JP2001009673A - 空気軸受式工作機械の主軸状態検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気軸受式工作機械において、簡素な構造で
主軸とハウジングの接触状態を確実に検出できる空気軸
受式工作機械の主軸状態検出装置を提供すること。 【解決手段】 主軸１１とハウジング１３側との間のコ
ンデンサＣ１，Ｃ２を含む閉回路Ｅを形成し、この閉回
路Ｅに共振用の抵抗器５５１およびコイル５５２を追加
する。抵抗器５５１およびコイル５５２の値を適宜調整
して共振領域を調整することにより、主軸１１とハウジ
ング１３との隙間が大きい場合など従来では十分な検出
性能が得られない状況でも、共振により静電容量値の検
出を確実に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主軸が空気軸受に
よって支承された工作機械に設置されて、前記主軸と空
気軸受の軸受部となるハウジングとの間の軸受隙間の状
態を検出する空気軸受式工作機械の主軸状態検出装置に
関する。特に、空気静圧軸受により主軸が支承された工
作機械を用いて、比較的高負荷の切削加工等を行う場合
に利用することができる。

【０００２】

【背景技術】従来より、金属材料等の切削加工では、工
作機械が利用されている。工作機械は、回転自在に支承
された主軸に、エンドミルやフライス等の切削工具を取
り付け、この切削工具を主軸とともに回転させることで
切削加工を行う。このような工作機械としては、主軸が
空気静圧軸受によりハウジングに支承された空気静圧軸
受式工作機械が知られている。空気静圧軸受式工作機械
によれば、主軸が軸受となるハウジングとの間に設けら
れた圧縮空気層によって支承されているので、主軸およ
びハウジング間の摩擦が少なくなり、主軸を高速に回転
させることにより、切削加工の高速化を図ることができ
る。

【０００３】（空気静圧軸受式工作機械の主軸変位の問
題）ところで、空気静圧軸受式工作機械では、切削加工
に伴い、主軸の回転軸に直交する方向に大きな負荷がか
かることがある。この場合、主軸は弾性を有する圧縮空
気層により支承されているので、この負荷により、主軸
が本来の回転軸からずれることがある。そして、その軸
変位量が大きくなると、主軸とハウジングが接触し、か
じり等の損傷を引き起こすことがあり、このような損傷
が生じれば、工作機械として致命的な障害となる。

【０００４】従って、このような空気静圧軸受式工作機
械では、主軸およびハウジングが接触しないような条件
で使用する必要があるが、主軸にかかる負荷が常に変動
する場合は変動幅を考慮して使用条件をかなり安全側に
設定する必要があり、工作機械としての能力を十分発揮
させることができないという問題がある。このような問
題に対し、主軸とハウジングとの相対変位、すなわち主
軸とハウジングとの間の隙間を、主軸の回転中に常時監
視し、接触の危険が生じると予想された場合に危険信号
を発信する警報システム、ないしは積極的に接触を回避
する接触回避制御装置が開発されている。

【０００５】（主軸状態の検出）主軸とハウジングとの
間の隙間を常時監視するためには、主軸とハウジングと
の間の相対変位を非接触のまま正確に検出することので
きるセンサが必要となっている。このような非接触で主
軸とハウジングとの相対変位を検出することのできるセ
ンサとしては、渦電流式、静電容量式、レーザビーム式
のものが知られている。しかしながら、これらの従来の
センサはいずれもセンサの１軸方向の変位だけしか検出
できないので、被測定物となる主軸が三次元的に動く場
合、多数のセンサを設けて主軸の動きを監視する必要が
ある。

【０００６】（静電容量式／磁束式の主軸状態検出）と
ころで、上述した空気静圧軸受式工作機械の接触回避制
御装置には、次のような問題があった。第一に、従来の
接触回避制御装置は、主軸またはテーブルの送りを停止
させる制御しかできなかった。このため、制御手段によ
る制御の間は被加工物の加工が中断し、工作機械の加工
能率が悪くなる。第二に、従来の接触回避制御装置で
は、センサが１軸方向の変位のみしか検出することがで
きないので、被測定物である主軸が三次元的に動く場
合、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の他、主軸の倒れを測定するため
のセンサを２個必要とし、検出手段の構造が複雑化して
しまう。

