JP4401872B2 - 位置制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸部材の回転に応じて該軸部材の長手方向に移動可能な移動部材の位置を制御する位置制御装置に関するものである。

１０ｎｍ単位でテーブルの位置を制御することのできる位置制御装置がある（例えば、特許文献１参照）。この位置制御装置の構成を図４に示す。

テーブル３１のガイド部は支持部材３４に対して摺動可能となっており、テーブル３１はＸ軸方向に移動可能となっている。テーブル３１にはナット３２が固定されており、ナット３２には振動波モータ４０の駆動によって回転するネジ軸３３が挿入されている。ネジ軸３３の一端は、振動波モータ４０の回転軸３９とカップリング３８によって連結されており、ネジ軸３３は軸受け３６によって支持されている。軸受け３６は、ネジ軸３３がＸ軸方向と略直交する方向に変位するのを抑制するとともに、テーブル３１の空間位置を規制している。

振動波モータ４０を駆動すると、振動波モータ４０の駆動力が回転軸３９を介してネジ軸３３の一端側に伝達される。ここで、振動波モータ４０の駆動直後では、ネジ軸３３の他端側がナット３２との摩擦力によって直ちに回転し難くなっているため、ネジ軸３３にはねじれ（回転軸周りのねじれ）の弾性変形が生じる。

そして、振動波モータ４０をさらに駆動すると、ネジ軸３３が弾性変形した状態で回転し、テーブル３１の移動が行われる。テーブル３１が目標位置に到達したら、振動波モータ４０の駆動を停止させる。

ここで、振動波モータ４０の代わりに電磁モータを用いた場合について説明を行う。電磁モータを用いてネジ軸３３を回転させ、テーブル３１が目標位置に到達したときに電磁モータへの通電を遮断すると、弾性変形したネジ軸３３に復元力が生じる。

ここで、ネジ軸３３の他端側は、ナット３２との摩擦力によって保持されているため、上記復元力によって回転することはない。しかし、ネジ軸３３の一端側は回転軸３９を介して電磁モータのロータに連結されており、該ロータの保持力は小さいため、ネジ軸３３の復元力によってロータがわずかに回転してしまう。

このようにロータがわずかに回転すると、弾性変形したネジ軸３３が復元することになるが、この場合には、少なくとも上記復元した分だけネジ軸３３の弾性変形を許容する状態となってしまう。この状態にある位置制御装置に外部からの振動等が加わると、ネジ軸３３が弾性変形し、テーブル３１の位置が僅かにずれてしまうおそれがある。

一方、振動波モータ４０では、振動体４０ａおよび移動体４０ｂ間に摩擦力が生じているため、振動波モータ４０への通電を遮断しても、弾性変形したネジ軸３３が復元し難くなっている。このように、ネジ軸３３を弾性変形させたままの状態とすることで、位置制御装置に外部からの振動等が加わっても、ネジ軸３３が弾性変形するのを抑制し、テーブル３１の位置がずれてしまうのを抑制することができる。ここで、外部からの振動等がネジ軸３３を復元させるように作用した場合でも、振動体４０ａおよび移動体４０ｂ間の摩擦力によって、ネジ軸３３は弾性変形したままの状態に保持される。
特開２００３−２９８４４号公報（段落番号００２３〜００２７、図３等、）

上述したように、位置制御装置の駆動源として振動波モータを用いることにより、ネジ軸３３の弾性変形に起因するテーブル３１の位置ずれを抑制することができるが、他の要因によってテーブル３１の位置がずれてしまうおそれがある。すなわち、ネジ軸３３を支持する軸受け３６内のガタによって、テーブル３１の位置がずれてしまうおそれがある。

軸受け３６は、上述したようにネジ軸３３がＸ軸と略直交する方向に変位するのを抑制するために設けられており、内輪と外輪の間に玉（又はコロ）を配置した転がり軸受けで構成されている。そして、軸受け３６での回転を容易とするために、玉および内輪の間と、玉および外輪の間には、隙間が設けられている。

ここで、位置制御装置に対して外部からの振動等が加わった場合、上記隙間分のガタによって、軸受け３６で支持されているネジ軸３３が変位し、結果としてテーブル３１の位置が僅かにずれてしまうおそれがある。

