JP2673849B2

JP2673849B2 - 力検出手段付き直線運動用案内装置

Info

Publication number: JP2673849B2
Application number: JP4115297A
Authority: JP
Inventors: 村洋太郎畑
Original assignee: 畑村洋太郎
Priority date: 1992-04-09
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 1997-11-05
Anticipated expiration: 2012-11-05
Also published as: JPH05288216A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば半導体製造装
置，工作機械，各種検査装置等に広く用いられる直線運
動用案内装置に関し、特に力検出手段付きの直線運動用
案内装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体技術に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、位置制御により加工精度は飛躍
的に向上した。このような位置制御を高精度にするため
に、従来は工作機械の剛性を上げることに力がそそがれ
てきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし工作機械の剛性
を高めるといってもおのずと限界があり、近年の微細加
工に要求される加工精度を得るのが困難になってきてい
る。

【０００４】一方、機械加工においては、力を測って機
械，工具，ワークの変形量等を知り、それによってワー
クの加工精度のみならず、ツールの形状変化や異常検
出、外乱への対処、さらには過大な力がワークあるいは
ツールにかかることの回避、加工能率等を考慮すること
も必要になる。力をモニタすると加工の状態を的確に把
握できる。

【０００５】自動化の技術が進んだ今日では、工作機械
や加工システムの無人化や省力化はかなり進んでいるも
のの、２４時間完全無人化運転を実際に行っているシス
テムはなかなか見当たらない。

【０００６】その原因は、実際の加工での予期せぬ工具
の折損、あるいは周囲環境の変化により設定した条件と
は異なったことが起きた時に、それを検出する有効な手
段がないために対処できないからである。また、熟練加
工者が、経験から加工時のワークに与えている力を判断
し、微妙に調整して、安全にそして精密に加工する技術
が現行の工作機械には欠落しているためである。

【０００７】そこで、従来の位置制御に欠けていた加工
の重要な要素である力を検出し、力情報をフィードバッ
クして工作機械を制御する必要性が生じてきている。

【０００８】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、半
導体製造装置や工作機械等の直線案内部に広く用いられ
る転がり接触形の直線運動用案内装置に力検出手段を組
み込むことにより、実際に加わる力に高精度に検出して
力の情報をモニタし得る力検出手段付きの直線運動用案
内装置を提供することにある。

【０００９】

【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、軌道レールと、多数の転動体
と、前記転動体を介して軌道レールに沿って直線方向に
摺動自在に設けられる摺動台と、を備え、摺動台にはワ
ークが装着されるテーブルが取り付けられる直線運動用
案内装置において、前記テーブル側から直線運動用案内
装置に作用している力を検出可能な力検出手段を前記摺
動台に設け、前記力検出手段は、力の作用方向に弾性変
形可能な弾性部材と、該弾性部材の荷重に応じて変化す
る変位または歪みを電気信号に変換する変位または歪み
検出とを具備しており、前記力検出手段によって検出す
る力の方向が、軌道レールの長さ方向と、軌道レールと
摺動台間の疑似摺動面に対して直交する方向と、軌道レ
ールに対して直交しかつ疑似摺動面と平行方向の三方向
のうち、少なくとも一方向であることを特徴とする。

【００１０】弾性部材を力の作用方向にのみ弾性変形可
能でかつ他の方向には剛な構造としたことを特徴とす
る。

【００１１】

【００１２】弾性部材は、力の作用方向に弾性変形可能
な薄肉部を備えた構造とすることが好ましい。

【００１３】また、薄肉部に歪み検出手段として歪みゲ
ージを貼着した構造とすることが効果的である。

【００１４】摺動台は複数設けられていることを特徴と
する。

【００１５】

【作用】上記構成の力検出手段付き直線運動用案内装置
にあっては、直線運動用案内装置に実際に作用する力を
直接検出することができる。特に、直線運動用案内装置
特有の転動体に作用する荷重を検出することができる。
たとえば、軌道レールの長さ方向にかかる力の検出は、
摺動台と軌道レール間の転動体の転がり抵抗を検出する
ことになる。転がり抵抗は転動体に作用する荷重に比例
する。また、軌道レールと摺動台間の疑似摺動面に対し
て直交する方向にかかる力あるいは軌道レールに対して
直交しかつ疑似摺動面と平行方向にかかる力の検出は、
転動体に作用する荷重そのものを検出することになる。

