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実用 精密位置決め技術事典

総目次


第1編
 位置決め技術の基礎

第1章 総   論
 第1節 精密・超精密位置決め技術まで の道のりと位置決めの基礎
  1.精密と超精密 
  2.位置決めの基礎
  3.位置決めの形態 
  4.誤差と分解能
 第2節 精密・超精密位置決め技術の現状
  1.超精密・高速達成の秘訣
   1.1 ステッパのXYステージ
   1.2 ピコメートル位置決め具体例
   1.3 ボールねじVSリニアモータ
   1.4 インテリジェント制御法による長精 密位置決
 第3節 超精密位置決めが可能になった理由
  1 高精度・高分解能を得る方法
   1.1 粗微動による方法
   1.2 変位センサの分解能と精度向上
   1.3 コントローラの性能向上
 第4節 期待される次世代技術と問題点
  1.文献調査から見た動向
  2.アンケート調査から見た動向

第2章 基幹性能を支配する現象と要因

 第1節 形と運動の精度の定義と支配要因
  1.置決め機構の拘束と自由度
  2.形と偏差
  3.運動における誤差成分
  4. 位置決め機構の構成原理と精度上の特質
  5.位置決め制御の力学と位置決め誤差
  6.位置決め精度の実際
  7.位置決め制度の支配要因
 第2節 弾性変形
  1.弾性体を支配する方程式
  2.境界条件
  3.Airyの応力関数
  4.仮想仕事の原理
  5.形状創成理論に基づく解析の基礎
  6.弾性変形を考慮した解析手順
  7.位置決め誤差による工作機械設計指針の導出
 第3節 熱 変 形
  1.工作機械の熱変形挙動
  2.熱変形機構と熱変形対策の基本
  3.熱変形解析と精度補償技術
  4.工作機械主軸系の冷却法と熱変形対策
  5.工作機械送り系の熱変形挙動と対策
 第4節 振動特性
  1.機械系の振動特性
  2.応答からみた振動特性
  3.誤差と振動特性(機械の許容振動)
  4.振動制御技術
  5.精密機器の設置環境
 第5節 界面特性とトライボロジー
  1.精密位置決めにおけるトライボロジー
  2.トライボロジーの基礎
  3. 精密位置決めのためのトライボロジー技術

第3章 精密位置決めシステムの構成要素技術

 第1節 基本構造体
  1.構造体と材料
   1.1 鋳物構造体 
   1.2 溶接構造体
   1.3 セラミックス  
   1.4 グラナイト
  2.防振支持要素
  3.締結技術
 第2節 案内要素
  1.転がり案内  
  2.すべり案内
  3.静圧案内   
  4.磁気浮上案内
  5.弾性変形案内
 第3節 動力伝達機構
  1.送りねじ
   ・ボールねじ
   ・ローラねじ
   ・すべりねじ
   ・静圧ねじ
  2.摩擦駆動機構
   ・キャプスタン摩擦駆動機構
   ・ツイスト ローラ摩擦駆動
  3.カップリング要素
   ・カップリングの分類
   ・心ずれの種類
   ・ねじり剛性
   ・回転伝達誤差
   ・軸反力
   ・補正式カップリング伝達特性
   ・くさび式摩擦継手
  4.減速器装置
   ・各種減速機装置
   ・減速機の性能評価指標

