JP2006078420A - 小型弾性波検知装置および接触検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でかつワンタッチで着脱可能な小型弾性波検知装置、および小型弾性波検知装置を用いた工具と工作物との接触検知方法を提供する。
【解決手段】本小型弾性波検知装置１は、固体と固体とが接触するとき発生する弾性波を検知する検知手段２と、該検知手段２からの信号を処理する信号処理手段３と、該信号処理手段からのデータを基に固体と固体とが接触したことを報知する報知手段４と、駆動用の電源５と、を小型の筐体６内に配設し、該筐体６は弾性波発生源近傍にワンタッチで着脱可能な着脱手段２０を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小型弾性波検知装置および小型弾性波検知装置を用いた工具と工作物との接触検知方法に関する。

研削加工における砥石目立て（ダイヤモンドドレッサ）や目直し時の接触開始状況を正確に把握することは、砥石の損傷未然防止、高価な超砥粒砥石の無駄研削の防止、砥石コスト削減の観点から、非常に重要である。これら研削加工における砥石目立てや目直し時の接触開始を検知する手段として、アコースチックエミッションセンサ（以下ＡＥセンサと略す）が使用されている。

ＡＥセンサは、物体中を伝播する弾性波を捉えて電気信号に変化させるもので、周波数域は加速度センサよりも高く、わずかな接触に基づく弾性波をも検知することができる特徴を備える。そこでＡＥセンサをギャップエリミネータの工具・被削材間の接触検知用センサに使用した実用例が多く、その機器も多く商品化されている（例えば非特許文献1、非特許文献２参照）。
株式会社村上技研産業 ＡＥ型ギャップエリミネータ（ＧＡＰ−５５ＥＴＯ）カタログ、<URL://www.murakamigiken.co.jp/gap.htm> 福田交易株式会社 ＡＥセンサシステム オートバランサシステムのカタログ、<URL：http://www.fukudaco.co.jp/item/pdf/c7.pdf>

非特許文献１および非特許文献２に記載の装置をはじめ実用化されている接触を検知する装置に内蔵されているＡＥ信号処理回路は、音響解析に基づく信号処理技術が用いられているので、処理回路は非常に複雑なものとなっている場合がある。また高度な信号処理技術を用いているので、実用化されている接触を検知する装置は性能が高い一方で価格も高価なものが多い。また、実用化されている接触を検知する装置は、工作機械に設置・搭載されるものが多く、容易に取り外して複数の工作機械または複数の作業者が利用するには難がある。

本発明の目的は、小型でかつワンタッチで着脱可能な小型弾性波検知装置、および小型弾性波検知装置を用いた工具と工作物との接触検知方法を提供することにある。また安価な小型弾性波検知装置を提供することにある。

本発明は、固体と固体とが接触するとき発生する弾性波を検知する検知手段と、
該検知手段からの信号を処理する信号処理手段と、
該信号処理手段からのデータを基に固体と固体とが接触したことを報知する報知手段と、
駆動用の電源と、
を小型の筐体内に配設し、該筐体はワンタッチで着脱可能な着脱手段を備えることを特徴とする小型弾性波検知装置である。

また本発明で、前記検知手段は、圧電素子またはＡＥセンサであることを特徴とする請求項１に記載の小型弾性波検知装置である。

また本発明は、前記検知手段に圧接するホーン形受信板と、
前記検知手段を該ホーン形受信板に圧接させる圧接手段と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の小型弾性波検知装置である。

また本発明は、請求項１から３に記載の小型弾性波検知装置を用いた工具と工作物との接触検知方法である。

本発明は、固体同士が接触するとき発生する弾性波を検知する検知手段と、検知手段からの信号を処理する信号処理手段と、該信号処理手段からのデータを基に固体と固体とが接触したことを報知する報知手段と、駆動用の電源と、を小型の筐体内に一体的に配設するので、弾性波検知装置をコンパクトに形成することができる。また筐体はワンタッチで着脱可能な着脱手段を備えるので、本弾性波検知装置を弾性波発生源近傍に置くことが可能となり精度よく弾性波を検知することができる。

