JP3833047B2

JP3833047B2 - Data transmission system

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Publication number: JP3833047B2
Application number: JP2000129474A
Authority: JP
Inventors: 孝昌鈴木; 和宏横山; 滋小林
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001312786A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、データ伝送システムに係る。本発明は、特に、回転体の物理量（たとえば、温度、圧力、歪みなど）を回転体に設置した回転ヘッド内でディジタル量とし、このディジタル値を回転体の外部（以下、静止体側と呼ぶ）に光を用いて伝送する非接触光学式データ伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業技術の飛躍的進歩に伴い、転がり軸受主軸を用いた工作機械が近年かなりの高回転域で使用されるようになってきた。ここで、主軸部の熱膨張などによる加工精度の劣化が生じる場合があり、精度が上がるほど熱に対する対処の方法が難しくなってきている。この点を解決するため本発明者らは主軸部の温度を測定し、熱膨張を補正する温度計測システムを提案してきた（横山、鈴木、星名：回転軸における温度情報の光テレメータリングに関する研究（第１報） −高速多チャンネル光テレメータシステムの開発− 精密工学会誌，第62巻，第7号，PP.1009-1014(1996)、小林、鈴木、横山：温度リモートセンシングシステムに関する研究平成11年度電子情報通信学会信越支部大会講演論文集、p.187−p.188、等参照）。
【０００３】
また、ディジタル化したデータを光を用いて伝送する方法については、池崎らの提案と、本発明者の既出願の発明がある（池崎他、「光転送を使用した回転工具の切削抵抗測定」、精密機械、第48巻、第12号、91−96（1982）、池崎他、「光転送を使用した回転工具の切削抵抗測定（第２報）」、精密工学会誌、第53巻、第5号、73−79（1987）参照）、（公開特許公報「特開平９―１５５６９２」（1997）、公開特許公報「特開平９―１６７２９５」（1997）参照）。まず、池崎らの提案では、１対の光学素子（ＬＥＤ、フォトトランジスタ）を用い、数多くのディスクリートな部品（IC、トランジスタなど）を使用している。一方、本発明者が以前に出願した発明では、回転ヘッド上の１組の発光素子と受光素子、および静止ヘッド上の別の１組の発光素子と受光素子（合計４個の素子）を用いてディジタル化したデータの送受信を行う。回転ヘッドは、静止ヘッドからのチャンネル指定を受け、指定されたチャネル番号に相当するデータを静止ヘッドに送信する。
【０００４】
この他、アナログ的な方法としては、光の強度をデータの伝送に用いる北條らの提案（北條他、「光を用いた非接触スリップリングによる回転体の振動計測法」、精密工学会誌、第62巻、第6号、835−839（1996）参照）がある。さらに、同様の技術に関する特許出願としては、立山電子の光テレメータ（特公平４―８８４０（1992）参照）がある。これは、回転ヘッドに電力を非接触で供給できるため、バッテリの保守等の問題が解決されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来より本発明者らが提案した温度計測システム等では、回転側に取り付ける回転ヘッドが回転軸上にあり、かつ回転ヘッドと静止ヘッドが接近していなければならず、工作機械によっては、回転ヘッド、静止ヘッドの設置が困難な場合があった。
【０００６】
池崎らの提案では、回転ヘッドが大型で、消費電力が大きいものとなった。また、本発明者らが以前に出願した発明では、このための回転ヘッド側のハードウェアをすべてディスクリート部品で構成していたので、ハードウェアが複雑で消費電流が大きくなり回転ヘッドが比較的大型であった。また、ひとつのディジタルデータを得るためには、静止ヘッドから回転ヘッドへのチャンネル指令データの伝送および回転ヘッドから静止ヘッドへのデータ伝送という２回のデータ伝送を必要とした。
【０００７】
また、北條らの提案では、設置条件が緩和されているものの、受光素子が複数必要となる。また、数多くのディスクリート部品を必要とするため、池崎らの提案と同様の解決すべき課題がある。さらに、立山電子の光テレメータでは、ディスクリート部品を用いていることと、数多くの発光素子および受光素子を回転軸の周りに対向設置しているため、装置が大型であり、また、回転による遠心力が大きくなるので、超高速回転体への適用が困難となる。
【０００８】
本発明は、以上の点に鑑み、近年飛躍的に発展を遂げたワンチップマイクロコントローラーを用い、ディスクリート部品を極力減らした回転ヘッドを用いることにより、回転ヘッド内の基板数の削減、基板の小型化、電子回路の低消費電流化を図ることを目的とする。また、本発明は、部品数の削減と小型化に伴う遠心力の減少により、高回転域における不具合を生じにくくし、信頼性を著しく向上することを目的とする。また、本発明は、低消費電流化により、バッテリーの小型化を可能とし、回転ヘッドのさらなる小型化を図ることを目的とする。本発明は、回転ヘッド、静止ヘッドが回転軸上にない場合や、接近していない場合でも光学的に非接触で回転体内部の複数箇所の温度をモニタできるデータ伝送システムを提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、たとえば工作機械の構成要素である回転主軸やボールねじの温度をモニタすることができる非接触光学式データ伝送システムを提供することを目的とする。本発明は、光による非接触方式を用いることにより、工作機械の回転が如何に高速であろうともデータの伝送には影響を及ぼさないようにすることを目的とする。さらに、本発明は、モニタした温度データをもとに、主軸やボールねじの熱膨張を推定できるため、この熱膨張をフィードバック制御等によって補正することにより、加工精度を著しく向上することを目的とする。
【００１０】
他の例として、たとえば、振動する物体の物理量をモニタする等の場合、センサ測定部と受信部をケーブルで接続するシステムでは、ケーブルが疲労破壊するが、本発明は、このような点を解消することを目的とする。また、別の例として、たとえば液中にある物体の物理量を透明な隔壁の外部にある受信部へ伝送する等の場合、本発明は、受信部とこれに繋がるケーブルの材質の選定や耐液用のシールなどの特別な対策を不要とし、コストを低減することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では、回転体側に取り付ける送信ヘッドは、ワンチップマイクロコントローラ（マイコン）を使用することにより、小型・低消費電力化・高機能化が図られている。このため、小型・小容量のバッテリを用いて十分実用的な長時間に渡る測定を行うことができる。また、本発明では、バッテリの代わりに電磁誘導による非接触電力供給が可能で、この場合は、スイッチをオンにしている限り常に測定できるので取扱いが非常に容易となっている。本発明では、回転ヘッド側には、1個の発光素子、静止ヘッド側には1個の受光素子を配置し、回転ヘッドから静止ヘッドに向かって一方向に複数チャンネルの物理量を繰り返し伝送できる。本発明では、チャンネルの選定や伝送の詳細な動作は、マイコンにインストールするプログラムで決定することができる。また、受光素子として、テレビのリモコン等で使用されているような受光モジュールを使用することにより、伝送距離を、例えば、数ｍにまで拡大することができ、発光素子と受光モジュール間の設置条件を大幅に緩和できる。
【００１２】
本発明では、一例として、回転ヘッド上の発光素子１個と静止ヘッド上の受光素子１個を用いて１２ビットのディジタルデータを伝送レート６．４kHzで伝送する。また、本発明は、受光素子として、世の中に広く普及し、価格も安価な光変調を用いた受光モジュール（たとえばテレビ・ラジオ用の光リモコン受光モジュール等）を用いることにより、１組の発光素子および受光素子のみで、回転ヘッド上の発光素子と静止ヘッド上の受光素子間の相対位置の制約を大幅に緩和した状態で、データ伝送を実現する。
【００１３】
本発明の解決手段によると、
回転ヘッドから静止ヘッドへデータを光学式に伝送するデータ伝送システムであって、
前記回転ヘッドは、
回転部分に関する物理量を検出する検出部と、
前記検出部により検出された物理量をデジタル化する変換部と、
回転軸又はその近傍に配置され、前記処理部からの信号に従い光信号を出力する発光素子と、
前記回転ヘッド内の各部に電力を供給する電力供給部と、
を備え、
前記静止ヘッドは、
前記回転ヘッドの中心軸の位置又は中心軸から所定の角度以内のずれた位置で、且つ、前記回転ヘッドから受光可能範囲内で離れた位置に配置され、
