JPH07334245A

JPH07334245A - 超精密送り装置およびこれを用いたｘｙテ−ブル並びにテ−ブル移送装置

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Publication number: JPH07334245A
Application number: JP15415694A
Authority: JP
Inventors: Yotaro Hatamura; 村洋太郎畑; Masayuki Nakao; 尾政之中; Hideji Tanaka; 中秀治田; Munenori Watanabe; 辺宗徳渡; Kazufumi Kaneko; 子和史金
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1994-06-13
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】絶対的な位置を保証し得る超精密送り装置およ
びこれを用いたＸＹテーブル並びにテーブル移送装置を
提供する。【構成】送り量を検出する送り量検出手段Ｓ1と、送り
位置毎の形状誤差Ｅに関する情報と、装置の温度分布に
よる熱変形に関する情報Ｈと、外力Ｆによる変形に関す
る情報の内の少なくともいずれか一つを逐次検出するた
めに装置内部に設けられる情報検出手段Ｓ2，Ｓ3と、情
報検出手段Ｓ2，Ｓ3の検出情報と位置決め誤差Δの関係
及びその他装置各部の形状誤差Ｅと位置決め誤差Δの関
係を予め知識とする記憶手段３０と、送り量検出手段Ｓ
1および情報検出手段Ｓ2，Ｓ3によって逐次検出される
検出情報と前記記憶情報に基づいて補正制御量を求めて
アクチュエータＡを制御する計算機Ｃと、を備えたこと
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば工作機械，ロ
ボット，半導体製造装置，各種検査装置等に用いられる
精密位置決め用の送り装置に関し、特に内部モニタ方式
の送り装置およびこれを用いたＸＹテーブル並びにテー
ブル移送装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体技術で代表されるように微
細加工の高精度化の要求が高まっている。ＮＣ（数値制
御）が開発されて以来、機械各部の高剛性化と位置制御
により加工精度は飛躍的に向上した。

【０００３】このような位置制御は、テーブル位置や工
具位置はすべて製品形状で決まるため、あらかじめ加工
テーブルや工具の送り量及び手順を決め、駆動機構側、
すなわち送る側の位置をロータリエンコーダ等によって
監視しながら制御するものがほとんどであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように送
る側の位置を監視しているものは、実際に送られている
工具やテーブル位置を推測しているにすぎず、工具やテ
ーブルの本当の位置情報はでてこない。

【０００５】すなわち、加工現場においては、図１３に
示すように、機械のすべての構成要素は力Ｎと熱Ｈで変
形しており、送る側の位置を監視したとしても、力Ｎと
熱Ｈによる変形の影響で実際の送り位置は目標位置から
変化してしまう。

【０００６】通常の機械では、力による変形に対抗する
ために高剛性を、熱の変形に対抗するために恒温環境を
用いて機械の変形の影響を受けないようにしているが、
いずれも受動的な対応でしかなく限界がある。

【０００７】また、従来から送られる側の位置をリニア
スケール等で実際に検出して位置決め制御することも行
われているが、実際の加工現場等ではリニアスケール自
身も熱や力の影響で変形しており、絶対的な基準とはな
り得ない。そこで、装置外部から送り位置を監視するこ
とも考えられるが、センサが置かれる外部環境の問題等
によって絶対的な基準を得ることは困難である。

【０００８】そこで、より高精度の位置決めを図るに
は、”加工の知能化”の考えを取り入れる必要がある。

【０００９】加工の知能化とは、加工現場で生じている
物理現象を情報としてサンセでとりこみ、予め用意した
モデルに入力し、そこからの出力と設計から定まる目標
値とを比較して、その差に応じてアクチュエータを動か
し、加工で生じる現象そのものをリアルタイムで変化さ
せて所期の目的の加工を行うものである。

【００１０】かかる見地から、加工の知能化を実現する
べく、目下具体的な工作機械の製作が種々試みられてお
り、本発明は知能化送り装置に関するものである。

【００１１】また、送り装置については、上記した位置
決め誤差の問題に加えて、次のような問題もある。

【００１２】すなわち、従来からオングストロームオー
ダの微小な分解能を実現するアクチュエータとして、圧
電素子が知られており、走査形トンネル顕微鏡や電子線
描画装置の各種超精密機械に用いられている。しかし、
これはストロークが、てこ機構を併用しても３００［ｎ
ｍ］程度と小さいことが欠点である。

【００１３】一方、１００［ｍｍ］程度と大きいストロ
ークを実現できるアクチュエータとして、ボールねじを
利用する機構が、工作機械や自動移送装置に広く用いら
れている。しかし、このボールねじ（たとえば直径４
［ｍｍ］）は剛性が１０［Ｎ／μｍ］程度と小さく、外
力によってそれ自体が変形すること、これを研削仕上げ
する時の加工精度に起因する送り方向の位置決め誤差が
８［μｍ］と大きいことが欠点である。

【００１４】また、これらの圧電素子やボールねじを固
定する構造体には、しばしば熱膨張が発生し、たとえば
工作機械ではアクチュエータの分解能が０．１［μｍ］
と小さくても、工具・被加工物間の距離は設定値から１
０［μｍ］以上と大きくずれて、位置決め精度が劣化す
ることが知られている。

【００１５】本発明は、上記した従来技術の課題を解決
するためになされたもので、その目的とするところは、
加工の知能化の考え方を取り入れ、位置決め誤差の要因
となる熱変形，力変形，構成要素の形状誤差の諸要因を
逐次検出する検出手段を設け、総合的に制御することに
よって絶対的な位置を保証し得る超精密送り装置および
これを用いたＸＹテーブル並びにテーブル移送装置を提
供することにある。

【００１６】また、大ストロークで高分解能かつ精密な
位置決め、さらに任意の剛性などを実現し得る超精密送
り装置およびこれを用いたＸＹテーブル並びにテーブル
移送装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明にあっては、駆動手段と、送り量を検出する
送り量検出手段と、送り位置毎の形状誤差に関する情報
と、装置の温度分布による熱変形に関する情報と、外力
による変形に関する情報の内の少なくともいずれか一つ
を逐次検出するために装置内部に設けられる情報検出手
段と、前記情報検出手段の検出情報と位置決め誤差の関
係及びその他装置各部の形状誤差と位置決め誤差の関係
を予め知識として記憶する記憶手段と、前記送り量検出
手段及び情報検出手段によって逐次検出される検出情報
と前記記憶情報に基づいて補正制御量を求めて前記駆動
手段を駆動する制御手段と、を備えたことを特徴とす
る。

