JP2019121845A - 近接スイッチ及びクランプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】検出領域において検出体が位置するエリアを検出可能とする。【解決手段】検出用コイル１０１と、発振して検出用コイル１０１に高周波磁界を発生させる発振回路１０４と、発振回路１０４による発振の振幅を検波する検波回路１０５と、検波回路１０５により検波された振幅を複数の閾値とそれぞれ比較する比較回路１０６と、比較回路１０６による複数の閾値との比較結果に基づいて、検波回路１０５により検波された振幅が当該複数の閾値から構成される複数の出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力する出力回路１０７と、ユーザ操作に応じ、比較回路１０６に対する複数の閾値を設定する設定入力部１１０とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、検出領域において検出体が位置するエリアを検出可能とする近接スイッチ、及びこの近接スイッチを用いたクランプシステムに関する。

従来から、１つの閾値を用い、検出領域における検出体の有無を検出可能とする近接スイッチが知られている。しかしながら、従来の近接スイッチでは、閾値が１つであるため、検出体が検出領域におけるどのエリアに位置しているのかは検出できないという課題がある。

一方、検出体までの距離に応じた電圧を出力する変位センサも従来から知られており、この変位センサにより検出体の位置を検出可能である（例えば特許文献１参照）。しかしながら、この変位センサはアナログ出力であるため、アナログ出力を受けるＡＩ（アナログ入力）カード又はＡＤ（アナログ−デジタル）変換器等の機器が別途必要となり、コストが増大するという課題がある。

特開２０００−３５４９３９号公報

上記のように、従来の近接スイッチでは検出領域において検出体が位置するエリアを検出できず、また、従来の変位センサではアナログ出力に対する機器が別途必要となり、コストが増大するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、安価な構成で、検出領域において検出体が位置するエリアを検出可能とする近接スイッチを提供することを目的としている。

この発明に係る近接スイッチは、検出用コイルと、発振して検出用コイルに高周波磁界を発生させる発振回路と、発振回路による発振の振幅を検波する検波回路と、検波回路により検波された振幅を複数の閾値とそれぞれ比較する比較回路と、比較回路による複数の閾値との比較結果に基づいて、検波回路により検波された振幅が当該複数の閾値から構成される複数の出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力する出力回路と、ユーザ操作に応じ、比較回路に対する複数の閾値を設定する設定入力部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、安価な構成で、検出領域において検出体が位置するエリアを検出可能となる。

この発明の実施の形態１に係る近接スイッチの構成例を示す回路図である。 図２Ａは検出体の位置とこの発明の実施の形態１における出力回路が有する２つの出力端子からの出力との対応関係の一例を示す図であり、図２Ｂは検出領域を４つのエリアに分割した場合でのエリアの検出方法の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１における設定入力部による複数の閾値の設定方法の一例を説明する図である。 この発明の実施の形態１における設定入力部による複数の閾値の別の設定方法の一例を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係るクランプシステムの構成例を示す図である。 図６Ａはこの発明の実施の形態１におけるドローバが有するテーパ部と近接スイッチとの関係の一例を示す図であり、図６Ｂはドローバの位置ｓと近接スイッチの検波回路により検波された振幅Ｖｏとの関係の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る近接スイッチ１の構成例を示す回路図である。
近接スイッチ１は、複数の閾値を用い、検出領域における検出体２の有無及び検出領域において検出体２が位置するエリアを検出可能とする。検出体２は、金属製の物体である。また以下では、後述する出力回路１０７が２つの出力範囲（第１の出力範囲及び第２の出力範囲）を用いる場合を示す。この近接スイッチ１は、図１に示すように、検出用コイル１０１、電源１０２、安定化電源回路１０３、発振回路１０４、検波回路１０５、比較回路１０６、出力回路１０７、２系統のトランジスタ１０８（トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１０８ｂ）、及び設定入力部１０９を備えている。また、近接スイッチ１には、２系統の抵抗３（抵抗３ａ及び抵抗３ｂ）が接続されている。

