ボールねじ駆動によるサブナノメートル分解能位置決めのための振動抑制手法の探求

剛性と精度の両立が要求される事例では，位置決め駆動要素としてボールねじを用いる場合が最も多い．高分解能化への要求の高まりとともに，ボールねじを用いた位置決め機構においても，サブナノメートルレベルの位置決め分解能の実現が期待されている．本研究は，サブナノレベルにおいて効果的かつ実用的な振動抑制手法を構築することを目的とし，令和4年度は実験装置の構築を行うとともに，受動的制振機構の効果について実験的に検討した．また，内部センサ情報に基づく状態フィードバック制御による振動抑制法について基礎的検討を行い，受動的方法との比較を行った．まず，ストローク200mmのエアスライドで案内されるステージを，ボールねじ（ねじ軸外径20mm，リード5mm，オーバサイズボール予圧型）と定格出力130WのDCサーボモータで駆動する位置決め実験システムを構築した．ステージ変位を分解能0.06nmのリニアエンコーダで，ねじ軸回転角度を0.0227μradのロータリエンコーダで検出する．本位置決め機構を集中定数モデルで表現し，周波数応答実験により検証した結果，本機構は6慣性の集中定数モデルでノミナルに記述されることを確認した．次に本位置決め機構をステージ変位の直接フィードバックのみで位置決めした場合の残留振動を実験により測定した．その結果，残留振動は移動ステージ質量と出力端剛性で決まる固有振動成分によって支配されていることが分かった．以上の知見に基づいて，シリコンオイルを用いたオイルフィルムダンパをステージ端に設置したところ，残留振動（RMS値）を約1／3に低減することができた．さらに本機構の簡易な2慣性系モデルについて，状態フィードバック制御系を構成し，シミュレーションと実験によりその制振効果を検討した．その結果，残留振動の低減は認められたが，受動ダンパの制振効果には及ばなかった．

剛性と精度の両立が要求される事例では，位置決め駆動要素としてボールねじを用いる場合が最も多い．高分解能化への要求の高まりとともに，ボールねじを用いた位置決め機構においても，サブナノメートルレベルの位置決め分解能の実現が期待されている．本研究は，サブナノレベルにおいて効果的かつ実用的な振動抑制手法を構築することを目的とし，令和4年度は実験装置の構築を行うとともに，受動的制振機構の効果について実験的に検討した．また，内部センサ情報に基づく状態フィードバック制御による振動抑制法について基礎的検討を行い，受動的方法との比較を行った．まず，ストローク200mmのエアスライドで案内されるステージを，ボールねじ（ねじ軸外径20mm，リード5mm，オーバサイズボール予圧型）と定格出力130WのDCサーボモータで駆動する位置決め実験システムを構築した．ステージ変位を分解能0.06nmのリニアエンコーダで，ねじ軸回転角度を0.0227μradのロータリエンコーダで検出する．本位置決め機構を集中定数モデルで表現し，周波数応答実験により検証した結果，本機構は6慣性の集中定数モデルでノミナルに記述されることを確認した．次に本位置決め機構をステージ変位の直接フィードバックのみで位置決めした場合の残留振動を実験により測定した．その結果，残留振動は移動ステージ質量と出力端剛性で決まる固有振動成分によって支配されていることが分かった．以上の知見に基づいて，シリコンオイルを用いたオイルフィルムダンパをステージ端に設置したところ，残留振動（RMS値）を約1／3に低減することができた．さらに本機構の簡易な2慣性系モデルについて，状態フィードバック制御系を構成し，シミュレーションと実験によりその制振効果を検討した．その結果，残留振動の低減は認められたが，受動ダンパの制振効果には及ばなかった．