【００１６】また、力の変化に応じて弾性変形する弾性
部材の変位または歪みを検出することによって、力を精
密に検出することができる。

【００１７】さらに、弾性部材を力の作用方向に弾性変
形可能でかつ力の作用方向とは異なる方向に剛な構造と
しておくことによって、必要な剛性を得ることができ
る。

【００１８】また、薄肉部に歪みゲージを貼着する構成
とすることにより、力をより感度よく検出することがで
きる。

【００１９】

【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。

【００２０】図１(a) は本発明の力検出手段付き直線運
動用案内装置の概念的な構成を示している。この直線運
動用案内装置は、直線的に延びる軌道レール１と、この
軌道レール１に転動体としての多数のボール２を介して
組みつけられる摺動台３と、から構成されている。この
摺動台３は、例えば可動テーブル７等の被案内部材が取
付けられる取付部４と、ボール２が転動する部分を有す
るスライド部５と、取付部４とスライド部５との間に設
けられる力検出手段６とから構成される。力検出手段６
により検出された検出信号は力情報として各種コントロ
ーラ部１００に送られる。

【００２１】図１(b) はこのような直線運動用案内装置
の基本的な使用例を示している。すなわち、一対の軌道
レール１，１を互いに平行に敷設し、軌道レール１，１
上を摺動する左右一対づつの計４個の摺動台３，３，
３，３上に可動テーブル７が取りつけられる。この可動
テーブル７上でワーク８が加工される。加工時に工具９
からワーク８に作用する力は、可動テーブル７を通じて
直線運動用案内装置の摺動台３に伝達される。

【００２２】そして、力検出手段６によって検出された
力情報はコンピュータ等を用いて記憶される。この力情
報のデータと加工に関する経験的知識を活用すること
で、加工状態をモデル化でき、将来の加工状態の予測，
予知が可能になり、予測，予知した将来の加工状態に基
づいて現在の加工状態に補正をかけるフィードフォファ
ード制御が可能となる。

【００２３】すなわち、工具９に作用する力は可動テー
ブル７を通じて摺動台３に伝達されており、摺動台３に
設けられた力検出手段６によって工具９に実際に作用す
る力を検出することができる。この力を検出することに
よって、工具９の形状変化と異常検出及びワーク８の形
状認識、さらに予め設定した値以上の力がワーク８や工
具９にかかった時の対処が可能となる。

【００２４】また、ワーク８に与える力を情報とするこ
とにより、加工力によるワーク８の変形のモデル化も可
能になる。

【００２５】直線運動用案内装置に作用する力として
は、摺動台３に対して上下方向に作用するラジアル荷重
と、摺動台３の前後方向に作用するスラスト荷重と、摺
動台３の左右横方向に作用する横方向荷重の三方向の力
と、三方向それぞれの軸回りの回転モーメントの６つの
力がある。説明の都合上、図１(c) に示すように、軌道
レール１を下に摺動台３を上にした状態で、互いに直交
するＸＹＺ直交座標系のＹ軸を摺動台３が摺動する方向
である軌道レール１の長さ方向にとり、Ｘ軸を摺動台３
と軌道レール１との疑似摺動面と平行でかつ摺動台３の
摺動する方向に対して直交する方向にとり、Ｚ軸を軌道
レール１の疑似摺動面に対して直交する上下方向にとっ
て説明するものとすると、上記したラジアル荷重はＺ軸
方向荷重に、スラスト荷重はＹ軸方向の荷重に、横方向
荷重がＸ方向荷重にそれぞれ対応する。さらに、三軸回
りのモーメントは、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸回りのモーメント
に対応する。ここで、疑似摺動面とは左右のボール２，
２を結ぶ仮想の平面である。力検出手段６は、Ｘ軸，Ｙ
軸，Ｚ軸方向のすべての力を検出するように構成しても
よく、また、ある特定の方向の力のみを検出するような
構成としてもよく、図２は、力検出手段６の基本的な構
成を示す模式図である。すなわち、この力検出手段６
は、軸方向に弾性変形可能な弾性部材１１と、この弾性
部材１１の軸方向変位または歪みを電気信号に変換して
検出する検出手段１２と、を具備しており、弾性部材１
１は固定部材１３と可動部材１４の間に介在され、固定
部材１３と可動部材１４を連結するようになっている。
そして、力の変化に応じて弾性部材１１が弾性変形し、
この弾性部材１１の歪みや変位が検出手段１２によって
電気信号に変換されて軸力が検出される。