第4章 アクチュエータ

 第1節 電磁アクチュエータ
  1.ACサーボモータ
   ・種類と特徴
   ・ダイレクトドライブモー タの種類と特徴
   ・ACサーボモータの動作原理
   ・ACサーボモータ選定のポイント
  2.ステッピングモータ
   ・ステッピングモータの特徴
   ・構造
   ・オープンループで動作できる理由
   ・ステップ角を決める要素
   ・位置決め精度向上策
  3.リニアモータ
   ・応用分野と特徴
   ・精密位置決め
  4.多自由度アクチュエータ
   ・特 徴 
   ・開発状況
   ・球面モータ型レーザ追尾距離計測装置
  5. ボイスコイルモータ(磁気ディスク装置)
   ・磁気ディスク装置の構造
   ・VCM(ボイスコイルモータ)
   ・HDDのアクチュエータの研究動向
 第2節 固体アクチュエータ
  1.圧電アクチュエータ
   ・形状と基本特性 
   ・特 徴
   ・技術動向
   ・モデル化
   ・設計上の留意点
  2.超音波モータ
   ・原理と物理 
   ・具 体 例
  3.磁歪アクチュエータ
   ・Fe-Ga合金の材料特性と精密加工
   ・マイクロ磁歪振動子
   ・位置決めデバイス
 第3節 流体アクチュエータ
  1.油圧アクチュエータ
   ・油圧の特徴
   ・サーボ弁とサーボポンプ
   ・関連事項 
   ・力の制御
  2.空気圧アクチュエータ
   ・動 向 
   ・基本特性
   ・空気圧シリンダ
   ・回転形アクチュエータ
   ・弾性変形アクチュエータ
   ・ソフトアクチュエータ
   ・空気圧ゴム人工筋
  3.機能性流体
   ・機能性流体の概要
   ・ERFを応用したマイクロアクチュエータ
   ・MRFを応用したマイクロアクチュエータ
   ・ECFを応用したマイクロアクチュエータ
 第4節 静電マイクロアクチュエータ
  1.種々の静電マイクロアクチュエータ
  2.インチワーム静電アクチュエータ
   ・微小駆動部とインチワーク静電アク チュエータ
   ・スクラッチ駆動静電アクチュエータ
   ・インパクト駆動アクチュエータ
  3. 対向探針のギャップ間隔のナノ位置決め
 第5節 高分子アクチュエータ
  1.高分子アクチュエータの概要
  2.EAPアクチュエータの各論
   ・イオン性高分子−金属複合体
   ・導電性高分子
   ・イオンゲル
   ・誘電性エラストマー
   ・液晶エラストマー

第5章 センサと計測システム

 第1節 変位センサ
  1.レーザ干渉測長機
   ・光波干渉測長法
   ・干渉測長における課題
   ・超精密測長技術
  2.リニアエンコーダ
   ・モアレ型エンコーダ
   ・その他エンコーダ
   ・エンコーダの改良例
  3.多自由度サーフェスエンコーダ
   ・XY2自由度位置検出原理
  4.原子グリッドエンコーダ
   ・2グラファイト結晶格子とSTMを用いた原子グリッドエンコーダの原理
   ・実験装置と実験結果
  5.静電容量型変位センサ
   ・基本特性 
   ・基本原理
   ・センシング技術 
   ・測定精度
   ・測定対象
   ・測定表面上の膜圧の影響
   ・測定面分解度
 第2節 角度センサ 
  1.ロータリエンコーダ
   ・ロータリエンコーダの構成
   ・インクリメンタル型とアブソリュート型
   ・回転軸の連結 
   ・精 度
   ・複数検出部を用いた偏心誤差の低減
   ・校 正 
   ・トレーサビリティ体系
  2.オートコリメータ
   ・基本原理 
   ・特 徴
   ・実際のオートコリメータ
   ・特徴的オートコリメータ
 第3節 速度,加速度センサ
  1.レーザドップラ振動計
   ・動作原理 
   ・特 徴
   ・レーザドップラ振動計を使った計測
   ・フリンジカウント変位計ユニットを使った動弁系計測
  2.加速度ピックアップ
   ・静加速度と動加速度(振動)
   ・サイズモ系 
   ・MEMS技術で構成した加速度センサの特性例
   ・MEMS加速度センサの構造例
 第4節 ビジョンセンサ
  1.光 学 系
   ・カメラレンズ 
   ・被写界深度
   ・テレセントリック光学系 
   ・照 明
  2.撮像素子
   ・CCD型イメージセンサ
   ・CMOS型イメージセンサ
   ・CCD型とCMOS型センサの違い
   ・出力方式
  3.画像処理による位置決め
   ・多値画像からの対象検出
   ・値画像からの対象検出
   ・サブピクセル位置推定
 第5節 計測評価システム
  1.形状測定機
   ・計状測定 
   ・3次元測定機
   ・幾何形状の測定および真円度測定機
   ・粗さ測定機
  2.干 渉 計
   ・干渉計測とニュートリング
   ・光源
   ・光学系 
   ・干渉縞の記録
   ・代表的な干渉計 
   ・縞走査技術
  3.レーザ顕微鏡
   ・レーザ走査顕微鏡
   ・共焦点得レーザ走査光学顕微鏡による三次元分解能 
   ・光子励起蛍光顕微鏡
  4.走査プローブ顕微鏡(SPM)
   ・レーザ干渉計搭載型
   ・リニアエンコーダ搭載型
   ・グリッドエンコーダ搭載型
   ・側壁測定用プローブと測定モード