前記発光素子からの光信号を受光する受光素子と、
前記受光素子からの信号を出力するためのインタフェースと
を備えたデータ伝送システムを提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明に係る非接触光学式データ伝送システムの第１の実施の形態の構成図を示す。このシステムは、対向設置型であり、回転ヘッド１０、静止ヘッド４０、Ｉ／Ｏインタフェース４及びパソコン５を備える。
【００１５】
回転ヘッド１０は、回転軸１１に嵌着されており、回転軸１１は、ハウジング１２内に設けられる。回転軸１１の内径面には例えば温度を測定するための熱電対１、２が測定手段として装着されている。熱電対１、２等の信号は、回転ヘッド１０内の多層プリント基板等で構成される回転側処理部２０に入力されている。回転ヘッド１０の端部には円板３０が設けられており、円板３０の表面には発光素子としての発光ダイオード３１が装着される。回転側処理部２０は、円板３０の裏面等の回転ヘッド１０内に取付けられているバッテリ３によって駆動される。また、回転ヘッド１０の電力は、電磁誘導を用いて非接触式に供給してもよい（詳細は後述）。
【００１６】
一方、回転ヘッド１０に対向するように静止ヘッド４０が配設されており、その対向面には、受光素子としてのフォトダイオード４２が取付けられている。フォトダイオード４２は固定側処理部５０で駆動・処理される。固定側処理部５０は、シリアル／パラレル変換回路やＩ／Ｏインタフェース４を介してパソコン（コンピュータ）５に接続される。
【００１７】
図２及び図３に、発光素子及び受光素子の配置構成図を示す。図２は、図１に相当するものであり、一方、図３は、各素子を中心軸から離れた箇所に配置した場合である。なお、発光素子又は受光素子のいずれか一方を中心軸に配置し、他方を中心軸から離れた箇所に配置してもよい。
【００１８】
図２のような構成において、回転軸１１の回転と一緒に回転ヘッド１０も回転するが、円板３０の中心軸ＣＬの位置にある回転側の発光ダイオード３１と静止ヘッド４０の中心軸ＣＬの位置にあるフォトダイオード４２はいづれも回転軸中心線上にあるので、円板３０が停止していてもいかなる速度で回転していても、回転側の発光ダイオード３１からの光信号を常に一定の強度で受光でき、データ伝送が誤りなく行われる。
【００１９】
また、図３（ａ）のように、固定側中心軸ＣＬに一致しない位置においたフォトダイオード４１を用いても、回転側の発光ダイオード３１は静止ヘッド４０を放射状に照射するため、固定側中心軸ＣＬからの距離が等しい点（例えば、図３（ａ）中円周３３Ａ上の点）では、光の強度は一定又はほぼ一定である。このため、円板３０がいかなる速度で回転しても、固定側フォトダイオード４１は回転側発光ダイオード３１からの光信号を常に一定の強度で受光でき、データ伝送が誤りなく行われる。
【００２０】
このように、回転軸ＣＬ上に、発光ダイオード３１を配置し（図２参照）、固定側中心軸上又はその近傍にフォトダイオード４１又は４２を配置する他にも、逆に図３（ｂ）のように、回転円板上の回転軸ＣＬ上の近傍の３２に発光ダイオード３２を配置し、固定側中心軸上又はその近傍にフォトダイオード４２又は４１を配置しても、データ伝送は可能である。
【００２１】
図４に、回転側処理部２０の構成図を示す。回転側処理部２０は、Ａ／Ｄ変換器２２、マイクロコントローラ２４、送信回路２３、増幅器２０１を備える。マイクロコントローラ２４は、回転ヘッド１０内のワンチップマイクロコントローラ２４にインストールしてあるプログラムが記述する動作シーケンスに基づいて、制御バイトデータＤＴをＡ／Ｄ変換器２２に入力すると共に、制御バイトデータＤＴに対応する同期クロックＣＫを生成してＡ／Ｄ変換器２２に入力するようになっている。制御バイトデータＤＴに基づいて熱電対１、２等の信号は増幅器２０１（２０１１〜２０１ｎ）を経てＡ／Ｄ変換器２２に入力されてシリアルなディジタル測定値に変換され、そのディジタル測定値ＭＳ１が送信回路２３を経て発光ダイオード３１で発光出力される。
【００２２】
図５に、固定側処理部５０の構成図を示す。固定側処理部５０は、受信回路５１、シフトレジスタ５２、マイクロコントローラ５３を備える。固定側処理部５０では、回転側からのシリアルなディジタル測定値ＭＳ１の光信号が、フォトダイオード４２で受光され、受信回路５１を経て測定データＤＴ１が生成される。測定データＤＴ１は、シフトレジスタ５２に入力されると共に、マイクロコントローラ５３に入力されて測定データＤＴ１に基づいて、高周波数（例えば２５０ＫＨｚ）の同期クロックＣＬ１が生成されてシフトレジスタ５２に入力される。シフトレジスタ５２は、同期クロックＣＬ１に同期して、測定データＤＴ１をシリアル／パラレル変換して出力する。シフトレジスタ５２のパラレル出力データ（例えば１２ビット）は、Ｉ／Ｏインタフェース４及びパソコン５のプリンタポート５Ａを経てパソコン５に取り込まれる。
【００２３】
本発明の温度測定・非接触光学式データ伝送システムでは、回転側で得られた測定データをシリアルディジタル光信号に変換し、１組の発光素子と受光素子でディジタル信号を静止側に送信するためノイズにも強く、コンピュータ（パソコン）での処理も整合性が非常に高くなっている。また、本発明でのデータのサンプリングおよび伝送レートは、例えば、６．４kHz（即ち、毎秒６４００個のデータ）を達成しており、信号の送受信上ではいかなる高速回転においても使用が可能である。測定チャンネル数は、回転ヘッドに設置するワンチップマイコンにインストールするプログラムにより、複数にすることも単一にすることも可能である。
【００２４】
次に、図６に、本データ伝送システムを用いたスピンドル装置の構成図を示す。このスピンドル装置は、モ−タビルトインタイプのもであり、回転軸６０の外周に、回転軸６０と一体に回転するロ−タ６１と、ハウジング６２側に固定されるステ−タ６３とを備えたブラシレスモ−タが組み込まれている。回転軸６０は、このようなブラシレスモ−タによって回転される。また、ハウジング６２の軸方向両端側を形成する端部材６４、６５と回転軸６０の先端部及び基端側との間には、それぞれ複数個の転がり軸受６６、６７が取り付けられている。そして、回転軸６０には、各転がり軸受６６、６７の内輪が接する位置とロ−タ６１の取り付け端の位置に、軸線に直交して延びる貫通穴６８、６９が形成されている。各貫通穴６８、６９の外周面には熱電対１が配置され、その配線１Ａは回転軸６０の中空部に配線され、回転軸６０の先端に取り付けられた回転ヘッド１０に接続されている。尚、熱電対１を、回転軸６０の中心にあけられた穴の内面のひとつ又は複数箇所の温度を測定するように配置することもできる。
【００２５】
更に、図７に、ボ−ルネジ装置の構成図を示す。ネジ軸９０の中心線方向の中空部の内面の複数箇所には熱電対の高温接点９２が設置され、その配線９２Ａはネジ軸９０の中空部を通して端部の回転ヘッド１０に接続されている。ネジ軸９０はサポ−ト軸受９３、９４に支持され、他端のプ−リ９５でベルト、モ−タを介して回転駆動される。又は、９５の位置に継手を介して固定したサーボモータで直接回転駆動される。ネジ軸９０にはネジナット９７が螺合されており、ネジナット９７はスライドテ−ブルのハウジング９６に結合されている。この装置では、熱電対９２の測定による温度分布からネジ軸９０の熱膨張を求め、これに基づいて例えば座標原点補正又はピッチ誤差補正又はＮＣ命令を補正することにより、加工精度を向上することが可能である。また、熱電対９２は、ネジ軸９０の中心線に垂直方向に穴９１をあけて配置するようにしても良い。
【００２６】
このように、上述の各実施の形態のスピンドル装置又はボ−ルネジ装置によれば、回転ヘッドから静止ヘッドに向けて光信号がデイジタル伝送されるため、ノイズに強く、回転軸のいかなる回転速度においても光信号による送受信が確実に行われるので、回転軸の軸方向における温度分布等の測定や当該測定値に基づく制御が精度良く行われる。また、データの伝送レートは６．４ｋＨｚと高いので、高速の信号伝達ができる。また、シリアル伝送によって、複数デ−タの送受信が１組の発光ダイオ−ド及びフォトダイオ−ドで行うことができるため、システムを小さく、安価にすることができる。
【００２７】
図８に、本発明の非接触光学式データ伝送システムの第２の実施の形態の構成図を示す。第１の実施の形態の場合、発光素子は、例えば、回転軸の中心か、その近傍に設置される。しかし、この位置には、たとえば工具や工具ホルダ固定用のプルスタッドボルトなど他の部品が存在することもある。この場合の対策として、第２の実施の形態では、より発光強度の強い発光素子又は、より感度が高い受光素子を用いることで、設置条件が大幅に緩和された非対向設置型のシステム（アライメントフリーシステム）が構成できる。
【００２８】