安定化電源回路１０３は、電源１０２から供給された電力により動作し、発振回路１０４、検波回路１０５及び比較回路１０６に対して所定の電圧の電力を供給する。

発振回路１０４は、発振して検出用コイル１０１に高周波磁界を発生させる。この発振回路１０４では、検出用コイル１０１が発生する高周波磁界に検出体２が近づくと、検出体２に誘導電流が流れて熱損失が発生し、検出用コイル１０１のインピーダンスが変化して発振が減衰する。なお、発振回路１０４は、検出体２が最も近づいた場合でも発振を維持し、検出用コイル１０１のインピーダンス変化に応じて発振振幅が変化するように構成されている。

検波回路１０５は、発振回路１０４による発振の振幅を検波する。すなわち、検波回路１０５は、発振回路１０４による発振の振幅を直流化して整流する。

比較回路１０６は、検波回路１０５により検波された振幅を各閾値とそれぞれ比較する。なお、各閾値は設定入力部１０９により設定される。

出力回路１０７は、比較回路１０６による各閾値との比較結果に基づいて、検波回路１０５により検波された振幅が当該各閾値から構成される各出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力する。具体的には、出力回路１０７は、検波回路１０５により検波された振幅が第１の出力範囲内である場合に、２つの出力端子のうちの一方からオン信号を出力する。また、出力回路１０７は、検波回路１０５により検波された振幅が第２の出力範囲内である場合に、２つの出力端子のうちの他方からオン信号を出力する。なお、各出力範囲は互いに一部が重複している。検出体２の位置と出力回路１０７が有する２つの出力端子からの出力との対応関係の一例を図２Ａに示す。
なお図２では、２つの出力端子のうちの一方（第１の出力）からオン信号が出力されている状態をＯＮとし、オン信号が出力されていない状態をＯＦＦとしている。また、２つの出力端子のうちの他方（第２の出力）からオン信号が出力されている状態をＯＮとし、オン信号が出力されていない状態をＯＦＦとしている。

トランジスタ１０８ａは、ゲート端子が、出力回路１０７が有する２つの出力端子のうちの一方に接続され、エミッタ端子が電源１０２のプラス端子に接続されている。このトランジスタ１０８ａは、出力回路１０７が有する２つの出力端子のうちの一方からのオン信号により駆動する。
トランジスタ１０８ｂは、ゲート端子が、出力回路１０７が有する２つの出力端子のうちの他方に接続され、エミッタ端子が電源１０２のプラス端子に接続されている。このトランジスタ１０８ｂは、出力回路１０７が有する２つの出力端子のうちの他方からのオン信号により駆動する。

設定入力部１０９は、ユーザ操作に応じ、比較回路１０６に対する各閾値を設定する。設定入力部１０９は、各閾値を、近接スイッチ１が用いられる現場で設定可能である。この設定入力部１０９は、トリガ受付部１０９１及び閾値設定部１０９２を有している。

トリガ受付部１０９１は、トリガの入力を受付ける。このトリガ受付部１０９１としては、例えば、外部端末からの情報を受信する通信部、又は、押しボタン等の設定用トリガ装置等を用いることができる。

閾値設定部１０９２は、検波回路１０５により検波された振幅の値をトリガ受付部１０９１によりトリガの入力が受付けられる度に検出し、当該検出した各振幅の値に基づいて、比較回路１０６に対する各閾値を設定する。なお、閾値設定部１０９２は、システムＬＳＩ等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ等により実現される。

この際、閾値設定部１０９２は、出力回路１０７の各出力範囲が互いに一部重複するように、上記各振幅の値の間の値を、当該各出力範囲を構成する各下限値及び各上限値のうちの最下限値を除く値である閾値としてそれぞれ設定する。
又は、閾値設定部１０９２は、出力回路１０７の各出力範囲が互いに一部重複するように、上記各振幅の値を、当該各出力範囲を構成する各下限値及び各上限値のうちの最下限値を除く値である閾値としてそれぞれ設定してもよい。

