JP4557792B2 - 距離測定装置及び工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸を有する工作機械において、ツールホルダの装着状態の異常を判定するために、ツールホルダまでの距離を測定する距離測定装置、及びこのような距離測定装置を備える工作機械に関するものであり、特に、マシニングセンタ（以下、「ＭＣ」と略称でいう）のように、ツールホルダを自動的に交換する工作機械において使用される、ツールホルダまでの距離を測定する距離装置に関する。

ＭＣは、加工工程に従って各種工具を自動的に選択し、主軸に自動で装着して多種類の加工を行う装置である。このＭＣにおいて、工具の交換は自動工具交換（ＡＴＣ：オートツールホルダチェンジ）装置で行われる。このＡＴＣ装置は、工具が取り付けられたツールホルダを、工具マガジンから自動で取り出し、主軸に自動で装着する装置である。

図１５は、主軸４へツールホルダ３を装着した状態を示す断面図である。同図に示されるように、ツールホルダ３は、円錐状の嵌合部３Ａを有しており、この嵌合部３Ａを主軸４に形成された円錐状の被嵌合部４Ａに嵌合させて装着される。

この手順は、以下のようになる。軸杆９０を右方に引っ張ることにより、これに伴ってボール保持体９１及びボール９２が移動する。ボール９２の移動により、プルスタッド（ドローイングボルト）９３が引っ張られ、これによって、ツールホルダ３の円錐状の嵌合部３Ａが主軸４の円錐状の被嵌合部４Ａに押し付けられる。この押し付けられた圧力により、嵌合部３Ａが被嵌合部４Ａと密着して装着（チャッキング）がなされる。

図１６は、工具２を把持するツールホルダ３の装着状態を示す説明図である。通常は、ツールホルダ３の装着が適正になされ、同図の（Ａ）に示されるような状態となる。ところが、同図の（Ｂ）に示されるように、この嵌合部分に切り屑９４などが付着すると、軸が曲がって装着される。そして、この状態で加工を行うと、工具２に振れが発生し、ワークの加工精度が低下するという欠点がある。

このようなツールホルダ３のチャックミスの有無を自動で検出する技術として、ツールホルダ３のツールフランジ３Ｂまでの距離を、渦電流センサなどの変位センサにより測定し、この測定データに基づいて、ツールホルダ３の主軸４への装着状態の異常を判定する提案が、本願出願人によりなされている（例えば、下記特許文献１〜４）。

特開２００４−２７６１４５ 特開２００４−４２２０８ 特開２００３−３３４７４２ 特開２００２−２００５４２

上記特許文献１〜４に開示される異常判定方法では、ツールフランジ３Ｂまでの距離に応じて渦電流センサ１０のインダクタンスが変化するので、交流信号を渦電流センサ１０に印可して、この渦電流センサ１０に現れる信号の電圧レベルの変化を検出することにより、ツールフランジ３Ｂまでの距離を測定する。

この渦電流センサ１０は、コイルで構成され主にインダクタンス成分を有する電気的素子であるが、抵抗成分や容量成分も含まれ、この抵抗成分及び容量成分が測定を行う環境などによって変動する。例えば、渦電流センサ１０により渦電流を生じる検査対象物内部の導電率の変動は、渦電流センサ１０の抵抗成分に影響を与え、また、渦電流センサ１０と検査対象物との間に存在する水分などの誘電体は、渦電流センサ１０の容量成分に影響を与える。

これら抵抗成分や容量成分の変動は、渦電流センサ１０に現れる信号の電圧レベルに変動をもたらすが、必ずしも測定対象までの距離の変化には起因しないので、測定結果の精度低下の原因となる。しかしながら、従来の測定方法では、このような測定環境により変動する渦電流センサ１０の抵抗成分や容量成分の変動を考慮していなかった。

上記の問題点に鑑みて、本発明は、渦電流センサ１０のような、被測定対象物との距離に応じてインダクタンスが変化する変位センサに現れる信号レベルを検出して、前記被測定対象物との距離を測定する距離測定装置において、高精度な距離測定を実現可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、異なる周波数の交流信号を変位センサに印加して、変位センサに現れる信号レベルを検出し、それぞれ検出した信号レベルの違いから、変位センサのインピーダンスを測定する。そして、この取り出されたインピーダンスに基づき、被測定対象物との距離を算出する。