非対向設置型のデータ伝送システムは、回転ヘッド１１０、静止ヘッド１２０、スピンドル１３０、信号処理回路１４０、パソコン１５０を備える。このシステムでは、スピンドル１３０の内部に検出部として温度センサを挿入し、スピンドル１３０の温度を計測する。この計測した温度のディジタル値を光を用いて非接触で回転ヘッド１１０から静止ヘッド１２０へ光学式に伝送しパソコン１５０に取りこむ。このとき、回転ヘッド１１０上の発光素子（ＬＥＤ等）は、回転軸の中心あるいはその近傍に設置する必要はない。また静止ヘッド１２０も回転軸の中心あるいはその近傍に設置する必要はなく、たとえば、システムから離れた位置に設置したり、壁などに掛けておくだけで使用する事ができる。ただし、回転ヘッド１１０と静止ヘッド１２０が離れている（例：数ｍ等）場合、光データを数ｍ先の静止ヘッド１２０側へ送信する際には、外乱光と信号を分離するため、伝送信号に対して周波数変調等の適宜の変調をかけて回転ヘッド１１０から静止ヘッド１２０へ信号を伝送するとよい。また回転ヘッド１１０側の温度センサ、駆動部等、光データを送出するために必要な構成部への電力供給は、回転ヘッド１１０側の内部に設置されたバッテリで供給したり、静止側と固定側とに電力伝送用コイルをさらに設けることで電磁誘導等により非接触で電力を供給したり（その一例を後述）、また、回転ヘッド１１０の外周部等の適宜の位置に設置した太陽電池等により供給することができる。
【００２９】
図９に、光学素子の配置の説明図を示す。図（ａ）は、第１の実施の形態における回転ヘッド、静止ヘッドの配置である。このシステムではデータ伝送を高速で行い、電磁誘導による電力供給を行える反面、両ヘッドを同一軸上にかつ近接して配置する必要があり、システムの設置条件に制約がある。一方、第２の実施の形態では、静止側にテレビ等のリモコンで使用される赤外リモコン受信モジュールを使用するため、図（ｂ）のように回転ヘッドと静止ヘッドが回転軸上にない場合や、回転ヘッドと静止ヘッドが接近していない場合でも通信できるなど、システムの設置条件は大きく緩和されている。回転ヘッド１１０と静止ヘッド１２０との間隔は、例えば１ｍ以上と長く設定することができる。
【００３０】
図１０に、第２の実施の形態における本発明のデータ伝送システムの信号処理についての構成図を示す。図中、回転軸１６０、回転ヘッド１１０、静止ヘッド１２０、信号処理回路１４０及びパソコン１５０が示される。回転軸１６０は、熱電対１６１を有する。回転ヘッド１１０は、熱電対起電力増幅回路１１１、Ａ／Ｄ変換回路１１２、マイコン（処理部）１１３、発光素子としてのＬＥＤ１１４、電力供給部としてのバッテリ１１５を備える。静止ヘッド１２０は、フォトＩＣ等の受光素子を含む受光モジュール１２１を有する。信号処理回路１４０は、シリアル／パラレル変換回路１４１を含む。センサ（検出部）としては、一例として、温度を電気信号に変換する熱電対１６１が使用されている。マイコン１１３はバースト波発生、測定指令・設定などの機能を持たせることができる。
【００３１】
熱電対１６１で得られた起電力は、熱電対起電力増幅回路１１１を通して増幅され、Ａ／Ｄ変換回路１１２へ入力される。Ａ／Ｄ変換回路１１２は、アナログデータを例えば、１２ビットのデジタルデータに変換する。このデジタルデータは、例えば、３８ｋＨｚのバースト波に変換され、ＬＥＤ１１４を介してシリアルなディジタルデータとして静止ヘッド１２０の赤外リモコン受信モジュール１２１へ送信される。赤外リモコン受信モジュール１２１は、一例として、ＬＥＤ１１４が光っていれば、Ｈ（Ｈｉｇｈ）レベルの信号を、ＬＥＤ１１４が光っていないときはＬ（Ｌｏｗ）レベルの信号を出力する。
【００３２】
静止ヘッド１２０側へ送られた光データは、赤外リモコン受光モジュール１２１で電気信号となり、信号処理回路１４０内のシリアル／パラレル変換回路１４１でパラレルデータに変換されてパソコン１５０に取りこまれる。データの伝送レートが遅い場合は、パソコン１５０内でソフトウェアによりシリアル／パラレル変換処理を行うことができ、この場合、シリアル／パラレル変換回路１４１は省略でき、装置が簡単になる。また、熱電対起電力増幅回路１１１、Ａ／Ｄ変換回路１１２、マイコン１１３、ＬＥＤ１１４等への電力供給は、回転ヘッド１１０内部に挿入されたバッテリ１１５で行うことができる。さらに、回転ヘッド１１０側に太陽電池を設けてもよい。
【００３３】
このシステムでは、回転体内部の複数箇所の温度測定ができる為、順次連続的に送られてくる測定データと測定箇所の関連付けを行う必要がある。そこで、例えば、一連の送信データ群の間に空き時間を設け、この空き時間の有無を検出するなどして、データ群の先頭を検出し、測定データと測定箇所の関連付けを行うことができる。
【００３４】
ここで、図１１に、信号伝送方法についての説明図を示す。赤外リモコン受信モジュールのように受光素子を用いた場合、ＨレベルからＬレベルへの遷移などデータの遷移にの生ずることがある、遅れる（図（ａ）参照）。そのため、高速のデータ伝送を行おうとすると、送信データのＬレベルの間隔によっては、すべてＨレベルのデータが出力される場合がある（図（ｂ）参照）。この点を解決するため、Ｈレベルの信号を送るときＬＥＤ１１４は、元の信号よりも短いパルス幅の信号を印加送する（図（ｃ）参照）。このため、たとえば、Ａ／Ｄ変換結果で１が来た時に１０、０が来たときに００を送るようにマイコンがコード変換する。また、４５５ｋHz等の適宜の周波数で変調（バースト波による変調又は他の変調）がかけられ、ＬＥＤ１１４に入力されるようにしてもよい。
【００３５】
図１２に、リモコン用赤外LEDの順電流 If 対通信可能距離 Lの特性図を示す。距離Ｌは１ｍ以上の間隔でも十分通信可能であった。
【００３６】
図１３に、回転ヘッドと静止ヘッドの間の角度 θ 対通信可能距離 Lの特性図を示す。比較的指向性の強いLED（例、半値角±23.5°）を用い、図９（ｂ）のように、回転ヘッドと静止ヘッドをθの傾きで設置した。この例では、θ＝９０°の場合でも、50ｃｍの距離まで通信ができることがわかった。
【００３７】
図１４に、電磁誘導を用いた電力供給部を備えたデータ伝送システムの構成図を示す。この例では、回転軸１１０と静止ヘッド１２０が中心軸上に対向しているものを示す。
【００３８】
図１５に電磁誘導を用いた電力供給部を備えたデータ伝送システムの信号処理についての構成を示す。この図では、図１０におけるバッテリ１１５の代わりに定電圧回路１１７が設けられ、さらに、励磁回路１４２、電力伝送用コイル１１６及び１２２が設けられる。その他、同一番号を付した部分は図１０と同様である。
【００３９】
パソコン１５０から励磁回路１４２へ指令され、励磁回路１４２により電力伝送用コイル１２２が励磁される。回転ヘッド１１０の電力伝送用コイル１１６に伝わった電磁エネルギーは定電圧回路１１７で直流定電圧制御されＡ／Ｄ変換回路１１２及び熱電対起電力増幅回路１１１等に電力を供給する。Ａ／Ｄ変換回路１１２は指定されたチャンネルの熱起電力を１２ビットシリアルデータに変換する。このデータはＬＥＤ１１４を介して静止ヘッド１２０に光学式に伝送される。これをフォトＩＣ等の受光素子１２１で受信してシリアル／パラレル変換回路１４１を通し、パラレルデータとしてパソコン１５０に取り込む。なお、この例では、受光モジュール１２１が回転軸で電力伝送用コイル１２２の中心付近に配置されたが、図８のように配置しても良い。発光素子であるＬＥＤも電力伝送用コイル１１６の中心又は回転軸の中心以外の適宜の位置に配置することができる。
【００４０】
さらに、本発明では、マイコンの各種機能を利用することにより、以下のようなシステムの高機能化を実現できる。
【００４１】
（１）たとえば、本発明において、マイコンのオートパワーオフ機能を利用する事により、消費電流をさらに抑制し、バッテリ駆動の場合のバッテリ寿命を長くし、これに伴う連続計測時間を長くできる。
【００４２】
（２）本発明において、電気的書き込み・消去可能なE²−PROM内蔵型を使用し、回転ヘッドのケース部分にプログラム信号入力用の端子を設けておけば、マイコンにインストールするプログラム・測定条件等を変更して動作シーケンスを変更する際に、ケースを分解して回路基板とマイコンを取り出す必要がないので、取り扱いが容易で、故障も生じにくい。
【００４３】
（３）本発明において、マイコンの数値演算機能を用いる事により、計測データを外部に伝送する以前に、回転体内部で処理する事ができる。これにより、ある計測データを基にし、次に計測するデータの順番の変更、あるいは、計測する個所の変更などが可能なシステムを構成する事が可能となる。この効果は、たとえば、複数箇所の温度を計測中に、ある個所で異常な温度上昇が認められた際に、その個所を重点的に計測し、より詳細なデータを収集でいるといったインテリジェント型のリモートセンシングシステムの構築を可能にする。
【００４４】
（４）本発明において、Ａ／Ｄコンバータ内蔵型のマイコンを用いると、プログラムを変更するだけで、測定電圧範囲を変更することが容易になる。マイコンを使用しない場合は、回転ヘッド内の基板を分解し、回路中の抵抗を取り替える必要がある。
【００４５】
（５）また、本発明において、赤外リモコン受光モジュールを用いるシステムでは、通信可能な範囲が７〜８ｍ×半球（２πステラジアン）程度を実現できるので、複数の回転体からの送信データを1個の静止ヘッドで受信できる。この時、複数の回転ヘッドそれぞれに固有のチャンネル番号を付与しておけば、各データがどの回転ヘッドから伝送されたものであるかを判別する事ができる。このチャンネル番号の付与といった動作シーケンスはマイコンのプログラムで容易に実現できる。
