(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースに対して相対移動が可能なテーブルと、
前記テーブルに固定されたねじ部と、
前記ねじ部と嵌合し、ねじれ方向の弾性変形が可能なねじ軸と、
前記ベースに固定されるとともに、前記ねじ軸の一端と連結され、前記ねじ軸を回転させることにより前記テーブルを変位させる振動波モータを有し、
前記テーブルが目標とする位置に達すると、前記振動波モータの駆動を停止させることで、前記ねじ部と前記ねじ軸の間の摩擦と、前記振動波モータの振動体であるステータと回転移動体であるロータの間の摩擦により、前記ねじ軸に弾性変形を生じさせた状態で前記モータの回転軸を固定する位置制御装置であって、
前記振動波モータを第１方向に回転させて前記テーブルを第１目標とする位置に変位させてから、前記振動波モータを前記第１方向と逆である第２方向に回転させて前記テーブルを第２目標とする位置に変位させる際に、前記テーブルを前記第１目標とする位置から前記第２目標とする位置まで変位させる間における前記ねじ軸の回転変位が所定量より小さい場合には、前記振動波モータを前記第１目標とする位置から前記第１方向に、前記第２目標とする位置まで変位させる間における前記ねじ軸の回転変位が前記所定量以上となるまで回転させてから、前記振動波モータを前記第２方向に回転させて前記テーブルを前記第２目標とする位置に変位させるものであり、
前記所定量とは、前記ねじれ方向の弾性変形が生じていない状態の前記ねじ軸の一端が回転し始めてから、前記ねじ軸の前記ねじ部と嵌合する位置が回転するまでに要する前記ねじ軸の回転変位の２倍の量であることを特徴とする位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ等の回転駆動装置を駆動源とするテーブルを用いた位置制御方法、および位置制御装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５にステッピングモータを駆動源とするテーブルの位置制御装置を示す。
【０００３】
３１はテーブルであり、モータの軸方向に沿ったガイド部を介してベース３２上を摺動可能に移動する。この図５のｘ方向に沿ってテーブル３１とベース３２が相対移動を行う。テーブル３１にはナット３３が固定されており、ナット３３はテーブル３１と一体的に移動を行う。このナット３３にはステッピングモータ３４によって回転を行うねじ軸３５が挿入されている。ナット３３の内周部およびねじ軸３５の外周部にはねじ構造が形成され互いに嵌合しているため、ねじ軸３５の回転方向に応じてナット３３に固定されたテーブル３１がｘ軸に沿って移動を行う。ねじ軸３５の一端はステッピングモータ３４の回転軸とカップリング３６によって連結され、このカップリング３６と、ナット３３と嵌合するねじ軸３５の駆動部との間にベース３２に固定されたベアリング等の軸受け３７を有している。この軸受け３７でねじ軸を受けることにより、ｘ方向と直交する方向にねじ軸が揺動することを防ぎ、ｘ軸に直交する方向の位置規制も行っている。ベース３２に設けられた不図示のインデックススケールとテーブル３１に設けられた不図示のメインスケールとを対向させ、インデックススケールを挟んでメインスケールと反対側に投光部と受光センサを設ける。投光部が発した光はインデックススケールを透過してメインスケールで反射され、再度インデックススケールを透過して受光センサに入射する。この受光センサの光電変換信号を解析することで、テーブルの移動変位量を高分解能、高精度で検出することが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のテーブルの位置決め装置では、精度０．１μｍ程度の精度であれば問題なく位置制御が可能であった。しかしさらに精度をあげてテーブルの位置決め制御を行おうとしても、１０ｎｍ単位でのテーブルの位置制御は実現が困難であった。たとえテーブルを所望の位置に停止させることができたとしても、微小な振動等による外乱がテーブルに加わるだけで、１０ｎｍ以上の位置ずれを生じてしまっているのが確認できた。
【０００５】
これらの原因として以下のことが考えられる。
【０００６】