すなわち、本発明の第１形態に係る距離測定装置は、被測定対象物との距離に応じてインダクタンスが変化する変位センサを備え、駆動信号が印加された変位センサに現れる信号レベルを検出して被測定対象物との距離を測定する。この距離測定装置は、変位センサに駆動信号を供給する発振回路であって供給する駆動信号の周波数を可変とする発振回路と、駆動信号の周波数を可変とすることにより変位センサに現れる信号レベルの違いから、変位センサのインピーダンスを抽出するインピーダンス測定手段と、抽出されたインピーダンスに基づき、被測定対象物との距離を測定する距離算出手段と、を備えて構成される。

変位センサに印加される駆動信号の周波数が変化することにより、その周波数における変位センサの抵抗成分などのインピーダンスが変化するため、インピーダンス測定手段は、このインピーダンスの変化に応じた信号レベルの違いから変位センサのインピーダンスを抽出する。

インピーダンス測定手段によるインピーダンスの測定は、発振回路の供給交流信号の周波数を変更して、複数の周波数の交流信号を順次変位センサに供給し、このときに変位センサに現れる各々の信号レベルから、所定の算出方法に従って変位センサのインピーダンスを算出することとしてよい。

このとき、発振回路は複数の周波数の駆動信号を重畳させて変位センサに供給し、インピーダンス測定手段は、変位センサに現れる各々の周波数の信号をそれぞれ抽出して、それぞれの信号レベルから変位センサのインピーダンスを算出することとしてよい。そして、発振回路が供給する駆動信号には、直流信号が含まれることとしてもよい。

インピーダンス測定手段は、発振回路により変位センサに供給される駆動信号の周波数を掃引し、駆動信号の周波数変化に対する、変位センサに現れる信号レベルの変化から、所定の算出方法に従って変位センサのインピーダンスを算出することとしてもよい。
上記の変位センサに渦電流センサを使用することが可能である。

また、本発明による距離測定装置を、変位センサに接続されて、変位センサとともに共振回路を成すためのインピーダンス回路であって、その内部インピーダンス定数が制御信号（コントロール信号）によって調整可能なインピーダンス回路と、インピーダンス回路の内部インピーダンス定数を調整する制御信号を出力するインピーダンス調整回路と、を備えて構成してもよい。
これにより変位センサが含まれるアナログ回路を、共振状態で使用して、測定を要する全ての周波数にて変位センサの検出分解能を高めることが可能である。すなわち、インピーダンス調整回路は、変位センサとインピーダンス回路とから成る回路が、共振回路となるように調整することとしてよい。なお、上記インピーダンス調整回路は、上記インピーダンス回路の内部インピーダンス抵抗をディジタル制御してもよく、またはインピーダンス調整回路を同等の機能を有するアナログ回路で構成して、アナログ制御してもよい。

このとき、インピーダンス調整回路は、変位センサに現れる信号レベルを検出しながらインピーダンス回路の内部インピーダンス定数を調整して、内部インピーダンス定数の変化に対する信号レベルの変化率を所定の範囲内の値とするように調整するか、変位センサに現れる信号レベルが最大値又は最小値となるように調整する。変位センサに現れる信号レベルが最大値及び最小値のいずれとなるように調整するかは、変位センサとインピーダンス回路とから成る回路の回路構成に因る。
このとき、インピーダンス調整回路は、変位センサに現れる信号レベルを検出しながらインピーダンス回路の内部インピーダンス定数を調整して、変位センサに現れる信号レベルが所定の範囲内の値となるように調整してもよい。
また、インピーダンス回路を、容量値が上記制御信号によって調整可能な可変容量素子を備えて構成してもよい。