本発明は、駆動源からの駆動力を受けて回転する軸部材と、該軸部材を回転可能に支持する第１および第２の軸受けと、軸部材の回転に応じて該軸部材の長手方向に移動可能な移動部材とを有し、駆動源の駆動制御によって移動部材の位置を制御する位置制御装置であって、軸部材に係合する係合部材を有し、
第１および第２の軸受けは、ともに内輪と外輪の間に転動体を配置した構成であり、第１の軸受けの内輪は軸部材に、第２の軸受けの内輪は前記係合部材にそれぞれ固定されるとともに、第１および第２の軸受けの外輪が固定され、軸部材に対する係合部材の係合状態を変化させることにより、第１の軸受けの外輪に対する内輪の位置と、第２の軸受けの外輪に対する内輪の位置を互いに反対向きに移動させることを特徴とする。

本発明によれば、加圧手段を用いて第１および第２の部材を転動体に加圧接触させることで、軸受け内でのガタを抑制して、移動部材の位置精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である位置制御装置について、図１を用いて説明する。図１は、本実施例の位置制御装置の構成を示す断面図である。

図１において、１はテーブル（移動部材）、２はテーブル１に固定されたナットである。３はナット２と係合するネジ軸（ボールネジ、軸部材）であり、後述する振動波モータ（駆動源）１０からの駆動力を受けることでＸ軸回りに回転する。ネジ軸３が回転すると、ナット２がテーブル１とともにＸ軸方向に移動する。

４は位置制御装置内に配置される各種部材を支持する支持部材（装置本体）である。５はナット２を挟むように配置されたガイド板であり、ナット２がネジ軸３とともに回転するのを阻止する。

６は軸受け（転がり軸受け、第１の軸受け）であり、支持部材４に固定された外輪（第２の部材）６ａと、ネジ軸３に固定された内輪（第１の部材）６ｂと、外輪６ａおよび内輪６ｂ間に配置された転動体（玉やコロ等）６ｃとを有している。

７はスラスト軸受け（第２の軸受け）であり、後述する結合ナット８を回転可能に支持する。スラスト軸受け７は、軸受け６の外輪６ａに固定された第１のリング７ａと、結合ナット８に固定された第２のリング７ｂと、第１および第２のリング間に配置された転動体７ｃとを有している。

８は、回転軸９に固定され、回転軸９およびネジ軸３を連結するカップリングとして機能する結合ナットである。すなわち、回転軸９に固定された結合ナット８の溝部に、ネジ軸３を挿入して係合させることで、ネジ軸３および回転軸９が一体となって回転するようになる。

結合ナット８は、スラスト軸受け７を介して軸受け６の外輪６ａに連結されており、軸受け６の外輪６ａ（第１のリング７ａ）に対してＸ軸回りに自由に回転することができる。

結合ナット（加圧手段）８のネジ軸３に対する締め付け具合（結合ナット８およびネジ軸３の係合状態）を調節することによって、ネジ軸３および回転軸９のＸ軸方向における相対位置を変化させることができる。すなわち、ネジ軸３や回転軸９の支持部材４に対する位置を変えることができる。

１０は駆動源としての振動波モータであり、位相の異なる交番信号が印加されることで振動を励起する振動体１０ａと、振動体１０ａに加圧接触し、振動体１０ａでの振動を受けて回転する移動体１０ｂとを有している。回転軸９は、移動体１０ｂに固定されており、移動体１０ｂとともにＸ軸回りに回転可能となっている。

１１は、テーブル１のＸ軸方向における位置を検知する位置センサである。位置センサで検知された信号（位置情報）はＣＰＵ２０に出力され、ＣＰＵ２０においてテーブル１の位置制御が行われる。ここで、ＣＰＵ２０は、振動波モータ１０を駆動することによってテーブル１をＸ軸方向に移動させる。そして、ＣＰＵ２０は、位置センサ１１の出力に基づいてテーブル１の位置を判別し、テーブル１が目標位置に到達した場合には、振動波モータ１０の駆動を停止させる。

本実施例では、駆動源として振動波モータ１０を用いているため、ネジ軸３は、上述したように弾性変形によって回転軸周りにねじれた状態で回転することになる。すなわち、テーブル１の駆動中および駆動停止後において、ネジ軸３は弾性変形によってねじれたままの状態となっている。

