JP3267919B2 - 空気軸受式工作機械の主軸状態検出装置 - Google Patents

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
よりハウジングに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接触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し、例えば、空気静
圧軸受により支承された工作機械において、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、金属材料の切削加工では、回転
自在に支承された主軸にエンドミル、フライス等の切削
工具を取り付け、切削工具を主軸により回転させること
により、切削加工を行う工作機械が利用されている。こ
のような工作機械としては、主軸が空気軸受によりハウ
ジングに支承された空気軸受式工作機械が知られてい
る。

【０００３】このような空気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、金属材料の切削加工の高速化を図ることができ
る。一方、空気軸受式工作機械では、金属材料の切削加
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、軸、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、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。このため、軸とハウ
ジングとの相対変位、すなわち軸、ハウジング間の隙間
を主軸の回転中、常に監視し、接触の危険が生じると予
想された場合、危険信号を発信し、接触を回避するシス
テムが切望され、そのためには、軸、ハウジング間の相
対変位を非接触で正確に検出することのできるセンサが
必要となる。そして、このような非接触で両者の相対変
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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】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軸方向の変位のみ
を検出することができないので、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。すなわち、従来のセンサによれ
ば、図７に示すように、主軸１１が外力Ｆによりハウジ
ング１３に対して三次元的に動いた場合、ｘ軸、ｙ軸、
ｚ軸方向のハウジング１３および主軸１１の相対位置を
測定するセンサＳｘ、Ｓｙ、Ｓｚと、主軸１１のハウジ
ング１３に対する傾きを測定するセンサＳａ、Ｓｂとの
計５個のセンサによって主軸１１の三次元的移動を監視
する必要があった。

【０００６】従って、上述した空気軸受式工作機械にお
いて、主軸の動きを監視して接触を回避するシステムを
構築するには、多くのセンサを配置する必要があり、シ
ステムの複雑化を招くという問題がある。また、上述し
たシステムが複雑であるため、監視システムのない空気
軸受式工作機械に新たにシステムを構築しようとして
も、困難であるという問題がある。

【０００７】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検出
することの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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１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接触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であって、前記主軸と隙間
を設けて配置され、かつ前記ハウジングに対して電気的
に絶縁された電極と、この電極および前記主軸間の静電
容量を検出する静電容量検出手段とを備え、前記工作機
械は前記ハウジングが当該工作機械の本体に対して電気
的に絶縁され、前記主軸および前記電極から構成される
コンデンサと、前記主軸および前記ハウジングから構成
されるコンデンサとが前記主軸を介して互いに直列接続
され、前記静電容量検出手段は、これら２つのコンデン
サを含んで構成されるブリッジ回路を備え、前記主軸お
よび前記ハウジング間の相対変位は、この静電容量検出
手段により検出される静電容量の変化により検出される
ことを特徴とする。また、第２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接触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であって、前記主軸と隙間を設
けて配置され、かつ前記ハウジングに対して電気的に絶
縁された電極と、この電極および前記主軸間の静電容量
を検出する静電容量検出手段と、前記主軸と隙間を設け
て配置され、かつ前記ハウジングおよび前記電極に対し
て電気的に絶縁された第２電極とを備え、前記主軸およ
び前記電極から構成されるコンデンサと、前記主軸およ
び前記第２電極から構成されるコンデンサとが前記主軸
を介して互いに直列接続され、前記静電容量検出手段
は、これら２つのコンデンサを含んで構成されるブリッ
ジ回路を備えていることを特徴とする。

【０００９】ここで、本発明では、静電容量検出手段に
より電極および主軸の静電容量変化を検出することによ
り、ハウジングおよび主軸の相対変位を検出している
が、具体的には、以下のような方法により、静電容量と
相対変位との関係を導き出している。一般に、平板型コ
ンデンサにおける静電容量Ｃは、電極間の誘電率をε、
平板の面積をＳ、平板間の距離をｄとすれば、式（１）
のように表される。