【０００７】これに対し、本願出願人により、主軸とハ
ウジング側との間の静電容量や内部磁束を利用して検出
手段の構造を簡素化する提案がなされている（特願平10
-4824号、特願平10-4826号等）。静電容量式は、所定の
隙間で対向する主軸とハウジング（またはハウジングに
設けた別の電極）とを一対の電極としてコンデンサに見
立て、その静電容量から各々の間隔を検出するものであ
る。磁束式は、対向する主軸とハウジングとを一対の磁
極として一連の磁心に見立て、これを励磁しつつ内部磁
束を検出し、この内部磁束が主軸とハウジングとの間隔
に応じて変化することを利用して各々の間隔を検出する
ものである。更に、これらの各原理を利用した接触回避
制御装置に関する提案もなされている（特願平10-4825
号等）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
磁束式では、主軸とハウジングとを一連の磁心とするた
めに、主軸に取付けた工具と、この工具で加工されるワ
ークとの接触を利用している。つまり、両者が接触した
状態では、主軸、工具、ワーク、工作機械のテーブル、
コラム、ハウジング、という一連の導通経路が形成され
る。ここで、工具とワークとの接触が完全に途切れた状
態となるのは主軸に負荷がかからない状態なので問題な
い。しかし、加工形状等に基づいて加工中に接触が不十
分な状態になった場合には正常な検出性能が得られない
という問題がある。

【０００９】一方、従来の静電容量式では、工具とワー
クとの接触状態は影響しないため、前述の内部磁束検出
式のような問題が生じない。しかし、主軸とハウジング
との隙間が小さい場合には十分な検出性能が得られる
が、この隙間が大きくなると静電容量値が極めて微小に
なり、検出が困難になるという問題がある。

【００１０】本発明の目的は、空気軸受式工作機械にお
いて、簡素な構造で主軸とハウジングの接触状態を確実
に検出できる空気軸受式工作機械の主軸状態検出装置を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る空気軸受式
工作機械の主軸状態検出装置は、主軸が空気軸受により
ハウジングにより支承された工作機械に設置されて前記
主軸と前記ハウジングとの間の軸受隙間の状態を検出す
るために、前記主軸と前記ハウジングとの間に構成され
る第１コンデンサを有し、前記第１コンデンサの静電容
量の変化から前記主軸と前記ハウジングとの相対変位を
検出する空気軸受式工作機械の主軸状態検出装置であっ
て、前記第１コンデンサを含む閉回路を有し、この閉回
路には共振用の抵抗器およびコイルが接続されているこ
とを特徴とする。

【００１２】このような構成においては、第１コンデン
サの静電容量を検出することで、簡素な構成で主軸の三
次元的な動きを監視することができ、主軸とハウジング
との接触を防止することが可能となる。ここまでは従来
と同様の技術である。本発明では、更に第１コンデンサ
を含む閉回路を形成し、この閉回路に共振用の抵抗器お
よびコイルを追加することで、第１コンデンサの静電容
量の検出の際に閉回路に与えられた振動電流が共振する
ようにでき、検出値の変化を明確なものとすることがで
きる。従って、共振用の抵抗器およびコイルの値を適宜
調整して共振領域を調整することにより、主軸とハウジ
ングとの隙間が大きい場合など従来では十分な検出性能
が得られない状況でも、共振により静電容量値の検出を
確実に行うことができるようになる。

【００１３】本発明において、前記共振用の抵抗器およ
びコイルの値は、前記主軸とハウジングとの隙間が限界
値近傍にある状態で前記閉回路が共振する値に設定され
ていることが望ましい。このようにすれば、主軸とハウ
ジングとの接触を防止するのに最も重要な接触直前の状
態を確実に検出できる。

【００１４】本発明において、前記閉回路は前記第１コ
ンデンサおよび前記第２コンデンサを含み、前記第１コ
ンデンサは、前記主軸と第１電極とを一対の電極として
構成され、前記第１電極は、前記ハウジングに固定さ
れ、所定間隔で前記主軸に対向され、前記ハウジングに
対して電気的に絶縁されており、前記第２コンデンサ
は、前記主軸と第２電極とを一対の電極として構成さ
れ、前記第２電極は、前記ハウジングに固定され、所定
間隔で前記主軸に対向され、前記ハウジングおよび前記
第１電極の各々に対して電気的に絶縁されており、前記
第１コンデンサおよび前記第２コンデンサは前記主軸を
介して互いに直列接続されている構成とすることができ
る。

