付軸方向微動機構の剛性を高く維持することができるので、応答性が高い微動動作を実現することができるという効果が得られる。また、圧電アクチュエータの伸長時に圧電アクチュエータに予圧の反力が作用し、圧縮荷重を掛けながら微動動作を行わせることができるので、圧電アクチュエータの引張荷重による破損の発生を防止することができるという効果が得られる。さらに、複数の圧電アクチュエータにより微動動作を行うので、長ストロークまたは応答性がさらに高い微動動作を実現することができるという効果が得られる。
【００１６】
さらに、本発明に係る請求項３記載の粗微動位置決め装置によれば、標準化された圧電アクチュエータを用いているので、比較的安価に製造することができるとともに、特性のバラツキを低減して高精度な微動動作を実現することができるという効果が得られる。また、圧電アクチュエータの製作を容易に行うことができるという効果が得られる。
さらに、本発明に係る請求項４記載の粗微動位置決め装置によれば、長ストロークの微動動作を実現することができるという効果が得られる。
【００１７】
さらに、本発明に係る請求項５記載の粗微動位置決め装置によれば、応答性がさらに高い微動動作を実現することができるという効果が得られる。
さらに、本発明に係る請求項６記載の粗微動位置決め装置によれば、長ストロークで応答性がさらに高い微動動作を実現することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図６は、本発明に係る回転機構付軸方向微動機構および粗微動位置決め装置の実施の形態を示す図である。
まず、粗微動位置決め装置１の移動機構を説明する。
図１は、回転機構付軸方向微動機構４１の断面図である。
図２は、粗微動位置決め装置１の平面図である。
図３は、粗微動位置決め装置１の側面図である。
【００１９】
２は直線案内機構であり、レール３に転動体を介して組付けられた鞍状のスライダ４からなるリニアガイド装置であって、レール３は粗微動位置決め装置１の基台５に設置され、スライダ４の移動台取付面４ａには、粗微動位置決め装置１の移動台６がボルト等により取り付けられる。直線案内機構２は、粗動機構１０のねじ軸１１の長手方向（軸方向という）と平行にねじ軸１１の両側に設置された２本のレール３と、各レール３に組付けられた２個、計４個のスライダ４とを有して構成されている。
【００２０】
粗動機構１０は、ねじ軸１１の外周面に形成した螺旋状の軸軌道溝１１ａと、ナット１２の内周面に形成した軸軌道溝１１ａに対向する図示しないナット軌道溝とを複数の図示しないボールを介して螺合させた送りねじ装置としてのボールねじ装置１３と、ねじ軸１１の一端に配置され、基台５に設置されたステッピングモータ等の正逆回転可能な駆動モータ１４と、駆動モータ１４とねじ軸１１とを連結するカップリング１５と、カップリング１５の前段に配置され、基台５に設置された深溝玉軸受等の支持軸受１６とを有して構成されている。
【００２１】
ナット１２は移動台６に固定され、ねじ軸１１とはオーバーサイズボール等による予圧により軸方向に遊びがない状態で螺合している。また、支持軸受１６は、ねじ軸１１を回転可能に支持するとともにねじ軸１１を軸方向の遊びにより移動可能に支持している。
１７は位置センサであり、移動台６に固定され、基台５にねじ軸１１と平行に設置されたスケール１８に等間隔に形成された細かな凹凸を検出してその検出信号を後述する制御装置４５に出力する機能を有している。制御装置４５は、位置センサ１７の検出信号を用いて移動台６と基台５との相対移動量を測定する。
【００２２】
図１において、２０ａ、２０ｂはそれぞれ転がり軸受装置としてのアンギュラ玉軸受であり、外輪２１ａ、２１ｂの内周面に形成された外輪軌道２２ａ、２２ｂと、内輪２３ａ、２３ｂの外周面に形成された内輪軌道２４ａ、２４ｂとの間に配設された複数の転動体としてのボール２５ａ、２５ｂとを有して構成されている。
アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂは、正面組合せとして対向配置され、内輪２３ａ、２３ｂの内周面が、ねじ軸１１の駆動モータ１４側に形成された嵌合軸２６の外周面に嵌合し、外輪２２ａ、２２ｂの外周面が、基台５にボルト等により固定されたハウジング２７の内周面に嵌合して支持軸受１６とともにねじ軸１１を回転可能に支持する。