【００１０】

【数１】

【００１１】一方、図１に示されるように、本発明に係
る静電容量検出手段が円柱状の主軸１１と円筒状のハウ
ジング１３とから構成されるコンデンサを備えていると
すると、この円筒型コンデンサの静電容量を平板型コン
デンサの静電容量の和であると仮定すれば、主軸の軸回
りおよび軸方向に分割された微小区間における静電容量
ｄＣは、式（２）のように表される。

【００１２】

【数２】

【００１３】従って、円筒型コンデンサ全体の静電容量
Ｃは、式（２）について円筒の回転軸Ｏ回りの分割角ｄ
θ、円筒の高さ方向寸法ｄｌの積分値として与えられ、
式（３）のようになる。

【００１４】

【数３】

【００１５】ここで、上述した平板間の距離Ｄ(l,a)
は、次のようにして求められる。すなわち、図１（Ｂ）
に示されるように、ハウジング１３の内周面半径をr2、
主軸１１の外周半径をr1、電極５１の半径r2方向に沿っ
た回転軸Ｏから主軸１１の外周面に至る距離をr1'、高
さ寸法ｌにおける回転軸Ｏから主軸１１の軸心Ｏ’の軸
変位量をａとすると、r1'、r1、ａから構成される三角
形において、余弦定理から式（４）のような関係が導か
れる。

【００１６】

【数４】

【００１７】また、軸変位量ａは、図１（Ａ）に示され
るように、主軸１１の高さ寸法Ｌと、主軸１１の基端部
分における最大の軸変位量Ａにより、主軸１１の先端部
分からの高さ寸法ｌの関数として表され、式（５）の関
係が成立する。

【００１８】

【数５】

【００１９】さらに、平板間の距離Ｄ(l,a)は、上述し
た内周面半径r2と距離r1'との差r2−r1'で表されるの
で、式（３）におけるr2／Ｄ(l,a)は、式（６）のよう
に変形される。

【００２０】

【数６】

【００２１】実際には、主軸１１と電極５１との隙間は
微小なので、内周面半径r2に対して軸変位量ａは十分に
小さく、式（６）における平方根内部の式は、式（７）
のように近似して差し支えない。

【００２２】

【数７】

【００２３】これにより、式（６）は、式（８）のよう
に変形される。

【００２４】

【数８】

【００２５】これを式（３）に代入すると、円筒型コン
デンサの静電容量Ｃは、軸変位量ａの関数として表さ
れ、式（９）のようになる。

【００２６】

【数９】

【００２７】式（９）をグラフ化すると、図２のように
なる。従って、主軸１１とハウジング１３とが接触しな
いように設定した軸変位量の限界値Ａoに応じて、式
（９）または図２により静電容量の閾値Ｃoを定めるこ
とが可能となる。尚、図３、図４に示すように、軸変位
量の限界値Ａoを、主軸１１の先端部分に設けられる円
筒状の電極５１および主軸１１間の静電容量で検出する
場合、電極５１の高さ寸法Ｌ’と主軸１１の全体長さ寸
法Ｌとの比を考慮すれば、上述と同様の考え方で軸変位
量Ａoに対する静電容量の閾値Ｃo’を設定できる。

【００２８】このような本発明によれば、主軸状態検出
装置が主軸と隙間を設けて配置された電極を有している
ので、これらを電極と主軸とから構成されるコンデンサ
と見立ててセンサの一部として利用することが可能とな
り、従来技術で説明したように、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、主軸とハウジングとの接触を防止す
ることが可能となる。また、ハウジングと電気的に絶縁
された電極によりこれらの相対変位を検出しているの
で、空気軸受式工作機械の構造によらず、簡単にシステ
ムを構築することが可能となる。

【００２９】

【００３０】すなわち、前述の第１発明を構成する空気
軸受式工作機械では、主軸およびハウジング間の隙間が
小さく設定されているので、隙間の変化量も微小であ
り、これに伴い、円筒型コンデンサにおいて検出される
静電容量の変化も小さい値となる。従って、主軸および
電極と、主軸およびハウジングとから構成される２つの
コンデンサをブリッジ回路のインピーダンスとし、この
ブリッジ回路の電圧平衡状態を測定すれば、上記２つの
コンデンサの静電容量変化を明瞭に確認することが可能
となり、軸変位量、すなわち主軸とハウジングとの相対
変位を高精度に検出することが可能となる。