【００１５】このようにすれば、主軸は第１および第２
のコンデンサを結ぶ形で閉回路の一部となり、主軸側へ
の閉回路の直接的な接続をなくすことができる。このた
め、回路構成を簡略化することができる。また、第１お
よび第２のコンデンサによる主軸の軸方向に離れた複数
点での隙間検出となり、例えば傾き等も判定することが
可能となる。更に、第２コンデンサは、第１コンデンサ
と同様な構成とすることができ、実施が容易であるとと
もに、他の構成と独立しているため閉回路の独立性およ
び検出精度を高めることができる。

【００１６】本発明において、前記閉回路は前記第１コ
ンデンサおよび前記第３コンデンサを含み、前記第１コ
ンデンサは、前記主軸と第１電極とを一対の電極として
構成され、前記第１電極は、前記ハウジングに固定さ
れ、所定間隔で前記主軸に対向され、前記ハウジングに
対して電気的に絶縁されており、前記第３コンデンサ
は、前記主軸と前記ハウジングとを一対の電極として構
成され、前記ハウジングは前記空気軸受式工作機械の本
体に対して電気的に絶縁されており、前記第１コンデン
サおよび前記第３コンデンサは前記主軸を介して互いに
直列接続されている構成とすることもできる。

【００１７】このようにすれば、主軸は第１および第３
のコンデンサを結ぶ形で閉回路の一部となり、主軸側へ
の閉回路の直接的な接続をなくすことができる。このた
め、回路構成を簡略化することができる。また、第１お
よび第３のコンデンサによる主軸の軸方向に離れた複数
点での隙間検出となり、例えば傾き等も判定することが
可能となる。更に、第３コンデンサはハウジングで兼用
されるため、設置スペースが不要である。

【００１８】本発明において、前記閉回路に振動電流を
発生させる電流発生手段と、前記閉回路内の振動電流を
検出してその値から前記コンデンサの静電容量の変化を
検出する静電容量検出手段とを有する構成とすることが
できる。このようにすれば、共振回路となる閉回路に直
接接続することなく閉回路の電流から各コンデンサの静
電容量を検出することができ、正確な検出が可能とな
る。

【００１９】このような構成とする場合、前記電流発生
手段は、前記閉回路の一部を囲むように配置される磁心
と、この磁心に巻き付けられる巻線とから構成される励
起用コイルを有し、前記静電容量検出手段は、前記閉回
路の一部を囲むように配置される磁心と、この磁心に巻
き付けられる巻線とから構成される検出用コイルを有す
る構成とすることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、図
面に基づいて説明する。 （工作機械の基本構成）図１において、本実施形態の工
作機械１は、ベース２上に被加工物３を載置するテーブ
ル４を有するとともに、ベース２の一側にコラム５を備
えている。コラム５には主軸ヘッド１０が支持され、主
軸ヘッド１０に回転自在に支承された主軸１１の先端に
は切削用の工具１２が装着されている。主軸ヘッド１０
は、ハウジング１３を有するとともに、主軸１１を支承
するために空気静圧軸受を用いている。主軸１１は、ハ
ウジング１３内の一部にフランジ部１１１を有し、この
フランジ部１１１の工具１２側に１ヶ所、反対側に２ヶ
所、それぞれ径方向空気静圧軸受部１４、１５、１６を
備えている。また、フランジ部１１１を挟むように一対
の軸方向空気静圧軸受部１７、１８を備えている。

【００２１】空気静圧軸受部１４〜１８には高圧空気が
供給され、主軸１１は各軸受部１４〜１８において所定
の軸受クリアランスで浮上支持され、ハウジング１３に
対して径方向および軸方向に回転自在な状態で支承され
るようになっている。ハウジング１３の工具１２の反対
側には、ビルトインモータ１９が設けられ、このビルト
インモータ１９により主軸１１が回転駆動されるように
構成されている。尚、このビルトインモータ１９は図示
しないモータドライバによりＮＣ装置２０からの動作指
令に基づいて制御される。主軸ヘッド１０とテーブル４
とは、ＤＣサーボモータおよび送りねじ軸を用いた既存
の移動機構（図示省略）により立体的に相対移動され、
工具１２を被加工物３に接触させて切削加工が行えるよ
うになっている。これらの相対移動は、ＮＣ装置２０か
らの動作指令に基づいて実行される。ＮＣ装置２０は既
存のものであり、所定の加工プログラムに基づいて各種
の動作指令を出力するものである。