上記のような構成のテーブル位置決め制御を行う装置では、ボールねじが多く使われている。図５に示すように、ボールねじの一端は駆動源であるステッピングモータに結合され、反対側はテーブルと一体に結合されたナットに勘合している。ステッピングモータが微小回転をした場合、ボールねじに働く回転するための力Ｆとボールねじの回転変位ａとの間には図６のような応答特性があらわれる。
【０００７】
図６において、点Ｏはステッピングモータとボールねじとが共に停止した状態である。この状態からステッピングモータを駆動させると、力Ｆと回転変位ａとの関係は、点Ｏから点Ａに向かって移動する。これはモータに微小な回転をさせた場合、回転当初はボールねじの微小な弾性変形が生じているために、回転力が弾性変形に吸収されてしまうためである。この状態は、ステッピングモータが微小回転を行い、ステッピングモータに結合しているボールねじの一端の部位も微小回転を行っているが、ボールねじのナットに勘合している部位は回転を行っていない。つまり、この点Ａまでの回転変位ａはボールねじの弾性変形による変位であって、ボールねじ自体はまだ転がり始めていないのである。さらにモータを回転させて力Ｆが点Ａに達すると、ボールねじの弾性変形に対する抵抗力が転がり摩擦力Ｆ０より大きくなり、回転方向の力Ｆが転がり摩擦力Ｆ０に相当するようになる。この状態からさらにモータを回転させれば、ボールねじはこれ以上の弾性変形を行わずにナットの表面を滑り始めるため、ボールねじが転がり始める。このときのボールねじは弾性変形した状態を保ったまま転がっている。
【０００８】
ボールねじが転がり始めたので、このまま回転を続けて点Ｂに到達させる。点Ｂに達したところでモータの回転を停止させる。するとボールねじは弾性変形をした状態であったので変形を復元させようとする力が発生する。ステッピングモータのロータに保持電流が流されていたとしても、この復元力に対して完全に対抗することは難しく、この復元力によってステッピングモータのロータがわずかに回転してしまう。ロータが回転することでボールねじの弾性変形は復元し、復元した分だけ逆に弾性変形に許容量が生じてしまう。ボールねじがこの弾性変形の許容量を有する状態で、テーブルに振動等の外乱が加わると、この許容量の範囲内で弾性変形が生じてしまい、その変形分だけテーブルが移動してしまうのである。点Ａに到達する前にモータを停止させた場合は、ボールねじは転がっておらず弾性変形しただけであるので、モータの停止後は弾性変形を復元させる力が働き、復元した分だけ弾性変形に許容量が生じてしまう。これが１０ｎｍ単位以上のレベルで生じてしまうため、１０ｎｍ単位での位置制御を行うことを難しくしていた。
【０００９】
つまり、ステッピングモータを駆動源としてテーブルの１０ｎｍ単位の位置制御を行う場合には、このボールねじの回転方向の力Ｆとボールねじの回転変位ａとの間のヒステリシスが問題となっていたのである。
【００１０】
よって、このヒステリシスである非線形応答をなくせばよいのであり、そのためのねじが提案されている。その中の一つに、油静圧ねじを用いたものがある。これはナットのねじ面の片側に凹部を設け、ナットとねじの間に油を充填したものである。このねじによればナットとねじの間の摩擦は油の粘性による抵抗のみであるので摩擦抵抗力が小さく、またねじの送り方向（スラスト方向）の剛性が高く、送りの垂直方向（ラジアル方向）の剛性を持たないように構成できる。これによりねじの曲がりやうねりによる上下方向の振動をなくすことができ、この静圧ねじを送り系の機械要素全てに用いればよい。油静圧ねじのほかにも同様なものとして空気静圧ナット等があるが、これらは特別な構成を有するねじであり、加工に手間を要し、コストアップにもつながる。
【００１１】
また特開平１０−５８３６７号公報に記載されているように、ステッピングモータ、ボールねじ、ピエゾアクチュエータを同軸上に配置したものが提案されている。これはステッピングモータを用いてねじを回転させ、このねじと嵌合するナットを軸方向に駆動させて粗動駆動を行い、ピエゾアクチュエータの収縮を用いてテーブルの微動駆動を行うものである。しかし、これは当然のようにステッピングモータやボールねじの構成に加えて、ピエゾアクチュエータを配置する必要があり、コストに相当の差を生じてしまう。