第6章 位置決めの制御法と制御装置

 第1節 位置決めシステムのダイナミクス
  1.位置決めシステムの代表的な構成とその基本特性
  2.精密機構のモデリング
  3.マイクロダイナミクス
  4.工作機械の代表的な運動誤差要因
   ・運動方向反転時の摩擦特性/速度と加速度 
   ・象限突起の発生メカニズム
   ・向芯化速度と象限突起高さとの関係
   ・象限突起の発生に影響をおよぼす因子
 第2節 位置決めシステムに求められる性能と評価指標
  1.評価指標とシステム特性
   ・評価指標の基本 
   ・汎用的な評価指標
   ・位置決めシステムの評価指標
  2.制御性能とコントローラ構造
  3.制御性能と制御方法
 第3節 位置決め制御の動向
  1.半導体露光装置の動作の変化
  2.ハードディスクの構造の変化
  3. 位置決め制御系と防振系,機台系との連成
  4.パワーアンプ
 第4節 古典制御によるアプローチ
  1.サーボモータによる位置決め系
  2.補償の要素と開ループ系による設計
  3 マイナーループを使った実際設計
   ・電流ループの設計 
   ・速度ループの設計
   ・位置ループの設計
  4.特性改善のための工夫  
 第5節 現代制御によるアプローチ
  1.制御の基本的考え方
   ・応答に関して 
   ・安定性に関して
  2.減殺制御理による設計
   ・設計の考え方 
   ・内部モデル原理
   ・状態方程式による位置決め系の定式化
   ・定常偏差補償器 
   ・位置決め系の制御性
 第6節 代表的なロバスト制御法
  1.スライディングモード制御
   ・スライディングモード制御の考え方
   ・精密位置決め機構への適用
   ・位置決め特性
  2.繰返し制御とオートチューニング
   ・繰返し制御 
   ・オートチューニング
  3.モデルベースの制御系設計
   ・制御対象モデル
   ・モデルベースの制御系設計
 第7節 外乱にロバストなオブザーバによる制御法
  1. 位置制御系におけるPI制御と状態フィードバック
  2.外乱にロバストなオブザーバ
  3.PI制御系への外乱にロバストなオブザーバの適用
 第8節 位置決めにおける非干渉制御法
  1.非干渉制御
  2.具体的設計法
  3.極の設定
  4.具 体 例