【００２２】（主軸状態検出装置の構成）このような工
作機械１には、本発明に基づく主軸状態検出装置５０が
設置されている。主軸状態検出装置５０は、主軸１１と
ハウジング１３との間に形成された第１コンデンサＣ１
および第２コンデンサＣ２を含む閉回路Ｅと、この閉回
路Ｅ内に振動電流を発生させる電流発生手段５１と、前
記各コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量を検出する静電容
量検出手段５２と、静電容量検出手段５２により検出さ
れた静電容量に基づいて主軸１１およびハウジング１３
の接触状態を判定する判定手段５３とを備えている。

【００２３】図２にも示すように、閉回路Ｅは、直列に
接続された二つのコンデンサＣ１、Ｃ２を備えている。
第１コンデンサＣ１は、主軸１１を一方の電極とすると
ともに、他方の電極として第１電極４１を備えている。
第１電極４１は、ハウジング１３の先端側（工具１２の
取付け側）に絶縁材４５を介して取付けられたリング状
の部材であり、内周面が主軸１１と所定間隔で対向され
ている。この第１電極４１の内周面と主軸１１の対向す
る表面との間に第１コンデンサＣ１が構成されている。
第２コンデンサＣ２は、主軸１１を一方の電極とすると
ともに、他方の電極として第２電極４２を備えている。
第１電極４２は、前述した第１電極４１の先端側に絶縁
材４５を介して同軸状に取付けられたリング状の部材で
あり、内周面が主軸１１と所定間隔で対向されている。
従って、この第２電極４２の内周面と主軸１１の対向す
る表面との間に第２コンデンサＣ２が構成されている。

【００２４】第１コンデンサＣ１および第２コンデンサ
Ｃ２は、各々の一方の電極に主軸１１を共用すること
で、この主軸１１によって電気的に直列接続されてい
る。一方、第１電極４１と第２電極４２とはケーブル５
５０で接続され、これにより閉じたループ状の回路が形
成されている。ケーブル５５０の途中には、共振用の抵
抗器５５１およびコイル５５２が介装されている。詳細
は後述するが、これらの抵抗器５５１およびコイル５５
２の値は各コンデンサＣ１，Ｃ２の値とともに所定の周
波数で共振するように適宜設定される。このような第１
コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、ケーブル５５
０、抵抗器５５１およびコイル５５２により、閉回路Ｅ
が構成されている。

【００２５】図３にも示すように、閉回路Ｅには、この
閉回路Ｅ内に振動電流を発生させる電流発生手段５１
と、閉回路Ｅ内の振動電流を検出することで前記各コン
デンサＣ１、Ｃ２の静電容量を検出する静電容量検出手
段５２とが接続されている。電流発生手段５１は、閉回
路Ｅのケーブル５５０の一部を所定間隔をおいて囲むリ
ング状の励起用コイル５１１と、この励起用コイル５１
１の磁心５１１Ａに巻き付けられる巻線５１１Ｂと、こ
の巻線５１１Ｂの端部にケーブル５１２を介して接続さ
れる交流発振器５１３とを含む。このような電流発生手
段５１では、交流発振器５１３からの励起電流により励
起用コイル５１１の磁心５１１Ａに誘導電流が生じ、こ
の誘導電流により更にケーブル５５０に誘導電流が生
じ、これにより閉回路Ｅには交流発振器５１３の励起電
流に対応した所定の振動電流が発生する。

【００２６】静電容量検出手段５２は、閉回路Ｅのケー
ブル５５０の一部を所定間隔をおいて囲む検出用コイル
５２１と、この検出用コイル５２１の磁心５２１Ａに巻
き付けられる巻線５２１Ｂと、この巻線５２１Ｂの端部
にケーブル５２２を介して接続される電流測定器５２３
と、電流測定器５２３の出力信号を増幅する信号増幅回
路５２４とを含む。このような静電容量検出手段５２で
は、検出用コイル５２１の磁心５２１Ａに閉回路Ｅの振
動電流に応じた誘導電流が発生し、この誘導電流により
巻線５２１Ｂに更に誘導電流が生じ、これを電流測定器
５２３で検出することで閉回路Ｅ内の振動電流が検出さ
れる。この際、前述した電流発生手段５１からの入力が
同じであれば、閉回路Ｅの振動電流の変化は専ら各コン
デンサＣ１、Ｃ２の静電容量の変化を反映するから、こ
の閉回路Ｅの振動電流の検出により各コンデンサＣ１、
Ｃ２の静電容量が検出できる。