【００２３】
２９は内輪係止部であり、ねじ軸１１の軸軌道溝１１ａと嵌合軸２６との間に形成された内輪２３ａ、２３ｂの外径と略同等の直径を有する大径部であって、内輪２３ａの一方の側面を係止する。
３０は内輪間座であり、内輪２３ａ、２３ｂと略同等の外径および内径を有する円筒状部材であって、その内周面が嵌合軸２６の外周面に嵌合して内輪２３ａ、２３ｂの間に配置される。
３２はロックナットであり、嵌合軸２６の駆動モータ１４側に設けられたねじ部３３に螺合して内輪係止部２９との間で内輪２３ａ、内輪間座３０および内輪２３ｂを締め付け、ねじ軸１１上での内輪２３ａ、２３ｂの移動を固定する。
【００２４】
５０は圧電アクチュエータであり、標準化された積層型の圧電アクチュエータであって、単独または複数の圧電素子を柱状に積層してなり、印加される電圧に応じて軸方向に伸縮する。圧電アクチュエータ５０は、角柱状に圧電素子を積層した中実のアクチュエータ（例えば、ＮＥＣトーキン株式会社製、樹脂外装アクチュエータ、型式番号ＡＥ０５０５Ｄ０８）である。図１においては、２つの圧電アクチュエータ５０が伸縮方向に対して直列に配置され、接着剤により接合されている。なお、接着剤に限らず、治具により機械的に固定してもよい。
【００２５】
３８は外輪係止部であり、ハウジング２７の内周面の内輪係止部２９と対向する位置に形成された外輪２１ａ、２１ｂの内径と略同等の直径を有する段部であって、外輪２１ａの一方の側面を係止する。
５１はピストンであり、ハウジング２７の内周面に嵌合する円柱状部材であって、ロックナット３２側の端面には、ロックナット３２との干渉を避けるための逃げ穴５３が形成され、ロックナット３２を逃げ穴５３に内包してその端面の外周側を外輪２１ｂに当接させる。また、反対側の端面には、圧電アクチュエータ５０を収納する収納穴５２がピストン５１の軸芯に沿って形成されている。
【００２６】
３９はカバーであり、ハウジング２７と略同等の外径を有する中空の円盤部材であって、ピストン５１側の端面には、収納穴５２に対応する凹穴５４がカバー３９の軸芯に沿って形成されている。
収納穴５２および凹穴５４の内径は、角柱状の圧電アクチュエータ５０の４隅が内接する直径で形成されている。そのため、圧電アクチュエータ５０は、収納穴５２と凹穴５４の底面間に挟持される。これにより、圧電アクチュエータ５０はねじ軸１１の略軸芯に配置される。また、収納穴５２および凹穴５４には、圧電アクチュエータ５０が非通電の状態で挿入される。
【００２７】
また、カバー３９は、ハウジング２７の端面に形成されたねじ穴２７ａを用いてボルト等によりハウジング２７に締結され、外輪係止部３８との間で外輪２１ａ、２１ｂ、ピストン５１および圧電アクチュエータ５０を押圧する。
これにより、外輪２１ａは、外輪係止部３８により軸方向の移動が拘束されるとともに拘束されない側の外輪２１ｂがピストン５１および圧電アクチュエータ５０を介して押圧され、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに所定の予圧が付与されるとともに外輪２１ａ、２１ｂ間の軸方向の距離としての隙間４０が形成される。
【００２８】
回転機構付軸方向微動機構４１は、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂ、嵌合軸２６、内輪係止部２９、内輪間座３０、ロックナット３２、ハウジング２７、外輪係止部３８、ピストン５１、圧電アクチュエータ５０およびカバー３９等を、図１に示すように、カップリング１５を介して、駆動モータ１４が連結しているねじ軸１１の端部の反対側の端部に配置することにより構成される。ハウジング２７は、ボルト等により基台５に固定されている。
粗微動位置決め装置１は、回転機構付軸方向微動機構４１および粗動機構１０により構成される。
【００２９】
次に、粗微動位置決め装置１の制御系の構成を説明する。
図４は、制御装置４５の構成を示すブロック図である。
粗微動位置決め装置１には、図４に示すように、粗微動位置決めを行う制御装置４５が実装されている。