第7章 シミュレーションを用いた設計技術と性能評価技術

 第1節 工作機械のシミュレーションと設計技術
  ・緒 論 
  ・設計工程
  ・有限要素法によるシミュレーション
  ・熱 解 析
 第2節 工作機械の精度評価技術
  1.工作機械の運動精度評価法
   ・マシニングセンタの検査規格
   ・ボールバーを用いた円運動精度試験
   ・交差格子スケールを用いた平面内の運動精度試験
   ・個々の機種に対応した精度検査規格
   ・マシニングセンタ以外の検査規格
  2.3軸加工機の空間精度の評価技術
   ・空間精度の評価
   ・2次元平面上での運動誤差の測定
  3.多軸加工機の精度評価技術
   ・軸構成 
   ・精度評価規格
   ・幾何偏差の同定方法
   ・直進軸と旋回軸の同期運動精度
 第3節 3次元測定機の設計技術と精度評価技術
  1.3次元座標測定機の設計技術
   ・CMMの概要と構成技術
   ・設計課題と設計技術の概要
   ・CMMのモデル
   ・制御構造と設計指針
   ・設 計 例
  2.座標測定機の評価技術と校正
   ・測定機の不確かさ要因
   ・価技術
   ・校正手法 
   ・CMMの遠隔校正法
 第4節 サーボモータと駆動制御系のミュレーション
  1.ACサーボモータとDCサーボモータ
  2.ACサーボモータの回転子構造/制
  3.モータ駆動制御のシミュレーション
   ・制御演算部のモデル
   ・PWMインバータのモデル
   ・ACサーボモータのモデル
  4.電磁界解析との連成
  5.熱解析との連成果

 

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第2編 位置決め技術の適用事例

〔1〕半導体関連装置
 1.電子ビーム露光装置
  ・背 景 
  ・位置決め精度への要請
  ・用いられる位置決め技術
  ・位置決め精度の誤差要因 
  ・評 価
 2.電子ビーム露光装置の歴史とXYス テージ
  ・電子ビーム露光技術の歴史
  ・XYステージ設計上の諸条件
 3.半導体露光装置
  ・ナノ制御設計での注意点
  ・ナノ精度の達成
 4.液晶関連製造装置
  ・精密位置決め装置の用途と駆動方式
  ・大型ステージの構成と性能
 5.半導体ウエハ用チャック
  ・種類と歴史
  ・チャックへの要求条件
  ・リングシール型ピンチャック
  ・静圧シール型真空ピンチャック
 6.EUVリソグラフィとマスク技術
  ・EUV露光装置 
  ・EUVマスク
  ・重ね合せ精度
  ・固有の問題
  ・補正方法
 7.ナノインプリント
  ・熱ナノインプリント
  ・UV−NIL

〔2〕工作機械関連機器
 1.高精密加工機の運動精度評価
  ・適用範囲
  ・構成 
  ・性能評価
 2.門型構造の超精密加工機
  ・運動転写機能の向上への技術的対応
  ・超精密化への開発コンセプト
  ・超精密加工機 
  ・加工サンプル
  ・加工環境
 3.超精密自由曲面加工機
  ・概要
  ・超精密加工機の位置決め技術
  ・超精密加工結果
 4.超精密加工機と構成する要素技術
  ・発展の経過 
  ・適用製品
 5.超精密加工機と加工事例
  ・Ultra NANO 100の基本仕様
  ・機械系
  ・制御系の技術要素
  ・加工動作 
  ・加 工 例
 6.超精密送り位置決め装置と自由曲面加工機
  ・装置の特性 
  ・装置の概要
  ・適用事例 
  ・超精密加工の周辺技術
 7.パラレルメカニズム工作機械
  ・加工分野のニーズ
  ・機械の構造と特徴
  ・キャリブレーション(校正)
  ・基本性能の加工評価 
  ・加工事例
 8.複合加工機
  ・複合加工機の構造上の問題点
  ・DBB法による精度調整と精度低下の原因診断 
  ・複合加工機の構造改善
  ・複合加工機Bの姿勢変化およびDBB測定結果と考察
 9.5軸マシニングセンタ(DDモータ回転軸)
  ・DDモータ
  ・5軸マシニングセンタの仕様と設計
  ・ダイレクト・ドライブモータの設計
  ・5軸マシニングセンタへの組み込み
 10. 加速性能と加工面品位の向上を実現する重心駆動理論
  ・重心駆動の開発の背景と原理
  ・重心駆動の利点 
  ・重心駆動の採用例
 11.熱変位補正適用のマシニングセンタ
  ・実用化を考慮した熱変位推定予測
  ・熱変位補償システム 
  ・適用結果
 12. 完全非接触コンセプトのマシニングセンタ
  ・構造面の特徴 
  ・加工事例
 13. 位置決め方式の変遷と大型機の高精度位置決め加工の実例
  ・大型機の高精度位置決め
  ・大型ジグボーラーの例
  ・横形マシニングセンタの高精度位置決め