【００２７】なお、静電容量検出手段５２の検出用コイ
ル５２１には、巻線５２１Ｂを中間位置から左右逆に巻
付け、中間位置に対する左右逆の巻線の先端に生じる電
圧の差を検出する、いわゆる差動増幅方式としてもよ
い。このようにすれば、左右逆の巻線の各々から極性が
異なる出力信号が得られ、これらを合成することで２倍
の信号出力を得ることができる。従って、増幅回路なし
でも微小な変化をも簡単に検出することができる。

【００２８】判定手段５３は、比較回路５３１および警
報回路５３２から構成されている。図１において、比較
回路５３１は、静電容量検出手段５２から出力された出
力信号Ｃxを取り込む取込部と、主軸１１とハウジング
１３とが接触しないように設定された軸変位量の限界値
Ａoに基づいて、式（９）を用いて静電容量の閾値Ｃoを
算出し、工作機械１の加工条件に応じて記憶しておく記
憶部と、取込部からの出力信号Ｃxと閾値Ｃoとを比較す
る演算部とを備えている（各々、図示省略）。警報回路
５３２は、比較回路５３１の演算部による比較結果を受
け取り、出力信号Ｃxが閾値Ｃoを超えた場合、ＮＣ装置
２０に主軸１１を停止させるような制御信号Ｓ１を出力
するように構成されている。

【００２９】（本実施形態の検出原理）図３において、
励起用コイル５１１および検出用コイル５２１は閉回路
Ｅにより結合された結合コイルとして扱うことができ、
直列接続された第１および第２のコンデンサＣ１，Ｃ２
は合成コンデンサＣとして扱うことができる。励起用コ
イル５１１に高周波電流を流した時、励起用コイル５１
１に生じる磁界の磁束は次のように算出される。

【００３０】

【数１】

【００３１】励起用コイル５１１の磁束変化により結合
コイルに生じる起電力は次のようになる。

【００３２】

【数２】

【００３３】結合コイル内に生じる電流は次のように求
めることができる。

【００３４】

【数３】

【００３５】この電流によって検出用コイル５２１に生
じる磁束は次のように算出することができる

【００３６】

【数４】

【００３７】従って、検出用コイル５２１に生じる誘導
起電力は次のようになる。

【００３８】

【数５】

【００３９】ここで、励起用コイル５１１、検出用コイ
ル５２１において、巻数、透磁率、磁心の断面積は変更
しない限り一定であり、励起用コイル５１１内の電流は
交流発振器５１３から入力される周波数および電流によ
り決まる値である。従って、前記式(5)は次のように変
形することができる。

【００４０】

【数６】

【００４１】以上より、閉回路Ｅにおいて励起用コイル
５１１からの励起により検出用コイル５２１で検出され
る誘導起電力は、合成コンデンサを構成する第１および
第2のコンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量に比例すること
が明らかである。更に、本実施形態においては、閉回路
Ｅには抵抗器５５１およびコイル５５２が設置されてお
り、共振による検出性能の向上が図られている。閉回路
Ｅに発生する誘導起電力は次のようになる。

【００４２】

【数７】

【００４３】閉回路Ｅの合成インピーダンス、この合成
インピーダンスの絶対値、および閉回路Ｅを流れる電流
I3は次のようになる。

【００４４】

【数８】

【００４５】以上より、次の式(9)の状態のとき、合成
インピーダンスが最小となり、検出用コイル５２１に生
じる起電力は最大となる。

【００４６】

【数９】

【００４７】このとき、検出用コイル５２１における出
力電圧は次のようになる。

【００４８】

【数１０】

【００４９】前述の式(3)より、この出力電圧は共振し
た時に極大値を示し、その共振状態の付近では出力電圧
が増大することになる。従って、本実施形態において、
軸受隙間の閾値の近傍で共振するように設定すれば、軸
受隙間が比較的大きい状態、つまり静電容量が十分に大
きくない状態でも、微弱な変動を明確に検出することが
でき、閾値をより高精度に検出することが可能となる。