【００２６】図３(a) 〜(e) には、上記力検出手段１０
の変位または歪み検出手段１２の各種変形例が示されて
いる。

【００２７】図３(a) に示すものは、検出手段として歪
みゲージ等の抵抗式センサ１２ａを用いて弾性部材１１
の歪みを検出するようにしたものである。

【００２８】図３(b) に示すものは、検出手段として圧
電素子や電歪素子等を用いて変位を電圧変化として検出
する電圧式センサ１２ｂを用いて弾性部材１１の変位を
検出するようにしたものである。

【００２９】図３(c) に示すものは、検出手段として差
動トランスやうず電流センサ等の電磁誘導式センサ１２
ｃを利用して弾性部材１１の変位を検出するようにした
ものである。

【００３０】図３(d) に示すものは、検出手段として静
電容量式ギャップセンサ１２ｄを用い弾性部材１１の変
位を電気容量に変換して検出するようにしたものであ
る。

【００３１】図３(e) に示すものは、検出手段として光
り干渉方式の光ファイバ式センサ１２ｅを利用して弾性
部材１１の変位を検出するようにしたものである。

【００３２】この他、図示例のものに限られず、弾性部
材１１の変位を検出するための各種センサを用いること
ができる。図４は、図２の力検出手段６を適用した場合
の直線運動用案内装置の各種構成例を示している。

【００３３】図４(a) は、力検出手段６によってＺ軸方
向、すなわち上下方向の力を検出する場合を示し、図４
(b) は、力検出手段６よってＸ軸方向、すなわち左右横
方向の力を検出する場合を示し、図４(c) は、力検出手
段６によってＹ軸方向、すなわち前後方向の力を検出場
合を示している。

【００３４】もちろん、一方向の力だけでなく、これら
を組み合わせて２方向，３方向の力を検出する構成とす
ることもできる。

【００３５】図４(d) は、Ｘ軸とＺ軸の２方向の力を検
出する場合を示しており、その他図示しないが図４(b)
(c) を組み合わせてＸＹ軸の二方向の力を検出すること
もできるし、図４(a) ，(c) を組合わせればＹＺ軸の二
方向の力を検出することができ、さらに図４(a) 〜(c)
を組み合わせればＸＸＹＺ軸の三方向の力を検出する構
成をとることができる。

【００３６】図５は、図４(a) に示されるモデル構成を
より具体化した直線運動用案内装置を示すものである。
この直線運動用案内装置はＺ軸方向の力のみを検出する
もので、基本的には図４に示す装置と同様の構成で、力
検出手段６の弾性部材１１Ａとして薄肉の板ばねを用
い、スライド部５および取付部４と一体構造としたもの
である。

【００３７】すなわち、取付部４は環状部材で、また力
検出手段６の弾性部材１１Ａを薄肉の環状平板形状と
し、環状平板状の弾性部材１１Ａの外端を取付部４内端
に固定し、弾性部材１１Ａの内端をスライド部５に固定
してＺ軸方向に弾性変形可能に構成したものである。

【００３８】この例では、摺動台３を構成する四角形の
ブロック体を加工することによって取付部４と弾性部材
１１Ａとスライド部５とを一体構成としてある。すなわ
ち、摺動台３の前後左右の側面に全周的にスリット１５
を形成し、一方、摺動台３の上面中央にスリット１５の
奥端の直径よりも大径の円形の凹部１６を形成し、凹部
１６底面とスリット１５の間を薄肉にして弾性部材１１
Ａを構成している。この摺動台３の凹部１６の開口部は
蓋体１７によって閉塞されている。

【００３９】弾性部材１１Ａを環状平板構造とすること
により、弾性部材１１ＡはＺ軸方向には弾性変形可能で
かつＺ軸以外のＸ，Ｙ軸方向には剛な構成となってお
り、Ｘ軸，Ｙ軸方向の剛性を高剛性に保つことができ
る。