【００１８】制御手段は、位置決め誤差と、送り量検出
手段及び情報検出手段と、駆動手段の補正制御量との関
係を前もって学習することを特徴とする。

【００１９】学習は基準位置からの距離を測定している
距離検出手段によって行うことを特徴とする。

【００２０】駆動手段は、粗動機構と微動機構を直列に
配したアクチュエータ群によって構成され、位置決め誤
差を微動機構によって補正することを特徴とする。

【００２１】力センサが装置内部の外力が伝達される経
路に配されていることを特徴とする。

【００２２】熱変形を検出する変形センサが、位置決め
誤差に影響を与える部分の軸方向伸縮を検出することを
特徴とする。

【００２３】粗動機構はボールねじ等のねじ送り機構で
あることを特徴とする。

【００２４】微動機構は、圧電素子，電歪素子，熱膨張
を利用して伸縮するアクチュエータ，流体圧を利用して
伸縮するアクチュエータ，ボイスコイルを利用したアク
チュエータ，磁歪素子を利用したアクチュエータ等の指
令値に比例して伸縮する微小変位手段を備えていること
を特徴とする。

【００２５】微動機構は、微小変位手段と、該微小変位
手段の変位方向には変形可能で変位方向と直交する方向
には剛な弾性部材とを備えていることを特徴とする。

【００２６】微動機構は、微小変位手段と並列に変形セ
ンサを配し、微小変位手段の制御をフィードバック制御
によって行うことを特徴とする。

【００２７】また、本発明のＸＹテーブルは、基台と、
該基台上に直線運動案内機構を介してＸ軸方向に移動自
在に配設される第１テーブルと、該第１テーブル上に直
線運動案内機構を介してＸ軸に対して直交するＹ軸方向
に移動自在に配設されるテーブルと、前記基台と第１テ
ーブルの間に設けられ第１テーブルをＸ軸方向に送る送
り機構と、前記第１テーブルと第２テーブルの間に設け
られ第２テーブルをＹ軸方向に送る送り機構と、を備
え、Ｘ，Ｙ軸方向の送り機構として上記超精密送り装置
を用いてＸ軸方向とＹ軸方向の平面的な位置決め誤差を
補正可能としたことを特徴とする。

【００２８】また、基台のＸ軸及びＹ軸と直交するＺ軸
方向の反り量を逐次検出する反り量検出手段と、基台と
第１テーブルの間の距離及び第１テーブルと第２テーブ
ル間の前記Ｚ軸方向の距離を検出する距離検出手段と、
を設けると共に、前記直線運動案内装置にＺ軸方向に変
位を発生する微小変位手段を設け、前記反り量検出手段
と距離検出手段の検出情報と前記ＸＹ軸方向の送り位置
毎のＺ軸方向の位置決め誤差の関係を予め知識として記
憶し、前記反り量検出手段と距離検出手段によって逐次
検出される検出情報と前記記憶情報に基づいてＺ軸方向
の補正制御量を求めて前記Ｚ軸方向の微小変位手段を制
御する制御手段を設け、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の立体的な位
置決め誤差を補正可能としたことを特徴とする。

【００２９】また、本発明のテーブル移送装置は、基台
と、基台上に直線運動案内機構を介して移動自在に配設
されるテーブルと、前記基台とテーブルの間に設けられ
テーブルを駆動する送り機構と、を備え、送り機構とし
て前記超精密送り装置を用い、一方、前記基台の送り方
向と直交する高さ方向の反り量を逐次検出する反り量検
出手段と、基台とテーブルの間の距離を検出する距離検
出手段と、を設けると共に、前記直線運動案内装置に送
り方向と直交する高さ方向に変位を発生する微小変位発
生手段を設け、前記反り量検出手段と距離検出手段の検
出情報と前記テーブルの送り位置毎の高さ方向の位置決
め誤差の関係を予め知識として記憶し、前記反り量検出
手段と距離検出手段によって逐次検出される検出情報と
前記記憶情報に基づいて高さ方向の補正制御量を求めて
前記微小変位発生手段を駆動する制御手段を設けたこと
を特徴とする。

【００３０】

【作用】本発明では、外力や熱等の誤差要因情報を検出
する情報検出手段の検出情報と位置決め誤差の関係及び
その他装置各部の形状誤差と位置決め誤差の関係を学習
によって予め知識として記憶しておく。

【００３１】送り動作中に、装置それ自体に設けられて
いる送り量検出手段によって送り位置を逐次検出する。
また、装置それ自体に設けられている情報検出手段によ
って、送り位置毎の形状誤差に起因する位置決め誤差、
装置の温度分布による熱変形に起因する位置決め誤差及
び外力による変形に起因する位置決め誤差の内の少なく
ともいずれか一つを逐次検出する。

【００３２】もちろん、誤差要因の検出は、送り位置毎
の形状誤差と、熱変形と、外力のすべてを検出すること
が最も効果的であるが、いずれか一つの誤差をなくすだ
けでも効果はあり、精度要求に応じて種々選択し得る。

【００３３】制御手段において、これらの検出情報と記
憶情報とに基づいて補正制御量を求め、駆動手段を制御
して位置決め誤差を補正する。

【００３４】駆動手段を、粗動機構と微動機構を直列に
配したアクチュエータ群によって構成すれば、粗動機構
によって大ストロークを実現でき、微動機構によって精
密位置決めと高分解能を実現できる。