制御装置４５は、粗微動位置決め処理を実行する制御部４６と、制御部４６が実行するプログラムやそれに用いる各種のデータおよび制御部４６の処理結果等が格納される記憶部４７と、駆動モータ１４を駆動するモータ駆動部４８と、圧電アクチュエータ５０を駆動するアクチュエータ駆動部４９と、アクチュエータ駆動部４９からの制御電圧を増幅して圧電アクチュエータ５０に出力するアンプ（不図示）とを有して構成されている。
記憶部４７には、粗微動制御を行う粗微動制御プログラムと、移動台６を停止させる目標位置や停止時間を記憶した移動先指示テーブルとが格納されている。
【００３０】
次に、制御装置４５で実行される処理を説明する。
制御部４６は、記憶部４７に格納されている粗微動制御プログラムを起動させ、粗微動制御プログラムに従って、図５のフローチャートに示す粗微動位置決め処理を実行する。
図５は、粗微動位置決め処理を示すフローチャートである。
粗微動位置決め処理は、制御部４６において実行されると、図５に示すように、まず、ステップＳ１００に移行する。
ステップＳ１００では、圧電アクチュエータ５０の有効ストロークの約半分の伸びを指示する初期設定指令をアクチュエータ駆動部４９に出力し、ステップＳ１０２に移行して、移動先指示テーブルから目標位置および停止時間を読み出し、ステップＳ１０４に移行する。
【００３１】
ステップＳ１０４では、目標位置と現在位置との偏差を算出し、算出した偏差に相当する長さをナット１２が移動するときに必要なねじ軸１１の回転数を演算し、演算した回転数を粗動指令としてモータ駆動部４８に出力する粗動制御処理を実行し、ステップＳ１０６に移行する。
ステップＳ１０６では、位置センサ１７から検出信号を入力し、ステップＳ１０８に移行して、入力した検出信号に基づいて駆動モータ１４が停止したか否かを判定し、駆動モータ１４が停止した判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１０に移行する。
【００３２】
ステップＳ１１０では、位置センサ１７から検出信号を入力し、ステップＳ１１２に移行して、入力した検出信号に基づいて目標位置と現在位置との偏差を算出し、ステップＳ１１４に移行する。
ステップＳ１１４では、算出した偏差をなくすようにＰＩＤ制御により微動指令を生成し、生成した微動指令をアクチュエータ駆動部４９に出力する微動制御処理を実行し、ステップＳ１１６に移行する。
【００３３】
ステップＳ１１６では、算出した偏差が所定値以下であるか否かを判定し、偏差が所定値以下であると判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１８に移行して、移動台６を目標位置に停止時間だけ停止させ、ステップＳ１２０に移行する。
ステップＳ１２０では、次の目標位置および停止時間が移動先指示テーブルに登録されているか否かを判定し、次の目標位置および停止時間が登録されていないと判定したとき(No)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
【００３４】
一方、ステップＳ１２０で、次の目標位置および停止時間が登録されていると判定したとき(Yes)は、ステップＳ１００に移行する。
一方、ステップＳ１１６で、偏差が所定値よりも大きいと判定したとき(No)は、ステップＳ１１０に移行する。
一方、ステップＳ１０８で、駆動モータ１４が停止しないと判定したとき(No)は、ステップＳ１０６に移行する。
【００３５】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
粗微動位置決め装置１が動作を開始すると、制御部４６は粗微動制御プログラムを起動する。
制御部４６は、粗微動制御プログラムが起動すると、初期設定指令をアクチュエータ駆動部４９に出力する。アクチュエータ駆動部４９は、初期設定指令を初期設定電圧Ｖｏに変換し、これを圧電アクチュエータ５０に供給して保持する。初期設定電圧Ｖｏは、圧電アクチュエータ５０の有効ストロークの約半分の伸びを与える電圧であり、圧電アクチュエータ５０に初期設定電圧Ｖｏを印加した状態での移動台６の位置が原位置となる。
【００３６】
次に、制御部４６は、移動台６が原位置に停止していることを確認し、移動先指示テーブルに記憶された最初の目標位置および停止時間を読み出す。
目標位置等を読み出した制御部４６は、目標位置と現在位置（原位置）との偏差を算出し、算出した偏差に相当する長さをナット１２が移動するときに必要なねじ軸１１の回転数を演算し、これを粗動指令としてモータ駆動部４８に出力する。モータ駆動部４８は、粗動指令を駆動モータ１４の駆動信号に変換し、これを駆動モータ１４に供給する。