【００１２】
本発明の課題は、上記の様に特別な構成のねじやピエゾ素子を用いることなくテーブルを微小変位で位置制御するためのテーブル駆動方法およびテーブル駆動装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願の請求項１に係る位置制御装置は、ベースに対して相対移動が可能なテーブルと、前記テーブルに固定されたねじ部と、前記ねじ部と嵌合し、ねじれ方向の弾性変形が可能なねじ軸と、前記ベースに固定されるとともに、前記ねじ軸の一端と連結され、前記ねじ軸を回転させることにより前記テーブルを変位させる振動波モータを有し、前記テーブルが目標とする位置に達すると、前記振動波モータの駆動を停止させることで、前記ねじ部と前記ねじ軸の間の摩擦と、前記振動波モータの振動体であるステータと回転移動体であるロータの間の摩擦により、前記ねじ軸に弾性変形を生じさせた状態で前記モータの回転軸を固定するものであって、前記振動波モータを第１方向に回転させて前記テーブルを第１目標とする位置に変位させてから、前記振動波モータを前記第１方向と逆である第２方向に回転させて前記テーブルを第２目標とする位置に変位させる際に、前記テーブルを前記第１目標とする位置から前記第２目標とする位置まで変位させる間における前記ねじ軸の回転変位が所定量より小さい場合には、前記振動波モータを前記第１目標とする位置から前記第１方向に、前記第２目標とする位置まで変位させる間における前記ねじ軸の回転変位が前記所定量以上となるまで回転させてから、前記振動波モータを前記第２方向に回転させて前記テーブルを前記第２目標とする位置に変位させるものであり、前記所定量とは、前記ねじれ方向の弾性変形が生じていない状態の前記ねじ軸の一端が回転し始めてから、前記ねじ軸の前記ねじ部と嵌合する位置が回転するまでに要する前記ねじ軸の回転変位の２倍の量であることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本願の発明の実施形態について説明を行う。
【００１７】
図１に本発明を実施するための位置制御装置の簡単な構成図を示す。１はテーブルであり、モータの軸方向に沿ったガイド部を介してベース２上を摺動可能にｘ軸に沿って移動する。テーブル１にはナット３が固定されており、このナット３にはモータ４によって回転を行うねじ軸５が挿入されている。ねじ軸５の一端はモータ４の回転軸とカップリング６によって連結され、このカップリング６と、ナット３と嵌合するねじ軸５の駆動部との間に、ベース２に固定された軸受け７を有している。以上の構成は図５に示した従来の位置制御装置と同一の構成である。この図において従来のものと異なる点は、ベース２にモータ４の回転軸がカップリングを介して連結するねじ軸５の一端を固定する加圧固定手段８を設けたことである。この加圧固定手段８はねじ軸５に当接することで摩擦でねじ軸５が回転しないようにしている。図１の加圧固定手段８は剛性の高いアーム状で構成されているが、図２に示したようにアーム部に設けられたバネの収縮によって摩擦固定する加圧固定手段９であってもよく、これらの形状でなくとも機械的固定手段であればよいことは当然である。
【００１８】
モータ４を回転させ、ボールねじ５が弾性変形させたまま回転させ、目標とする変位までテーブル１を移動させる。加圧固定手段８がモータ４の停止時にボールねじ５を強固に固定する。この加圧固定手段８により、モータ４を停止するとボールねじ５は弾性変形を復元しようとするが、加圧固定手段８によって強固に固定されているため弾性変形をしたままの状態で保持される。ボールねじ５を弾性変形させたままの状態で保持をするには、モータ４を停止させる前には加圧固定手段８を駆動させ、モータ４が停止する直前にボールねじが強固に加圧固定されている必要がある。このときボールねじ５には、弾性変形を復元しようとする復元力と、この復元力に対抗する加圧固定手段８の摩擦力とが作用している。そのため、相反する方向に働く均衡した２つの力がボールねじ５に加わり、ボールねじ５には弾性変形の許容量がなく、テーブル１に振動等の外乱が加わったとしてもボールねじ５が変形しないためにテーブル１の位置がずれることはない。従来はボールねじ５の弾性変形の許容範囲内でテーブル１が位置ずれを起こす可能性があった。そこで、ボールねじ５を弾性変形の生じ得ない状況で保持するようにする。そのために、ボールねじ５に可能な範囲の弾性変形を生じさせ、この変形を保つように固定させたのである。この状態のボールねじ５に限っては、弾性変形を生じないため図６のようなヒステリシスを描く応答特性はない。図１では加圧固定手段８はねじ軸５を加圧して摩擦固定しているが、ねじ軸５と連結されたモータ４の回転軸を加圧して摩擦固定しても構わない。