【００３５】また、本発明のＸＹテーブルは、上記内部
モニタ方式の送り装置によってＸ，Ｙ軸方向の平面的な
絶対位置決めが可能となる。

【００３６】さらに、基台の反り量と、基台と第１テー
ブル間の距離と、第１テーブルと第２テーブル間の距離
を検出することによって、ＸＹ軸方向の平面的な送り位
置毎のＺ軸方向の位置決め誤差を検出でき、このＺ軸方
向の位置決め誤差を直線運動案内機構に設けたＺ軸方向
の微小変位手段によって補正することで、立体的な絶対
位置決めが可能となる。

【００３７】本発明のテーブル移送装置は、基台の反り
量と、基台とテーブル間の距離を検出することによっ
て、テーブルの送り位置毎の高さ方向の位置決め誤差を
検出でき、この高さ方向の位置決め誤差を直線運動案内
機構に設けた高さ方向の微小変位手段によって補正する
ことで、立体的な絶対位置決めが可能となる。

【００３８】

【実施例】以下に本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。

【００３９】図１乃至図３は本発明の内部モニタ方式の
超精密送り装置の第１実施例を示している。

【００４０】図１は概念構成を示すもので、図２，図３
はより具体化した図を示す。このうち、図２（Ｂ）は図
２（Ａ）を概念的に示したものにすぎず、構成は全く同
一である。

【００４１】この送り装置は、図１（Ｂ）に示すよう
に、装置の形状誤差Ｅ・外力Ｆ・熱Ｈの影響による位置
決め誤差Δをモニタするために、送り量検出手段として
の送り位置センサＳ１，位置決め誤差に影響を与える要
因の情報を検出する情報検出手段としての力センサＳ
２，熱変形センサＳ３あるいは図示しないが送り位置毎
の形状誤差に関する情報を検出するるセンサ等のセンサ
群と、これらセンサ群の検出情報と位置決め誤差Δの関
係その他装置各部の形状誤差Ｅと位置決め誤差Δの関係
を予め知識として記憶して微小変位アクチュエータＡに
よる補正量を判断する計算機Ｃとによって、所望の機能
を実現する送り装置である。

【００４２】この第１実施例では、内部モニタ方式によ
って、形状誤差Ｅと、力Ｆによる変形に起因する位置決
め誤差のみを補正する例である。

【００４３】内部モニタ方式とは、自分自身につけたセ
ンサで、作業時、インプロセスで自分の姿勢を知ること
である。

【００４４】送り装置１は、図１（Ａ），図２及び図３
に示すように、概略、粗動機構２と、この粗動機構２と
直列に配される微動機構３とから構成され、粗動機構２
によって大ストロークを確保し、図１（Ａ）に示すよう
に、その目標位置Ｏに対する位置決め誤差Δを微動機構
３によって補償するものである。

【００４５】粗動機構２は、図２（Ａ）に示すように、
ボールねじ軸４と、ボールねじ軸４に螺合されるボール
ナット５と、ボールねじ軸４とボールナット５間に介在
される多数個のボール６と、ボールねじ軸４を回転駆動
するモータＭと、から構成されている。ボールねじ軸４
は基台７上に立設される軸受台８にアンギュラコンタク
ト玉軸受等の軸受９を介して回転自在に支持されてい
る。モータＭは基台７に設けらモータ支持壁１０に支持
され、モータＭの駆動軸１１とボールねじ軸４とが継手
部材１２を介して作動連結されている。

【００４６】また、ボールナット５は、図３に示すよう
に、その左右側面を支持する直線運動案内機構１３を介
してボールねじ軸４の軸方向に直線案内されている。こ
の直線運動案内機構１３は、基台７に固定される直線状
の固定レール１４と、ボールナット５に固定される可動
レール１５と、この固定レール１４と可動レール１５間
に転動自在に介装される図示しないボール等の転動体と
から構成される。

【００４７】微動機構３は、圧電素子等の微小変位アク
チュエータ１６と、微小変位アクチュエータ１６と並列
に設けられて微小変位を検出する変位センサ１７と、か
ら構成されている。変位センサ１７は、微小変位アクチ
ュエータ１６と並列に設けられる平行平板構造の弾性部
材１８と、弾性部材１８に貼着された歪ゲージ１９と、
から構成される。弾性部材１８は、図２（Ｄ）に誇張し
て示すように、軸方向には変形可能で軸方向と直交する
方向以外の方向には剛な構成となっている。この歪ゲー
ジ１９によって微小変位アクチュエータ１６の変位量を
検出し、微動制御回路３１にフィードバックして補正量
を正確に制御している。

【００４８】すなわち、弾性部材１８は、ボールナット
５に固定される固定部２０と、固定部２０と離間して設
けられる自由端側の可動部２１と、固定部２０と可動部
２１を連結する軸と直交する方向に延びる平行平板構造
のばね部２２とから構成され、歪ゲージ１９は、ばね部
２２の固定部２０及び可動部２１との付け根位置に貼付
けられている。また、上記微小変位アクチュエータ１６
は、この弾性部材１８の可動部２１と固定部２０間に装
着されている。

【００４９】微動機構３の変位センサとしては上記実施
例のような平行平板構造を用いたものの他に、歪ゲージ
等の抵抗式センサ、圧電素子や電歪素子を用いて変位を
電圧変化として検出する電圧式センサ、差動トランスや
渦電流センサ等の電磁誘導式センサ、静電容量式セン
サ，光ファイバ等を用いた光干渉式センサ等、微小変位
を検出可能な公知の種々のセンサを用いることができ
る。

【００５０】また、微小変位アクチュエータ１６として
は、圧電素子，電歪素子，熱膨張を利用して伸縮するア
クチュエータ，流体圧を利用して伸縮するアクチュエー
タ，ボイスコイルを利用したアクチュエータ，磁歪素子
を利用したアクチュエータ等の指令値に比例して伸縮す
る各種アクチュエータを用いることができる。

【００５１】上記モータＭには送り位置を検出するため
の送り量検出手段としてのエンコーダ２３が設けられて
いる。このエンコーダ２３は、図示例ではロータリエン
コーダを用いている。ロータリエンコーダはモータＭの
回転量を検出してもよいし、ボールねじ軸４の回転量を
検出するようにしてもよい。また、ロータリエンコーダ
の代わりにリニアエンコーダを用いてもよい。