【００３７】
駆動モータ１４はステッピングモータであるので、駆動信号は、演算したねじ軸１１の回転数を回転させるために必要なステッピングモータの角度ステップ数に相当するパルス信号である。
駆動モータ１４は、駆動信号が供給されると、駆動信号に対応した回転数分回転し、ねじ軸１１が回転してナット１２を軸方向に移動させる。
【００３８】
このとき、制御部４６は、移動台６の移動に伴って位置センサ１７が出力するスケール１８の凹凸を示すパルス状の検出信号を入力し、その数を計数して移動台６の位置を認識しながら移動台６が停止（駆動モータ１４の回転の停止）するまで待機し、移動台６が停止した時に認識していた位置を現在位置として認識する。
このように、ねじ軸１１を回転させてナット１２とともに移動台６を基台５に対して軸方向に移動させる粗動機構１０により移動台６の粗動動作が行われる。
この場合に、圧電アクチュエータ５０は、初期設定電圧Ｖｏが印加されているだけで位置センサ１７によるフィードバック制御はかけられていない。また、圧電アクチュエータ５０は、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの予圧の反力による圧縮荷重が作用した状態となっている。
【００３９】
粗動動作を終えた制御部４６は、位置センサ１７から検出信号を入力し、目標位置と現在位置との偏差を算出し、算出した偏差をなくすようにＰＩＤ制御により微動指令を生成し、生成した微動指令をアクチュエータ駆動部４９に出力する。アクチュエータ駆動部４９は、微動指令を電圧に変換し、この制御電圧を圧電アクチュエータ５０に印加する。
回転機構付軸方向微動機構４１では、圧電アクチュエータ５０の変位の半分の変位となる外輪２１ａと内輪２３ａの相対変位量が移動台６の微動変位量となるから、そのときの圧電アクチュエータ５０には、偏差分の２倍の変位を与えるような制御電圧と初期設定電圧Ｖｏを加算した電圧が印加されることとなる。
【００４０】
図６は、回転機構付軸方向微動機構４１の微動動作を説明するための図である。
例えば、圧電アクチュエータ５０に２Ｘの伸びが生ずると、この伸びにより生じた押圧力は、図６に示すように、微動制御を行う前の予圧に加えて外輪２１ｂを押圧し、外輪２１ｂを軸方向（図１において左。以下、軸方向左という。）に移動させ、隙間４０が２Ｘ分さらに狭くなって圧電アクチュエータ５０の伸びを吸収する。この隙間４０の変位は、ボール２５ｂと外輪軌道２２ｂおよび内輪軌道２４ｂとの当接面、並びにボール２５ａと外輪軌道２２ａおよび内輪軌道２４ａとの当接面を微動制御を行う前の予圧に加えて押圧し、これらの間に弾性変形が生じ、内輪２３ａ、２３ｂがそれぞれＸずつ軸方向左に変位する。なお、外輪２１ｂの変位量に対する内輪２３ａ、２３ｂの変位量は、予圧の大きさ、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの剛性、その他の条件により適宜に設定することができる。
【００４１】
これに対し、圧電アクチュエータ５０が２Ｘ縮むと、押圧力が減少し、外輪２１ｂを軸方向（図１において右。以下、軸方向右という。）に移動させ、隙間４０が２Ｘ分さらに広くなって圧電アクチュエータ５０の縮みを吸収する。この隙間４０の変位によって弾性変形が生じ、内輪２３ａ、２３ｂがそれぞれＸずつ軸方向右に変位する。
このように、隙間４０の変位２Ｘを内輪２３ａ、２３ｂがＸずつに分けて吸収するので、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの互いを押圧する力がバランスしたときに、内輪２３ａ、２３ｂがねじ軸１１とともに軸方向にＸ移動する。この場合のねじ軸１１の移動は、支持軸受１６の軸方向の遊びとカップリング１５の収縮により吸収される。
【００４２】
これにより、ナット１２が軸方向にＸ移動し、移動台６が基台５に対して軸方向左にＸ移動する。つまり、圧電アクチュエータ５０の２Ｘの変位（伸縮量）の半分のＸの変位となる外輪２１ａと内輪２３ａの相対変位量が移動台６の微動変位量になる。