また本発明によれば検知手段は、圧電素子またはＡＥセンサであるので精度よく弾性波を検知することができる。また検知手段は圧電素子またはＡＥセンサであり、特に圧電素子をそのまま利用すれば比較的安価であり、弾性波検知装置を安価に製作することができる。さらに検知手段は圧電素子またはＡＥセンサであるので、弾性波検知装置をコンパクト化することができる。

また本発明によれば、検知手段に圧接するホーン形受信板をさらに含むので、検知手段に弾性波を集中させることが可能となり、微小な弾性波も検出することが可能となる。また、検知手段をホーン形受信板に圧接させる構造を採用するので、検知手段を小型化することができる。

また本発明によれば、本弾性波検知装置を用いて工具と工作物との接触を検知することができるので、本弾性波検知装置をギャップエリミネータとして利用することができる。これにより工具と工作物との接触開始時期を容易に認知することが可能となり、工具と工作物の接近時間の削減、作業労力の低減が可能となる。

図１は本発明の実施の一形態としての小型弾性波検知装置１の概略的な構成を示す図である。また図２は図１の小型弾性波検知装置１を分解した状態を示す図である。

小型弾性波検知装置１は、弾性波を検知する検知手段である圧電素子２、信号を処理する信号処理回路３、信号処理回路３からの信号を受けて固体と固体とが接触したことを報知する報知手段としてのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）４および駆動用電源であるボタン式バッテリ５などを筐体６内に含み構成される。

圧電素子２は、機械的な応力による歪みを電気的なエネルギーに変換する素子であり、弾性波を検知し電気信号を出力する。圧電素子２の下端面７はホーン形受信板８の上端面９と圧接し、ホーン形受信板８を通じて弾性波を受信する。これにより圧電素子２に弾性波を集中させることが可能となり、微小な弾性波であっても精度よく検知することが可能となる。またこのような構成を採用することで弾性波検知装置１を小型化することができる。また圧電素子２は、圧電着火式ライタで広く使用されている圧電素子をそのまま利用することができので、弾性波検知装置１を小型化することが可能となり、弾性波検知装置１を安価に製造することができる。

受信板８の形状には、ホーン形の形状以外にも他の形状、例えば円錐形状、円筒状の形状のものも使用することは可能であるが、弾性波を減衰させることなく圧電素子２に伝達させるためには、ホーン形の形状の受信板が好ましい。なお弾性波が十分に大きい場合は、受信板８の形状はホーン形状でなくてもよい。

圧電素子２とホーン形受信板７との圧接は次の要領で行うことができる。下部筐体１０の中央部に貫通孔１１を設け、貫通孔１１の側面にねじ部１２を設ける。ホーン形受信板８にねじ部１３を設け、貫通孔１１の下部よりホーン形受信板８を挿入し、ホーン形受信板８の底面１４が下部筐体１０の底面１５と略同一高さとなるように螺合する。次にホーン形受信板８の上端面９と圧電素子２の下端面７とが当接するように圧電素子２をホーン形受信板８に載置し、導電体１６、絶縁円筒体１７および押し付けナット１８で構成する圧接手段１９を下部筐体１０の上部から装着し、押し付けナット１８を調整することでホーン形受信板８と圧電素子２とを圧接させることができる。

本発明の圧電素子２は、上記のようにホーン形受信板８と圧接手段１９とで挟み込んだ構造を有しており、重りを圧電素子に取付けたセンサとは構造が異なる。その結果重りを付していないぶん、バネ定数に比して質量が小さくなり、センサの固有振動数が高くなり、高い周波数レベルの弾性波を捉えることができる。本実施例では、圧電素子２とホーン形受信板７との圧接にネジを用いる例を示したけれども、これに限定されるものではなく、バネを用いて圧電素子２を受信板８に圧接させる機構を採用してもよい。