【００３１】

【００３２】また、第２発明によれば、第１発明と同様
に、ブリッジ回路の電圧平衡状態を利用してコンデンサ
の静電容量変化を検出しているので、上述と同様に静電
容量の変化を明瞭に確認することが可能となるうえ、ブ
リッジ回路が主軸、第１電極、第２電極による２つのコ
ンデンサを含んで構成されているので、ハウジングと工
作機械本体との電気的な絶縁状態を考慮することなく、
静電容量の変化を検出することが可能となる。従って、
従来より使用されている工作機械に対しても、本発明に
係る主軸状態検出装置を簡単に設置することが可能とな
り、当該装置の利用範囲は大幅に拡大される。

【００３３】さらに、上述した空気軸受式工作機械の主
軸状態検出装置には、静電容量検出手段により検出され
る静電容量が所定の閾値を超えると、ハウジングおよび
主軸が接触していると判定して警報を発する判定手段が
設けられているのが好ましい。すなわち、このような判
定手段が設けられていれば、空気軸受式工作機械が数値
制御装置等により制御されている場合、工作機械を停止
させる等の制御信号を数値制御装置に出力することが可
能となり、空気軸受式工作機械の自動制御化が促進され
る。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を、
図面に基づいて説明する。 （１）工作機械の基本構成 図３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。なお、主軸ヘッド１０とコラム５との間
には絶縁材１０１が介装され、主軸ヘッド１０はコラム
５、ベース２、テーブル４等から構成される工作機械本
体に対して電気的に絶縁されている。

【００３５】主軸ヘッド１０とテーブル４とは図示しな
い移動機構等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。

【００３６】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１
２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１
７、１８を備えている。

【００３７】これらの空気静圧軸受部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。ここで、主軸１１が正常
な状態にあるとき、主軸１１とハウジング１３とは非接
触であり、互いに電気的に絶縁された状態となる。な
お、被加工物３が金属製の場合、主軸１１は工具１２お
よび被加工物３を介しテーブル４、ベース２、コラム５
と電気的に導通状態となる。

【００３８】（２）第１実施形態に係る主軸状態検出装
置の構成 このような工作機械１には、静電容量検出式の主軸状態
検出装置５０が設置されている。主軸状態検出装置５０
は、前記主軸１１の先端部分を囲む円筒状の電極５１
と、主軸１１および電極５１間の静電容量を検出するこ
とにより、主軸１１およびハウジング１３間の接触状態
を検出する静電容量検出手段６１と、静電容量検出手段
６１により検出された静電容量に応じて、前記ＮＣ装置
２０に警報信号を出力する判定手段７１とを備えてい
る。

【００３９】前記電極５１はアルミ製の円筒部材であ
り、図４に示すように、ハウジング１３に対してアクリ
ル樹脂製のスペーサ５２を介して取り付けられ、ハウジ
ング１３に対して電気的に絶縁され、ケーブル５３によ
って後述する静電容量検出回路６２と電気的に接続され
ている。同様に、工作機械本体と電気的に絶縁されたハ
ウジング１３もケーブル５４により静電容量検出回路６
２と電気的に接続される。従って、互いに電気的に絶縁
された主軸１１、ハウジング１３、電極５１は、電極５
１および主軸１１から構成されるコンデンサＣ１と、ハ
ウジング１３および主軸１１から構成されるコンデンサ
Ｃ２とに見立てることができ、これら２つのコンデンサ
Ｃ１、Ｃ２は、主軸１１を介して互いに直列接続される
こととなる。

【００４０】前記静電容量検出手段６１は、静電容量検
出回路６２と、信号増幅回路６３とから構成されてい
る。静電容量検出回路６２は、図５に示すように、上述
した２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を含んで構成されるブ
リッジ回路６２１と、このブリッジ回路６２１に印加電
圧を供給する発振器６２２とを備えている。