このようにして微動動作が行われ、制御部４６は、現在位置と目標位置との偏差をなくすようにフィードバック制御を行いながら移動台６を目標位置に停止させる。目標位置には、移動台６を停止時間だけ停止させる。
【００４３】
そして、制御部４６は、移動先指示テーブルに次の目標位置等が記憶されている場合は、微動動作のためにアクチュエータ駆動部４９が保持していた制御電圧を解除し、次の目標位置等を読み出し、その結果により生じた移動台６の移動量を上記同様に位置センサ１７の検出信号により計数して新たな現在位置を認識し、上記同様の粗動制御および微動制御を行う。
【００４４】
なお、外輪２１ａ、２１ｂ間の隙間４０を圧電アクチュエータ５０の伸縮により変化させて微動動作を行わせるので、結果として予圧を変化させることになるが、圧電アクチュエータ５０の微動動作に伴う伸びは最大で１０μｍ程度、通常は数μｍ程度であり、それにより生じる予圧の変化は小さいものであるので、外輪軌道２２ａ、２２ｂや内輪軌道２４ａ、２４ｂおよびボール２５ａ、２５ｂに圧痕等が生じることはない。
【００４５】
また、回転機構付軸方向微動機構４１には剛性の低いバネが存在せず、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂを剛性の非常に高いバネ部材として機能させ、圧縮方向の荷重に対しては非常に高い剛性を有する圧電アクチュエータ５０と高剛性のバネ部材との組み合わせにより、回転機構付軸方向微動機構４１の剛性が静的にも動的にも圧電アクチュエータ５０を組み込まない軸受ユニットと略同一の剛性を維持することができるので、応答性が高く安定した微動動作を実現することができる。
【００４６】
さらに、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに付与した予圧の反力が圧電アクチュエータ５０に作用し、常に圧縮荷重を掛けながら微動動作を行わせるので、引張荷重による破損の発生もなく、それを避けるためのバネを用いる必要もない。
さらに、圧電アクチュエータ５０の分だけ長いハウジング２７を用いるだけで、軸受ユニットを組み立てる方法と同一の方法で組み立てることができ、圧電アクチュエータ５０の組立に特別な配慮を払うことなく容易に回転機構付軸方向微動機構４１を組み立てることができる。
【００４７】
さらに、圧電アクチュエータ５０を収納穴５２および凹穴５４を案内としてピストン５１に組み込めば自動的に同軸上に配置されるので、圧電アクチュエータ５０に半径方向荷重やモーメント荷重が作用して早期に破損する可能性を低減することができる。
さらに、圧電アクチュエータ５０をねじ軸１１と同軸上に配置できるので、圧電アクチュエータ５０の変位を純粋な軸方向変位とすることができ、高精度な微動動作を行うことができる。
【００４８】
このようにして、本実施の形態では、伸縮方向に対して直列に配置した複数の圧電アクチュエータ５０を備え、対向配置して予圧を付与したアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの一方の外輪２１ａをハウジング２７に軸方向に拘束し、外輪２１ａ、２１ｂ間の距離を複数の圧電アクチュエータ５０の伸縮により変化させるようにした。
【００４９】
これにより、対向配置したアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂを剛性の非常に高いバネ部材として機能させ、圧電アクチュエータ５０の圧縮方向の高い剛性と高剛性のバネ部材との組み合わせにより、回転機構付軸方向微動機構４１の剛性を高く維持することができるので、応答性が高く安定した微動動作を実現することができる。また、圧電アクチュエータ５０に予圧の反力が作用し、常に圧縮荷重を掛けながら微動動作を行わせることができるので、圧電アクチュエータ５０の引張荷重による破損の発生を防止することができる。さらに、伸縮方向に対して直列に配置した複数の圧電アクチュエータ５０により微動動作を行うので、長ストロークの微動動作を実現することができる。
【００５０】
さらに、本実施の形態では、圧電アクチュエータ５０は、標準化された積層型の圧電アクチュエータである。
これにより、比較的安価に製造することができるとともに、特性のバラツキを低減して高精度な微動動作を実現することができる。また、圧電アクチュエータ５０の製作を容易に行うことができる。