【００４６】
（６）上記（５）で述べた複数の回転ヘッドからのデータ識別方法としては、赤外リモコン受光モジュールに送信するデータを変調するために用いるバースト波の周波数を回転ヘッドごとに違えておく方法も考えられる。ここで、バースト波の周波数はマイコンにインストールするプログラムによって容易に変更できる。これにより、回転ヘッドをバースト波の周波数で識別する事が可能となる。
【００４７】
また、発光素子、受光素子は上述以外にも適宜のデバイスを用いることができる。作用波長も赤外以外の可視光、非可視光領域を用いることができる。また、検出部（センサ）として熱電対を例に説明したが、温度、圧力、歪み、速度等適宜の物理量を検出するセンサを用いることができる。さらに、センサは適宜の種類、位置及び数を設置することができ、複数・多種類のデータを伝送することもできる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、上述のように、特に、回転体の測定データを光信号で送受信する装置（光テレメータ）に関するものであり、ディジタルデータ及びその光信号で送受信をするためにノイズに強く、パソコン等のコンピュータとの整合性が極めて高く、伝送レートが高いので測定データの高速光伝送が可能である。また、複数チャネルの信号をシリアル信号として送受信しているので、複数点の測定を行なっても送受信用の発光素子及び受光素子は１組で良い利点がある。このため、装置のコンパクト化が可能であり、回転体にも装置を取付け易く、かなり安価にすることができる。
【００４９】
本発明のスピンドル装置及びボ−ルネジ装置によれば、高速回転する回転体であっても、その複数点での温度等の測定を精度良く、しかも高速で行うことができる。しかも、装置の構造を簡単にすることができるため、コストを低く抑えることができる。
【００５０】
本発明の効果は、第一に従来、ディスクリート（個々の、独立した、分離した）な部品で構成されていた電子回路をマイコンチップで置き換えることにより、回転ヘッドの小型化、低消費電流化、高機能化および高信頼化を図れることである。その結果、回転体や振動体の物理量を正確に静止側へ伝送するシステムを安価に構成する事ができる。回転ヘッドの小型化は、実用化を促進するとともに、遠心力の減少により、超高回転数条件への適用を可能にし、低消費電力化はバッテリーの小型化と、これに伴う回転ヘッドの小型化を可能にする。以上述べたような本発明による（特に、マイコンの使用による）効果の詳細は、以下のようになる。
【００５１】
１．システム構成上の効果：
（１）本発明によると、プリント基板の枚数を減らすことができ、回転ヘッドを小型化できる。従来の場合、例えば、８チャンネル測定用の回転ヘッド内のプリント基板は７枚で、回転ヘッドの全長は約１８０mmであったが、本発明の場合、８チャンネル測定用のプリント基板は３枚で済み、回転ヘッドの全長は７０mmと小型にできるので実用性が向上する。
【００５２】
（２）本発明によると、プリント基板の枚数を減らすことができるので、基板間の配線数が減少し、回転ヘッドの電気配線が極めて簡単になる。また、これに伴い、配線が多い場合必要であった配線工程やはんだ付け工程が簡単になるだけでなく、工程作業中に生ずる、すでに出来上がっている配線やはんだ付け部の不具合発生が減少する。これと同様の不具合発生は、電気回路の修理中にも生ずる可能性が高いので、基板間の配線数が減少すると電気回路の修理中の２次的な不具合発生も減少する。
【００５３】
（３）従来の場合には、かなり多数のディスクリート部品をプリント基板上に配置する必要があり、このためのプリント基板内のパターン設計が複雑になる。一方、本発明の場合には、プリント基板内のパターンの引き回しが減少して簡単になるので、基板の設計と製造にかかるコストが低減される。また、パターンの簡素化により、複数の異なる回路を１枚のプリント基板内に作り込むことが可能になるためプリント基板の共通化が図れ、システム全体の製造コストを低減する効果が期待できる。
【００５４】
（４）従来の場合は、かなりの数のディスクリート部品を基板上に配置するので、部品配置の半径位置が大きくなりがちであり、高回転数の条件下で使用する場合、部品に作用する遠心力が大きくなる。このため、部品と基板のはんだ付けによる接合部などに過大な応力が作用し、不具合や故障、場合によっては破損に至る可能性がある。一方、本発明の場合には、部品点数を著しく低減できるので、マイコンや少数のディスクリート部品を半径位置の小さい範囲あるいは最適な位置に配置でき、数万rpmから十数万rpm等の高回転数の使用条件においても遠心力に基づく不具合や故障、破損の可能性を低減することが期待できる。
【００５５】
２．システム運用上の効果：
（１）本発明によると、ディスクリート部品を著しく削減できるので、回転ヘッドにおける消費電力を大幅に少なくできる。たとえば、従来のシステムでは、５V×（５０〜６０）mAの電力が必要であったが、本発明では、５V×８mAとなった。このため、本発明によると、バッテリ駆動の場合、小型のバッテリで十数時間の計測が可能であり、同時にバッテリの小型化により、回転ヘッドの長さを８チャンネルで７０mmと小型化できた。（システム構成上の利点（１）参照）
【００５６】
（２）マイコンの各種機能を利用することにより、上述のように、システムの高機能化を実現できる。
本発明の効果は、第二に、１組の発光素子と受光素子のみで、設置条件を大幅に緩和したシステムを構築できることである。通常のテレビで使用されている受信モジュールを使用した場合、通信距離は、例えば、７ｍから８ｍ程度にもなり、かつ光学素子を対向設置する必要はなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非接触光学式データ伝送システムの第１の実施の形態の構成図である。
【図２】本発明による発光素子及び受光素子の配置構成図である。
【図３】本発明による発光素子及び受光素子の配置構成図である。
【図４】本発明による回転側処理部２０の構成図である。
【図５】本発明による固定側処理部５０の構成図である。
【図６】本発明によるデータ伝送システムを用いたスピンドル装置の構成図である。
【図７】本発明によるデータ伝送システムを用いたボールネジ装置の構成図である。
【図８】本発明による非接触光学式データ伝送システムの第２の実施の形態の構成図である。
【図９】本発明による光学素子の配置の説明図を示す構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態の信号処理についての構成図である。
【図１１】本発明による第２の実施の形態における信号伝送方法についての説明図を示す構成図である。
【図１２】本発明によるリモコン用赤外LEDの順電流 If 対通信可能距離 Lの特性図を示す構成図である。
【図１３】本発明による回転ヘッドと静止ヘッドの間の角度 θ 対通信可能距離 Lの特性図を示す構成図である。
【図１４】本発明による電磁誘導を用いた電力供給部を備えたデータ伝送システムの構成図である。
【図１５】本発明による電磁誘導を用いた電力供給部を備えたデータ伝送システムの信号処理についての構成図である。
【符号の説明】
１、２、９２熱電対
３バッテリ
４Ｉ／Ｏインタフェース
５パソコン
１０、１１０回転ヘッド
１１、６０回転軸
２０回転側処理部
２２Ａ／Ｄ変換器
２３送信回路
５１受信回路
３１、３２発光ダイオード
４１、４２フォトダイオード
４０、１２０静止ヘッド
５０固定側処理部
５２シフトレジスタ
６１ロ−タ
６２ハウジング
９０ネジ軸
１３０スピンドル
１４０信号処理回路
１５０パソコン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a data transmission system. In the present invention, in particular, the physical quantity (for example, temperature, pressure, strain, etc.) of the rotating body is converted into a digital quantity within the rotating head installed on the rotating body, and this digital value is external to the rotating body (hereinafter referred to as the stationary body side). The present invention relates to a non-contact optical data transmission system that transmits light using light.