また、本発明の第２形態に係る工作機械は、回転駆動する主軸と、工具が取り付けられるツールホルダと、を備え、該ツールホルダが装着される前記主軸を回転駆動させてワークを加工する工作機械であって、上記第１形態に係る距離測定装置によって、前記主軸に装着した前記ツールホルダのフランジ外周面までの距離を測定して、前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定する。

本発明により、変位センサに現れる信号レベルから、変位センサのインダクタンス成分のみを抽出して測定することが可能となる。これにより変位センサの抵抗成分や容量成分が測定結果に及ぼす影響を除去し、高精度な距離測定を実現可能とする。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明に係る工作機械の第１実施例の概略構成図である。
工作機械１は、工具（ツール）２が取り付けられたツールホルダ３を装着するための主軸４と、ツールホルダ３のツールフランジ３Ｂの外周面との距離を測定するための変位センサ１０と、変位センサに交流の駆動信号（励磁信号）を供給するためのアンプユニット２０と、を備える。

アンプユニット２０は、変位センサ１０により得られた信号からツールフランジ３Ｂの外周面との距離を測定する動作を行うマイコン８０と、マイコン８０上で動作するプログラムや、このプログラムの実行のために使用される各種データや、その他作業データ等を保持するためのメモリ８１と、を備える。
さらに、アンプユニット２０は、変位センサ１０に現れる信号レベルを検出するための検波回路７０と、変位センサ１０に交流の駆動信号を供給する発振回路６０が設けられる。

変位センサ１０としては、渦電流センサのような、測定対象との間の距離にしたがってインピーダンスが変化するセンサが使用される（以下、例として、変位センサ１０はインダクタンスが変化する渦電流センサであるとして説明を行う）。変位センサ１０は、主軸４が取り付けられたヘッド５にブラケット６を介して取り付けられる。

発振回路６０は、後述のインダクタンス測定部８２から出力される周波数設定信号に応じて、様々な周波数の駆動信号を渦電流センサ１０に供給できるように、供給する交流電流の周波数を変更することが可能である。

このような発振回路６０としては、周波数や振幅などの交流波形に関する情報を、ディジタル形式の信号で入力することにより、所望の発振波形を出力することが可能なプログラマブル波形発生器のようなディジタル発振回路を使用することとしてよく、又は信号値や符号が周期的に変化するディジタル信号を生成させるディジタル交流信号生成回路と、このディジタル信号をアナログ交流信号に変換するＤＡ変換器（以下「ＤＡＣ」と記す）やディジタルポテンショメータと、により構成してもよい。
また、発振回路６０が生じる交流信号は、正弦波信号、方形波信号、鋸波信号などの様々な交流信号を採用することが可能である。

検波回路７０は、渦電流センサに現れる信号電圧を整流する整流回路７１と、整流された信号の高周波成分を取り除き直流成分を取り出すためのフィルタ回路７２と、フィルタ回路７２を通過したアナログ電圧信号をディジタル信号に変換するためのアナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）７３とを備えて構成されており、渦電流センサ１０に現れる交流の信号電圧の振幅値（又は信号レベル）を示すディジタル信号を生成して、後述のインダクタンス測定部８２へ出力する。

図２に、図１に示すマイコン８０及びメモリ８１によって実現される機能モジュールを示す。これら機能モジュールは、検波回路７０によって検出した上記信号レベルから渦電流センサ１０のインダクタンスを測定するための、本発明に係るインピーダンス測定手段であるインダクタンス測定部８２と、インダクタンス測定部８２によって測定された渦電流センサ１０のインダクタンスに基づき、渦電流センサ１０からツールホルダ３のツールフランジ３Ｂの外周面までの距離を測定する距離算出部８５と、距離算出部８５の測定結果に基づきツールホルダ３の主軸４への装着状態の異常を判定して、工作機械１の動作を司る数値制御（ＮＣ）装置１００へ出力する異常判定部８６と、から成る。

さらに、インダクタンス測定部８２は、アンプユニット２０内の発振回路６０に周波数設定信号を出力する周波数変更部８３と、検波回路７０が検出した渦電流センサ１０に現れる交流の信号電圧の振幅値等から渦電流センサ１０のインダクタンスを算出するインダクタンス算出部８４と、を備えて構成する。

