JP2003200333A - 切削工具の摩耗検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来よりも摩耗検出を正確に行う。さらに、
摩耗検出装置をより安全で使いやすいものにする。これ
により、摩耗を原因とする微小部品の不良品の生産を大
幅に削減する。 【解決手段】 この切削工具の摩耗検出装置１は、切削
工具２に取りつけられたセンサと、前記センサから前記
切削工具の固有振動数に係る信号を取り出してこの大き
さを予め設定された閾値と比較するとともに、前記閾値
を超えた場合に前記切削工具が摩耗していると判断して
その旨の信号を出力する判定回路と、前記判定回路から
の出力を受けて故障情報を無線送信する送信回路と、電
力供給のための二次電池と、前記二次電池を充電するた
めの二次コイル３とを備える。前記切削工具の形状に合
わせて構成された磁性体１７と、前記磁性体に巻きつけ
られた一次コイル１６と、前記一次コイルに交流電力を
供給する電源部１４は充電装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気的に絶縁した
状態で充電することができる機能を持った切削工具の摩
耗検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】精密旋盤を用いて時計部品などを製造す
る際に、切削工具（バイト）の摩耗により不良品が発生
することがある。不良品が発生したら、作業員がバイト
を点検し摩耗していたら交換している。しかし、このや
り方では不良品の発生を事前に防止することができな
い。そこで、切削機器のバイトの摩耗を事前に感知し、
バイトの摩耗を原因とする不良品の生産を削減したいと
いう要望がある。

【０００３】大型の切削機器の摩耗検出については、レ
ーザー測定器による診断が行われている。しかし、時計
部品等の微小部品を対象とする小型の切削機器に対して
は、摩耗検出装置が大型になるため設置場所がない、高
価である等の理由から、ほとんど用いられていなかっ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】例えば、特表2001-517
557号公報「機械加工のための動的に好ましい速度を推
奨する装置及び方法」に開示されているようなマイクロ
ホンを用いた動的診断装置が提案されている。しかし、
従来のマイクロホンを用いた摩耗検出装置は、測定結果
が摩耗部位からマイクロホンまでの距離や、マイクロホ
ンの指向角に大きく依存し、正確に計れない、マイクロ
ホンの設置場所がないという欠点を持っていた。

【０００５】そこで、バイトにそのまま取り付けて、高
精度な測定ができる、安価な、小型の摩耗検出装置の開
発が望まれてきた。例えば、特開2000-107986号公報
「切削工具寿命の自動検知方法」には圧電体薄膜を切削
工具におけるチップ上に設け、切削中に圧電体薄膜に達
するチッピング／摩耗により生じる電気信号を検出し、
これに基づき工具寿命を検知することが開示されてい
る。

【０００６】しかし、摩耗検出装置をバイトに一体的に
取りつける場合、切削で用いる潤滑油が飛び散る可能性
があるので摩耗検出装置を密閉構造にする必要がある。
それには信号の伝達を無線で行えばよいが、他方、装置
を駆動する電力の供給方法が問題になる。電池を用いる
ことが考えられるが、回路全体を防水処理することから
電池のみの交換は困難であり、バイト部分の点検・交換
の手間が却って増え、作業効率の低下につながる。電池
として充電可能な二次電池を用いて電池交換の頻度を下
げることが考えられるが、潤滑油で短絡する可能性があ
るため充電用の端子を設けることは好ましくない。

【０００７】よって、切削工具の摩耗検出装置は、好ま
しくは、１）センサを小型・薄型の接触型の振動センサ
に変更し、回路部の消費電力を削減するとともに、摩耗
検出装置全体をバイトに取り付けられる程度の寸法に集
積化し、２）非接触で簡単かつ安全かつ迅速に充電でき
る機能を備える必要がある。

【０００８】本発明は係る特徴を備える切削工具の摩耗
検出装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る切削工具
の摩耗検出装置は、切削工具に取りつけられたセンサ
と、前記センサから前記切削工具の固有振動数に係る信
号を取り出してこの大きさを予め設定された閾値と比較
するとともに、前記閾値を超えた場合に前記切削工具が
摩耗していると判断してその旨の信号を出力する判定回
路と、前記判定回路からの出力を受けて故障情報を無線
送信する送信回路と、電力供給のための二次電池と、前
記二次電池を充電するための二次コイルとを備えるもの
である。