[0002]
[Prior art]
With the rapid progress of industrial technology, machine tools using rolling bearing spindles have been used in a considerably high rotation range in recent years. Here, there is a case where processing accuracy is deteriorated due to thermal expansion of the main shaft portion, and as the accuracy increases, a method for dealing with heat becomes more difficult. In order to solve this problem, the present inventors have proposed a temperature measurement system that measures the temperature of the main shaft portion and corrects thermal expansion (Yokoyama, Suzuki, Hoshiname: Research on optical telemetering of temperature information on the rotation axis) (1st report)-Development of high-speed multi-channel optical telemeter system-Journal of Japan Society for Precision Engineering, Vol. 62, No. 7, PP.1009-1014 (1996), Kobayashi, Suzuki, Yokoyama: Research on temperature remote sensing system Annual IEICE Shin-Etsu Branch Conference Proceedings, p.187-p.188, etc.).
[0003]
As for a method of transmitting digitized data using light, there is a proposal of Ikezaki et al. And an invention of the present inventor's application (Ikezaki et al., “Measurement of cutting resistance of a rotating tool using optical transfer”). , Precision Machinery, Vol. 48, No. 12, 91-96 (1982), Ikezaki et al., “Measurement of Cutting Force of Rotating Tools Using Optical Transfer (2nd Report)”, Journal of Precision Engineering, Vol. 53, Vol. No. 5, 73-79 (1987)) (see published patent publication "Japanese Patent Laid-Open No. 9-155632" (1997), published patent publication "Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-167295" (1997)). First, in the proposal by Ikezaki et al., A pair of optical elements (LEDs, phototransistors) are used, and many discrete components (ICs, transistors, etc.) are used. On the other hand, in the invention previously filed by the present inventor, one set of light emitting elements and light receiving elements on the rotating head and another set of light emitting elements and light receiving elements (four elements in total) on the stationary head are used. Send and receive digitized data. The rotary head receives a channel designation from the stationary head and transmits data corresponding to the designated channel number to the stationary head.
[0004]
In addition, as an analog method, the proposal of Hokuto et al. Using light intensity for data transmission (Hokuto et al., “Method of measuring vibration of rotating body by non-contact slip ring using light”, Journal of Precision Engineering, No. 1 62, No. 6, 835-839 (1996)). Further, as a patent application related to the same technology, there is an optical telemeter (see Japanese Patent Publication No. 4-8840 (1992)). This can solve problems such as battery maintenance because electric power can be supplied to the rotary head in a non-contact manner.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the temperature measurement system and the like proposed by the present inventors in the past, the rotating head attached to the rotating side must be on the rotating shaft, and the rotating head and the stationary head must be close to each other. In some cases, it was difficult to install a rotating head and a stationary head.
[0006]
According to the proposal by Ikezaki et al., The rotating head is large and consumes a lot of power. In the invention previously filed by the present inventors, the hardware on the rotating head side for this purpose is composed entirely of discrete parts, so that the hardware is complicated and the current consumption increases and the rotating head is relatively large. Met. In order to obtain one digital data, it is necessary to transmit data twice, that is, transmission of channel command data from the stationary head to the rotating head and data transmission from the rotating head to the stationary head.
[0007]
Also, in the proposal by Hokuto et al., Although the installation conditions are relaxed, a plurality of light receiving elements are required. Moreover, since many discrete parts are required, there are problems to be solved similar to the proposal by Ikezaki et al. In addition, Tateyama Electronics' optical telemeters use discrete components and many light-emitting elements and light-receiving elements are placed opposite to each other around the rotation axis, resulting in a large device and centrifugal force due to rotation. Therefore, it becomes difficult to apply to a super high speed rotating body.
[0008]
In view of the above points, the present invention uses a one-chip microcontroller that has developed dramatically in recent years and uses a rotating head with as few discrete components as possible, thereby reducing the number of substrates in the rotating head and reducing the size of the substrate. The purpose is to reduce current consumption of electronic circuits. Another object of the present invention is to reduce the centrifugal force associated with the reduction in the number of parts and downsizing, thereby making it difficult to cause problems in the high rotation range and significantly improving the reliability. Another object of the present invention is to make it possible to reduce the size of the battery by reducing the current consumption and to further reduce the size of the rotary head. An object of the present invention is to provide a data transmission system capable of monitoring temperatures at a plurality of locations inside a rotating body optically in a non-contact manner even when the rotating head and the stationary head are not on the rotating shaft or are not approaching. And
[0009]
It is another object of the present invention to provide a non-contact optical data transmission system that can monitor the temperature of, for example, a rotating spindle and a ball screw that are components of a machine tool. It is an object of the present invention to prevent the transmission of data from being affected regardless of how fast the machine tool rotates by using a non-contact method using light. Furthermore, the present invention is able to estimate the thermal expansion of the spindle and ball screw based on the monitored temperature data. Therefore, it is an object of the present invention to significantly improve the machining accuracy by correcting this thermal expansion by feedback control or the like. To do.
[0010]
As another example, for example, in the case of monitoring a physical quantity of a vibrating object, in a system in which a sensor measurement unit and a reception unit are connected by a cable, the cable is fatigued, but the present invention eliminates such a point. The purpose is to do. As another example, when the physical quantity of an object in the liquid is transmitted to the receiving unit outside the transparent partition wall, the present invention selects the material of the receiving unit and the cable connected thereto, and the liquid resistance. The purpose is to reduce costs by eliminating the need for special measures such as seals.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the transmission head attached to the rotating body side is reduced in size, power consumption, and functionality by using a one-chip microcontroller (microcomputer). For this reason, it is possible to perform measurement over a sufficiently practical long time using a small and small capacity battery. In the present invention, non-contact power supply by electromagnetic induction can be used instead of a battery. In this case, since measurement can be performed as long as the switch is turned on, handling is very easy. In the present invention, one light emitting element is disposed on the rotating head side, and one light receiving element is disposed on the stationary head side, and physical quantities of a plurality of channels can be repeatedly transmitted in one direction from the rotating head to the stationary head. In the present invention, detailed operation of channel selection and transmission can be determined by a program installed in the microcomputer. Further, by using a light receiving module such as that used in a TV remote control as the light receiving element, the transmission distance can be increased to, for example, several meters, and the installation conditions between the light emitting element and the light receiving module Can be greatly eased.
[0012]
In the present invention, as an example, 12-bit digital data is transmitted at a transmission rate of 6.4 kHz using one light emitting element on the rotary head and one light receiving element on the stationary head. In addition, the present invention uses a light-receiving module (for example, an optical remote control light-receiving module for television / radio) that is widely used as a light-receiving element and that is inexpensive and inexpensive. In addition, the data transmission is realized with only the light receiving element and the restriction on the relative position between the light emitting element on the rotating head and the light receiving element on the stationary head is greatly relaxed.
[0013]
According to the solution of the present invention,
A data transmission system for optically transmitting data from a rotary head to a stationary head,
The rotary head is
A detection unit for detecting a physical quantity related to the rotating part;
A conversion unit for digitizing the physical quantity detected by the detection unit;
A light emitting element that is arranged at or near the rotation axis and outputs an optical signal in accordance with a signal from the processing unit;
A power supply unit for supplying power to each unit in the rotary head;
With
The stationary head is
The position of the central axis of the rotary head or a position shifted from the central axis within a predetermined angle, and a position away from the rotary head within a receivable range,
A light receiving element for receiving an optical signal from the light emitting element;
An interface for outputting a signal from the light receiving element;
A data transmission system comprising:
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a configuration diagram of a first embodiment of a non-contact optical data transmission system according to the present invention. This system is an opposed installation type, and includes a rotary head 10, a stationary head 40, an I / O interface 4, and a personal computer 5.
[0015]
The rotary head 10 is fitted on the rotary shaft 11, and the rotary shaft 11 is provided in the housing 12. For example, thermocouples 1 and 2 for measuring temperature are mounted on the inner diameter surface of the rotating shaft 11 as measuring means. Signals from the thermocouples 1, 2, etc. are input to the rotation-side processing unit 20 constituted by a multilayer printed board or the like in the rotary head 10. A disc 30 is provided at the end of the rotary head 10, and a light emitting diode 31 as a light emitting element is mounted on the surface of the disc 30. The rotation-side processing unit 20 is driven by the battery 3 attached in the rotary head 10 such as the back surface of the disk 30. Further, the electric power of the rotary head 10 may be supplied in a non-contact manner using electromagnetic induction (details will be described later).