【００１９】
この駆動方法はモータ４を同一方向に順回転させる場合は、途中で停止させ再駆動させる場合であっても何ら不具合はなく、途中から逆回転させる場合でもある程度の回転変位を行うのであれば問題はない。ここでいうある程度の回転変位とは図６における点Ｏから点Ａまでの変位量の略２倍の変位量のことである。モータ４を途中から逆転させた場合、最初の微小変位においてはボールねじ５の弾性変形が復元が行われるのみである。当然のことながら、この現象が点Ｏから点Ａまでの変位分だけ生じ、さらに微小変位させると、今度は逆側への弾性変形が開始され点Ｏから点Ａまでの変位に略等しい分において弾性変形が続く。つまり逆回転を開始してから点Ｏから点Ａまでの変位量の略２倍の変位量においては、ボールねじ５の弾性変形のみが行われるのである。この変位を超えるようにモータ４を回転させれば、回転力Ｆが転がり摩擦力Ｆ０を超え、ボールねじ５が転がり始める。したがって点Ｏから点Ａまでの変位量の略２倍以上の変位の回転を行うのであれば、逆回転をさせても問題はない。
【００２０】
反対に点Ｏから点Ａまでの変位の略２倍よりも小さい変位だけ回転させる場合には異なる駆動方法が必要となる。つまり点Ｏから点Ａまでの変位の略２倍よりも小さい変位のときに、すでにボールねじ５が弾性変形を行い、それ以上弾性変形の許容量がない状態にしなければならない。このためにはモータ４を逆回転させる前に、微小変位だけ順回転させておく。順回転させることにより、目標とする位置までに点Ｏから点Ａまでの変位量の略２倍以上の変位を確保するのである。なお、この加圧固定手段８に適用できるものとしてディスクブレーキ等が考えられる。テーブル１の位置制御の駆動源としてステッピングモータ等の電磁モータが用いられるのであれば、モータの静止トルクが弱いのでこのような加圧固定手段が必要となる。
【００２１】
しかし、反対にモータの静止トルクが強ければ加圧固定手段は別途設ける必要がなくなる。例えば、テーブル１の位置制御の駆動源として振動波モータ（超音波モータ）を用いれば、この加圧固定手段を別途に設ける必要がなくなる。なぜならば振動波モータは回転移動体であるロータと、振動体であるステータとが常に摩擦接触し、モータの停止時においてもロータとステータとの間には摩擦力が生じているからである。この摩擦力、つまり静止トルクは概してボールねじ５の弾性復元力よりも大きい。そのため、モータを回転させてボールねじ５を弾性変形させた場合に、そのままモータの回転を停止させるだけでボールねじの弾性変形の復元に対抗することができる。この状態であれば、弾性変形を復元しようとする復元力とこの復元力に対抗する加圧固定手段の摩擦力との均衡した２つの力がボールねじ５に加わり、ボールねじ５には弾性変形の許容量がなくなる。よってテーブル１に振動等の外乱が加わったとしてもボールねじ５が変形しないためにテーブル１の位置がずれることはない。
【００２２】
なお、上記の説明では位置制御の精度を確保するためにモータの回転変位を点Ｏから点Ａまでの変位量の略２倍を確保するとしているが、この値に限られたものではないことは当然である。モータの順方向回転時と逆方向回転時とでボールねじの弾性が同様なものであるならば上記の条件となるが、順方向回転時と逆方向回転時とで弾性が異なる場合は、両者を合わせた分だけの回転変位を確保すればよい。
【００２３】
図３に駆動源として振動波モータを用いた位置制御装置の上面図を示す。また、図４に図３のＡ方向から見た位置制御装置の断面図を示す。
【００２４】