【００１０】好ましくは、前記二次コイルは少なくとも
前記切削工具に巻きつけられている。

【００１１】好ましくは、前記切削工具の形状に合わせ
て構成された磁性体と、前記磁性体に巻きつけられた一
次コイルと、前記一次コイルに交流電力を供給する電源
部とを備え、前記二次コイルを含む前記切削工具と前記
一次コイルを含む前記磁性体の間で閉磁路を形成し、電
気的に絶縁した状態で電磁誘導により前記二次電池を充
電する。

【００１２】好ましくは、複数の切削工具が用いられる
場合において、前記送信回路からの信号を受信して報知
する受信機を備え、前記送信回路は予め定められた固有
の信号を送信し、前記受信機は、識別情報を予め記憶し
たテーブルを参照することによりどの切削工具が摩耗し
たかを判定する。

【００１３】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態１．図1に非接
触充電機能を持った摩耗検出装置の斜視図を、図２にそ
の断面図を示す。図２（ａ）は二次コイル３がバイト２
に接するように巻かれた場合を示し、同図（ｂ）は二次
コイル３がバイト２と間隔を空けて巻かれた場合を示
す。図3に摩耗検出装置の回路図を示す。図４に非接触
充電装置の回路図を示す。

【００１４】図１において、１は摩耗検出装置本体、２
は監視対象である切削工具（バイト）、３は摩耗検出装
置１に電力を供給するための二次コイルである。これら
が摩耗検出装置付きの切削工具を構成する。１４は摩耗
検出装置１に電力を供給する充電器の鉛電池、１５は鉛
電池１４の直流電力を交流電力に変換するインバータ回
路、１６はインバータ回路１５からの交流電力を受けて
交流磁界を発生する一次コイル、１７は一次コイル１６
がまかれた磁性体、１８は充電オン／オフ用スイッチで
ある。これらが摩耗検出装置１の充電装置を構成する。
摩耗検出装置１に充電しやすいように磁性体１７はコの
字型をしている。

【００１５】バイト２が切削加工に使用されていると
き、充電装置１４〜１８は外されている。工作機械を保
守する際などに充電装置１４〜１８は図１に示すように
配置される。すなわち、磁性体１７が、二次コイル３を
挟みこむようにバイト２に当てられる。すると閉磁路が
形成され、二次コイル３に誘導電圧が生じる。これによ
り摩耗検出装置１内の二次電池が充電される。

【００１６】図２（ａ）（ｂ）において、４は摩耗検出
装置１のセンサ部分である圧電セラミックセンサを示
す。摩耗検出装置1と圧電セラミックセンサ4は、振動が
検出できるように周囲のみボンド等で互いに接着され
る。圧電セラミックセンサ4はボンド等でバイト2と全面
で接着される。バイト２の周囲には二次コイル（銅線）
3が数回巻いてある。二次コイル３はバイト２に対して
密着巻きしても良いし（図２（ａ）参照）、密着巻きさ
れなくてもよい（図２（ｂ））。固定ベルトとすること
が望ましい場合は、図２（ａ）のように密着巻きにす
る。

【００１７】図３において、５は圧電セラミックセンサ
４の出力信号から所定の周波数の信号を抽出するととも
にこれを増幅する多重帰還型バンドパスフィルタ、６は
バンドパスフィルタ５の出力を予め定められた閾値と比
較するコンパレータ、７はコンパレータ６から信号が出
力された（バンドパスフィルタ５の出力が閾値よりも大
きくなった）とき所定のパルスを出力するワンショット
マルチバイブレータ、８はワンショットマルチバイブレ
ータ７の出力により駆動され、パルスが出力されたとき
に次の信号発生器９及び無線送信機１０に電力を供給す
るアナログスイッチ、９はバイト２が摩耗したことを示
す信号を発生する信号発信器、１０は信号発信器９の出
力信号を所定の周波数で変調して送信する無線送信機、
１１は電源であるボタン型二次電池、１２は二次コイル
３に誘起された交流電圧を直流に変換する整流回路、１
３は整流回路１２からの直流電圧を所定の電圧に調整し
てから二次電池１１を充電する充電制御回路である。セ
ンサ４〜アナログスイッチ８は常時動作するが、アナロ
グスイッチ８の制御により信号発信器９と無線送信機１
０は摩耗検出時のごくわずかな時間のみ動作する。これ
により消費電力を抑制することができる。

【００１８】図４に、電池１１を非接触で充電するため
の充電装置の回路図を示す。インバータ回路１５は、直
流を周波数数Hzから数MHzの矩形波状に高効率変換する
装置である。