なお、抵抗３ａは、一端がトランジスタ１０８ａのコレクタ端子に接続され、他端が電源１０２のマイナス端子に接続されている。この抵抗３ａは、トランジスタ１０８ａが駆動することで電源１０２から電力が供給される。
また、抵抗３ｂは、一端がトランジスタ１０８ｂのコレクタ端子に接続され、他端が電源１０２のマイナス端子に接続されている。この抵抗３ｂは、トランジスタ１０８ｂが駆動することで電源１０２から電力が供給される。
この抵抗３ａ，３ｂとしては、例えばＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）又はリレー等の負荷が挙げられる。

そして、この近接スイッチ１により、抵抗３ａ及び抵抗３ｂに供給される電力から、検出領域における検出体２の有無及び検出領域において検出体２が位置するエリアを検出できる。図１に示すように近接スイッチ１が２つの出力を有する場合、図２Ｂに示すように、検出体２が４つのエリア（第１のエリア〜第４のエリア）に分割された検出領域のうちのどのエリアに位置するかを検出可能となる。

図１に示す近接スイッチ１では、出力回路１０７の２つの出力範囲に対応して、出力回路１０７に２つの出力端子が設けられ、また、トランジスタ１０８が２系統設けられた場合を示した。一方、近接スイッチ１が３つ以上の出力範囲を用いる場合には、出力回路１０７には当該出力範囲と同数の出力端子が設けられ、また、トランジスタ１０８は当該出力範囲と同数の系統設けられる。

次に、実施の形態１における設定入力部１０９による複数の閾値の設定方法について説明する。以下では、近接スイッチ１により検出領域における４つのエリア（第１のエリア〜第４のエリア）を検出可能とする場合を想定し、設定入力部１０９が２つの出力範囲（第１の出力範囲及び第２の出力範囲）を構成する各閾値を設定する場合を示す。
ここで、従来の近接スイッチに対する閾値の設定方法としては、閾値となる位置に検出体２を置いてその際の発振の振幅の値から閾値を設定する方法がある。一方で、近接スイッチによる検出を行う際には、検出体２が閾値より近い範囲内に位置する場合にその存在が検出される。よって、閾値の設定においても、検出体２を、閾値となる位置ではなく、上記範囲内の位置（すなわち、実際に検出体２の検出を行いたい位置）に置いて閾値を設定したいという要求がある。そこで、以下では、まず、閾値設定部１０９２が、出力回路１０７の各出力範囲が互いに一部重複するように、上記各振幅の値の間の値を、当該各出力範囲を構成する各下限値及び各上限値のうちの最下限値（第１の出力範囲を構成する下限値）を除く値である閾値としてそれぞれ設定する場合を示す。なお、第１の出力範囲を構成する下限値は０．００としている。

この場合、図３に示すように、まず、作業者は、検出体２を、第１のエリアの代表的な位置（中心位置等）ａに置く。そして、作業者は、トリガ受付部１０９１に対してトリガを入力する。
次いで、作業者は、検出体２を、第２のエリアの代表的な位置（中心位置等）ｂに置く。そして、作業者は、トリガ受付部１０９１に対してトリガを入力する。
これにより、閾値設定部１０９２は、位置ａと位置ｂとの間の位置（中心位置等）Ｓ１を、第２の出力範囲を構成する下限値として設定する。

次いで、作業者は、検出体２を、第３のエリアの代表的な位置（中心位置等）ｃに置く。そして、作業者は、トリガ受付部１０９１に対してトリガを入力する。
これにより、閾値設定部１０９２は、位置ｂと位置ｃとの間の位置（中心位置等）Ｓ２を、第１の出力範囲を構成する上限値として設定する。