なお図１において、インダクタンス測定部８２、距離算出部８５、及び異常判定部８６を、単一のプロセッシングユニットを備える単一のハードウエア回路により実行される機能モジュールとして示したが、これら構成要素をそれぞれ個別の回路に分けて構成してもよい。さらにこれらの構成要素は、ディジタル回路によって実現されるだけでなく、上記の機能を実現するアナログ回路で構成してもよい。

図３は、インダクタンス測定部８２及び距離算出部８５による距離測定方法の第１例を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、図１に示すインダクタンス測定部８２は、インクリメント変数ｉに１を設定し、次のステップＳ２において、予めメモリ８１に記憶していたｎ個の周波数のうちからその第１番目の周波数ｆ₁を選択し、この周波数ｆ₁を周波数変更部８３に指示する。周波数変更部８３は、この周波数ｆ₁に対応する周波数設定信号を発振回路６０に出力する。これにより発振回路６０は周波数ｆ₁の交流信号を駆動信号として渦電流センサ１０に印加する。

ステップＳ３において、インダクタンス測定部８２は、検波回路７０を介して、周波数ｆ₁の交流信号が印加された渦電流センサ１０に現れる信号の振幅値（又は信号レベル）Ｖ₁を読み込み、その値をメモリ８１に記憶する。
ステップＳ４において、予めメモリ８１に記憶していたｎ個の周波数ｆ_i（ｉ＝１〜ｎ）の全てのそれぞれについて、周波数ｆ_ｉの交流信号を駆動信号として渦電流センサ１０に印加し、そのとき渦電流センサ１０に現れる信号の振幅値等Ｖ_iを測定したか否かを判定する。
その結果、まだ全て測定していない場合には、インクリメント変数ｉに１だけ増加して（ステップＳ６）、記憶していたｎ個の周波数のうちからその第ｉ番目の周波数ｆ_iを選択し、この周波数ｆ_iを周波数変更部８３に指示することにより、渦電流センサ１０に印加する交流信号の周波数をｆ_iに変更する（ステップＳ６）。
そして、予めメモリ８１に記憶していたｎ個の周波数の全てについて、渦電流センサ１０に現れる信号の振幅値Ｖ_iの測定が完了するまで、周波数ｆ_iを掃引（スイープ）させながら、上記ステップＳ３〜Ｓ６を繰り返す。

このように、予めメモリ８１に記憶していたｎ個の周波数の全てについて測定が完了すると、処理はステップＳ７に進み、ここで、インダクタンス測定部８２は、異なる周波数ｆ₁〜ｆ_nの交流信号を印加された、渦電流センサ１０のインダクタンスを測定する。
インダクタンス測定部８２によるインダクタンス計算は、例えば、発振回路６０による交流信号が印加される回路構成に基づいて、この交流信号が印加されたときに、未知のインダクタンスＬ、容量Ｃ及び抵抗Ｒを有する渦電流センサ１０に現れる信号に関する数式を導出して、異なる周波数ｆ₁〜ｆ_nについて測定した渦電流センサ１０に現れる各信号値と、そのときの周波数ｆ₁〜ｆ_nとを、上記数式に代入した連立方程式を解くことによって行うことができる。

例えば、渦電流センサ１０の等価回路を、図４の等化回路図に示すように未知のインダクタンスＬ、容量Ｃ及び抵抗Ｒの直列接続であると仮定し、発振回路６０により、振幅Ｅ_iで、角周波数がω_i（＝２πｆ_i）の交流信号を渦電流センサ１０に印加した場合、センサに振幅値Ｖ₁〜Ｖ_nの信号が現れたとき、次式（１）、