【００５０】（本実施形態における設定と動作）このよ
うな本実施形態の主軸状態検出装置５０においては、次
のような手順で設定および動作を行う。 (1) まず、工作機械１の主軸１１の回転速度、テーブル
４等の送り速度に基づいて軸変位量の限界値Ａoを決定
し、判定手段５３に入力する。 (2) 電流発生手段５１の交流発振器５１３を作動させ、
閉回路Ｅに振動電流を発生させるとともに、テーブル４
に被加工物３を載置し、工作機械１を作動させて加工を
開始する。 (3) 加工中、静電容量検出手段５２は、閉回路Ｅに発生
している振動電流を検出し、その値から各コンデンサＣ
１，Ｃ２の静電容量を求め、出力信号Ｃxとして、判定
手段５３の比較回路５３１に出力する。 (4) 比較回路５３１では、この出力信号Ｃxと軸変位量
の限界値Ａoから求められた閾値Ｃoとを比較し、出力信
号Ｃxが閾値Ｃoを超える状況となったら、警報回路５３
２から制御信号ＳtをＮＣ装置２０に出力し、主軸１１
の回転を停止させる。

【００５１】（本実施形態の効果）以上のような本実施
形態によれば、次のような効果がある。すなわち、主軸
１１とハウジング１３との間に設けられた第１および第
２のコンデンサＣ１，Ｃ２（これらを直列にした合成コ
ンデンサＣ）の静電容量を検出するだけで、主軸１１と
ハウジング１３との相対変位δおよび主軸１１の軸方向
の変位を検出し、両者の間の隙間の状態を検出すること
ができる。従って、従来のように多数のセンサを配置す
る必要がなく、簡素な構成で主軸の三次元的な動きを監
視することができ、主軸１１とハウジング１３との接触
を防止することができる。

【００５２】また、ハウジング１３に第１電極４１およ
び第２電極４２を取付けて閉回路Ｅを構成し、電流発生
手段５１および静電容量検出手段５２を接続するだけで
よいので、空気軸受式工作機械１に簡単に監視システム
を構築することができる。特に、従来の磁束式や静電容
量式のように、主軸１１、工具１２、ワーク３、工作機
械１０のテーブル４、コラム５、ハウジング１３という
一連の導通経路を構成する必要がなく、工具１２とワー
ク３の接触による不都合も一切ないため、確実な検出動
作を行うことができる。

【００５３】さらに、閉回路Ｅには第１および第２のコ
ンデンサＣ１，Ｃ２とともに共振回路を形成する抵抗器
５５１およびコイル５５２を設けたため、軸受隙間の閾
値の近傍で共振するように設定しておけば、軸受隙間が
比較的大きい状態、つまり静電容量が十分に大きくない
状態でも、微弱な変動を明確に検出することができ、閾
値をより高精度に検出することができる。

【００５４】さらに、電流発生手段５１が励起用コイル
５１１を備えているので、電磁誘導を利用して閉回路Ｅ
内に非接触で電流を通電させることができる。また、同
様に静電容量検出手段５２が検出用コイル５２１を備え
ているので、閉回路Ｅ内の電流値を非接触で検出するこ
とができる。従って、いずれも非接触の状態で第１およ
び第２のコンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量を測定するこ
とができ、空気軸受式工作機械１と独立した形で監視シ
ステムを構築することができ、主軸状態検出装置５０を
種々の工作機械に利用することができる。

【００５５】そして、判定手段５３が設けられているの
で、空気軸受式工作機械１がＮＣ装置２０等により制御
されている場合、主軸１１およびハウジング１３の間の
隙間の状態に応じて工作機械１を自動的に停止させる制
御信号Ｓ１をＮＣ装置２０に出力することができ、空気
軸受式工作機械１の自動制御化を促進することができ
る。

【００５６】（他の実施形態）次に、本発明の他の実施
形態を図４および図５により説明する。本実施形態は、
基本的に前述した図１から図３の実施形態と同様な構成
を備えている。但し。本実施形態では主軸１１とハウジ
ング１３との間に設けられるコンデンサの構成が前記実
施形態と異なる。