さらに、本実施の形態では、圧電アクチュエータ５０を非通電とした状態であらかじめ予圧を付与した。
これにより、圧電アクチュエータ５０の変位量がゼロに近い場合でも予圧抜けの心配がない。また、圧電アクチュエータ５０には位置決め動作を行うときのみ通電すればよく、通電時間が短くなるので、圧電アクチュエータ５０の耐久性を向上させることができる。
【００５１】
さらに、本実施の形態では、位置センサ１７からの基台５と移動台６との相対移動量を示す検出信号により認識した現在位置と目標位置との偏差をフィードバックして微動制御を行う。
これにより、ねじ軸１１のリード誤差や圧電アクチュエータ５０のヒステリシス等があった場合においても高精度な微細位置決めを行うことができる。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、圧電アクチュエータ５０を中実として収納穴５２と凹穴５４に嵌合させ、それぞれの底面の間に挟持してねじ軸１１と同軸に配置した。
これにより、圧電アクチュエータ５０の分だけ長いハウジング２７を用いるだけで、軸受ユニットを組み立てる方法と同一の方法で組み立てることができ、回転機構付軸方向微動機構４１の組立を容易に行うことができる他、一般に体積が大きいほど高価になる圧電アクチュエータの価格を低減して、位置決め装置のコストを低減することができる。
【００５３】
さらに、本実施の形態では、内輪２３ａ、２３ｂの内周面をねじ軸１１の外周面に嵌合させ、内輪２３ａ、２３ｂの軸方向の移動を内輪係止部２９とロックナット３２により挟み付けてねじ軸１１に固定するとともに、外輪２１ａの軸方向の移動を外輪係止部３８によりハウジング２７に拘束し、外輪２１ｂを圧電アクチュエータ５０によりピストン５１を介して軸方向に移動させるようにした。
【００５４】
これにより、圧電アクチュエータ５０の変位の半分をねじ軸１１の変位とすることができ、圧電アクチュエータ５０の変位の誤差を半減して高精度な微動動作を実現することができる。
さらに、本実施の形態では、圧電アクチュエータ５０をアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂの非回転側である外輪２１ａを押圧するように配置した。
これにより、圧電アクチュエータ５０への配線を容易に行うことができる。
なお、上記実施の形態においては、圧電アクチュエータ５０を直列に配置したが、これに限らず、圧電アクチュエータ５０を並列に配置することもできる。
【００５５】
図７は、圧電アクチュエータ５０を並列に配置した場合の回転機構付軸方向微動機構４１の断面図である。
図７において、ピストン５１およびカバー３９には、その軸芯を挟んで２組の収納穴５２および凹穴５４が等間隔で形成され、収納穴５２および凹穴５４には、圧電アクチュエータ５０がそれぞれ挿入される。これにより、２つの圧電アクチュエータ５０は、伸縮方向を軸方向と一致させて並列に配置される。圧電アクチュエータ５０は、形状および特性が同一のものを使用するのが好ましい。
【００５６】
このような構成であれば、回転機構付軸方向微動機構４１の剛性が高くなり、応答性がさらに高い微動動作を実現することができる。
この場合において、各圧電アクチュエータ５０の特性を電気的に調整することができる。具体的には、アクチュエータ駆動部４９および圧電アクチュエータ５０の間に介在されるアンプの出力段に抵抗を設置して出力電圧を調整し、または、各圧電アクチュエータ５０に対応して圧電アクチュエータ５０の数と同数のアンプを設け、制御電圧と圧電アクチュエータ５０の変位量の関係が等しくなるように各アンプのゲインを調整する。
【００５７】
また、２つの圧電アクチュエータ５０を並列に配置したが、これに限らず、応答性がさらに高い微動動作を実現するために、さらに多数の圧電アクチュエータ５０を並列に配置することもできる。圧電アクチュエータ５０の数は、要求される剛性によって決定すればよい。
また、上記実施の形態においては、圧電アクチュエータ５０を直列に配置したが、これに限らず、圧電アクチュエータ５０を直列および並列に配置することもできる。
【００５８】
図８は、圧電アクチュエータ５０を直列および並列に配置した場合の回転機構付軸方向微動機構４１の断面図である。