【００５２】リニアエンコーダを用いる場合には、ボー
ルナット５あるいは被動部２４の送り位置を読み取るよ
うにしてもよいし、直線運動案内装置１３の固定レール
１４に対する移動レール１５の移動量を検出するように
してもよい。

【００５３】一方、装置に作用する外力が装置内部を伝
わる経路には力センサ２５が設けられている。力センサ
２５は、この実施例では微動機構３の可動部２１と被送
り部材が取り付けられる被動部２４の間に直列に設けら
れている。

【００５４】力センサ２５も、図２（Ｃ）に誇張して示
すように、軸方向には弾性変形可能で軸と直交する方向
には剛な平行平板構造の弾性部材２６と、この弾性部材
２６の歪量を検出する歪ゲージ２７と、から構成されて
おり、弾性部材２６の歪量の検出値から軸方向荷重を検
出するものである。

【００５５】ここで、微動機構３を構成する弾性部材２
６、上記力センサ２５及び被動部２４までが一つのブロ
ック体によって構成されている。

【００５６】力が通る経路は、上記被動部２４，力セン
サ２５，微小アクチュエータ１６と弾性部材２６、ボー
ルナット５，ボール６、ボールねじ軸４、軸受９及び軸
受台８を通して基台７に至る経路である。力センサ２５
は、上記被動部２４と微動機構３の間ではなく、微動機
構３とボールナット５の間、ボールナット５自体、軸受
９と軸受台８の間、軸受台８自体、軸受台８と基台７の
間等、必要に応じて種々の位置に設けることができる。

【００５７】図１（Ａ）にはこの送り装置の制御構成を
示している。

【００５８】制御系としては、粗動機構２の粗動制御系
と、微動機構３の微動制御系を有している。

【００５９】粗動制御系は、粗動制御回路２８に送り量
が指令値として入力され、この指令値に基づいてモータ
Ｍの駆動信号が出され、駆動回路２９を介してモータＭ
が所定量回転駆動される。これによってボールねじ軸４
が所定量回転され、ボールねじ軸４の回転運動がボール
ナット５の直線運動に変換されて軸方向に所定量移動す
る。

【００６０】一方、微動制御系は、送り位置毎の装置の
形状誤差としてボールねじ軸４の送り位置毎のピッチ誤
差と位置決め誤差との関係、力センサ２５の検出情報と
位置決め誤差との関係を学習して、メモリ３０に記憶し
ている。

【００６１】被動部２４の位置決め誤差に影響を与える
装置の形状誤差としては、たとえばボールねじ軸４のピ
ッチ誤差が大きい要因として考えられる。もちろん、位
置決め誤差に影響を及ぼす装置各部の形状誤差として
は、その他装置構成によって適宜選択される。このピッ
チ誤差は予め検出して知識としてメモリ３０に記憶され
ている。

【００６２】そして、力センサ２５によって検出される
外力Ｆの情報と、エンコーダ２３からの送り位置情報と
が微動制御部３１に入力され、この微動制御部３１にお
いて、外力情報及び送り位置情報とメモリ３０に記憶さ
れている位置決め誤差との関係から微動機構３の補正制
御量を演算し、微動機構３の補正移動量を制御するもの
である。この微動機構３の微小変位アクチュエータ１６
は微動制御回路３１からの補正制御信号に基づいて駆動
回路３１ａを介して所定量伸縮作動する。

【００６３】ここで、実験例を示す。

【００６４】ボールねじ軸は直径４［ｍｍ］、リード１
［ｍｍ］で、２個のナットを中央の板ばねで予圧をかけ
てバックラッシュを無くした構造のものを用いた。位置
決めの再現性は１００［ｎｍ］以下で、常に３［Ｎ・ｍ
ｍ］の摩擦トルクが発生して発熱が生じる。

【００６５】微小変位アクチュエータ１６としては５×
５×９［ｍｍ］の寸法の積層構成の圧電素子を用いた。
一般に圧電素子にかける電圧とその時の伸縮量との関係
は、ヒステリシス・非線形性ともに５％程度と大きいた
め、平行平板構造の変位センサを圧電素子と並列に配し
て、フィードバック回路、すなわちコンピュータが支持
する信号電圧の設定値と、変位センサ１８から出力され
る測定値とが等しくなるように、微小変位アクチュエー
タ１６に電圧を与える回路を設計した。

【００６６】これを用いると、ヒステリシス・非線形性
は小さくなり、圧電素子の伸縮量の再現性も５［ｎｍ］
と小さくなる。

【００６７】力センサ２５は微小変位アクチュエータ１
６と直列に配してある。これは平行平板構造の弾性部材
２６と歪ゲージ２７によって、ヒステリシス・非線形性
は２％以下と小さい。力センサ２５の定格荷重は５Ｎ、
剛性は１．４［Ｎ／μｍ］である。

【００６８】また、基準位置からの距離を測定する距離
検出手段としてのレーザ測長器３２によって位置決め誤
差を測定した。このレーザ測長器３２は、送り装置の学
習及び評価のために用いたもので、この情報を用いて微
小変位アクチュエータ１６をインプロセスで制御するも
のではない。ただし、装置の形状誤差としてのボールね
じの送りピッチ誤差を検出してメモリに記憶するもので
あり、その意味で本願発明の情報検出手段を構成する。
このレーザ測長器は装置外部に設けてもよいし、装置内
部に設けても良い。

【００６９】内部モニタ方式の制御をせずに、位置決め
誤差を測定したのが、図４（Ａ）に示す結果である。

【００７０】図４（Ａ）は、外力をかけない状態で、
１．３８９［μｍ］ごとに間欠的に計５［ｍｍ］送る場
合の、レーザ測長器３２で測定した位置と、操作によっ
て送りたかった目標位置Ｏとの差を示す。ピッチ分を１
周期として加工による誤差が±３［μｍ］生じているこ
と、ボールナット５において、ボールがリテーナからナ
ット溝に挿入される時に０．３［μｍ］の衝撃値が生じ
ていること、測定しながら５［ｍｍ］送るのに４５分か
かるため０．５［μｍ］の熱膨張が生じることが分か
る。