上述した構成の位置制御装置において、ネジ軸３に対して結合ナット８を締め付けると、回転軸９はネジ軸３の溝部３ａ内に侵入し、回転軸９およびネジ軸３のＸ軸方向における相対位置が変化する。このとき、ネジ軸３に固定された軸受け６の内輪６ｂには、内輪６ｂを振動波モータ１０側（図３の矢印Ｘ１方向）に変位させる力が働く。また、結合ナット８に固定されたスラスト軸受け７の第２のリング７ｂには、第２のリング７ｂを振動波モータ１０から離す方向（第１のリング７ａに近づく方向）に変位させる力が作用する。

軸受け６の外輪６ａが支持部材４に固定されているのに対し、内輪６ｂは上記力の作用を受けて振動波モータ１０側（図３中矢印Ｘ１方向）に変位するため、転動体６ｃは、内輪６ｂおよび外輪６ａの一部の領域（図３のＡおよびＢで示す領域）に当接する。

これにより、転動体６ｃは、内輪６ｂおよび外輪６ａの一部の領域と常に当接（加圧接触）することになるため、転動体６ｃおよび内輪６ｂの間と、転動体６ｃと外輪６ａの間に隙間が無くなり、軸受け６内でガタが生じるのを抑制することができる。そして、軸受け６内でのガタの発生を抑制することで、テーブル１の位置が僅かにずれてしまうのを抑制することができる。

一方、スラスト軸受け７の第２のリング７ｂに対して上記力が作用することで、第１のリング７ａおよび第２のリング７ｂは転動体７ｃに当接することになる。これにより、スラスト軸受け７内でガタが生じるのを抑制することができる。

ここで、内輪６ｂおよび外輪６ａと、転動体６ｃとの接する部分に潤滑剤等を塗布しておけば、ネジ軸３をスムーズに回転させることができる。

一方、外輪６ａ及び内輪６ｂの転動体６ｃに対する接触状態（加圧力）や、第１のリング７ａ及び第２のリング７ｂの転動体７ｃに対する接触状態は、ネジ軸３に対する結合ナット８の締め付け具合を変えることで容易に調節することができる。なお、振動波モータ１０は、軸受け６やスラスト軸受け７におけるスラスト方向の加圧力を調節（軸受け６、７内でのガタをなくすように調節）した後に、回転軸９に取り付けられる。

また、ガイド板５をナット２の外形に沿うように配置し、ナット２およびガイド板５の隙間（Ｘ軸と直交する方向の距離）を調節することで、ナット２がＸ軸回りに回転するのを抑制することができる。

さらに、位置センサ１１を用いることにより、ネジ軸３の一端がテーブル１の溝部１ａの底面に突き当たるのを防止することができるとともに、テーブル１を初期位置に容易に移動させることができる。

本実施例の位置制御装置によれば、上述したようにネジ軸３を支持する軸受け６内でのガタをなくすことで、より高い精度でテーブル１の位置決めを行うことができる。

次に、本発明の実施例２である位置制御装置について説明する。図２は、本実施例の位置制御装置の構成を示す概略図である。図２において、実施例１で説明した部材と同じ部材については同一符号を用いている。

実施例１では、振動波モータ１０の移動体１０ｂに固定された回転軸９と、ナット２に挿入されたネジ軸３とが結合ナット８を介して連結されていたが、本実施例では、回転軸９およびネジ軸３が一体的に構成されたネジ軸２３を用いている。このように回転軸９およびネジ軸３に相当する部材を１つの部材であるネジ軸２３で構成することにより、２つの部材を連結させるための部材が不要となる。

ネジ軸２３は、一端側でテーブル２１内に挿入されているとともに、他端側で振動波モータ１０の移動体１０ｂに固定されている。また、ネジ軸２３には、軸受け６の内輪６ｂが固定されている。

また、実施例１では、テーブル１およびナット２を有していたが、本実施例ではテーブル１およびナット２が一体的に構成されたテーブル２１が設けられている。

スラスト軸受け７は、固定ナット（加圧手段）２８に連結されている。固定ナット２８にはネジ部が形成されており、ネジ部はネジ軸２３と係合している。このため、固定ナット２８をネジ軸２３に対して締め付ける（Ｘ軸回りに回転させる）ことで、ネジ軸２３をスラスト方向（Ｘ軸方向）に変位させることができる。すなわち、Ｘ軸方向において、ネジ軸２３の支持部材４に対する位置を変化させることができる。