【００１９】次に動作について説明する。圧電セラミッ
クセンサ４の出力はQ=20程度の多重帰還型バンドパスフ
ィルタ５で特定の周波数の信号のみ取り出される。この
周波数はバイトの長さから理論的に計算が可能である。
基準電圧付きコンパレータ６の閾値電圧を越える場合の
み、ワンショットマルチバイブレータ7からオン信号が
出力される。ワンショットマルチバイブレータ７の出力
がオンの期間のみアナログスイッチ８がオンになり、こ
の期間において信号発信器９と無線送信機１０の電源が
入る。300MHz帯の搬送波にのった発信器９（周波数500H
z程度）の信号が無線送信器１０から出力される。ま
た、摩耗検出装置１には非接触充電用の電力を受けるた
めの二次コイル３と充電用の電子回路１２及び１３が設
けられている。二次コイル３に誘導された電力は、整流
回路１２により直流に変換され、充電制御回路１３を介
してボタン型二次電池１１に充電される。

【００２０】図１に示すように、非接触充電装置は電池
１４、インバータ回路１５、一次コイル１６、磁性体１
７及びスイッチ１８からなる。フルブリッジ又はハーフ
ブリッジあるいはプッシュプルインバータで変換された
矩形波の電圧が一次コイル１６に印加される。一次コイ
ル１６は、フェライトなどからなる磁性体１７に数回密
着巻きしたものである。図１に示すように、磁性体１７
をバイト２の側面に接触させるか、または近づけること
で摩耗検出装置１内部の電池を充電することができる。

【００２１】摩耗検出装置１の常時動作部は符号４〜８
の部分のみであり、符号９、１０の部分が動作するのは
故障時のみである。常時動作部（４〜８）の消費電力
は、全回路（４〜１０）の消費電力に比べると1/50程度
である。10秒間程度、符号９，１０の回路が動作すれば
図示しない受信回路に故障情報を伝えることは十分可能
である。バイト２の平均寿命が１週間程度で、故障情報
は一度だけ（約10秒間）送信できればよいこととする
と、二次電池１１は時計用の超小型ボタン型二次電池
（200J）で十分である。

【００２２】摩耗検出装置１の使用状態を図５（ａ）に
示す。工作機械には通常複数のバイト２ａ〜２ｃが取り
つけられて材料の切削を行う。これらバイト２ａ〜２ｃ
の全部に摩耗検出装置１ａ〜１ｃがそれぞれ取りつけら
れる（バイトの一部に取りつけられていてもよい）。各
バイトは基部１０１上に取りつけられた工具取付台１０
０にしっかりと固定される。図５（ａ）においてバイト
２ｂ、２ｃの工具取付台１００等の表示を省略してい
る。この状態において摩耗検出装置１ａ〜１ｃは動作
し、バイトが所定以上摩耗したときその旨の信号を無線
で送信する。この信号を受けて報知装置が摩耗警報を報
知し、作業員がバイト／バイト先のチップを交換する。

【００２３】摩耗検出装置１への充電は、摩耗が検出さ
れた後にバイト２の先端の刃（チップ）を交換する時に
バイト２に取り付けたままの状態で迅速に行われる。充
電完了の後、切削作業を継続することができる。バイト
２に当てられる際のコの字型磁性体１７の位置は、二次
コイル３を間に挟む位置であれば、４面ある側面のいず
れの位置でもかまわない。一次コイル１６によって作ら
れた磁束は磁性体コア１７内を通過し、バイト２を通過
し、再び、磁性体コア１７内に戻ってくる。つまり閉磁
路を形成する。充電はスイッチ１８がオンのときのみ行
われる。

【００２４】充電の様子を図５（ｂ）に示す。この図に
示すように磁性体１７とバイト２の間に閉磁路（矢印）
が形成され、二次コイル３に誘導電圧が生じ、これによ
り摩耗検出装置１内の電池が充電される。

【００２５】本発明の実施の形態における非接触充電
は、充電時間の短縮と省エネルギーを考慮し、高効率で
充電できるものが望まれる。高効率充電を行うために
は、高効率で伝送する必要があるが、効率に最も関係す
るパラメータが一次及び二次コイルの相互インダクタン
スである。一般的に、これが大きい方が高い効率が得ら
れ、安定した電力伝送が可能になる。