【００４０】そして、弾性部材１１Ａの表面には、弾性
部材１１Ａの弾性変形に対応する変位量を検出するため
の検出手段としての歪みゲージ１２ａが貼着されてい
る。この歪みゲージ１２ａはもっとも歪みの大きい弾性
部材１１Ａの付けね部に貼着することによって、感度が
高められている。

【００４１】図示例では、歪みゲージ１２ａを円環状の
弾性部材１１Ａの外径端部に４枚等配し、一方、内径端
部に外径端側とは４５度位相をずらして４枚等配し、合
計８枚の歪みゲージ１２ａが用いられている。

【００４２】また、この実施例では、歪みゲージ１２ａ
を弾性部材１１Ａの凹部１６側の表面に取付け、歪みゲ
ージ１２ａからの信号線は取付部４に固定される接続端
子１８を通じて取り出される。歪みゲージ１２ａからの
検出信号は、ストレインアンプ１０１によって増幅さ
れ、さらにＡ／Ｄ変換器１０２によってディジタル信号
に変換され、力情報としてコントローラ１０３で処理判
断される。

【００４３】この実施例では、弾性部材１１Ａが円環状
となっているので、あらゆる方向に均一のばね特性でも
って傾動可能である。したがって、各歪みゲージ１２ａ
が貼着されたそれぞれの位置の荷重に比例して弾性部材
１１Ａの各部が弾性変形することになり、各歪みゲージ
１２ａからの出力情報を読むことで摺動台３上面に作用
するＺ軸方向の力の円周方向の分布がわかる。この円周
方向のＺ軸方向力の分布を知ることにより、力の大きさ
だけでなくその方向性等についても精密に検出すること
ができる。

【００４４】図６は弾性部材１１Ａの各種形状を示すも
ので、図６(a) に示すような単なる環状平板構造の他
に、図６(b) 〜(e) に示すように孔１１Ｂを開けた形状
に成形することもできる。

【００４５】図７は、取付部４とスライダ部５の間に介
在される弾性部材１１Ｂを円筒形として、ＸＹＺ軸方向
の力を検出可能としたものである。

【００４６】すなわち、図６と同様、取付部４が環状部
材であり、この環状の取付部４に円筒状の弾性部材１１
Ｂの上端を固定し、スライダ部５に弾性部材１１Ｂの下
端を固定している。

【００４７】この円筒状の弾性部材１１Ｂの場合、歪み
ゲージ１２ａを図７(a) に示すように弾性部材１１Ｂの
上下方向中途部位に貼着すれば主としてＺ軸方向の力検
出に有効であり、図７(c) に示すように弾性部材１１Ｂ
の付け根部位に貼着すればＸＹ軸方向の力検出に有効で
ある。また、せん断ゲージを弾性部材１１Ｂ表面に貼着
してもＸＹ軸方向の力検出に有効である。

【００４８】なお、上記実施例では、いずれも力検出手
段６を取付部４およびスライダ部５と一体構造としてい
るが、図８に示すように力検出手段６を別体構造とする
こともできる。

【００４９】この実施例は、力検出手段６とスライド部
５の間で分割して、力検出手段６と取付部４とを一体構
成したものである。すなわち、力検出手段６はスライド
部５にボルト５１によって固定される固定部６１と、非
案内部材を取りつけるための取付部４と、この固定部６
１と取付部４とを一体的に連結する弾性部材１１Ａと、
この弾性部材１１Ａ表面に貼着された変位検出手段とし
ての歪ゲージ１２ａと、から構成されている。この弾性
部材１１Ａは、図５と同様の環状平板構造で、Ｚ軸方向
に弾性変形可能でＸ軸，Ｙ軸方向には剛な構造となって
いる。

【００５０】このように別体構成とすれば、力検出手段
６を複数種類用意しておいて、検出すべき力の種類に応
じて力検出手段６のみをアタッチメントとして取り替え
ることができる。

【００５１】図８(b) (c) には、取り替え可能の力検出
手段の各種変形例を示している。すなわち、図８(b) は
環状平板構造の弾性部材を平行に二枚設けた平行平板構
造としたもので、このようにすれば、Ｚ軸方向にのみ選
択的に検出することが可能である。