【００４１】ブリッジ回路６２１は、２つのコンデンサ
Ｃ１、Ｃ２と並列に接続されかつ互いに直列接続される
２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２を有し、コンデンサＣ１、Ｃ２
と、抵抗Ｒ１、Ｒ２との接続部分には、配線６２３、６
２４が設けられている。前記発振器６２２は、この配線
６２３、６２４と接続されてブリッジ回路６２１に電圧
Ｅを印加している。尚、発振器６２２の周波数は、外部
雑音の影響を受けにくい周波数帯域で設定するのが好ま
しく、例えば、１０kHz程度に設定しておくのが好まし
い。

【００４２】一方、コンデンサＣ１およびコンデンサＣ
２の接続部分と、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の接続部分と
には、出力配線６２５、６２６が設けられ、この出力配
線６２５、６２６は、信号増幅回路６３を構成するフィ
ルタ６３１に接続され、ブリッジ回路６２１に電圧不平
衡状態が生じた場合、出力配線６２５、６２６から電圧
出力信号Ｖｏが出力される。このブリッジ回路６２１に
おいて、電圧出力信号Ｖｏは、コンデンサＣ１、Ｃ２の
インピーダンスをＺc1、Ｚc2として、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ
２の抵抗値をＲ１、Ｒ２とすると、式（１０）のように
表される。

【００４３】

【数１０】

【００４４】そして、コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量
をＣ１、Ｃ２とすると、平衡条件は、式（１１）の場合
に成立する。

【００４５】

【数１１】

【００４６】信号増幅回路６３は、静電容量検出回路６
２からの電圧出力信号Ｖｏを、フィルタ６３１、アンプ
６３２、整流器６３３、変換器６３４により増幅、変換
して判定手段７１に出力するものである。フィルタ６３
１は、カットオフ周波数を発振器６２２の周波数と一致
させたバンドパスフィルタであり、これにより、電圧出
力信号Ｖｏの外部雑音が除去される。変換器６３４は、
この電圧出力信号Ｖｏに基づいて式（１０）、（１１）
により、上述したコンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量の変
化Ｃxを演算して出力するものであり、その出力信号Ｃx
は、判定手段７１に出力される。

【００４７】判定手段７１は、図３に示すように、比較
回路７２、警報回路７３から構成されている。比較回路
７２は、図３では図示を略したが、静電容量検出手段６
１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
算出された静電容量の閾値Ｃoを、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。演
算部による比較結果は警報回路７３に送られ、出力信号
Ｃxが閾値Ｃoを超えた場合、警報回路７３は、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。

【００４８】次に、上述した主軸状態検出装置５０の設
定、動作について説明する。 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７１に入力する。 被加工物３を載置しない状態、すなわち、主軸１１
の中立状態において、工作機械１を動作させる。 静電容量検出回路６２のスイッチを入れ、発振器６
２２からブリッジ回路６２１に電圧Ｅを印加して、中立
状態におけるブリッジ回路６２１の電圧平衡状態を確保
する。尚、この場合、ブリッジ回路６２１を構成する抵
抗Ｒ１、Ｒ２のいずれか（図３では抵抗Ｒ１）に可変抵
抗を採用し、この可変抵抗の抵抗値を変更することによ
り、電圧平衡状態を確保することができる。

【００４９】 主軸１１の中立状態における電圧平衡
状態が確保された後、ＮＣ装置２０により主軸１１を停
止させ、被加工物３をテーブル４上に載置し、加工プロ
グラムをＮＣ装置２０に入力して加工を開始する。 加工中、静電容量検出手段６１は、主軸１１および
ハウジング１３間、主軸１１および電極５１間の静電容
量である出力信号Ｃxを常時検出し、判定手段７１に送
信する。 比較回路７２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７３か
ら制御信号Ｓ１をＮＣ装置２０に出力し、主軸１１の回
転を停止させる。

【００５０】（３）第１実施形態の効果 前述のような第１実施形態によれば、次のような効果が
ある。すなわち、主軸状態検出装置５０が主軸１１と隙
間を設けて配置された電極５１を有しているので、これ
らを電極５１と主軸１１とから構成されるコンデンサＣ
１と見立ててセンサの一部として利用することができ、
このような空気軸受式工作機械１において多数のセンサ
を配置する必要がなく、簡素な構成で主軸１１の三次元
的な動きを監視することができる。