【００７１】図４（Ｂ）は、モータＭを停止している状
態で、外力Ｆを送り方向にかけた場合の、外力Ｆの大き
さとそれによって変動した位置決め誤差（変化量）Δと
の関係を示している。この剛性１．４［μｍ／Ｎ］はほ
ぼ力センサ２５の剛性に等しい。

【００７２】図１（Ｂ）に示したように、計算機は前も
って予備実験を通して、位置決め誤差Δと、力センサ２
５出力値、微小変位アクチュエータ１６入力値との関係
を学習しなければならない。位置決め誤差Δと、エンコ
ーダ２３出力信号との関係は先の図４（Ａ）で、力セン
サ２５の出力信号との関係は次の図４（Ｃ）で、微小変
位アクチュエータ１６の入力信号との関係は次の図５
（Ａ）で示す。

【００７３】図４（Ｂ），図５（Ａ）に示すように、力
センサ２５も微動機構５も、ともに平行平板構造を用い
ているため線形性がよい。

【００７４】次に、計算機に記憶した関係を用いて、入
力信号をモニタしながら位置決め誤差を補正する。形状
誤差を補正した結果は図５（Ｂ）、外力を補正した結果
が図５（Ｃ）である。補正制御を行わない図４（Ａ），
４（Ｂ）と比較してみると、加工精度に起因する位置決
め誤差は±３［μｍ］から±０．３［μｍ］へ小さく、
剛性は１．４［μｍ／Ｎ］から２０［μｍ／Ｎ］へと大
きく、それぞれ一桁変化していることがわかる。

【００７５】なお、外力をかけない場合の位置決め誤
差、すなわち外乱による振動は±０．０５［μｍ］であ
った。これと先述の熱の影響を考慮すると、上述の補正
はさらに、改善されることは明らかである。

【００７６】図６及び図７は本発明の第２実施例を示し
ている。

【００７７】この第２実施例は、上記第１実施例の送り
装置に熱変形センサ３３を加えた例であり、第１実施例
と同一の構成部分については、同一の符号を付してその
説明を省略する。

【００７８】すなわち、図６に示すように、外力による
変形に起因する位置決め誤差と、熱変形に起因する位置
決め誤差を検出するための誤差要因検出手段として、第
１実施例と同一の力センサ２５に加えて、熱変形センサ
３３を設け、学習記憶する知識として、熱変形に起因す
る位置決め誤差を加え、力センサ２５及び熱変形センサ
３３から逐次得られる位置決め誤差要因の情報と、知識
として持っている位置決め誤差の情報に基づいて微動機
構３の補正制御量を求めるものである。

【００７９】図示例は、熱変形に起因する位置決め誤差
に影響する代表的部位として基台７を選び、熱変形セン
サ３３によって基台７の熱変形量を検出するようにした
ものである。この基台７は軸受台８が固定されていて、
基台７が伸縮するとボールねじ軸４の位置も変化して位
置決め誤差の原因となる部分で、しかもモータＭの発熱
や基台７が固定される設置環境の温度変化に影響され
る。

【００８０】熱変形センサ３３は、ボールねじ軸４と平
行に配設された基台７とほぼ同一長さの基準部材３４
と、基準部材３４と基台７との軸方向の相対変位を検出
する変位センサ３５とを備えている。すなわち、上記基
準部材３４の一端を基台７の一端に固定し、この基準部
材３４の他端と基台７の他端の相対変位量を変位センサ
３５によって検出するものである。これにより基台７の
熱変形量を検出し、熱変形に起因する位置決め誤差を求
めるものである。

【００８１】基準部材３４としては、線膨張率が極めて
小さくほとんど熱膨張量を無視できる材料、たとえばス
ーパーインバー棒を用いることが望ましいが、熱膨張率
が既知の部材であれば、その相対変位量によって温度変
化を知ることができる。

【００８２】変位センサ３５としては、図７（Ｂ）に示
すように、軸方向には変形可能で軸方向と直交する方向
には剛な平行平板構造の弾性部材３６と、この弾性部材
３６に貼付けられる歪ゲージ３７とから構成されてい
る。弾性部材３６は、基台７に固定される基台側固定部
３８と、基準部材３６に固定される基準部材側固定部３
９と、基台側固定部３８と基準部材側固定部３９間を連
結する軸方向と直交する方向に延びる平行平板状のばね
部４０と、から構成され、歪ゲージ３７は、ばね部４０
の基台側及び基準部材側固定部３８，３９との付け根位
置に貼付けられている。

【００８３】変位センサ３５としては、弾性部材３６を
用いないで、歪ゲージ等の抵抗式センサ、圧電素子や電
歪素子を用いて変位を電圧変化として検出する電圧式セ
ンサ、差動トランスや渦電流センサ等の電磁誘導式セン
サ、静電容量式センサ，光ファイバ等を用いた光り干渉
式センサ等、微小変位を検出可能な公知の種々のセンサ
を用いることができる。

【００８４】図８は第１実施例と同様の条件で、熱変形
について実験した結果である。

【００８５】図８（Ａ）は熱変形センサ３３の出力と位
置決め誤差Δの関係を示すものである。このデータを知
識として記憶しておき、熱変形センサ３３の出力に対応
する位置決め誤差量を微小変位アクチュエータ１６によ
って補正した結果が図８（Ｂ）である。このように、熱
変形による影響をなくすことができる。

【００８６】この実施例では、熱変形センサ３３を基台
７側面に設けたが、ボールねじ軸４の場合にはボールナ
ット５とボールねじ軸４間の摩擦発熱も生じるので、熱
膨張位置決め誤差に直接影響する部位としては、ボール
ねじ軸４の軸方向の熱膨張を直接検出することが効果的
である。

【００８７】その場合には、たとえば、図９（Ａ）に示
すようにボールねじ軸４を中空構成とし、この中空穴４
１内に基準部材３４を挿入し、基準部材３４の一端をボ
ールねじ軸４の一端に固定し、基準部材３４の自由端と
ボールねじ軸４の自由端の相対変位を変位センサ３５に
よって検出するようにすればよい。

