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空気軸受 / 能動空気軸受 / 能動制振 / 超精密位置決め / 圧電素子 / 超精密機構 / メカトロニクス / 能動化

本試作研究では,(1)回転以外の5自由度の軸の運動誤差の計測と制御,(2)軸の剛性,振動減衰性の能動的改善,(3)軸の絶対運動誤差の計測と制御,などの機能を持つメカトロニクス化された超精密空気軸受(能動空気軸受)の実現を目指し,以下の成果を得た.
(1)軸の絶対運動精度計測法の確立
従来,軸の回転運動誤差は,軸そのものを基準に評価してきた。しかし実際には軸には真円度誤差があり,本研究では,回転する軸の真円度と,軸の運動精度を同時に評価できる測定方法を考案し,圧電素子をアクチュエ-タとする2自由度制御型能動空気軸受を用いた実験によりその有効性を確認した.本方法の測定精度は15nmであった.
(2)軸の絶対運動精度制御法の確立
上記の方法で計測した軸の形状誤差を,制御系の入力として用いることにより,軸の回転精度を絶対的に向上する方法を示した.さらに,2自由度制御型能動空気軸受によりこの方法を実験的に検証した.その結果,750rpmにおいて20nm以下の絶対運動精度を達成できた.
(3)5自由度制御型能動空気軸受の試作
試作した軸受は,2自由度制御型能動空気軸受2基により,軸のラヂアル方向位置及び軸の倒れを制御し,スラスト型能動空気軸受により軸のスラスト位置を制御する方式とし,以下の性能を得た.
1)制御バンド幅300Hz,位置決め分解能15nm
2)回転運動精度(45rpm;並進位置15nm,倒れ0.015arcsec
3)静剛性無限大

空気軸受 / 能動化 / 能動制振 / 超精密位置決め / 圧電素子 / 超精密機構 / メカトロニクス

軸のラジアル方向2自由度の制御が可能なジャ-ナル軸受について、1000rpm以上の高速回転時の問題点を明らかにし、解決法を検討した。
機構的には、軸受にあらたにエアタ-ビンを取り付け、これによって軸を非接触に駆動し、軸の1000rpm以上の高速・定回転を可能にした。さらに、後で示す繰り返し制御のためには、エアタ-ビン翼の通過を2個の磁気抵抗素子によって非接触に検出し、その検出信号を用いることによって、軸の回転角度を1/400回転の分解能で検出できるようにした。
予備実験では、1000rpmで軸を回転させた場合、0.3μm程度の回転運動精度が得られた。この精度は、PID-PDD^2形の基本コントロ-ラによって、約0.1μmまで改善可能であったが、基本コントロ-ラのみでは、これ以上の精度の改善は望めないことを明らかにした。残る運動誤差は、軸や軸受の形状誤差に起因する再現性のある誤差であり、その低減のため基本コントロ-ラによる制御とともに、繰り返し制御を行った。基本コントロ-ラに繰り返しコントロ-ラ(32ビットマイクロプロセッサにて構成)を付加し、制御実験を行った結果、軸が1000rpmで高速回転していても、偏心負荷に関わらず、25nm以下の回転運動精度の実現のほか、回転中の軸の高精度・高速な位置決めが可能となることを明らかにした。
1000rpm以上では、軸受機構の振動の問題のため、基本コントロ-ラによる制御が行えなくなる問題が見られた。この問題は、軸を交換することによって、基準静圧すきまを20μmから10μmまで小さくし、空気膜の剛性を増加することによって解決した。1740rpm制御実験を行った結果、制御しない場合の0.6μmの回転運動精度は、基本コントロ-ラによって0.2μm以下まで改善できた。さらに、繰り返し制御を行うことによって、15nm以下の回転運動精度が得られた。

【研究分担者】
森山茂夫	中央研究所	主任研究員
豊山晃	取締役
佐藤海二	東京工業大学	精密工学研究所	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
森山茂夫	中央研究所	主任研究員
豊山晃	顧問
青山尚之	静岡大学	工学部・精密工学科	助教授	(Kakenデータベース)