[0016]
On the other hand, a stationary head 40 is disposed so as to face the rotating head 10, and a photodiode 42 as a light receiving element is attached to the facing surface. The photodiode 42 is driven and processed by the fixed side processing unit 50. The fixed processing unit 50 is connected to a personal computer (computer) 5 via a serial / parallel conversion circuit and an I / O interface 4.
[0017]
2 and FIG. 3 are arrangement configuration diagrams of the light emitting element and the light receiving element. FIG. 2 corresponds to FIG. 1, while FIG. 3 shows a case where each element is arranged at a location away from the central axis. Note that either the light emitting element or the light receiving element may be disposed on the central axis, and the other may be disposed at a location away from the central axis.
[0018]
In the configuration as shown in FIG. 2, the rotary head 10 rotates together with the rotation of the rotary shaft 11, but the rotation-side light emitting diode 31 at the position of the central axis CL of the disk 30 and the central axis CL of the stationary head 40. Since the photodiodes 42 at the positions are all on the rotation axis center line, the optical signal from the light emitting diode 31 on the rotating side is always at a constant intensity regardless of whether the disk 30 is stopped or rotating at any speed. Can receive light, and data transmission is performed without error.
[0019]
Further, as shown in FIG. 3 (a), even if the photodiode 41 placed at a position that does not coincide with the fixed-side central axis CL is used, the rotating-side light-emitting diode 31 radiates the stationary head 40 radially, so that the fixed-side center At a point where the distance from the axis CL is equal (for example, a point on the circumference 33A in FIG. 3A), the light intensity is constant or almost constant. Therefore, no matter what speed the disk 30 rotates, the fixed photodiode 41 can always receive the optical signal from the rotating light emitting diode 31 with a constant intensity, and data transmission is performed without error.
[0020]
As described above, the light emitting diode 31 is disposed on the rotation axis CL (see FIG. 2), and the photodiode 41 or 42 is disposed on or near the fixed central axis. Thus, even if the light emitting diode 32 is arranged in the vicinity 32 on the rotation axis CL on the rotating disk and the photodiode 42 or 41 is arranged on or near the fixed central axis, data transmission is possible. is there.
[0021]
FIG. 4 shows a configuration diagram of the rotation-side processing unit 20. The rotation side processing unit 20 includes an A / D converter 22, a microcontroller 24, a transmission circuit 23, and an amplifier 201. The microcontroller 24 inputs the control byte data DT to the A / D converter 22 based on the operation sequence described by the program installed in the one-chip microcontroller 24 in the rotary head 10, and also controls the control byte data DT. Is generated and input to the A / D converter 22. Based on the control byte data DT, the signals of the thermocouples 1, 2, etc. are input to the A / D converter 22 through the amplifier 201 (2011-201n) and converted into a serial digital measurement value. Light is emitted from the light emitting diode 31 via the transmission circuit 23.
[0022]
FIG. 5 shows a configuration diagram of the fixed side processing unit 50. The fixed processing unit 50 includes a receiving circuit 51, a shift register 52, and a microcontroller 53. In the fixed-side processing unit 50, the optical signal of the serial digital measurement value MS1 from the rotation side is received by the photodiode 42, and the measurement data DT1 is generated through the reception circuit 51. The measurement data DT1 is input to the shift register 52 and also input to the microcontroller 53, and a high frequency (for example, 250 kHz) synchronous clock CL1 is generated and input to the shift register 52 based on the measurement data DT1. The shift register 52 performs serial / parallel conversion and outputs the measurement data DT1 in synchronization with the synchronization clock CL1. Parallel output data (for example, 12 bits) of the shift register 52 is taken into the personal computer 5 through the I / O interface 4 and the printer port 5A of the personal computer 5.
[0023]
In the temperature measurement / non-contact optical data transmission system of the present invention, the measurement data obtained on the rotating side is converted into a serial digital optical signal, and the digital signal is transmitted to the stationary side by a pair of light emitting element and light receiving element. Resistant to noise, processing on computers (personal computers) is highly consistent. The data sampling and transmission rate in the present invention is, for example, 6.4 kHz (that is, 6400 data per second), and can be used at any high-speed rotation in signal transmission / reception. The number of measurement channels may be plural or may be single according to a program installed in a one-chip microcomputer installed in the rotary head.
[0024]
Next, FIG. 6 shows a configuration diagram of a spindle apparatus using the data transmission system. This spindle device is of a motor built-in type, and includes a rotor 61 that rotates integrally with the rotary shaft 60 and a stator 63 that is fixed to the housing 62 side on the outer periphery of the rotary shaft 60. A brushless motor is incorporated. The rotating shaft 60 is rotated by such a brushless motor. In addition, a plurality of rolling bearings 66 and 67 are attached between the end members 64 and 65 forming both ends in the axial direction of the housing 62 and the distal end portion and the proximal end side of the rotary shaft 60, respectively. The rotating shaft 60 has through holes 68 and 69 extending at right angles to the axis at positions where the inner rings of the rolling bearings 66 and 67 are in contact with the attachment end of the rotor 61. The thermocouple 1 is disposed on the outer peripheral surface of each through hole 68, 69, and the wiring 1 </ b> A is wired in the hollow portion of the rotating shaft 60 and connected to the rotating head 10 attached to the tip of the rotating shaft 60. The thermocouple 1 can also be arranged so as to measure the temperature of one or a plurality of locations on the inner surface of the hole formed in the center of the rotating shaft 60.
[0025]
Further, FIG. 7 shows a configuration diagram of the ball screw device. High temperature contact points 92 of thermocouples are installed at a plurality of locations on the inner surface of the hollow portion in the center line direction of the screw shaft 90, and the wiring 92 </ b> A is connected to the rotary head 10 at the end through the hollow portion of the screw shaft 90. The screw shaft 90 is supported by support bearings 93 and 94, and is rotationally driven by a pulley 95 at the other end via a belt and a motor. Alternatively, it is directly rotated by a servo motor fixed at a position 95 through a joint. A screw nut 97 is screwed onto the screw shaft 90, and the screw nut 97 is coupled to a housing 96 of a slide table. In this apparatus, the thermal expansion of the screw shaft 90 is obtained from the temperature distribution measured by the thermocouple 92, and based on this, for example, the coordinate origin correction, the pitch error correction, or the NC command is corrected, thereby improving the machining accuracy. Is possible. Further, the thermocouple 92 may be arranged with a hole 91 in a direction perpendicular to the center line of the screw shaft 90.
[0026]
As described above, according to the spindle device or the ball screw device of each of the above-described embodiments, since the optical signal is digitally transmitted from the rotary head to the stationary head, it is resistant to noise and at any rotational speed of the rotary shaft. In addition, since transmission / reception with an optical signal is performed reliably, measurement of temperature distribution in the axial direction of the rotating shaft and control based on the measurement value are performed with high accuracy. Further, since the data transmission rate is as high as 6.4 kHz, high-speed signal transmission is possible. Further, since a plurality of data can be transmitted / received by one set of light emitting diode and photodiode by serial transmission, the system can be made small and inexpensive.
[0027]
FIG. 8 shows a configuration diagram of a second embodiment of the non-contact optical data transmission system of the present invention. In the case of the first embodiment, the light emitting element is installed, for example, at the center of the rotating shaft or in the vicinity thereof. However, other parts such as a tool and a pull stud bolt for fixing the tool holder may exist at this position. As a countermeasure in this case, in the second embodiment, a non-facing installation type system (alignment) in which installation conditions are greatly relaxed by using a light emitting element having a higher emission intensity or a light receiving element having a higher sensitivity. Free system) can be configured.
[0028]
The non-opposing data transmission system includes a rotating head 110, a stationary head 120, a spindle 130, a signal processing circuit 140, and a personal computer 150. In this system, a temperature sensor is inserted as a detection unit inside the spindle 130 and the temperature of the spindle 130 is measured. The digital value of the measured temperature is optically transmitted from the rotary head 110 to the stationary head 120 using light without contact, and is taken into the personal computer 150. At this time, the light emitting element (LED or the like) on the rotating head 110 does not need to be installed at the center of the rotating shaft or in the vicinity thereof. Further, the stationary head 120 does not need to be installed at the center of the rotating shaft or in the vicinity thereof, and can be used, for example, by being installed at a position away from the system or hanging on a wall. However, when the rotary head 110 and the stationary head 120 are separated (for example, several meters), when transmitting optical data to the stationary head 120 side several meters away, transmission is performed in order to separate the disturbance light and the signal. The signal may be transmitted from the rotary head 110 to the stationary head 120 by applying appropriate modulation such as frequency modulation to the signal. In addition, the power supply to the components necessary for transmitting optical data, such as the temperature sensor and drive unit on the rotating head 110 side, is supplied by a battery installed inside the rotating head 110 side, or fixed to the stationary side. Further, a power transmission coil is provided on the side to supply power in a non-contact manner by electromagnetic induction or the like (an example thereof will be described later), or a solar cell installed at an appropriate position such as the outer periphery of the rotary head 110 Can be supplied.