【００８８】熱変形センサ３３の設置位置としては、そ
の他、図９（Ｂ）（Ｃ）に示すように、ボールナット５
を直線案内する直線運動案内機構の軌道レール４２に設
けてもよい。図示例は直線運動案内装置の一例で、軌道
レール４２にボール等の転動体４３を介して移動ブロッ
ク４４が直線方向に移動自在に組み付けられたものであ
る。この軌道レール４２に軸方向に貫通する中空穴４５
を設け、ボールねじ軸４と同様に基準部材３４を挿入
し、軌道レール４２と基準部材３４の自由端の相対変位
を変位センサ３５によって検出するようにすればよい。

【００８９】リニアエンコーダを有する場合には、リニ
アエンコーダの基体自体に取り付けてリニアエンコーダ
自体の熱膨張量を検出するようにしてもよい。すなわ
ち、リニアエンコーダによって送り位置を検出している
のだから、送り位置の温度変化に起因する位置決め誤差
はリニアエンコーダの熱変形量が分かれば正しい位置が
判断できる。

【００９０】また、上記実施例では熱変形に関する情報
として熱変形量を直接検出しているが、温度分布に対応
する熱変形量を知識として持っておき、温度分布を検出
することによって熱変形を検出するようにしてもよい。

【００９１】図１０は、本発明の第３実施例を示してい
る。

【００９２】この第３実施例も第２実施例と同様に、熱
変形の要因を除去するように構成したものであるが、第
１，第２実施例と異なる点は、ボールねじ軸４の両端を
軸受９，９を介して支持する構成となっており、両軸受
台８，８間に熱変形センサ３３を設けたものである。こ
の場合には、熱変形センサ３３には、厳密な意味では熱
変形だけでなく力による変形分も検出されるが、熱によ
る変形に比べて力による変形は小さいので、熱変形を代
表するものと考えることができる。

【００９３】その他の構成および作用は第２実施例と同
様なので、同一の構成部分については同一の符号を付し
てその説明を省略する。

【００９４】上記各実施例はいずれも１軸方向の送り装
置を例にとって説明したが、この送り装置を用いてＸＹ
テーブルを構成することもできる。

【００９５】図１１はＸＹテーブルの一例を示す。

【００９６】すなわち、基台５１上にＸ軸方向に送られ
る第１テーブル５２を配置し、さらに第１テーブル５２
の上にＸ軸と直交するＹ軸方向に送られる第２テーブル
５３を配置したものである。

【００９７】第１テーブル５２は直線運動案内機構５４
を介して基台５１に対してＸ軸方向に移動自在に支持さ
れ、第２テーブル５３は第１テーブル５２に直線運動案
内機構５５を介してＹ軸方向に移動自在に支持されてい
る。

【００９８】そして、基台５１と第１テーブル５２の間
にはＸ軸方向に送るための送り機構５６が、第１テーブ
ル５２と第２テーブル５３の間にはＹ軸方向に送るため
の送り機構５７がそれぞれ設けられている。

【００９９】Ｘ軸及びＹ軸方向の送り装置５６，５７の
構成は、第１〜第３実施例と同様の構成で、モータＭに
よって回転駆動されるボールねじ軸５８と、このボール
ねじ軸５８にボールを介して螺合され予圧が付与された
ボールナット５９と、から構成される粗動機構６０と、
圧電素子等の微小変位アクチュエータによって構成され
る微動機構６１とから構成されている。

【０１００】そして、このＸＹ軸方向の送り機構５６，
５７によって第２テーブルをＸＹ方向に位置決めするこ
とができる。

【０１０１】この実施例では、さらに、直線運動案内機
構の５４，５５の移動ブロックに微小変位アクチュエー
タ６２を設けてＺ軸方向の変位についても補正可能と
し、３次元的に絶対位置決め可能としたものである。

【０１０２】直線運動案内機構５４，５５としては、図
１２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、軌道レール６３と、軌
道レール６３にボール等の転動体６４を介して移動自在
に支持される移動ブロック６５と、から構成されるもの
で、この移動ブロック６５に上記微小変位発生アクチュ
エータ６２が設けられる。

【０１０３】微小変位アクチュエータ６２は、図示する
ように、Ｚ軸方向には変形可能でその他の方向には剛な
平板構造の弾性部材６６と圧電素子等の微小変位アクチ
ュエータ６７を組み合わせた構成とし、弾性部材６６に
貼着した歪ゲージ６８で微小変位アクチュエータ６２の
変位量をフィードバック制御するようにしてもよいし、
その他圧電素子，電歪素子，あるいは熱膨張を利用して
伸縮するアクチュエータ，流体圧を利用して伸縮するア
クチュエータ，ボイスコイルを利用したアクチュエー
タ，磁歪素子を利用したアクチュエータ等の指令値に比
例して伸縮する各種アクチュエータを用いることができ
る。

【０１０４】図１２（Ａ）は、このＸＹテーブルの制御
構成を概略的に示している。ＸＹ絶対位置制御系７２に
ついては、上記した送り装置の制御系と同一であり、Ｘ
軸方向もＹ軸方向も同じである。

【０１０５】すなわち、ＸＹ軸方向共に粗動機構６０と
微動機構６１を有し、粗動機構６０は粗動制御回路６９
で制御され、微動機構６１は微動制御回路７０で制御さ
れる。この微動制御回路７０の制御は、メモリ７１に予
め形状誤差と位置決め誤差の関係、熱変形および力変形
に起因する位置決め誤差の関係が学習記憶されており、
インプロセスで逐次入力される熱変形センサ７２および
力センサ７３からの検出情報と記憶された情報から位置
決め誤差を判断し、補正量を求めて微動機構６１を制御
するものである。

【０１０６】一方、Ｚ軸方向の絶対位置制御系は、直線
運動案内機構５４，５５の各移動ブロック６５に設けた
微小変位アクチュエータ６２を、Ｚ軸方向位置制御回路
７４によって制御される。このＺ軸方向位置制御は、Ｘ
軸およびＹ軸方向の送り位置におけるＺ軸方向の絶対位
置を検出するものであり、ＸＹ軸方向の微動制御部７０
と対応して制御される。