１１はテーブルであり、モータの軸方向に沿ったガイド部を介してベース１２上を摺動可能に移動する。テーブル１１にはナット１３が固定されており、ナット１３はテーブル１１と一体的に移動を行う。このナット１３には振動波モータ１４によって回転を行うねじ軸１５が挿入され、ねじ軸１５の回転方向に応じてナット１３に固定されたテーブル１１がねじ軸に沿って移動する。ねじ軸１５の一端は振動波モータ１４の回転軸とカップリング１６によって連結されている。上述したように、振動波モータはロータとステータとが加圧接触しており静止トルクが大きいため、図１の加圧固定手段８をも兼用する役目を有する。カップリング１６のナット側の近傍にはねじ軸を軸支して空間位置を規制する軸受け３７を有している。ベース１２のテーブル１１と対向する面にはインデックススケール１９が設けられ、インデックススケールの裏側でベースの内部に設けられた空間内に投光素子と受光センサが配置される。テーブル１１のベース１２と対向する面にはメインスケール２０が設けられている。ベース１２内に設けられた投光素子が照射を行うと、照射された光はインデックススケール１９の第１格子部を透過してメインスケール２０に到達する。光がメインスケール２０に到達するとメインスケール２０に設けられた格子で反射され、インデックススケール１９の第２格子部を透過して、ベース１２内の受光センサに到達する。この受光センサの光電変換出力を解析することで、テーブル１１とベース１２との相対位置を高精度に検出することができる。また、テーブル１１には検出プレート２３が設けられている。テーブル１１がモータ１４に近づく方向に移動して、移動し得る範囲の端部までくると、ベース１２に設けられた後退限界検出器２１が検出プレート２３を検出する。反対にテーブル１１がモータ１４から離れる方向に移動して、移動し得る範囲の端部までくると、ベース１２に設けられた前進限界検出器２２が検出プレート２３を検出する。つまり後退限界検出器２１、前進限界検出器２２および検出プレート２３によってテーブルの移動範囲を規制している。
【００２５】
図３，４に記載の位置制御装置を用いてテーブルの位置決め制御を行った。テーブルの前進限界位置からモータの回転速度２０ｒｐｍにてテーブル駆動を行い、テーブルの駆動量を測長ポテンシャル１．２５ｎｍのレーザー測長システムにて計測した。そのときの位置決め計測結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
0004323733.tif 000002
【００２７】
目標値１を６９０ｎｍに設定してテーブル駆動を１５回行った場合の計測結果は、最も大きな位置ずれでも５ｎｍであり、標準偏差σは３．５４であり１０ｎｍには充分に収まっている。また目標値２を１２０ｎｍに設定してテーブル駆動を１５回行った場合の計測結果は、最も大きな位置ずれは目標値１と同様に５ｎｍであり、標準偏差σは３．４８であり１０ｎｍには充分に収まっている。したがって本実施形態の位置制御装置を用いれば１０ｎｍ単位での位置制御が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば特別な構成のねじやピエゾ素子を用いることなく、テーブルを微小変位、具体的には１０ｎｍ単位で位置制御が可能となり、テーブルに加わる振動等の外乱によってもテーブルの位置がずれることのない高精度の位置制御方法および位置制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における位置制御装置の断面図
【図２】本発明の別の実施形態における位置制御装置の断面図
【図３】駆動源として振動波モータを用いた位置制御装置の上面図
【図４】図３のＡ方向から見た位置制御装置の断面図
【図５】従来の位置制御装置の断面図
【図６】ボールねじに加えられた回転方向の力Ｆとボールねじの回転変位ａとの応答特性を示す図
【符号の説明】
１，１１  テーブル
２，１２  ベース
３，１３  ナット
４，１４  駆動手段（モータ）
５，１５  ねじ軸（ボールねじ）
６，１６  カップリング
７，１７  軸受け
８，９  加圧固定手段
【図１】
0004323733.tif 000003
【図２】
0004323733.tif 000004
【図３】
0004323733.tif 000005
【図４】
0004323733.tif 000006
【図５】
0004323733.tif 000007
【図６】
0004323733.tif 000008