〔3〕センサと計測評価システム
 1.レーザ干渉計
  ・レーザ測長の特長
  ・測長原理概要
  ・誤差要因 
  ・最近の測長ニーズ
  ・ソリューション
 2.レーザファイバエンコーダ
  ・レーザ干渉技術の利点
  ・問題点の解消
  ・RLEの基本原理
  ・RLEレーザエンコーダのシステム
 3.リニアエンコーダ ・インクリメンタルエンコーダ
  ・アブソリュートエンコーダ
 4.クロスグリッドエンコーダ
  ・KGM 181/182
  ・その他のクロスグリッドエンコーダ
 5.ロータリエンコーダ
  ・機能安全適応事例
  ・安全な位置計測システムの基本原理
  ・実際のシステム
  ・2つの位置情報と付加情報の必要性
  ・制御装置での留意点
  ・シリアルインタフェースの利便性
 6.静電容量型変位センサ
  ・1ch仕様での適用事例 
  ・センサ2〜 多chでの適用事例 
  ・厚さ測定事例
  ・ハードディスクの測定事例
  ・AFMでの適用事例
  ・エンジンのオイルパンの熱膨張測定
  ・自動車のシャフトとスピンドルのインプロセス測定事例 
  ・応用事例:
 7.光ファイバー型変位センサ
  ・光ファイバー変位センサの原理
  ・感度と分解能 
  ・光 源
  ・光ファイバーバンドル
  ・主要なアプリケーション
 8.加速度ピックアップ
  ・加速度ピックアップの種類と特長
  ・圧電式加速度ピックアップ
  ・サーボ式加速度検出器
  ・ひずみゲージ式加速度検出器
  ・静電容量式加速度検出器
 9.形状測定機
  ・従来型測定機器の課題
  ・最新の微細形状測定システムと技術
 10.超高精度3次元測定機
  ・超高精度3次元測定機―UA3P ・UA3Pの独自開発技術
 11. オートフォーカス法による3次元形状/粗さ測定機
  ・センサの原理および装置構成
  ・装置の特長と測定能力
  ・測定精度の検証と校正
  ・外乱対策 
  ・測定事例
 12.干 渉 計
  ・位相シフト干渉計の基本原理
  ・複数干渉縞分離のためのフーリエ変換位相シフト干渉計
  ・非球面測定の走査型フィゾー干渉計
  ・走査型白色干渉計
 13.レーザ顕微鏡
  ・走査型共焦点レーザ顕微鏡とは
  ・高信頼性測定のための要点
  ・走査機構とサンプリング
 14.走査型プローブ顕微鏡SPM ・SPMにおける位置決め技術
  ・SPMに微細加工への応用
 15.原子間力顕微鏡AFM
  ・SPMとクローズドループスキャナ
  ・ナノリソグラフィ ・ナノマニピュレーション