【０１０７】Ｚ軸方向の変位を検出するために、本実施
例では、基台５１のＸ軸方向の側面およびＹ軸方向の側
面に熱変形センサ７５が上下に離間して２個取り付けら
れている。この基台５１側面の熱変形センサ７５は、Ｘ
軸，Ｙ軸方向の送り位置の位置決め誤差を割り出すため
の情報の他に、上下に複数設けることによって、基台５
１自体の上下の反り量を知ることができる。

【０１０８】また、ＸＹ軸方向の送り位置毎の基台５１
と第１テーブル５２の間のＺ軸方向の距離、第１テーブ
ル５２と第２テーブル５３間のＺ軸方向の距離を測定す
るために、基台５１と第１テーブル５２の間及び第１テ
ーブル５２と第２テーブル５３の間には距離計７６が設
けられ、逐次Ｚ軸方向の距離を検出している。図１１で
は基台５１と第１テーブル５２の間の距離計は図示を省
略している。距離計７６はＸ軸，Ｙ軸方向にそれぞれ直
線上を測定し、Ｘ軸方向の送り位置のＺ方向の変位と、
Ｙ軸方向の送り位置のＺ方向の変位を検出しているの
で、Ｘ軸方向Ｙ軸方向のいずれの送り位置についてもＺ
軸方向の変位を検出でき、立体的な空間での絶対位置決
めが可能となる。

【０１０９】すなわち、基台５１の反り量を検出し、基
台５１と第１テーブル５２の間の距離を検出し、さらに
第１テーブル５２と第２テーブル５３間の距離を検出
し、それらを足し合わせることによって第２テーブル５
３上のＸＹ方向の位置決め部におけるＺ軸方向の位置決
め誤差を知り、Ｚ軸方向の位置決め誤差を微小変位アク
チュエータ６２によって補正する。

【０１１０】この補正をするために、予め上下２つの熱
変形センサの検出情報と反りによって生じるＺ軸方向変
位の関係等を予め学習して知識としてメモリ７７に記憶
しておいて、熱変形センサ７５および距離計７６によっ
て逐次検出される情報に基づいてＺ軸方向の位置決め誤
差を求めて補正を行えばよい。この距離計７６によって
検出される値は、結局は熱と力による各構成要素のＺ軸
方向の変形と形状誤差分である。

【０１１１】以上はＸＹテーブルの位置決めについてで
あるが、基台に１軸方向の送り装置によってテーブルを
移送する１軸のテーブル移送装置の立体的な位置決めに
ついても適用でき、上記ＸＹテーブルと全く同様に、基
台の反りを基台とテーブル間の距離を測定することによ
って、立体的な絶対位置決めが可能である。

【０１１２】図示はしないが、図１１（Ａ）のＸＹテー
ブルの基台５１と第１テーブル５２のみとし、基台５１
と第１テーブル５２の間に図示しない距離計を設けた構
成とすればよい。制御構成は図１２に示す構成と全く同
一である。

【０１１３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
装置内部に取付部がある検出手段によって位置決め誤差
に影響のある装置自体の外力や熱等による変形を逐次検
出し、この検出情報と位置決め誤差の関係を学習して記
憶している知識を用いて位置決め誤差を求め、補正する
ようにしたので、従来得られなかった超高精度の位置決
めが可能となった。

【０１１４】特に、粗動機構と微動機構を組み合わせる
ことによって、大ストロークでしかも高精度かつ分解能
の高い送り装置を実現することができる。

【０１１５】また、本発明の超精密送り装置をＸＹテー
ブルの送り機構に用いれば、平面的な絶対位置決め，立
体的な位置決めを行うことができる。

【０１１６】また、本発明の超精密送り装置を１軸方向
のテーブル移送装置に用いた場合も、立体的な位置決め
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は本発明の一実施例に係る超精密送
り装置の制御構成図、同図（Ｂ）は本発明の概念図であ
る。

【図２】図２（Ａ），（Ｂ）は図１の送り装置の構造を
示す図、同図（Ｃ）は力センサの変形状態を誇張して示
す図、同図（Ｄ）は微動機構の動作状態を誇張して示す
図である。

【図３】図３は図１の送り装置をより具体化した構成例
の斜視図である。

【図４】図４（Ａ）はボールねじ軸のピッチ誤差を示す
図、同図（Ｂ）は外力と位置決め誤差の関係を示す図、
同図（Ｃ）は力センサの出力と位置決め誤差の関係を示
す図である。

【図５】図５（Ａ）は圧電素子の入力電圧と変位量の関
係を示す図、同図（Ｂ）はピッチ誤差を補正した状態を
示す図、同図（Ｃ）は力変形による位置決め誤差を補正
した状態を示す図である。