Ｖ_i＝｜ｊω_iＬ＋１／（ｊω_iＣ）＋Ｒ｜×Ｅ_i （ｉ＝１〜ｎ） …（１）

で示される連立方程式を解くことにより、インダクタンスＬ、容量Ｃ及び抵抗Ｒの値を算出することが可能である。

上記算出式は、説明の簡単のため発振回路６０に渦電流センサ１０のみが接続される場合について説明した。実際のアンプユニット２０では、後述するように、渦電流センサ１０が含まれるアナログ回路を共振状態で使用して、渦電流センサ１０の検出分解能を高めるために、渦電流センサ１０と発振回路６０との間に同調用回路４０を接続する。このような場合においても、インダクタンスを算出するための連立方程式を、発振回路６０及び渦電流センサ１０が含まれる回路全体の回路構成に応じて容易に導出できることは、当業者に容易に理解できるであろう。

その後、ステップＳ８において、距離算出部８５は、インダクタンス測定部８２が測定した渦電流センサ１０のインダクタンスに基づいて、渦電流センサ１０からツールフランジ３Ｂの外周面との距離を測定する。
例えば、渦電流センサ１０について予め知られている、ツールフランジ３Ｂと渦電流センサ１０との間の間隔と、そのときのセンサ１０が呈するインダクタンスと、の間の特性式を、メモリ８１に予め保持しておき、距離算出部８５がこの特性式に基づいて距離を算出することとしてよい。
また例えば、ツールフランジ３Ｂとセンサ１０との間の間隔を変えて、そのときのセンサ１０のインダクタンスを予め測定して、その測定結果をテーブル形式などでメモリ８１に保持しておき、これを距離算出部８５が読み出して距離を求めることとしてもよい。

ステップＳ９では、異常判定部８６が、距離算出部８５が測定した渦電流センサ１０からツールフランジ３Ｂの外周面との距離に基づき、ツールホルダ３の主軸４への装着状態の異常を判定する。例えば、異常判定部８６は、測定距離が所定の距離内であるか否かを判断して、ツールホルダ３の装着の有無を判定してもよく、または主軸４を回転させながら測定した距離の変動を検出して、ツールホルダ３の偏心の有無を判定してもよい。

また、図３に示す距離測定方法では、複数の周波数ｆ₁〜ｆ_nの駆動信号を順次渦電流センサ１０に印加したが、これに代えて、上記発振回路６０がこれら複数の周波数ｆ₁〜ｆ_nの信号を重畳した駆動信号を渦電流センサ１０に印加することとしてもよい。
このとき、マイコン８０は、渦電流センサ１０に現れる交流信号をアナログ・ディジタル変換器（図示せず）を介して読み取り、各周波数ｆ₁〜ｆ_nの信号成分をそれぞれ抽出して、各周波数ｆ₁〜ｆ_n成分ごとの信号レベルを求めることにより、異なる周波数ｆ₁〜ｆ_nの交流信号を印加された、渦電流センサ１０のインダクタンスを一度に測定することとしてもよい。

さらに、上記の複数の周波数ｆ₁〜ｆ_nの駆動信号には、直流信号（すなわち周波数ｆ＝０）を含めることとしてもよい。

図５は、インダクタンス測定部８２及び距離算出部８５による距離測定方法の第２例を示すフローチャートである。図５に示す方法では、交流信号の周波数の変化ステップを細かくして、ほぼ無段階に交流信号の周波数を掃引しながら、渦電流センサ１０に現れる信号の振幅を検出する。
まずステップＳ１１において、図１に示すインダクタンス測定部８２は、予め設定された掃引範囲ｆ_s〜ｆ_eの開始周波数ｆ_sに対応する周波数設定信号を、発振回路６０に出力する。これにより発振回路６０は周波数ｆ_sの交流信号を駆動信号として渦電流センサ１０に印加する。

ステップＳ１２において、インダクタンス測定部８２は、検波回路７０を介して、周波数ｆ_sの交流信号が印加された渦電流センサ１０に現れる信号の振幅値（又は信号レベル）Ｖを読み込み、その値をメモリ８１に記憶する。
ステップＳ１３において、上記掃引範囲ｆ_s〜ｆ_eの全てにおいて発振回路６０の発振周波数ｆを掃引したか否かを判定する。