下部筐体１０は、底面１５にマグネット２０を備える。マグネット２０の底面２１は下部筐体１０の底面１５とホーン形受信板８の底面１４と同一の高さとなるように設ける。これによりホーン形受信板８の底面１４を測定部に密接させることができ，弾性波をホーン形受信板８に効率よく導いて，かつ減衰させることなく圧電素子２に伝達させることができる。このように弾性波検知装置１は、筐体６の底面にマグネット２０を有するので、ワンタッチで着脱を行うことが可能となり、容易に取り外して複数の工作機械または複数の作業者が利用するができる。

圧電素子２は、導電体１６を介して信号処理回路３の入力信号線２２と接続される。信号処理回路３は支持板上２３に支持され、支持板２３はねじ２４を用いて下部筐体１０の上面２５に固着される。信号処理回路３には、同じく支持板上２３に支持された駆動用電源であるボタン式バッテリ５から電源が供給される。駆動用電源５は特にボタン式バッテリに限定されるものではなく、乾電池も利用することは可能であるが、弾性波検知装置１を小型化しようとする観点からボタン式バッテリが好ましい。

支持板上２３は、さらに電源を入り切りするためのスイッチ２６、および信号処理回路３からの信号を受けて弾性波の検出を報知する報知手段であるＬＥＤ４を支持する。ＬＥＤ４は下部筐体１０を包むように装着する上部筐体２７のライトカバ内２８に配設される。上部筐体２７は防水機能を備え、装置本体内への液の進入を防止する。

図３は信号処理回路３の信号処理の流れを示す図である。圧電素子２から発せられる微弱な電圧信号はハイパスフィルタ３１を通過し、増幅器３２で１００倍程度に増幅される。次にコンパレータ３３では接触を判断するため信号と閾値とを比較する。接触検知時にはＨレベル（５Ｖ）の信号が、また非接触状態ではＬレベル（０Ｖ）の信号がワンショットＩＣ３４に出力される。このＯＮ−ＯＦＦ信号に基づいてワンショットＩＣ３４は４０ｍｓのパルス信号を出力し、接触を作業者に伝達するために用意されたＬＥＤ４を点灯させる。またワンショットＩＣ３４からの出力信号３５をＮＣ装置外部インタフェイスに入力すれば、接触を検知して位置決め送り運動を停止させることも可能である。

このように固体同士が接触したことを作業者に報知したり、またはワンショットＩＣ３４からの出力信号３５をＮＣ装置外部インタフェイスに入力すれば、接触を検知して位置決め送り運動を停止させることも可能であるので、本弾性波検知装置１をギャップエリミネータとして利用することができる。また、信号処理回路３は後述の実施例（図７）に示すように、汎用の高速オペアンプ２個とワンショットＩＣ１個を使用して製作することが可能であり、安価で簡単に製作することができる。

以上のように本弾性波検知装置１は、弾性波検知手段である圧電素子、信号処理回路、固体と固体とが接触したことを報知するＬＥＤ、駆動用の電源を小型の筐体内に一体的に配設するので、弾性波検知装置をコンパクトに形成することができる。これにより本装置を弾性波発生源近傍に置くことが可能となり、精度よく弾性波を検知することができる。

図４は本発明の他の実施形態としての小型弾性波検知装置４０の概略的な構成を示す図である。また図５は図４の小型弾性波検知装置４０を分解した状態を示す図である。本実施形態で図１または図２の実施形態に対応する部分には同一の参照符を付して、重複する説明は省略する。

図４および図５に示す実施形態では、圧電素子２に換わりにＡＥセンサ４１を用いている。ＡＥセンサ４１は圧電素子２と同様、ホーン形受信板８と圧接し弾性波を受信する。ＡＥセンサ４１とホーン形受信板との圧接は、図１と同様に圧接手段である押し付けナット４２を使用する。このように図１または図２で示す実施形態の圧電素子２がＡＥセンサ４１と、導電体１６、絶縁円筒体１７および押し付けナット１８で構成する圧接手段１９が圧接手段である押し付けナット４２に対応する。以上のように弾性波を検知する手段として、圧電素子またはＡＥセンサを使用することができるので安価で、また精度よく弾性波を検知することができる。さらに検知手段は圧電素子またはＡＥセンサであるので、弾性波検知装置をコンパクト化することができる。