[0029]
FIG. 9 is an explanatory diagram of the arrangement of the optical elements. FIG. 1A shows the arrangement of the rotary head and the stationary head in the first embodiment. In this system, data transmission can be performed at high speed and electric power can be supplied by electromagnetic induction. However, both heads must be arranged on the same axis and close to each other, and there are restrictions on the installation conditions of the system. On the other hand, in the second embodiment, an infrared remote control receiving module used in a remote control such as a television is used on the stationary side, so that the rotating head and the stationary head are not on the rotation axis as shown in FIG. In addition, the system installation conditions are greatly relaxed, such as communication is possible even when the rotating head and the stationary head are not close to each other. The interval between the rotary head 110 and the stationary head 120 can be set as long as, for example, 1 m or longer.
[0030]
FIG. 10 shows a block diagram of signal processing of the data transmission system of the present invention in the second embodiment. In the figure, a rotating shaft 160, a rotating head 110, a stationary head 120, a signal processing circuit 140, and a personal computer 150 are shown. The rotating shaft 160 has a thermocouple 161. The rotary head 110 includes a thermocouple electromotive force amplification circuit 111, an A / D conversion circuit 112, a microcomputer (processing unit) 113, an LED 114 as a light emitting element, and a battery 115 as a power supply unit. The stationary head 120 has a light receiving module 121 including a light receiving element such as a photo IC. The signal processing circuit 140 includes a serial / parallel conversion circuit 141. As an example of the sensor (detection unit), a thermocouple 161 that converts a temperature into an electric signal is used. The microcomputer 113 can have functions such as burst wave generation and measurement command / setting.
[0031]
The electromotive force obtained by the thermocouple 161 is amplified through the thermocouple electromotive force amplification circuit 111 and input to the A / D conversion circuit 112. The A / D conversion circuit 112 converts analog data into, for example, 12-bit digital data. This digital data is converted into a 38 kHz burst wave, for example, and transmitted to the infrared remote control receiving module 121 of the stationary head 120 through the LED 114 as serial digital data. For example, the infrared remote control receiving module 121 outputs an H (High) level signal when the LED 114 is lit, and outputs an L (Low) level signal when the LED 114 is not lit.
[0032]
The optical data sent to the stationary head 120 side is converted into parallel data by the serial / parallel conversion circuit 141 in the signal processing circuit 140 and is taken into the personal computer 150 by the infrared remote control light receiving module 121. When the data transmission rate is low, serial / parallel conversion processing can be performed by software in the personal computer 150. In this case, the serial / parallel conversion circuit 141 can be omitted, and the apparatus is simplified. Further, power can be supplied to the thermocouple electromotive force amplification circuit 111, the A / D conversion circuit 112, the microcomputer 113, the LED 114, and the like by a battery 115 inserted into the rotary head 110. Further, a solar cell may be provided on the rotary head 110 side.
[0033]
In this system, since temperature measurement can be performed at a plurality of locations inside the rotating body, it is necessary to associate measurement data and measurement locations that are sequentially sent sequentially. Therefore, for example, by providing a free time between a series of transmission data groups and detecting the presence or absence of this free time, the head of the data group can be detected and the measurement data and the measurement location can be associated.
[0034]
Here, FIG. 11 shows an explanatory diagram of the signal transmission method. When a light receiving element is used as in the infrared remote control receiving module, data transition such as transition from H level to L level may occur or be delayed (see FIG. 1A). Therefore, if high-speed data transmission is performed, all H-level data may be output depending on the L-level interval of the transmission data (see FIG. 5B). In order to solve this point, when sending an H level signal, the LED 114 applies and sends a signal having a shorter pulse width than the original signal (see FIG. 3C). For this reason, for example, the microcomputer performs code conversion so that 10 is sent when 1 comes as an A / D conversion result, and 00 is sent when 0 comes. Further, modulation (modulation by a burst wave or other modulation) may be applied at an appropriate frequency such as 455 kHz and input to the LED 114.
[0035]
FIG. 12 shows a characteristic diagram of the forward current If versus the communicable distance L of the infrared LED for remote control. The distance L was sufficiently communicable even at an interval of 1 m or more.
[0036]
FIG. 13 is a characteristic diagram of the angle θ between the rotary head and the stationary head versus the communicable distance L. A relatively strong LED (for example, half-value angle ± 23.5 °) was used, and a rotating head and a stationary head were installed with an inclination of θ as shown in FIG. 9B. In this example, it was found that communication was possible up to a distance of 50 cm even when θ = 90 °.
[0037]
FIG. 14 shows a configuration diagram of a data transmission system including a power supply unit using electromagnetic induction. In this example, the rotating shaft 110 and the stationary head 120 are opposed to each other on the central axis.
[0038]
FIG. 15 shows a configuration for signal processing of a data transmission system including a power supply unit using electromagnetic induction. In this figure, a constant voltage circuit 117 is provided instead of the battery 115 in FIG. 10, and an excitation circuit 142 and power transmission coils 116 and 122 are further provided. In addition, the part which attached | subjected the same number is the same as that of FIG.
[0039]
A command is sent from the personal computer 150 to the excitation circuit 142, and the power transmission coil 122 is excited by the excitation circuit 142. The electromagnetic energy transmitted to the power transmission coil 116 of the rotary head 110 is DC constant voltage controlled by the constant voltage circuit 117 and supplies power to the A / D conversion circuit 112, the thermocouple electromotive force amplification circuit 111, and the like. The A / D conversion circuit 112 converts the thermoelectromotive force of the designated channel into 12-bit serial data. This data is optically transmitted to the stationary head 120 via the LED 114. This is received by the light receiving element 121 such as a photo IC, and is taken into the personal computer 150 as parallel data through the serial / parallel conversion circuit 141. In this example, the light receiving module 121 is arranged near the center of the power transmission coil 122 on the rotation axis, but may be arranged as shown in FIG. The LED, which is a light emitting element, can also be disposed at an appropriate position other than the center of the power transmission coil 116 or the center of the rotating shaft.
[0040]
Furthermore, in the present invention, the following functions can be enhanced by using various functions of the microcomputer.
[0041]
(1) For example, in the present invention, by using the auto power off function of the microcomputer, current consumption can be further suppressed, the battery life in the case of battery driving can be extended, and the continuous measurement time associated therewith can be extended.
[0042]
(2) In the present invention, E can be electrically written and erased. ² -If a PROM built-in type and a terminal for program signal input is provided in the case part of the rotating head, the case is disassembled when changing the operating sequence by changing the program installed in the microcomputer, measurement conditions, etc. Since there is no need to take out the circuit board and the microcomputer, it is easy to handle and less likely to fail.
[0043]
(3) In the present invention, by using the numerical calculation function of the microcomputer, the measurement data can be processed inside the rotating body before being transmitted to the outside. This makes it possible to configure a system that can change the order of data to be measured next or change the location to be measured based on certain measurement data. This effect can be achieved, for example, by measuring the temperature at multiple locations and, when an abnormal temperature rise is observed at a certain location, focusing on that location and collecting more detailed data. Enables the construction of a remote sensing system.
[0044]
(4) In the present invention, when a microcomputer with a built-in A / D converter is used, it is easy to change the measurement voltage range only by changing the program. When the microcomputer is not used, it is necessary to disassemble the substrate in the rotary head and replace the resistance in the circuit.
[0045]
(5) Further, in the present invention, in the system using the infrared remote control light receiving module, the communicable range can be about 7 to 8 m × hemisphere (2π steradian), so one transmission data from a plurality of rotating bodies is obtained. Can be received by a stationary head. At this time, if a unique channel number is assigned to each of the plurality of rotating heads, it is possible to determine from which rotating head each data is transmitted. The operation sequence such as channel number assignment can be easily realized by a microcomputer program.
[0046]
(6) As a method for identifying data from a plurality of rotating heads described in (5) above, a method of changing the frequency of burst waves used for modulating data to be transmitted to the infrared remote control light receiving module for each rotating head. Is also possible. Here, the frequency of the burst wave can be easily changed by a program installed in the microcomputer. As a result, the rotary head can be identified by the frequency of the burst wave.