その結果、まだ掃引範囲ｆ_s〜ｆ_eの全てにおいて掃引を完了していない場合には、ステップＳ１４で所定のステップ幅だけ発振回路６０の発振周波数ｆを変更しながらステップＳ１２〜Ｓ１４を繰り返し、発振回路６０の発振周波数ｆを掃引する。
掃引範囲ｆ_s〜ｆ_eの全てにおいて掃引を完了すると、処理はステップＳ１５に進み、ここで、インダクタンス測定部８２は、交流信号の周波数の変化に対する、渦電流センサ１０に現れる信号レベルＶの変化、すなわち微分値ｄＶ／ｄω（ω＝２πｆ）を算出する。

ステップＳ１６において、インダクタンス測定部８２は、上記微分値から所定の算出式にしたがって渦電流センサ１０のインダクタンスを算出する。このような算出式は、上記式（１）のような、発振回路６０による交流信号が印加される回路構成に基づいて導出される、発振回路６０による交流信号が印加されたときに渦電流センサ１０に現れる信号を求める数式を、角周波数ωについて微分することによって導出することができる。
そして導出した算出式に、ステップＳ１５で算出した微分値ｄＶ／ｄωを代入することによって、渦電流センサ１０のインダクタンス成分Ｌを算出することができる。

ステップＳ１７において、距離算出部８５は、インダクタンス測定部８２が測定した渦電流センサ１０のインダクタンスに基づいて、渦電流センサ１０からツールフランジ３Ｂの外周面との距離を測定する。
ステップＳ１８において、異常判定部８６が、距離算出部８５が測定した渦電流センサ１０からツールフランジ３Ｂの外周面との距離に基づき、ツールホルダ３の主軸４への装着状態の異常を判定する。

上述の通り、実際のアンプユニット２０では、渦電流センサ１０が含まれるアナログ回路を共振状態で使用して、渦電流センサ１０の検出分解能を高めるために、渦電流センサ１０と発振回路６０との間に同調用回路４０を接続する。図６は、このような同調用回路４０を備える本発明に係る工作機械の第２実施例の概略構成図である。

図示するとおり、アンプユニット２０は、渦電流センサ１０に交流信号を供給する発振回路６０と、変位センサ１０と発振回路６０との間に接続されて、交流信号に対して渦電流センサ１０とともに共振回路を成すための、本発明に係るインピーダンス回路である同調用回路４０とを、有するセンサ駆動回路２１を、備えている。
図７は、渦電流センサ１０が接続されたセンサ駆動回路２１の第１構成例を示す構成図である。図示する構成例では、同調用回路４０は、発振回路６０及び渦電流センサ１０と並列に接続される可変容量回路Ｃ１と、発振回路６０及び渦電流センサ１０と直列に接続される可変容量回路Ｃ２とを備えている。

同調用回路４０は、渦電流センサ１０に現れる信号の電圧レベルを所望の検出精度で検出するために、渦電流センサ１０と同調用回路４０とからなる回路を、発振回路６０から印可される交流信号（駆動信号）に対して共振させる（同調する）ために用いられる。
そのため、可変容量回路Ｃ１及び可変容量回路Ｃ２は、渦電流センサ１０と同調用回路４０とから成る回路が、発振回路６０が供給する交流信号に対して共振回路となるように適切な容量値に調整される。

例えば、同調用回路４０の可変容量回路Ｃ１と可変容量回路Ｃ２は、渦電流センサ１０の周囲に金属が無い状態にして（すなわちツールフランジ３Ｂの外周面までの距離＝∞の状態にして）、そのときに、渦電流センサ１０に現れる信号の電圧レベルＶが距離に対して最大値または最小値となって共振し、かつそのときの電圧レベルが所望の電圧レベル範囲内となるように、調整される（図８参照）。
なお、調整時は周辺金属が無い状態以外でもよい。例えば所定の金属ブロックを取り付けて調整を行ってもよい。また、調整時の電圧レベルはｄ＝∞時に最大でなくてもよい。例えばあるギャップ時に最大となるように調整してもよい。また、距離や調整容量の微分係数により調整してもよい。さらに、センサ駆動回路２１の内部回路の構成によっては、渦電流センサ１０に現れる信号の電圧レベルＶの調整ポイントを最大値に限らず、最小値やある特定の電圧時としてもよい。