【００５１】また、ハウジング１３と電気的に絶縁さ
れ、かつ主軸１１の先端部分近傍に設けられた電極５１
により、ハウジング１３および主軸１１の相対変位を検
出しているので、工作機械１の構造、仕様によらず簡単
にシステムを設置することができ、とりわけ、工作機械
１の設置後、後付的にシステムを設置することができ
る。さらに、静電容量検出手段６１がブリッジ回路６２
１を有し、このブリッジ回路６２１が主軸１１、ハウジ
ング１３、電極５１から構成されるコンデンサＣ１、Ｃ
２を含んで構成されているので、このブリッジ回路６２
１の電圧平衡状態を監視するだけで、主軸１１及びハウ
ジング１３の相対変位を確認することができる。

【００５２】そして、このようなブリッジ回路６２１を
採用しているので、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２の静電
容量変化を明瞭に確認することができる。従って、主軸
１１とハウジング１３との相対変位を高精度に検出する
ことができ、工作機械１の運転効率も大幅に向上する。
また、上述した主軸状態検出装置５０が判定手段７１を
備えているので、ＮＣ装置２０を有する工作機械１にお
いて、静電容量検出手段６１から出力される出力信号Ｃ
xが閾値Ｃoを超えた場合、判定手段７１から制御信号Ｓ
１を出力して工作機械１の動作状態を調節でき、工作機
械１の自動制御化を一層促進することができる。

【００５３】（４）第２実施形態に係る主軸状態検出装
置の構成および効果 次に、本発明の第２実施形態について説明する。尚、以
下の説明では、既に説明した部材又は部分と同一又は類
似の部材等については、その説明を省略又は簡略する。
前述の第１実施形態に係る主軸状態検出装置５０には、
静電容量を検出するための電極５１は、１つしか設けら
れておらず、ブリッジ回路６２１は、主軸１１および電
極５１から構成されるコンデンサＣ１と、主軸１１およ
びハウジング１３から構成されるコンデンサＣ２とを含
んで構成されていた。

【００５４】これに対して、第２実施形態に係る主軸状
態検出装置は、図６に示すように、ハウジング１３にス
ペーサ５２を介して取り付けられた第１実施形態と同様
の第１電極５１と、この第１電極５１の下部にスペーサ
５２を介して第１電極５１と電気的に絶縁されて取り付
けられた第２電極８１とを備えている点が相違する。こ
の第２電極８１は、第１電極５１と同様のアルミ製の円
筒体であり、ケーブル５５によって、第１実施形態で説
明した静電容量検出手段６１と電気的に接続されてい
る。また、第２電極８１は、スペーサ５２により、第１
電極５１およびハウジング１３と電気的に絶縁されてい
る。

【００５５】そして、第１電極５１および第２電極８１
により、主軸１１および第１電極５１とから構成される
コンデンサＣ１と、主軸１１および第２電極８１とから
構成されるコンデンサＣ３とが形成され、これらのコン
デンサＣ１、Ｃ３が第１実施形態で述べた静電容量検出
回路６２のブリッジ回路のインピーダンスとして用いら
れている。尚、これ以外の部材又は部分等は、前述の第
１実施形態と同様の構造を有するので、その説明を省略
する。

【００５６】このような第２実施形態に係る主軸状態検
出装置によれば、前述の第１実施形態で述べた効果に加
えて、次のような効果を有する。すなわち、ブリッジ回
路の電圧平衡を利用した静電容量の検出を工作機械に別
途取り付けられる第１電極５１および第２電極８１によ
り行っているので、工作機械本体とハウジング１３との
電気的絶縁を考慮することなく、主軸１１と電極５１、
８１との間の静電容量の変化を検出し、主軸１１とハウ
ジング１３との相対変位を検出することができる。従っ
て、従来より使用されている工作機械に対しても本発明
に係る主軸状態検出装置を簡単に設置することができ、
当該装置の利用範囲を大幅に拡大することができる。

【００５７】（５）実施形態の変形 尚、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、前述の第１実施形態では、主軸状態検出装置５０
は、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を備え、これらのコン
デンサＣ１、Ｃ２をインピーダンスとしてブリッジ回路
６２１を形成し、この電圧平衡状態を検出することによ
り、コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量を検出していた。