【００２６】そこで、相互インダクタンスについて検討
する。相互インダクタンスは、一次コイルと二次コイル
の巻き数の積やコイル面積に比例する。よって、巻き数
が多い方が高い効率が得られることになるが、摩耗検出
装置１は微妙な振動を検出している装置であるため、摩
耗検出装置１に付け加わるコイル部の体積と重量が大き
くなるとその影響で振動検出ができなくなってしまう可
能性があり、二次コイル３をあまり大きくはできない。
そのため、少ない巻き数、小さなコイル面積、軽量なコ
イルで、大きな相互インダクタンスが得られる特別な非
接触伝送方式が必要である。

【００２７】このような方式としては、（１）透磁率が
高い材質をコイルのコアに用いる方法がある。さらに効
率を上げるためには、（２）コア材で閉磁路を構成する
ことが有効である。しかし、通常の（１）と（２）を兼
ね備えた結合方法では、一次コイルと二次コイルのそれ
ぞれにコアが付属するのでその分余計に重くなる。

【００２８】この問題を解決するために、本発明の実施
の形態では、摩耗検出装置１（二次側）には二次コイル
３のみを取り付け、近くにあるバイト２をコア材の一部
として利用するとともに、充電の際に一次コイル１６と
磁性体１７をバイト２に接触あるいは近接させることと
した。

【００２９】本発明の実施の形態１において、バイト２
に二次コイル３を巻きつけ、刃であると同時に透磁率を
もつバイト２を磁路の一部として有効利用した。これに
より、狭い場所であるにも関わらず磁路断面積を最大限
大きくとることができる。この工夫により、従来の非接
触電力伝送方法と比べて等価的に１０倍以上の磁束密度
の増大効果が得られ、コイルの小型化と電力の高効率伝
送が可能となる。よって、コイル直径を20mm以下として
も高効率で迅速な充電が実現できる。さらに、磁路を閉
じると磁束が外に漏れないため、放射電磁ノイズを減少
させることができる。

【００３０】（１）（２）構造をとることによる利点が
もう１つある。摩耗検出装置１は、取り替えのし易さな
どを考慮すると、二次コイル３とバイト２を密着巻きし
ない方がよいと考えられる（つまりぶかぶかの状態、図
２（ｂ）参照）。本発明の実施の形態に係る方式では、
密着巻きされていなくても伝送効率や電力伝送量には影
響がない。逆に言えば、二次コイル３をぶかぶかに巻く
ことができる。これは、ほとんどの磁束が透磁率の高い
部分（バイト２）を通過し、非結合部が極めて小さくな
るためである。

【００３１】この発明の実施の形態に係る装置によれ
ば、摩耗検出装置に少ない巻き数でかつ小さなコイル面
積の二次コイルを付けるだけで高効率伝送を実現でき、
かつ、取り替えもしやすい小型・軽量な摩耗検出装置を
実現することができる。

【００３２】発明の実施の形態２．発明の実施の形態１
において二次コイル３はバイト２に巻きつけられてい
た。本発明はこれに限定されない。例えば、図６に示す
ように二次コイル３をバイト２と工具取付台１００（あ
るいはベース１０１も）に巻きつけるようにしてもよ
い。そして工具取付台１００に一体化して充電装置の磁
性体１７を設けることにより、常時充電することもでき
る。

【００３３】二次コイル３をバイト２に巻きつけた場合
でも、図７に示すように充電装置の磁性体１７を配置す
れば常時充電することができる。この場合、バイト２と
工具取付台１００で閉磁路を構成する。

【００３４】発明の実施の形態３．図５（ａ）のように
工作機械が複数のバイト２を備える場合、摩耗検出装置
１がバイトごとに固有の信号を送信するように構成し、
受信機がバイトの摩耗だけでなくどのバイトが摩耗した
かも報知するようにしてもよい。例えば、図８に示すよ
うに信号発信器９に識別情報（例えば、固有の発信周波
数、パルスなど）を予め設定しておく。具体的にはバイ
トごとに異なる周波数の信号を発信するように構成す
る。