次いで、作業者は、検出体２を、検出したいエリアの代表的な位置（中心位置等）ｄに置く。そして、作業者は、トリガ受付部１０９１に対してトリガを入力する。
これにより、閾値設定部１０９２は、位置ｃと位置ｄとの間の位置（中心位置等）Ｓ３を、第２の出力範囲を構成する上限値として設定する。
以上により、設定入力部１０９は、第１の出力範囲及び第２の出力範囲を構成する各閾値を設定できる。

上記では、検出体２を出力範囲を構成する下限値及び上限値の間の位置（すなわち、実際に検出体２の検出を行いたい位置）に置いて閾値を設定する場合を示した。それに対し、従来と同様に、検出体２を出力範囲を構成する下限値及び上限値の位置において閾値を設定してもよい。以下では、閾値設定部１０９２が、出力回路１０７の各出力範囲が互いに一部重複するように、上記各振幅の値を、当該各出力範囲を構成する各下限値及び各上限値のうちの最下限値（第１の出力範囲を構成する下限値）を除く値である閾値としてそれぞれ設定する場合を示す。なお、第１の出力範囲を構成する下限値は０．００としている。

この場合、図４に示すように、まず、作業者は、検出体２を、第１のエリアと第２のエリアの境目の位置ａに置く。そして、作業者は、トリガ受付部１０９１に対してトリガを入力する。
これにより、閾値設定部１０９２は、位置ａ（Ｓ１）を、第２の出力範囲を構成する下限値として設定する。

次いで、作業者は、検出体２を、第２のエリアと第３のエリアの境目の位置ｂに置く。そして、作業者は、トリガ受付部１０９１に対してトリガを入力する。
これにより、閾値設定部１０９２は、位置ｂ（Ｓ２）を、第１の出力範囲を構成する上限値として設定する。

次いで、作業者は、検出体２を、第３のエリアと第４のエリアの境目の位置ｃに置く。そして、作業者は、トリガ受付部１０９１に対してトリガを入力する。
これにより、閾値設定部１０９２は、位置ｃ（Ｓ３）を、第２の出力範囲を構成する上限値として設定する。
以上により、設定入力部１０９は、第１の出力範囲及び第２の出力範囲を構成する各閾値を設定できる。

次に、近接スイッチ１をクランプシステムに適用した場合について、図５を参照しながら説明する。図５では、クランプシステムとして、マシニングセンタ等に用いられるツールクランプシステムの場合を示している。
ツールクランプシステムは、図５に示すように、ツール４、クランプ機構５、及び近接スイッチ１を備えている。

ツール４は、一端に設けられた工具４０１により加工対象物（不図示）に対して加工を行う。このツール４は、他端側にテーパ状のシャンク部４０２が形成され、その端部にプルスタッド４０３が形成されている。

クランプ機構５は、ツール４のクランプを行う。このクランプ機構５は、主軸部５０１、コレットチャック５０２及びドローバ５０３を有している。

主軸部５０１の軸心には、一端に、ツール４のシャンク部４０２が挿入されるテーパ状の挿入部５０１１が形成されている。また、主軸部５０１の軸心には、挿入部５０１１の後段に、コレットチャック５０２が収容される収容部５０１２が形成されている。この収容部５０１２は、上記一端側が径が大きく構成され、他端側が径が小さく構成されている。

コレットチャック５０２は、一端にコレット爪５０２１を有し、このコレット爪５０２１が開閉することで、挿入部５０１１にシャンク部４０２が挿入されたツール４のプルスタッド４０３の固定を行う。このコレットチャック５０２は、軸心方向に移動可能であり、コレット爪５０２１が収容部５０１２の一端側に位置する場合にはコレット爪５０２１が開き、コレット爪５０２１が収容部５０１２の他端側に位置する場合には、収容部５０１２によりコレット爪５０２１が閉じられて、プルスタッド４０３の固定を行うことができる。