【００５８】しかしながら、これに限らず、例えば、工
作機械本体とハウジング１３との電気的絶縁が確保され
ない場合であっても、電極５１および主軸１１から構成
されるコンデンサＣ１のみの静電容量を検出して、主軸
１１とハウジング１３との相対変位を検出するような主
軸状態検出装置であってもよい。尚、この場合、静電容
量検出手段は、電極５１とハウジング１３と電気的に導
通された工作機械本体との間に印加電圧が生じるよう
に、ケーブル等を接続すればよい。

【００５９】また、前述の第１および第２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
制御されていたが、これに限らず、静電容量検出手段に
より出力される静電容量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空気軸受式工作機械
であってもよい。さらに、前述の第１および第２実施形
態では、ブリッジ回路６２１の電圧平衡状態によってコ
ンデンサＣ１〜Ｃ３の静電容量を検出していたが、検出
できる静電容量の大きさ、フィルタ、アンプの性能に応
じて他の方法を用いて静電容量を検出してもよい。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。

【００６０】

【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、主軸と隙間を設けて
配置された電極を有しているので、この電極と主軸とか
ら構成されるコンデンサと見立ててセンサの一部として
利用することが可能となり、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る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を説明するための模式図である。

【図２】軸変位量と静電容量との相関を表すグラフであ
る。

【図３】本発明の第１実施形態に係る主軸状態検出装置
を備えた空気軸受式工作機械を表す模式図である。

【図４】前記実施形態における主軸の先端部分の拡大模
式図である。

【図５】前記実施形態における静電容量検出手段の構成
を表す模式図である。

【図６】本発明の第２実施形態に係る主軸状態検出装置
の要部を表す図４に相当する模式図である。

【図７】従来技術における主軸およびハウジングの接触
状態を監視するシステムの構成を表す模式斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 工作機械 １１ 主軸 １３ ハウジング ５０ 主軸状態検出装置 ５１、８１ 電極 ６１ 静電容量検出手段 ７１ 判定手段 ６２１ ブリッジ回路 Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊本 聰 静岡県沼津市大岡2068の３ 東芝機械株 式会社 沼津事業所内 (56)参考文献 特開 平９−285944（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−172632（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−82691（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−156091（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 17/00 - 23/00

Claims (3)

(57)【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
   の接触状態を検出する空気軸受式工作機械の主軸状態検
   出装置であって、 前記主軸と隙間を設けて配置され、かつ前記ハウジング
   に対して電気的に絶縁された電極と、この電極および前
   記主軸間の静電容量を検出する静電容量検出手段とを備
   え、前記工作機械は前記ハウジングが当該工作機械の本体に
   対して電気的に絶縁され、 前記主軸および前記電極から構成されるコンデンサと、
   前記主軸および前記ハウジングから構成されるコンデン
   サとが前記主軸を介して互いに直列接続され、 前記静電
   容量検出手段は、これら２つのコンデンサを含んで構成
   されるブリッジ回路を備え、 前記主軸および前記ハウジング間の相対変位は、この静
   電容量検出手段により検出される静電容量の変化により
   検出され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】主軸が空気軸受によりハウジングに支承さ
   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
   の接触状態を検出する空気軸受式工作機械の主軸状態検
   出装置であって、 前記主軸と隙間を設けて配置され、かつ前記ハウジング
   に対して電気的に絶縁された電極と、この電極および前
   記主軸間の静電容量を検出する静電容量検出手段と、前
   記主軸と隙間を設けて配置され、かつ前記ハウジングお
   よび前記電極に対して電気的に絶縁された第２電極とを
   備え、 前記主軸および前記電極から構成されるコンデンサと、
   前記主軸および前記第２電極から構成されるコンデンサ
   とが前記主軸を介して互いに直列接続され、 前記静電容量検出手段は、これら２つのコンデンサを含
   んで構成されるブリッジ回路を備え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、 前記静電容量検出手段により検出される静電容量が所定
   の閾値を超えると、前記ハウジングおよび前記主軸が接
   触していると判定して警報を発する判定手段を備えてい
   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。