【００５２】また、図８(c) はＸ軸方向にのみ弾性変形
可能な平行平板構造の弾性部材１１Ｃと、Ｙ軸方向にの
み弾性変形可能な平行平板構造の弾性部材１１Ｄを組み
合わせた構造である。このようにすれば、ＸＹ軸方向の
力と、さらにＺ軸回りのモーメントについて検出するこ
とが可能である。

【００５３】

【発明の効果】本発明は以上の構成および作用を有する
もので、直線運動用案内装置に実際に作用する力を直接
検出することができる。特に、軌道レールの長さ方向に
かかる力、軌道レールと摺動台間の疑似摺動面に対して
直交する方向にかかる力、軌道レールに対して直交しか
つ疑似摺動面と平行方向にかかる力のうち少なくとも一
方向の力を検出するようにすれば、直線運動用案内装置
特有の転動体に作用する荷重を検出することができる。

【００５４】また、力の変化に応じて弾性変形する弾性
部材の変位または歪みを検出することによって、力を高
精度に検出することができる。

【００５５】さらに、弾性部材を力の作用方向以外の方
向に剛な形状にすることにより、直線運動用案内装置の
無用の剛性低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) は本発明の力検出手段付き直線運動用
案内装置の概念構成を示す図、同図(b) は直線運動用案
内装置の使用例を示す概略斜視図、同図(c) は直線運動
用案内装置の荷重作用方向を説明するための斜視図であ
る。

【図２】図２は力検出手段を模式的に示す構成図であ
る。

【図３】図３(a) 〜(e) は図２の力検出手段の各種変形
例を示す構成図である。

【図４】図４(a) 〜(d) は図２の基本構成の力検出手段
を用いて表現した本発明の力検出手段付き直線運動用案
内装置の各種構成例を示す概略図である。

【図５】本発明の第１の具体例を示すもので、同図(a)
は縦断面図、同図(b) は平面図、同図(c) および(d) は
作動状態を説明するための弾性部材近傍の断面図であ
る。

【図６】図６(a) 〜(e) は図５の装置の弾性部材の各種
変形例を示す平面図である。

【図７】図７は本発明の第２の具体例を示すもので、同
図(a) は縦断面図、同図(b) は平面図、同図(c) はＸＹ
軸方向の力検出に有効な歪みゲージの貼着位置を示す要
部断面図である。

【図８】図８(a) は本発明の第３の具体例に係る力検出
手段が分割タイプの直線運動用案内装置の概略断面図、
同図(b) ，(c) は同図(a) の分割タイプの力検出手段の
各種変形例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１軌道レール２ボール（転動体）３摺動台４取付部５スライド部６凹部７可動テーブル（被案内部材）１１，１１Ａ，１１Ｂ弾性部材１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ変位
検出手段１３固定部材１４可動部材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軌道レールと、多数の転動体と、前記転動
体を介して軌道レールに沿って直線方向に摺動自在に設
けられる摺動台と、を備え、摺動台にはワークが装着さ
れるテーブルが取り付けられる直線運動用案内装置にお
いて、前記テーブル側から直線運動用案内装置に作用している
力を検出可能な力検出手段を前記摺動台に設け、前記力検出手段は、力の作用方向に弾性変形可能な弾性
部材と、該弾性部材の荷重に応じて変化する変位まはた
歪みを電気信号に変換する変位または歪み検出とを具備
しており、前記力検出手段によって検出する力の方向が、軌道レー
ルの長さ方向と、軌道レールと摺動台間の疑似摺動面に
対して直交する方向と、軌道レールに対して直交しかつ
疑似摺動面と平行方向の三方向のうち、少なくとも一方
向であることを特徴とする直線運動用案内装置。
【請求項２】弾性部材を力の作用方向にのみ弾性変形可
能でかつ他の方向には剛な構造とした請求項１に記載の
力検出手段付き直線運動用案内装置。
【請求項３】弾性部材は、力の作用方向に弾性変形可能
な薄肉部を備えている請求項１または２に記載の力検出
手段付き直線運動用案内装置。
【請求項４】薄肉部に歪み検出手段として歪みゲージを
貼着してなる請求項３に記載の力検出手段付き直線運動
用案内装置。
【請求項５】摺動台は複数設けられている請求項１，
２，３または４のいずれか一項に記載の力検出手段付き
直線運動用案内装置。