図８において、ピストン５１およびカバー３９には、その軸芯を挟んで２組の収納穴５２および凹穴５４が等間隔で形成され、収納穴５２および凹穴５４には、２つの圧電アクチュエータ５０がそれぞれ挿入される。各組の圧電アクチュエータ５０は、伸縮方向に対して直列に配置され、接着剤等により接合されている。これにより、直列に配置された２つの圧電アクチュエータ５０を組として、２組の圧電アクチュエータ５０が伸縮方向を軸方向と一致させて並列に配置される。圧電アクチュエータ５０は、形状および特性が同一のものを使用するのが好ましい。
【００５９】
このような構成であれば、ストローク長が大きくなり、回転機構付軸方向微動機構４１の剛性も高くなるので、長ストロークで応答性がさらに高い微動動作を実現することができる。
この場合において、圧電アクチュエータ５０を２つ直列に配置しかつ２つ並列に配置したが、これに限らず、さらに長ストロークで応答性が高い微動動作を実現するために、圧電アクチュエータ５０をさらに多数直列に配置しかつさらに多数並列に配置することもできる。圧電アクチュエータ５０の数は、要求されるストローク長および剛性によって決定すればよい。
【００６０】
また、上記実施の形態においては、２つの圧電アクチュエータ５０を直列に配置したが、これに限らず、さらに長ストロークの微動動作を実現するために、さらに多数の圧電アクチュエータ５０を直列に配置することもできる。圧電アクチュエータ５０の数は、要求されるストローク長によって決定すればよい。
【００６１】
また、上記実施の形態においては、アクチュエータ駆動部４９からの制御電圧を１台のアンプにより増幅して各圧電アクチュエータ５０に出力するように構成したが、これに限らず、各圧電アクチュエータ５０に対応して圧電アクチュエータ５０の数と同数のアンプを設け、アクチュエータ駆動部４９からの制御電圧を各アンプにより増幅し、対応する圧電アクチュエータ５０に出力するように構成することもできる。この場合、制御電圧と圧電アクチュエータ５０の変位量の関係が等しくなるように各アンプのゲインを調整することにより、各圧電アクチュエータ５０の特性を電気的に調整することができる。このことは、圧電アクチュエータ５０を並列に配置する場合、並びに圧電アクチュエータ５０を直列および並列に配置する場合において同じである。
【００６２】
また、上記実施の形態においては、対向配置した内輪２３ａ、２３ｂの間に内輪間座３０を設けて予圧を付与するように構成したが、これに限らず、内輪２３ａ、２３ｂの対向側の面を内輪間座３０の幅の半分に相当する長さ伸長させて内輪２３ａ、２３ｂ同士を直接当接させるように構成することもできる。
【００６３】
また、上記実施の形態においては、対向配置したアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに非通電の圧電アクチュエータ５０を介してあらかじめ予圧を付与するように構成したが、これに限らず、圧電アクチュエータ５０の非通電時には予圧が発生しないように、隙間を介して圧電アクチュエータ５０と外輪２１ａ、２１ｂまたは内輪２３ａ、２３ｂを対向させておき、粗微動位置決め装置１の起動時等に所定の電圧を圧電アクチュエータ５０に印加して対向配置したアンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに所定の予圧を発生させるようにしてもよい。このようにすれば、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂに所定の予圧を与えるために、例えば、ピストン５１の軸方向の長さ等を予圧量に合わせて精密に調整するといった、いわゆる予圧調整が不要となり、所定の電圧の印加だけで容易に精密な予圧調整が可能となる。
【００６４】
また、上記実施の形態においては、１つのアンギュラ玉軸受からなる転がり軸受装置を２つ対向配置するように構成したが、これに限らず、複数のアンギュラ玉軸受を並列組み合わせて配置した１組の転がり軸受装置を２つ対向配置するようにしてもよく、例えば、片側に２個１組、他方に１個のアンギュラ玉軸受による２つの転がり軸受装置を対向配置するようにしてもよい。
【００６５】
また、上記実施の形態においては、アンギュラ玉軸受２０ａ、２０ｂをねじ軸１１を支持する軸受として用いたが、これに限らず、回転を行いその回転の支持部を高速で微動させる回転および軸方向微動の複合運動機構全般に利用できることはいうまでもない。