しかし、図１〜図５を参照して上記説明した本発明に係る工作機械１では、インダクタンス測定の際に発振回路６０が供給する交流信号の周波数を掃引するため、周波数変更により渦電流センサ１０の検出分解能が低下してしまう。
そこで、本発明に係る工作機械１におけるアンプユニット２０のセンサ駆動回路２１では、図６及び図７に示すとおり、同調用回路４０の内部インピーダンス定数を自動的に調整するインピーダンス調整回路５０を備えている。

そして、可変容量回路Ｃ１及びＣ２を、これらの素子の外部から入力されるディジタル信号によって、その容量値を制御できるように構成する。
インピーダンス調整部５０は、インダクタンス測定部８２によって発振回路６０の発振周波数が変更されたとき、インダクタンス測定部８２から発振回路６０の発振周波数を取得する。そして取得した発振周波数に応じて、可変容量回路Ｃ１及びＣ２へ出力するディジタル信号の値を変更することにより、これら可変容量回路Ｃ１及びＣ２の各々の容量値を変更する。それにより渦電流センサ１０と同調用回路４０とから成る回路が、常に現在の発振回路６０の発振周波数に対して共振状態になるように、センサ駆動回路２１を調整する。なお、上記同調用回路の可変容量回路Ｃ１及びＣ２は、ディジタル信号だけでなく、アナログ信号によってインピーダンス定数の切り替えを行うように構成されてもよい。

なお、以下の説明において、インピーダンス調整部５０が可変容量回路Ｃ１及びＣ２の容量値を変更するために出力するディジタル信号を、「容量値制御信号」とよぶことがある。容量値をアナログ信号で調整する場合も同様にインピーダンス調整部５０が可変容量回路Ｃ１及びＣ２の容量値を変更するためのアナログ信号を「容量値制御信号」とよぶ。

インピーダンス調整部５０による、発振回路６０の現在の発振周波数に応じた可変容量回路Ｃ１及びＣ２の容量の制御を可能とするために、例えば、インピーダンス調整部５０は、発振回路６０の各発振周波数に対して変位センサ１０と同調用回路４０とから成る回路が共振状態となる可変容量回路Ｃ１及びＣ２の容量の調整値を、発振回路６０の各発振周波数ごとに記憶することとしてもよい。発振回路６０の発振周波数が変更された場合、変更後の周波数に応じて記憶していた可変容量回路Ｃ１及びＣ２の調整値を読み出して、可変容量回路Ｃ１及びＣ２を調整することとしてもよい。
このようなＣ１及びＣ２の容量の値は、以下に説明するフローチャートに従って予め取得して記憶しておくことが可能である。

以下、図９及び図１０を参照して、発振回路６０の各発振周波数ｆ_iに対して、共振状態となる可変容量回路Ｃ１及びＣ２を取得する動作について説明する。ここに、図９は可変容量回路Ｃ１及びＣ２の決定方法のフローチャートであり、図１０は可変容量回路Ｃ１及びＣ２の決定方法の説明図である。

まず、ステップＳ２１において、渦電流センサ１０の周囲に金属がない状態にする。本ステップによりツールフランジ３Ｂの外周面までの距離＝∞の状態が作られる。
次に、ステップＳ２２において、予め設定された掃引範囲ｆ_s〜ｆ_eの開始周波数ｆ_sに対応する周波数設定信号を、発振回路６０に出力する。これにより発振回路６０は周波数ｆ_sの交流信号を渦電流センサ１０に印加する。
この状態で、インピーダンス調整部５０は、電圧測定器５１によって渦電流センサ１０に現れる信号の振幅（または信号レベル）Ｖを測定する（ステップＳ２３）。