[0047]
In addition to the above, appropriate devices can be used for the light emitting element and the light receiving element. As the working wavelength, visible and non-visible light regions other than infrared light can be used. Further, although a thermocouple has been described as an example of the detection unit (sensor), a sensor that detects an appropriate physical quantity such as temperature, pressure, strain, or speed can be used. Furthermore, an appropriate kind, position, and number of sensors can be installed, and a plurality of types of data can be transmitted.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, the present invention particularly relates to a device (optical telemeter) that transmits and receives measurement data of a rotating body with an optical signal, and is resistant to noise because it transmits and receives digital data and the optical signal. Therefore, it is possible to perform high-speed optical transmission of measurement data. Further, since signals of a plurality of channels are transmitted and received as serial signals, there is an advantage that only one set of light emitting and receiving elements for transmission / reception is required even when measurement is performed at a plurality of points. For this reason, the apparatus can be made compact, the apparatus can be easily attached to the rotating body, and the cost can be reduced considerably.
[0049]
According to the spindle device and the ball screw device of the present invention, it is possible to measure the temperature and the like at a plurality of points with high accuracy and at high speed even with a rotating body that rotates at high speed. In addition, since the structure of the apparatus can be simplified, the cost can be kept low.
[0050]
The effects of the present invention are as follows. First, by replacing an electronic circuit, which has conventionally been composed of discrete (individual, independent, separated) parts, with a microcomputer chip, the rotary head can be reduced in size, reduced in current consumption, High functionality and high reliability can be achieved. As a result, a system that accurately transmits the physical quantities of the rotating body and the vibrating body to the stationary side can be configured at low cost. The miniaturization of the rotating head promotes practical use and enables application to ultra-high rotational speed conditions by reducing the centrifugal force. Low power consumption reduces the size of the battery and the accompanying miniaturization of the rotating head. Make it possible. Details of the effects of the present invention as described above (particularly by using a microcomputer) are as follows.
[0051]
1. System configuration effects:
(1) According to the present invention, the number of printed circuit boards can be reduced, and the rotary head can be reduced in size. In the conventional case, for example, there are seven printed circuit boards in the rotary head for 8-channel measurement and the total length of the rotary head is about 180 mm. However, in the present invention, there are three printed circuit boards for 8-channel measurement. The total length of the rotary head can be as small as 70 mm, so the practicality is improved.
[0052]
(2) According to the present invention, since the number of printed boards can be reduced, the number of wirings between the boards is reduced, and the electrical wiring of the rotary head is extremely simplified. In addition, this not only simplifies the wiring process and soldering process which are necessary when there are many wirings, but also reduces the occurrence of defects in the already completed wiring and soldering parts that occur during the process operation. The occurrence of the same trouble as this is highly likely to occur during the repair of the electric circuit. Therefore, when the number of wirings between the boards decreases, the occurrence of a secondary trouble during the repair of the electric circuit also decreases.
[0053]
(3) In the conventional case, it is necessary to arrange a large number of discrete components on the printed circuit board, which complicates the pattern design in the printed circuit board. On the other hand, in the case of the present invention, the routing of the pattern in the printed circuit board is reduced and simplified, so that the cost for designing and manufacturing the board is reduced. Further, by simplifying the pattern, a plurality of different circuits can be formed in one printed board, so that the printed board can be shared, and an effect of reducing the manufacturing cost of the entire system can be expected.
[0054]
(4) In the conventional case, since a considerable number of discrete components are arranged on the board, the radial position of the component arrangement tends to be large, and the centrifugal force acting on the components when used under high rotational speed conditions. Strength increases. For this reason, an excessive stress acts on the joint part by soldering of a component and a board | substrate, and it may lead to a malfunction, a failure, and a damage depending on the case. On the other hand, in the case of the present invention, the number of parts can be remarkably reduced, so that a microcomputer and a small number of discrete parts can be arranged in a small radius range or an optimal position, and a high rotational speed such as tens of thousands rpm to hundreds of thousands rpm. Even under the use conditions, it can be expected to reduce the possibility of malfunctions, breakdowns and breakages based on centrifugal force.
[0055]
2. System operation effects:
(1) According to the present invention, the number of discrete components can be significantly reduced, so that the power consumption in the rotary head can be greatly reduced. For example, in the conventional system, power of 5 V × (50 to 60) mA is necessary, but in the present invention, it becomes 5 V × 8 mA. Therefore, according to the present invention, in the case of battery driving, it is possible to measure for more than ten hours with a small battery, and at the same time, the size of the rotating head can be reduced to 70 mm with 8 channels by downsizing the battery. (Refer to system configuration advantage (1))
[0056]
(2) By using various functions of the microcomputer, it is possible to realize a high-function system as described above.
Secondly, the effect of the present invention is that a system can be constructed in which installation conditions are greatly relaxed with only one set of light emitting element and light receiving element. When a receiving module used in a normal television is used, the communication distance is, for example, about 7 m to 8 m, and there is no need to install optical elements facing each other.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of a non-contact optical data transmission system according to the present invention.
FIG. 2 is a layout diagram of light emitting elements and light receiving elements according to the present invention.
FIG. 3 is an arrangement configuration diagram of light emitting elements and light receiving elements according to the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a rotation side processing unit 20 according to the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a fixed-side processing unit 50 according to the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a spindle apparatus using a data transmission system according to the present invention.
FIG. 7 is a block diagram of a ball screw device using a data transmission system according to the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of a second embodiment of a non-contact optical data transmission system according to the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram showing an explanatory diagram of an arrangement of optical elements according to the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram for signal processing according to the second embodiment of this invention;
FIG. 11 is a configuration diagram illustrating an explanatory diagram of a signal transmission method according to a second embodiment of the present invention.
12 is a structural diagram showing a characteristic diagram of forward current If versus communicable distance L of an infrared LED for remote control according to the present invention. FIG.
13 is a structural diagram showing a characteristic diagram of an angle θ between a rotary head and a stationary head according to the present invention versus a communicable distance L. FIG.
FIG. 14 is a configuration diagram of a data transmission system including a power supply unit using electromagnetic induction according to the present invention.
FIG. 15 is a block diagram of signal processing of a data transmission system including a power supply unit using electromagnetic induction according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2, 92 Thermocouple
3 battery
4 I / O interface
5 PC
10, 110 Rotating head
11, 60 rotation axis
20 Rotation side processor
22 A / D converter
23 Transmitter circuit
51 Receiver circuit
31, 32 Light emitting diode
41, 42 Photodiode
40, 120 stationary head
50 Fixed processing section
52 Shift register
61 rotor
62 Housing
90 Screw shaft
130 spindle
140 Signal processing circuit
150 PC

Claims

A data transmission system for optically transmitting digitized data from a rotating head of a plurality of rotating bodies to one stationary head,
The frequency of the burst wave used for modulating the data to be transmitted is different for each rotary head,
Each of the plurality of rotating heads is
A detection unit for detecting a physical quantity related to the rotating part;
A conversion unit for digitizing the physical quantity detected by the detection unit;
A processing unit that performs code conversion to 10 when the conversion result of the conversion unit is 1 and 00 when 0, and modulates the converted signal with a burst wave of a set frequency;
A light emitting element that is arranged at or near the rotation axis and outputs an optical signal in accordance with a signal from the processing unit;
A signal input terminal for changing a measurement program including a processing program of the processing unit or a change in the order of data to be measured and / or a change in a location to be measured ;
The stationary head is
The position of the central axis of the rotary head or a position shifted from the central axis within a predetermined angle, and a position away from the rotary head within a receivable range,
A light receiving element that receives an optical signal from each light emitting element of the plurality of rotating heads ;
An interface for outputting a signal from the light receiving element ,
The processing unit of the rotary head changes processing or measurement conditions according to the setting from the signal input terminal,
The stationary head is a data transmission system for identifying the rotating head by a burst wave frequency .

  A data transmission system for optically transmitting digitized data from a rotating head of a plurality of rotating bodies to one stationary head,
  A unique channel number is assigned to each of the plurality of rotating heads,
Each of the plurality of rotary heads is
  A detection unit for detecting a physical quantity related to the rotating part;
  A conversion unit for digitizing the physical quantity detected by the detection unit;
  A processing unit that performs code conversion to 10 when the conversion result of the conversion unit is 1 and 00 when the conversion result is 0;
  A light emitting element that is arranged at or near the rotation axis and outputs an optical signal in accordance with a signal and a channel number from the processing unit;
  A processing program of the processing unit, or a signal input terminal for changing measurement conditions including a change in the order of data to be measured and / or a change in a location to be measured;
With
The stationary head is
  The position of the central axis of the rotary head or a position shifted from the central axis within a predetermined angle, and a position away from the rotary head within a receivable range,
  A light receiving element that receives an optical signal from each light emitting element of the plurality of rotating heads;
  An interface for outputting a signal from the light receiving element;
With
  The processing unit of the rotary head changes processing or measurement conditions according to the setting from the signal input terminal,
  The stationary head is a data transmission system for discriminating from which rotating head each data is transmitted according to a channel number.