〔4〕最近の精密機器・情報機器関連装置
 1.マイクロマシン/MEMS
  ・マイクロアクチュエータ
  ・位置決めへの応用
 2.バイオ操作(静 電)
  ・誘電泳動によるバイオ操作
  ・レビテーション
  ・レーザマニピュレーション
  ・その他の交流電界の電気力学的効果
 3.バイオ操作(2)(レーザなどによる光ピンセット)
  ・光ピンセットとは 
  ・光 学 系
  ・ナノ計測手法 
  ・様々な照明方法
  ・トラップ力の評価 
  ・実際のデータ
 4.マイクロファクトリ
  ・マイクロステージとマイクロ旋盤
  ・マイクロファクトリの開発例
 5.光ディスク製造
  ・ナノメートル位置決めシステム
  ・位置計測系 
  ・運用方法とピッチむら
  ・ナノスケールコントローラ
 6.ハードディスク
  ・ヘッドによる位置信号検出
  ・アクチュエータ制御
  ・位置決め精度向上
  ・外乱抑制フィードフォワード制御
 7.情報機器関連記録装置
  ・MOドライブ
  ・一体型/分離型光ピックアップ
  ・精/粗アクチュエータによる2段サーボ
  ・1段サーボ
 8.水平多間接ロボット
  ・SCRAロボットのキネマティクス
  ・幾何学的誤差による精度
  ・キャリブレーション
  ・リンク間の動力学的干渉
  ・非干渉化制御
 9.産業用ロボット(2)
  ・精密位置決めの課題 
  ・制御技術
  ・軌跡精度 
  ・絶対位置決め精度
 10. リニアモータを採用した高精度
  ・高 速短軸ロボット
  ・直動型単軸ロボットの動向
  ・構 造 
  ・特 徴
  ・アプリケーションの例
 11.防振装置
  ・パッシブ除振装置
  ・アクティブ除振装置
 12.燃料噴射バルブ
  ・ピエゾインジェクタの構造と作動原理
  ・インジェクタ内角構成要素の機能
  ・構造
  ・ソレノイドインジェクタとの性能比較

〔5〕大学・研究機関における研究
 1.圧電アクチュエータの変位制御法
  ・誘導電荷検出による変位制御
  ・電流パルスによる駆動
 2.アザラシ型位置決め機構
  ・移動原理
  ・構 造
  ・移動特性
 3.高密度磁気記録再生評価装置に用いる高速・高精度アクチュエータ
  ・高密度磁気記録における精密位置決め
  ・高速・高精度位置決め用Nano-motion Actuatorの開発
  ・Nano-motion Actuatorの動作量の改善
  ・NMA-k501の位置決め精度と安定度
 4.制振技術の適用例
  ・機械的方法 
  ・能動的方法
 5.カップリング要素
  ・カップリングの役割,構造と種類
  ・振動原因 
  ・振動防止策
 6.弾性変形を応用した一体型の変位拡 大
  ・縮小機構
  ・変位の拡大
  ・縮小機構の原理
  ・変位拡大機構付きの位置決め用多ス テージ
  ・縮小機構付き多次元ステージの例
 7.圧電アクチュエータを使った超精密位置決め事例
  ・システムの概要
  ・高分解能化対応
  ・精密位置決めシステムの評価例
 8.マイクロ部品のセルフアライメント
  ・メカトロニクスシステムの問題点とマイクロ部品組み立てに特化した解決方法
  ・セルフアライメントの基本的考え方
  ・利用される吸引力の種類と例
  ・液体の表面張力を利用したマイクロ部 品のセルフアライメント
  ・高機能化セルフアライメント
 9.リニアモータ一体型エアスライド装置による精密位置決め
  ・開発のコンセプト
  ・空気浮上/磁気吸引複合型エアスライ ドの原理
  ・エアスライドテーブルの構成
  ・装置の特性
 10.進行波型圧電ポンプ
  ・駆動原理
  ・装置概要
  ・流動実験
 11.圧電式ジャークセンサ
  ・測定原理 
  ・実験装置概要
  ・評価実験の結果
 12.静圧ウオームラック送り機構
  ・原 理 
  ・構 造 
  ・特 長
 13.ナノポジショナーの開発
  ・従来装置の問題点 
  ・装置の構成
  ・微動機構の動作特性 
  ・性能評価結果
 14. SIDMアクチュエータを使った位置決めステージ
  ・SIDMアクチュエータの原理
  ・精密ステージとコントローラの構成
  ・位置決め
  ・位置決め精度
  ・応用例

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