【図６】図６（Ａ）は本発明の第２実施例に係る超精密
送り装置の構成図、同図（Ｂ）は制御システム構成図で
ある。

【図７】図７は図６の装置をより具体化した構成例を示
す図である。

【図８】図８（Ａ）は図７の熱変形センサの出力と位置
決め誤差の関係を示す図、同図（Ｂ）は熱変形に起因す
る位置決め誤差を補正した図である。

【図９】図９は熱変形センサの他の構成例を示す図であ
る。

【図１０】図１０（Ａ）は本発明の第３実施例に係る超
精密送り装置の構成図、同図（Ｂ）は制御システム構成
図である。

【図１１】図１１（Ａ）は本発明のＸＹテーブルの構成
図、同図（Ｂ）は外観斜視図である。

【図１２】図１２（Ａ）は図１１のＸＹテーブルの制御
構成図、同図（Ｂ），（Ｃ）はＺ軸方向微小変位アクチ
ュエータの一例を示す図である。

【図１３】図１３は工作機器の加工で生じる基本的な物
理現象を示す図である。

【符号の説明】

１送り装置２粗動機構３微動機構４ボールねじ軸５ボールナット６ボール７基台８軸受台９軸受１０モータ支持壁１１駆動軸１２継手部材１３直線運動案内機構１４固定レール１５可動レール１６微小変位アクチュエータ１７変位センサ１８弾性部材１９歪ゲージ２０固定部２１可動部２２ばね部２３エンコーダ２４被動部２５力センサ２６弾性部材２７歪ゲージ２８粗動制御回路２９駆動回路３０メモリ３１微動制御回路３２レーザ測長器３３熱変形センサ３４基準部材３５変位センサ３６弾性部材３７歪ゲージ３８基台側固定部３９基準部材側固定部４０ばね部５１基台５２第１テーブル５３第２テーブル５４，５５直線運動案内機構５６，５７送り機構５８ボールねじ軸５９ボールナット６０粗動機構６１微動機構６２微動機構６３軌道レール６４転動体６５微小変位アクチュエータ６６弾性部材６７微小変位素子６８歪ゲージ６９粗動制御回路７０微動制御回路７１メモリ７２熱変形センサ７３力センサ７４Ｚ軸方向位置制御回路７５熱変形センサ７６距離計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２３Ｑ 5/22 ５２０Ｃ 5/28 Ｃ 15/18 15/22 (72)発明者金子和史東京都品川区西五反田３丁目11番６号テイエチケ−株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動手段と、送り量を検出する送り量検出手段と、送り位置毎の形状誤差に関する情報と、装置の温度分布
による熱変形に関する情報と、外力による変形に関する
情報の内の少なくともいずれか一つを逐次検出するため
に装置内部に設けられる情報検出手段と、前記情報検出手段の検出情報と位置決め誤差の関係及び
その他装置各部の形状誤差と位置決め誤差の関係を予め
知識として記憶する記憶手段と、前記送り量検出手段及び情報検出手段によって逐次検出
される検出情報と前記記憶情報に基づいて補正制御量を
求めて前記駆動手段を駆動する制御手段と、を備えたこ
とを特徴とする超精密送り装置。
【請求項２】制御手段は、位置決め誤差と、送り量検出
手段及び情報検出手段と、駆動手段の補正制御量との関
係を前もって学習することを特徴とする請求項１に記載
の超精密送り装置。
【請求項３】学習は基準位置からの距離を測定している
距離検出手段によって行う請求項２に記載の超精密送り
装置。
【請求項４】駆動手段は、粗動機構と微動機構を直列に
配したアクチュエータ群によって構成され、位置決め誤
差を微動機構によって補正することを特徴とする請求項
１に記載の超精密送り装置。
【請求項５】力センサが装置の外力が伝達される経路に
設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超精
密送り装置。
【請求項６】熱変形を検出する変形センサが、位置決め
誤差に影響が大きい部分の送り方向の伸縮量を検出する
ものである請求項１に記載の超精密送り装置。
【請求項７】粗動機構はねじ送り機構である請求項１に
記載の超精密送り装置。
【請求項８】微動機構は、圧電素子，電歪素子，熱膨張
を利用して伸縮するアクチュエータ，流体圧を利用して
伸縮するアクチュエータ，ボイスコイルを利用したアク
チュエータ，磁歪素子を利用したアクチュエータ等の指
令値に比例して伸縮する微小変位手段を備えている請求
項１に記載の超精密送り装置。
【請求項９】微動機構は、微小変位手段と、該微小変位
手段の変位方向には変形可能で変位方向と直交する方向
には剛な弾性部材とを備えていることを特徴とする請求
項８に記載の超精密送り装置。
【請求項１０】微動機構は、微小変位手段と並列に変形
センサを配し、微小変位手段の制御をフィードバック制
御によって行うことを特徴とする請求項８または９に記
載の超精密送り装置。
【請求項１１】基台と、該基台上に直線運動案内機構を介してＸ軸方向に移動自
在に配設される第１テーブルと、該第１テーブル上に直線運動案内機構を介してＸ軸に対
して直交するＹ軸方向に移動自在に配設される第２テー
ブルと、前記基台と第１テーブルの間に設けられ第１テーブルを
Ｘ軸方向に送る送り機構と、前記第１テーブルと第２テーブルの間に設けられ第２テ
ーブルをＹ軸方向に送る送り機構と、を備え、前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向の送り機構として請求項１乃
至１０のうちいずれかの項に記載の超精密送り装置を用
いてＸ軸方向とＹ軸方向の平面的な位置決め誤差を補正
可能としたことを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項１２】前記基台のＸ軸及びＹ軸と直交するＺ軸
方向の反り量を逐次検出する反り量検出手段と、基台と
第１テーブルの間の距離及び第１テーブルと第２テーブ
ル間の前記Ｚ軸方向の距離を検出する距離検出手段と、
を設けると共に、前記直線運動案内装置にＺ軸方向に変位を発生する微小
変位発生手段を設け、前記反り量検出手段と距離検出手段の検出情報と前記Ｘ
Ｙ軸方向の送り位置毎のＺ軸方向の位置決め誤差の関係
を予め知識として記憶し、前記反り量検出手段と距離検
出手段によって逐次検出される検出情報と前記記憶情報
に基づいてＺ軸方向の補正制御量を求めて前記Ｚ軸方向
の微小変位発生手段を制御する制御手段を設け、Ｘ，
Ｙ，Ｚ軸方向の立体的な位置決め誤差を補正可能とした
ことを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項１３】基台と、該基台上に直線運動案内機構を介して移動自在に配設さ
れるテーブルと、前記基台とテーブルの間に設けられテーブルを駆動する
送り機構と、を備え、該送り機構として請求項１乃至１０のうちいずれかの項
に記載の超精密送り装置を用い、一方、前記基台の送り方向と直交する高さ方向の反り量
を逐次検出する反り量検出手段と、基台とテーブルの間
の距離を検出する距離検出手段と、を設けると共に、前記直線運動案内装置に送り方向と直交する高さ方向に
変位を発生する微小変位発生手段を設け、前記反り量検出手段と距離検出手段の検出情報と前記テ
ーブルの送り位置毎の高さ方向の位置決め誤差の関係を
予め知識として記憶し、前記反り量検出手段と距離検出
手段によって逐次検出される検出情報と前記記憶情報に
基づいて高さ方向の補正制御量を求めて前記微小変位発
生手段を駆動する制御手段を設けたことを特徴とするテ
ーブル移送装置。