【００５７】すなわち、前記実施形態では、ハウジング
１３の先端側に2つの電極４１，４２を取付け、各々と
主軸１１とで第１および第２のコンデンサＣ１，Ｃ２を
構成した。これに対し、本実施形態では、ハウジング１
３の先端側には第１電極４１が一つだけ取付けられ、第
１コンデンサＣ１が構成されている。一方、第２電極４
２の代りとして、ハウジング１３の先端側部分が用いら
れ、この部分と対向する主軸１１とで第３コンデンサＣ
３が構成されている。そして、ケーブル５５０でこれら
の第１コンデンサＣ１および第３コンデンサＣ３を結ぶ
ことで前記実施形態と同様な２つのコンデンサを含む閉
回路Ｅが構成されている。この閉回路Ｅに接続される電
流発生手段５１および静電容量検出手段５２は前記実施
形態と同様であり、同じ部分については同じ符号を付し
て以降の説明は省略する。

【００５８】このような本実施形態によっても、前記実
施形態と同様な効果が得られるほか、ハウジング１３を
電極として用いることで別途装着する電極を減らすこと
ができる。このため、構造をより簡略にできるととも
に、設置スペースも削減することができる。但し、前記
実施形態のように第１および第２の電極４１，４２を用
いるようにすれば、各々がハウジング１３から独立して
いるため、ノイズなどの影響を受けにくくすることがで
きる。

【００５９】（変形など）なお、本発明は、前述の各実
施形態に限定されるものではなく、次に述べるような変
形をも含むものである。すなわち、前記各実施形態で
は、電流発生手段５１と閉回路Ｅとの接続に励起用コイ
ル５１１を用い、静電容量検出手段５２と閉回路Ｅとの
接続に検出用コイル５２１を用いたが、これらの閉回路
Ｅと非接触で接続する構成は必須ではなく、電流発生手
段５１および静電容量検出手段５２を閉回路Ｅに直接的
に接続してもよい。つまり、閉回路Ｅ中に交流発振器５
１３や電流測定器５２３などを設置する構成等としても
よい。しかし、前記各実施形態のように非接触とすれ
ば、工作機械１との電気的な独立性などを確保でき、適
用範囲を拡大できる等の利点がある。

【００６０】また、前記各実施形態では、第１および第
２のコンデンサＣ１，Ｃ２、あるいは第１および第３の
コンデンサＣ１，Ｃ３のように、閉回路Ｅ中に２つのコ
ンデンサを設けたが、閉回路Ｅ中に設けるコンデンサは
１つでもよい。しかし、前記各実施形態のような主軸１
１で接続される２つのコンデンサとすれば、各コンデン
サ間の接続が主軸１１で行われ、コンデンサの一方の電
極となる主軸１１への配線を省略することができ、構造
上の簡略化において優れたものとすることができる。

【００６１】更に、前記各実施形態では、空気軸受式工
作機械１はＮＣ装置２０により数値制御され、判定手段
５３からの制御信号Ｓtにより主軸回転停止を自動的に
行うようにしていたが、これのような構成に限らず、静
電容量検出手段から出力される出力信号を表示装置で表
示し、人力で主軸状態の制御を行うような構成であって
もよい。また、第１および第２の電極４１，４２の絶縁
は、樹脂などのスペーサ４５に限らず、各電極自体をア
ルミニウム合金とし、その表面にアルマイト処理を行う
ことで実現してもよい。その他、本発明の実施の際の具
体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる
範囲で他の構造等としてもよい。

【００６２】

【発明の効果】前述のように、本発明の空気軸受式工作
機械の主軸状態検出装置によれば、主軸とハウジング側
との間のコンデンサを含む閉回路を形成し、この閉回路
に共振用の抵抗器およびコイルを追加することで、第１
コンデンサの静電容量の検出の際に閉回路に与えられた
振動電流が共振するようにでき、検出値の変化を明確な
ものとすることができる。従って、共振用の抵抗器およ
びコイルの値を適宜調整して共振領域を調整することに
より、主軸とハウジングとの隙間が大きい場合など従来
では十分な検出性能が得られない状況でも、共振により
静電容量値の検出を確実に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の全体を示す模式図。

