NACHITECHNICALREPORT
Machining

21A2Vol.

Sep/2010■ 寄稿・論文・報文・解説

マシニング事業

超精密工作機械におけるリニアモーター駆動方式と静圧ねじ方式の特性比較評価
Evaluation of Ultra Precision Cutting Machinewith Linear Motor or Hydrostatic Lead Screw〈キーワード〉超精密・工作機械・リニアモーター・静圧ねじ・高速・高精度

開発本部／制御開発部

朝野 浩伸
Koshin ASANO

超精密工作機械におけるリニアモーター駆動方式と静圧ねじ方式の特性比較評価

要旨

ナノメータ位置決め精度を持つレンズ金型加工機用超精密工作機械において、 リニアモーター＋油静圧案内 方式と、 回転モーター＋油静圧ねじ＋油静圧案内 方式について、送り速度ごとに機械精度評価指標である、位置偏差変動幅を実測で評価した結果、前者の方式のほうが、低速側での位置偏差変動幅が大きく不利ではあるが、送り速度による差が小さく、高速では有利であることを示した。
また、両方式間の特性差の主要因が、粘性抵抗、ねじ剛性、モーター推力／トルク変動成分の違いに

1.超精密工作機械の送り方式

レン
デジタルカメラやDVDなどに使用されている、ズやその金型の加工には、超精密工作機械が使用され、ナノメータレベルの加工精度を実現している。
しかし、デジタルカメラやDVDの小型化、高性能化にともない、加工物も小型化、複雑化している。

よることを示した。
ナ
今回の試験を通して、3m／minの送り速度で、デジタルカメラノメータレベルの加工が可能であることを、実測で示した。

Abstract
A linear motor with hydrostatic pressure control and a rotational motor with hydrostatic leadscrew and hydrostatic pressure control are tested
for the fluctuation ranges of location deviation
under the condition that each motor is installed inan ultra-precision machine tool with nanometerlevel, precise positioning function for the machiningof dies for lenses. The fluctuation range of location
deviation is an index for machine precision at every
feed speed. The measurements indicated that theformer method was greatly disadvantageous at lower
speed due to the greater fluctuation of location
deviation but was advantageous at higher feed
speed due to the lesser fluctuation of location deviation.
In addition, the main factors contributing to thecharacteristic difference between these two methods are viscosity resistance, screw rigidity and thedifference in motor thrust and torque fluctuation.
The test has proved that machining at thenanometer level is possible with a feed speed of
3 m/min.
1

レンズの金型加工ではナノメータレベルの加工精度を要求される。
非球面ガラス
モールドレンズ

超精密工作機械＝ナノメータレベルの加工精度を実現する工作機械

図１ 超精密工作機械の用途例（レンズ加工）さらなる高精度化、高速化が求められている、超両方式共通の特徴
・案内部の全てが非接触・摩擦、バックラッシュがない

精密工作機械の直線運動軸の位置決め・送り方
式には、いくつかの方式が採用されており、究極の位置決め精度が要求される用途では次の2方式が油静圧案内

1）優れている 。

静圧ねじ方式と同構造（1）回転モーター＋静圧ねじ＋静圧案内方式（2）リニアモーター＋静圧案内方式

リニアモーター（コアレス型）

NACHIの超精密機械でもこの2方式を採用しており、用途ごとの加工精度、速度、形状などの要求に応じて使い分けている。
図3 リニアモーター＋静圧案内方式
油静圧ねじ

このような用途による使い分けを的確に行なうた
まめには、両方式間の特性差の把握が必要であり、拡大た、その特性要因を調べることで、相互の改良法を見出すことができる。
実際の加工に求められる機械精度としては静止

油静圧案内位置決め精度だけではなく加工速度での精度特性が重要である。
また、リニアモーターについてはボールねじ送りと回転モーター

図2の比較は多く報告されているが、静圧ねじとの比較

回転モーター＋静圧ねじ＋静圧案内方式は多くは行なわれていなかった。
（２）の方式についそのため、NACHIでは先の（１）、とくに送り速度の違いによる特性て、実機を用いて、比較と、その特性差要因の推定を行なった。

NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.

21A22

超精密工作機械におけるリニアモーター駆動方式と静圧ねじ方式の特性比較評価

2. 評価方法
評価にはNACHIの超精密加工機 ナノアスファ

図5に静圧ねじ方式の評価システム構成を示す。
図6にリニアモーター方式の評価システム構成を示す。

を使用した。
送り軸が回転モーター＋静圧ねじ＋静圧案内方両システムともに摩擦はほとんどゼロである。

式（以降、静圧ねじ方式と略称する）の機械および

図7に評価システムの制御・位置検出部の構成を示す。

同型機でリニアモーター＋静圧案内方式（以降、制御・位置検出部は両評価システム共通である。

リニアモーター方式と略称する）の機械を使用し、コントローラは NACHI Nucleus PNC-XP を使用

同一軸（X軸）で比較評価した。

した。位置検出分解能は34pm（pm＝10−12メートル）であり、精度評価には十分高い分解能である。
スライドテーブル（静圧案内）
回転モーター

静圧ねじ（ACサーボ）テーブル質量 ： 約250kg
モーター極ピッチ ： 1mm（直線軸換算）
ねじ剛性： 約 100N／μm
粘性抵抗約 40000N／m／sec