ドローバ５０３は、軸心方向に移動可能であり、一端にコレットチャック５０２の他端が接続されている。そして、ドローバ５０３は、自身が軸心方向に移動することでコレットチャック５０２を軸心方向に移動させ、コレット爪５０２１の開閉を行う。すなわち、ドローバ５０３は、クランプ機構５によるツール４のクランプ状態により停止位置が異なる。このドローバ５０３は、上記の検出体２に相当する。また、ドローバ５０３は、近接スイッチ１と対向する部分に、ドローバ５０３の移動により近接スイッチ１との間の距離を可変とするテーパ部５０３１を有している。

図５に示す近接スイッチ１は、ドローバ５０３に対して当該ドローバ５０３の軸心方向に垂直な方向に対向配置され、検出領域においてドローバ５０３が位置するエリアを検出可能とする。このエリアとしては、例えば、空クランプの際でのドローバ５０３の位置を含むエリア、クランプの際でのドローバ５０３の位置を含むエリア、ミスクランプの際でのドローバ５０３の位置を含むエリア、及び、アンクランプの際でのドローバ５０３の位置を含むエリアの４つのエリアが挙げられる。なお、空クランプとは、ツール４が無い状態でコレット爪５０２１が閉じている状態を意味する。また、クランプとは、クランプ機構５がツール４を正常にクランプできている状態を意味する。また、ミスクランプとは、クランプ機構５に切りくず等が入り込み、ツール４を正常にクランプできていない状態を意味する。また、アンクランプとは、コレット爪５０２１が開いている状態を意味する。

ここで、マシニングセンタでは、１つの加工対象物に対する加工を行う際に、様々なツール４を付替えながら加工を行う。そのため、クランプ機構５でツール４を確実にクランプできていないと、加工対象物の寸法がずれて不良が発生する可能性がある。そこで、従来のマシニングセンタでは、従来の複数の近接スイッチ又は単一の変位センサを用いてドローバ５０３の位置を検出し、クランプ機構５がツール４を確実（正常）にクランプできている場合にのみ加工を実施するように構成されている。しかしながら、従来の複数の近接スイッチを用いた場合、各近接スイッチの配置を物理的に調整しながら検出対象となるエリアを調整する必要があり、技量を要し、また、作業工数が増大する。また、従来の変位センサを用いた場合には、アナログ出力を受けるＡＩカード又はＡＤ変換器等の機器が別途必要となり、コストが増大する。また、マシニングセンタにおいて検出対象となるエリアは数箇所のみであり、アナログ出力とする必要はない。
それに対し、実施の形態１に係るツールクランプシステムでは、検出領域においてドローバ５０３が位置するエリアをデジタルで検出可能とする近接スイッチ１を用い、クランプ機構５でツール４を確実にクランプできているかを確認している。これにより、近接スイッチ１を容易に設置可能となり、検出対象となるエリアの調整が簡易化される。また、コストの増大を抑制できる。

また、ドローバ５０３は、近接スイッチ１の検出面に対して垂直な方向に移動する。そのため、例えばドローバ５０３が円柱形状である場合には、近接スイッチ１は、ドローバ５０３が近接スイッチ１に対して対向する面積の変化しか検出できない。この場合、近接スイッチ１でドローバ５０３を検出可能とする領域が狭く、上記の４つのエリアを検出できない場合がある。そこで、実施の形態１に係るツールクランプシステムでは、図６に示すように、ドローバ５０３にテーパ部５０３１を設け、近接スイッチ１に、ドローバ５０３と近接スイッチ１との間の距離の変化を検出させるように構成している。これにより、近接スイッチ１でドローバ５０３を検出可能とする領域が広くなり、上記の４つのエリアを検出可能となる。図６Ｂにおいて、符号Ａ〜Ｄは第１のエリア〜第４のエリアに対応している。なお、テーパ部５０３１のテーパ角度は、必要な検出領域の長さ及び近接スイッチ１の検出面の幅等に応じて設定される。

なお上記では、クランプ機構５がツール４をクランプする場合を示した。しかしながら、これに限らず、クランプ機構５が加工対象物をクランプする場合についても同様に実施の形態１に係る近接スイッチ１を適用可能であり、上記と同様の効果が得られる。