次に実施例を示す。
（実施例）図６はＡＥセンサを使用した弾性波検知装置５０の大略的外観を示す図である。本実施例では、本体下部の一端にマグネット２０を設け、ＡＥセンサ４１を下部筐体１０内に配設し、駆動用電源５１を筐体上部に配設した。信号処理回路３は本体の底面に設けた。本装置の大きさは、長さ６０ｍｍ、幅４２ｍｍ、厚さ４５ｍｍ、重量１９０ｇである。図７は弾性波検知装置５０に使用した信号処理回路３を示す図である。信号処理回路３は、２個の汎用の高速オペアンプ５２ａ、５２ｂと１個のワンショットＩＣ５３を主要な構成要素とし、抵抗５４、５５、５６、５７、５８、５９、６０、６１、６２、６３、６４、６５、コンデンサ６６、６７、６８、６９、７０、７１などを含み構成した。信号処理回路３への電源としては±５Ｖを単５乾電池から供給した。

本装置の性能は次の要領で確認した。弾性波検知装置５０をブロックに当接させ、直径０．５ｍｍの太さのシャープペンシルの芯をペンから５ｍｍ突き出し、それをブロックに押し当て折損させた。このとき発生した信号を増幅させた後のＡＥ信号を図８（ａ）に、図８（ｂ）に接触信号を検知しワンショット回路から発せられるパルス信号を示した。図８（ａ）に示すように本弾性波検知装置５０は、僅かな弾性波も十分なレベルで捉えることが可能なことが確認できた。また図８（ｂ）に示すようにＡＥセンサからの信号の変化に遅れることなく同時にワンショト回路からは外部にパルス信号が出力されていることが確認できた。

本発明の実施の一形態としての小型弾性波検知装置１の概略的な構成を示す図である。 図１の小型弾性波検知装置１を分解した状態を示す図である。 本発明の実施の一形態としての小型弾性波検知装置１の信号処理回路３の信号処理の流れを示す図である。 本発明の他の実施形態としての小型弾性波検知装置４０の概略的な構成を示す図である。 図４の小型弾性波検知装置４０を分解した状態を示す図である。 本発明の実施例１に示すＡＥセンサを使用した小型弾性波検知装置５０の大略的な外観を示す図である。 本発明の実施例１に示す小型弾性波検知装置５０に使用した信号処理回路３を示す図である。 図８（ａ）は、本発明の実施例１に示す小型弾性波検知装置５０が検知したＡＥ信号を、図８（ｂ）は、小型弾性波検知装置５０のワンショット回路５２から発せられるパルス信号を示す図である。

符号の説明

１、４０、５０ 弾性波検知装置
２ 圧電素子
３ 信号処理回路
４ ＬＥＤ
５、５１ 駆動用電源
６ 筐体
８ ホーン形受信板
１８、４２ 押し付けナット
２０ マグネット
４１ ＡＥセンサ

Claims (4)

1. 固体と固体とが接触するとき発生する弾性波を検知する検知手段と、
   該検知手段からの信号を処理する信号処理手段と、
   該信号処理手段からのデータを基に固体と固体とが接触したことを報知する報知手段と、
   駆動用の電源と、
   を小型の筐体内に配設し、該筐体はワンタッチで着脱可能な着脱手段を備えることを特徴とする小型弾性波検知装置。
2. 前記検知手段は、圧電素子またはＡＥセンサであることを特徴とする請求項１に記載の小型弾性波検知装置。
3. 前記検知手段に圧接するホーン形受信板と、
   前記検知手段を該ホーン形受信板に圧接させる圧接手段と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の小型弾性波検知装置。
4. 請求項１から３に記載の小型弾性波検知装置を用いた工具と工作物との接触検知方法。

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