図5

静圧ねじ方式の評価構成

スライドテーブル（静圧案内）（コイル）
リニアモーター（磁石）

図4（ACサーボ）

超精密加工機 ナノアスファ

テーブル質量 ： 約250kg
モーター極ピッチ ： 48mm
粘性抵抗： 約 4N／m／sec

図6 リニアモーター方式の評価構成

コントローラNACHI
Nucleus PNC-XP

モーター（回転／リニア）（ピッチ0.14μm）
位置検出（分解能 34pm）

図73

レーザースケール（スライドテーブル上）

インタポレータ（4096 分割）

制御・位置検出部の評価構成

機械精度の評価尺度として、一定速度送り中の[nm]10（図8）。
位置偏差変動幅を測定した

位置偏差変動幅(一定速送り中)

位置偏差0-10[m／min]
3

送り速度

0時間

図81sec／div

位置偏差変動幅の評価

3. 評価結果
図９、図１０に測定データ例を示す。
静圧ねじ方式[nm]
10リニアモーター方式

位置偏差[nm]1000-10[mm／min]
5-10[mm／min]
5

送り速度

05sec／div

図95sec／div

時間

1sec／div

リニアモーター方式[nm]50

位置偏差00-50-50送り速度[m／min]30時間

1sec／div

位置偏差

送り速度

0静圧ねじ方式では機械仕様上の限界速度のため測定は送り速度1.5m／minまで

図10

NACHI TECHNICAL REPORT

時間低速（0.005m／min）送りの測定データ

静圧ねじ方式[m／min]3送り速度0時間

[nm]
50

位置偏差

Vol.

21A2

送り速度3m／minでの測定データ

高速送りの測定データ

4

超精密工作機械におけるリニアモーター駆動方式と静圧ねじ方式の特性比較評価

4. 特性差要因の推定つの要因が考えられる。
①粘性抵抗は静圧ねじ（油静圧）のほうがリニアモーター方式より大きい。
②剛性は静圧ねじ（油静圧）のほうがリニアモーター方式より大きい。
③モーターの磁極に起因する推力／トルクの変100

位置偏差変動幅（nm）

両方式の特性差要因として、構造上の違いから38060

静圧ねじ方式40

リニアモーター方式
200

動成分（周期）が違う。

01234

送り速度（m／min）

これら要因のうち、③について簡単に説明する。

低速部拡大

実測データから、両方式ともにモーター1極対移動量当たり、2周期の位置偏差変動があることが分かっ

12

位置偏差変動幅（nm）（図12）。モーターの構造上からこれは磁極ているに起因する推力／トルクの変動成分と考えられる。
変動のメカニズムは両方式に共通だが、変動周期の違いが特性差要因の一つになっていると考えられる。
これら①〜③の特性差要因を想定したシミュレー

静圧ねじ方式1086

リニアモーター方式

422）

ションモデル に、実際に評価時に使用した機械の定0数、制御定数を設定してシミュレーションした結果を00.050.1

送り速度（m／min）

図13に示す。この結果は実測評価結果（図11）と傾向が一致する。
なお、低速側ではシミュレーション結果のほうが実測より位置偏差変動幅が小さくなるが、今回シミュレーションでは、外力変動の影響を含めていないためと考えられる。

5

図11

実測評価結果（送り速度と位置偏差変動幅の関係）静圧ねじ方式

リニアモーター方式
移動量24mm周期に相当

移動量0.5mm周期に相当[nm]
1020msec周期

位置偏差

[nm]
100500msec周期
位置偏差0-10-10[m／min]
30[m/min]
3送り速度
時間20msec／div

送り速度

0

図12時間

500msec／div

位置偏差の変動成分

位置偏差変動幅（nm）

1008060

静圧ねじ方式40

リニアモーター方式

20001234送り速度（m／min）

図13 シミュレーション結果

5. 実験の結果
リニアモーター方式と静圧ねじ方式について、送り特性差の主要因が、粘性抵抗、ねじ剛性、モーターリニアモー速度による位置偏差を実測評価した結果、推力／トルクの変動成分の違いによることを示した。

ター方式のほうが、低速側での位置偏差変動幅がさらに、今回の試験を通して、3m／minの送り速度大きく不利であるが、送り速度による差が小さく、高でナノメータレベルの加工が可能であることを実測

速では有利であることを示した。また、両方式間ので示すことができた。

NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.

21A2

66.今後のさらなる高速・高精度化にむけて高速ではリニアモーター方式が有利であることはそれぞれの方式に長所・短所があり、両方式の特一般的に認知されているが、ナノメータレベルの精性差や共通特性を解析することで相互の改良をす度を持つ油静圧送り機構でも同様であることを確認

すめ、今後のさらなる高速・高精度化の要求にこたとした。一方、静止・低速や外乱特性も重要であり、えていきたい。

くに外乱特性では静圧ねじ方式が有利であることが3）

報告されている 。

参考文献
1）水本 洋：近未来技術展望「超精密工作機械の位置決め技術について」
NACHI-BUSSINESS news、Vol.4 A1、August（2004）2）朝野浩伸：超精密工作機械におけるリニアモーター駆動の特性と評価、
日本機械学会関東支部 山梨講演会（2008）
3）金井巨光：超精密工作機械の位置決め機構の現状、
精密工学会秋季大会シンポジウム資料（2003）

NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.21A2 September / 2010〈発行〉 2010年9月10日
株式会社 不二越 開発本部
富山市不二越本町1-1-1 〒930-8511
Tel.076-423-5118 Fax.076-493-5213