また上記では、クランプシステムとして、マシニングセンタ等に用いられるツールクランプシステムの場合を示した。しかしながら、これに限らず、ドローバ５０３が用いられるものであればよく、クランプシステムとして、例えばＮＣ旋盤等に用いられるツールクランプシステムを用いてもよい。この場合、検出領域を分割するエリアとしては、（空クランプの際でのドローバ５０３の位置を含むエリア）、クランプの際でのドローバ５０３の位置を含むエリア、及び、アンクランプの際でのドローバ５０３の位置を含むエリアの２つ（３つ）のエリアが挙げられる。

以上のように、この実施の形態１によれば、検出用コイル１０１と、発振して検出用コイル１０１に高周波磁界を発生させる発振回路１０４と、発振回路１０４による発振の振幅を検波する検波回路１０５と、検波回路１０５により検波された振幅を複数の閾値とそれぞれ比較する比較回路１０６と、比較回路１０６による複数の閾値との比較結果に基づいて、検波回路１０５により検波された振幅が当該複数の閾値から構成される複数の出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力する出力回路１０７と、ユーザ操作に応じ、比較回路１０６に対する複数の閾値を設定する設定入力部１０９とを備えたので、検出領域において検出体２が位置するエリアを検出可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 近接スイッチ
２ 検出体
３，３ａ，３ｂ 抵抗
４ ツール
５ クランプ機構
１０１ 検出用コイル
１０２ 電源
１０３ 安定化電源回路
１０４ 発振回路
１０５ 検波回路
１０６ 比較回路
１０７ 出力回路
１０８，１０８ａ，１０８ｂ トランジスタ
１０９ 設定入力部
４０１ 工具
４０２ シャンク部
４０３ プルスタッド
５０１ 主軸部
５０２ コレットチャック
５０３ ドローバ
１０９１ トリガ受付部
１０９２ 閾値設定部
５０１１ 挿入部
５０１２ 収容部
５０２１ コレット爪
５０３１ テーパ部

Claims (6)

1. 検出用コイルと、
   発振して前記検出用コイルに高周波磁界を発生させる発振回路と、
   前記発振回路による発振の振幅を検波する検波回路と、
   前記検波回路により検波された振幅を複数の閾値とそれぞれ比較する比較回路と、
   前記比較回路による複数の閾値との比較結果に基づいて、前記検波回路により検波された振幅が当該複数の閾値から構成される複数の出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力する出力回路と、
   ユーザ操作に応じ、前記比較回路に対する複数の閾値を設定する設定入力部と
   を備えた近接スイッチ。
2. 前記設定入力部は、
   トリガの入力を受付けるトリガ受付部と、
   前記検波回路により検波された振幅の値を前記トリガ受付部によりトリガの入力が受付けられる度に検出し、当該検出した各振幅の値に基づいて、前記比較回路に対する複数の閾値を設定する閾値設定部とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の近接スイッチ。
3. 前記閾値設定部は、前記出力回路の複数の出力範囲が互いに一部重複するように、前記各振幅の値の間の値を、当該複数の出力範囲を構成する各下限値及び各上限値のうちの最下限値を除く値である閾値としてそれぞれ設定する
   ことを特徴とする請求項２記載の近接スイッチ。
4. 前記閾値設定部は、前記出力回路の複数の出力範囲が互いに一部重複するように、前記各振幅の値を、当該複数の出力範囲を構成する各下限値及び各上限値のうちの最下限値を除く値である閾値としてそれぞれ設定する
   ことを特徴とする請求項２記載の近接スイッチ。
5. 軸心方向に移動可能なドローバと、
   前記ドローバに対して前記軸心方向に垂直な方向に対向配置された請求項１から請求項４のうちの何れか１項記載の近接スイッチと
   を備えたクランプシステム。
6. 前記ドローバは、
   前記近接スイッチと対向する部分に、前記ドローバの移動により前記近接スイッチとの間の距離を可変とするテーパ部を有する
   ことを特徴とする請求項５記載のクランプシステム。

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