【図２】前記実施形態における閉回路を示す模式図。

【図３】前記実施形態における閉回路の等価回路を示す
模式図。

【図４】本発明の他の実施形態の全体を示す模式図。

【図５】前記他の実施形態における閉回路を示す模式
図。

【符号の説明】

１ 工作機械 １１ 主軸 １３ ハウジング ４１ 第１電極 ４２ 第２電極 ５０ 主軸状態検出装置 ５１ 電流発生手段 ５２ 静電容量検出手段 ５３ 判定手段 ５１１ 励起用コイル ５２１ 検出用コイル ５５１ 共振用の抵抗器 ５５２ 共振用のコイル Ｃ１ 第１コンデンサ Ｃ２ 第２コンデンサ Ｃ３ 第３コンデンサ Ｅ 閉回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA23 BA03 BB05 BC04 BD16 CA09 DA01 DA04 DB07 DC08 DD03 HA01 LA05 LA11 LA23 3C029 EE01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸が空気軸受によりハウジングにより
   支承された工作機械に設置されて前記主軸と前記ハウジ
   ングとの間の軸受隙間の状態を検出するために、 前記主軸と前記ハウジングとの間に構成される第１コン
   デンサを有し、前記第１コンデンサの静電容量の変化か
   ら前記主軸と前記ハウジングとの相対変位を検出する空
   気軸受式工作機械の主軸状態検出装置であって、 前記第１コンデンサを含む閉回路を有し、この閉回路に
   は共振用の抵抗器およびコイルが接続されていることを
   特徴とする空気軸受式工作機械の主軸状態検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の空気軸受式工作機械の
   主軸状態検出装置において、 前記共振用の抵抗器およびコイルの値は、前記主軸とハ
   ウジングとの隙間が限界値近傍にある状態で前記閉回路
   が共振する値に設定されていることを特徴とする空気軸
   受式工作機械の主軸状態検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の空気軸
   受式工作機械の主軸状態検出装置において、 前記閉回路は前記第１コンデンサおよび前記第２コンデ
   ンサを含み、 前記第１コンデンサは、前記主軸と第１電極とを一対の
   電極として構成され、前記第１電極は、前記ハウジング
   に固定され、所定間隔で前記主軸に対向され、前記ハウ
   ジングに対して電気的に絶縁されており、 前記第２コンデンサは、前記主軸と第２電極とを一対の
   電極として構成され、前記第２電極は、前記ハウジング
   に固定され、所定間隔で前記主軸に対向され、前記ハウ
   ジングおよび前記第１電極の各々に対して電気的に絶縁
   されており、 前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサは前記主
   軸を介して互いに直列接続されていることを特徴とする
   空気軸受式工作機械の主軸状態検出装置。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２に記載の空気軸
   受式工作機械の主軸状態検出装置において、 前記閉回路は前記第１コンデンサおよび前記第３コンデ
   ンサを含み、 前記第１コンデンサは、前記主軸と第１電極とを一対の
   電極として構成され、前記第１電極は、前記ハウジング
   に固定され、所定間隔で前記主軸に対向され、前記ハウ
   ジングに対して電気的に絶縁されており、 前記第３コンデンサは、前記主軸と前記ハウジングとを
   一対の電極として構成され、前記ハウジングは前記空気
   軸受式工作機械の本体に対して電気的に絶縁されてお
   り、 前記第１コンデンサおよび前記第３コンデンサは前記主
   軸を介して互いに直列接続されていることを特徴とする
   空気軸受式工作機械の主軸状態検出装置。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４の何れかに記載の
   空気軸受式工作機械の主軸状態検出装置において、 前記閉回路に振動電流を発生させる電流発生手段と、前
   記閉回路内の振動電流を検出してその値から前記コンデ
   ンサの静電容量の変化を検出する静電容量検出手段とを
   有することを特徴とする空気軸受式工作機械の主軸状態
   検出装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の空気軸受式工作機械の
   主軸状態検出装置において、 前記電流発生手段は、前記閉回路の一部を囲むように配
   置される磁心と、この磁心に巻き付けられる巻線とから
   構成される励起用コイルを有し、 前記静電容量検出手段は、前記閉回路の一部を囲むよう
   に配置される磁心と、この磁心に巻き付けられる巻線と
   から構成される検出用コイルを有することを特徴とする
   空気軸受式工作機械の主軸状態検出装置。