実施例１では、結合ナット８を締め付けてネジ軸３および回転軸９の相対位置を調節することで、軸受け６にＸ軸方向の加圧力を付与している。一方、本実施例では、固定ナット２８を締め付けてネジ軸２３全体のＸ軸方向における位置を調節することで、軸受け６およびスラスト軸受け７にスラスト方向の加圧力を付与している。

固定ナット２８をネジ軸２３に対して締め付けると、軸受け６の内輪６ｂが固定されたネジ軸２３を振動波モータ１０側（図３の矢印Ｘ１方向に相当する）に変位させる力が発生する。この力によって、ネジ軸２３および内輪６ｂは、振動波モータ１０側に変位することになる。

軸受け６は外輪６ａが支持部材４に固定されているのに対し、内輪６ｂが振動波モータ１０側に変位するため、軸受け６の転動体６ｃには内輪６ｂによってスラスト方向の力が加わる。これにより、内輪６ｂおよび外輪６ａが転動体６ｃに当接（加圧接触）するため、実施例１と同様に軸受け６内でガタが生じるのを抑制することができる。

また、固定ナット２８をネジ軸２３に対して締め付けると、固定ナット２８に固定されたスラスト軸受け７の第２のリング７ｂには、第２のリング７ｂを第１のリング７ａに近づける方向の力が作用する。

ここで、第１のリング７ａは軸受け６の外輪６ａに固定されているため、第２のリング７ｂが上記作用をうけることで、第１のリング７ａおよび第２のリング７ｂが転動体７ｃに当接（加圧接触）することになる。これにより、スラスト軸受け７内でガタが生じるのを抑制することができる。

なお、軸受け６やスラスト軸受け７でのスラスト方向の加圧力を調節（軸受け６、７でのガタの発生を抑制するように調節）した後で、振動波モータ１０はネジ軸２３に取り付けられる。

本実施例によれば、振動波モータ１０の回転軸と、テーブル２１を移動させるための軸とを一体的に形成しているため、２つの軸を連結させるための部材が不要となる。また、実施例１では別々の部材であったテーブルおよびナットを、本実施例では一体化させているため、部材の剛性変位を抑制することができる。しかも、テーブル２１の回転軸をネジ軸２３の回転軸に一致させやすくなるため、ネジ軸２３の回転に伴うテーブル２１の駆動効率を向上させることができる。

さらに、上述したように複数の部材を一体化させることで、部品点数を減らすことができるため、位置制御装置の組み立て工数を減らしたり、低コスト化を図ったりすることができる。

本発明の実施例１である位置制御装置の構成を示す図。 本発明の実施例２である位置制御装置の構成を示す図。 軸受けの拡大図。 従来の位置制御装置の構成を示す図。

符号の説明

１：テーブル
３、２３：ネジ軸（ボールネジ）
６：軸受け
６ａ：外輪
６ｂ：内輪
６ｃ：転動体
８：結合ナット
１０：振動波モータ
２８：固定ナット

Claims (2)

1. 駆動源からの駆動力を受けて回転する軸部材と、該軸部材を回転可能に支持する第１および第２の軸受けと、前記軸部材の回転に応じて該軸部材の長手方向に移動可能な移動部材とを有し、前記駆動源の駆動制御によって前記移動部材の位置を制御する位置制御装置であって、
   前記軸部材に係合する係合部材を有し、
   前記第１および第２の軸受けは、ともに内輪と外輪の間に転動体を配置した構成であり、
   前記第１の軸受けの内輪は前記軸部材に、前記第２の軸受けの内輪は前記係合部材にそれぞれ固定されるとともに、前記第１および第２の軸受けの外輪が固定され、
   前記軸部材に対する前記係合部材の係合状態を変化させることにより、前記第１の軸受けの外輪に対する内輪の位置と、前記第２の軸受けの外輪に対する内輪の位置を互いに反対向きに移動させることを特徴とする位置制御装置。
2. 前記軸部材は、この回転軸周りでねじれるように弾性変形可能であることを特徴とする請求項１に記載の位置制御装置。

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