また、上記実施の形態において、送りねじ装置は、ねじ軸１１とナット１２とをボールを介して螺合させるボールねじ装置１３として構成したが、これに限らず、ねじ軸１１とナット１２とを直接螺合させる滑りねじ装置として構成することもできる。
【００６６】
また、上記実施の形態においては、フィードバック制御を微動制御のときに行うように構成したが、これに限らず、粗動制御のときに、目標位置と現在位置との偏差を用いてフィードバック制御を行うようにし、偏差が所定値以下となったときに粗動動作を停止するように構成することもできる。このようにすれば、ねじ軸１１のリード精度等を補正することができ、圧電アクチュエータ５０の微動動作による補正量を小さくすることができ、必要以上に大きな伸縮量を有する圧電アクチュエータ５０を用いる必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】回転機構付軸方向微動機構４１の断面図である。
【図２】粗微動位置決め装置１の平面図である。
【図３】粗微動位置決め装置１の側面図である。
【図４】制御装置４５の構成を示すブロック図である。
【図５】粗微動位置決め処理を示すフローチャートである。
【図６】回転機構付軸方向微動機構４１の微動動作を説明するための図である。
【図７】圧電アクチュエータ５０を並列に配置した場合の回転機構付軸方向微動機構４１の断面図である。
【図８】圧電アクチュエータ５０を直列および並列に配置した場合の回転機構付軸方向微動機構４１の断面図である。
【図９】従来の圧電アクチュエータの取付構造を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６８】
１                  粗微動位置決め装置
２                  直線案内機構
３                  レール
４                  スライダ
４ａ                移動台取付面
５                  基台
６                  移動台
１０                粗動機構
１１                ねじ軸
１１ａ              軸軌道溝
１２                ナット
１３                ボールねじ装置
１４                駆動モータ
１６                支持軸受
１７                位置センサ
１８                スケール
２０ａ、２０ｂ      アンギュラ玉軸受
２１ａ、２１ｂ      外輪
２２ａ、２２ｂ      外輪軌道
２３ａ、２３ｂ      内輪
２４ａ、２４ｂ      内輪軌道
２５ａ、２５ｂ      ボール
２６                嵌合軸
２７                ハウジング
２７ａ              ねじ穴
２９                内輪係止部
３０                内輪間座
３２                ロックナット
３３                ねじ部
５０                圧電アクチュエータ
３８                外輪係止部
５１                ピストン
３９                カバー
４０                隙間
５２                収納穴
５３                逃げ穴
５４                凹穴
４１                回転機構付軸方向微動機構
４５                制御装置
４６                制御部
４７                記憶部
４８                モータ駆動部
４９                アクチュエータ駆動部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007192357.tif 000008
【図７】
2007192357.tif 000009
【図８】
2007192357.tif 000010
【図９】
2007192357.tif 000011