【００３５】受信した信号がどのバイトに関するものか
識別できるように、識別情報とバイトの関係を示す識別
情報テーブルを予め受信機に用意しておく（図９参
照）。

【００３６】以上のように構成することにより、単に摩
耗を報知するだけでなく摩耗したバイトがどれであるか
も併せて報知することができる。

【００３７】本発明は、以上の実施の形態に限定される
ことなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内
で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内
に包含されるものであることは言うまでもない。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、振動検出用のセンサと
摩耗検出装置をバイトに直接接着することにより、従来
方式に比べ摩耗検出が正確に行うことが可能になる。さ
らに、電磁誘導を用いた摩耗検出装置へ充電する機能を
付けることにより、摩耗検出装置をより安全に簡単に使
いやすいものにすることができる。これにより、摩耗を
原因とする微小部品の不良品の生産を大幅に削減するこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１に係る摩耗検出装置及
び同装置用の非接触充電装置の概略構成を示す図であ
る。

【図２】 本発明の実施の形態１に係る摩耗検出装置の
断面図である。図２（ａ）は二次コイル３がバイト２に
接するように巻かれた場合を示し、同図（ｂ）は二次コ
イル３がバイト２と間隔を空けて巻かれた場合を示す。

【図３】 本発明の実施の形態１に係る摩耗検出装置の
回路図を示す。

【図４】 本発明の実施の形態１に係る非接触充電装置
の回路図を示す。

【図５】 本発明の実施の形態１に係る摩耗検出装置の
説明図である。

【図６】 本発明の実施の形態２に係る摩耗検出装置の
概略構成を示す図である。

【図７】 本発明の実施の形態２に係る他の摩耗検出装
置の概略構成を示す図である。

【図８】 本発明の実施の形態３に係る摩耗検出装置の
ブロック図である。

【図９】 本発明の実施の形態３に係る受信機のブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１ 摩耗検出装置 ２ バイト ３ 二次コイル ４ 圧電セラミックセンサ ５ 多重帰還型バンドパスフィルタ ６ コンパレータ ７ ワンショットマルチバイブレータ ８ アナログスイッチ ９ 信号発信器 １０ 無線送信機 １１ ボタン型二次電池 １２ 整流回路 １３ 充電制御回路 １４ 鉛電池 １５ インバータ回路 １６ 一次コイル １７ 磁性体 １８ 充電オン／オフ用スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 501496717 佐々木 健 千葉県柏市新柏２−４−９ (71)出願人 500235179 板生 清 神奈川県鎌倉市浄明寺６−６−８ (71)出願人 597165456 越地 耕二 千葉県流山市江戸川台東４−344 (72)発明者 柴 建次 東京都北区岩渕25−21 ファイブステップ 202号 (72)発明者 保坂 寛 千葉県松戸市松戸159−１−２−302 (72)発明者 山本 大輔 東京都文京区西片２−14−４ クレスト西 片102 (72)発明者 佐々木 健 千葉県柏市新柏２−４−９ (72)発明者 板生 清 神奈川県鎌倉市浄明寺６−６−８ (72)発明者 越地 耕二 千葉県流山市江戸川台東４−344 Ｆターム(参考） 3C029 DD08 DD15 3C046 BB01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切削工具に取りつけられたセンサと、前
   記センサから前記切削工具の固有振動数に係る信号を取
   り出してこの大きさを予め設定された閾値と比較すると
   ともに、前記閾値を超えた場合に前記切削工具が摩耗し
   ていると判断してその旨の信号を出力する判定回路と、
   前記判定回路からの出力を受けて故障情報を無線送信す
   る送信回路と、電力供給のための二次電池と、前記二次
   電池を充電するための二次コイルとを備える切削工具の
   摩耗検出装置。
2. 【請求項２】 前記二次コイルは少なくとも前記切削工
   具に巻きつけられていることを特徴とする請求項１記載
   の切削工具の摩耗検出装置。
3. 【請求項３】 前記切削工具の形状に合わせて構成され
   た磁性体と、前記磁性体に巻きつけられた一次コイル
   と、前記一次コイルに交流電力を供給する電源部とを備
   え、前記二次コイルを含む前記切削工具と前記一次コイ
   ルを含む前記磁性体の間で閉磁路を形成し、電気的に絶
   縁した状態で電磁誘導により前記二次電池を充電するこ
   とを特徴とする請求項２に記載の摩耗検出装置。
4. 【請求項４】 複数の切削工具が用いられる場合におい
   て、 前記送信回路からの信号を受信して報知する受信機を備
   え、 前記送信回路は予め定められた固有の信号を送信し、 前記受信機は、識別情報を予め記憶したテーブルを参照
   することによりどの切削工具が摩耗したかを判定するこ
   とを特徴とする請求項１記載の摩耗検出装置。