ステップＳ２４において、インピーダンス調整部５０は、渦電流センサ１０と同調用回路４０とを含む回路が共振状態にあるか否かを判定する。
例えば、インピーダンス調整部５０は、それまでに可変容量回路Ｃ１を変化させて測定した電圧レベルＶの履歴から、今回測定した電圧レベルＶの値が最大値や最小値であるか否かを判定する（電圧レベルＶの値が最大値及び最小値のいずれであるかを判定するかは、渦電流センサ１０と同調用回路４０とを含む回路の回路構成に因る）。
従って、インピーダンス調整部５０は、可変容量回路Ｃ１を変化させて測定した電圧レベルＶの変化率が所定値以下であるか、予め回路が共振状態にあるときに測定されると予想される電圧レベルＶの変化率の所定範囲であるか否かを判定する。

ステップＳ２４における判定の結果、回路が共振状態にある場合は、処理はステップＳ２６に進み、回路が共振状態にない場合は、ステップＳ２５にて、インピーダンス調整部５０は可変容量回路Ｃ１に容量値指示用のディジタル信号を出力することによりその容量値を変更する。そして回路が共振状態となるまでステップＳ２３〜Ｓ２５を繰り返す。図６は、可変容量回路Ｃ１に伴う電圧レベルＶの変化を示すグラフである。可変容量回路Ｃ１は、上記ステップＳ２３〜Ｓ２５によって回路が共振状態となる場合の容量Ｃｒ１に調整される。

ステップＳ２６において、電圧レベルＶの値が所定の範囲内Ｖｔ１〜Ｖｔ２となるか否かを判定する。ステップＳ２６における判定の結果、電圧レベルＶの値が所定の範囲内Ｖｔ１〜Ｖｔ２となる場合は、処理はステップＳ２８に進む。

電圧レベルＶの値が所定の範囲内にない場合は、インピーダンス調整部５０は、ステップＳ２７にて可変容量回路Ｃ２に容量値指示用のディジタル信号を出力することによりその容量値を変更する。そして電圧レベルＶの値の値が所定の範囲内Ｖｔ１〜Ｖｔ２となるまで、ステップＳ２３〜ステップＳ２７を繰り返す。このとき、可変容量回路Ｃ２の値が変化することにより回路の共振状態が変わるため、可変容量回路Ｃ２の値が変化する度にステップＳ２３〜ステップＳ２５が繰り返される。

なお、ステップＳ２６において、電圧レベルＶの値が所定の範囲内Ｖｔ１〜Ｖｔ２となるか否かを判定する代わりに、それまでに可変容量回路Ｃ２を変化させて測定した電圧レベルＶの履歴から今回測定した電圧レベルＶの値が最大値であるか否かを判定することにより、可変容量回路Ｃ２の変化について電圧レベルＶの値が最大値となるように、可変容量回路Ｃ２を調整してもよい。
あるいは、それまでに可変容量回路Ｃ２を変化させて測定した電圧レベルＶの履歴から今回測定した電圧レベルＶの値が最小値であるか否かを判定することにより、可変容量回路Ｃ２の変化について電圧レベルＶの値が最小値となるように、可変容量回路Ｃ２を調整してもよい。電圧レベルＶの値を最大値及び最小値のいずれに調整するかは、渦電流センサ１０と同調用回路４０とを含む回路の回路構成に因る。

上記ステップＳ２１〜Ｓ２７によって調整が終了した後、ステップＳ２８において、インピーダンス調整部５０は、ステップＳ２３〜Ｓ２７で定めた可変容量回路Ｃ１及びＣ２の値（又は可変容量回路Ｃ１及びＣ２に出力）と、そのときの発振回路６０の発振周波数ｆと、を関連づけて記憶する。

ステップＳ２９において、上記掃引範囲ｆ_s〜ｆ_eの全てにおいて発振回路６０の発振周波数ｆを掃引したか否かを判定する。
その結果、まだ掃引範囲ｆ_s〜ｆ_eの全てにおいて掃引を完了していない場合には、ステップＳ３０で所定のステップ幅だけ発振回路６０の発振周波数を変更しながらステップＳ２２〜Ｓ３０を繰り返し、発振回路６０の発振周波数を掃引する。
このようにして、発振回路６０の掃引範囲ｆ_s〜ｆ_e内の各発振周波数ｆに対して、変位センサ１０と同調用回路４０とから成る回路が共振状態となる可変容量回路Ｃ１及びＣ２を取得する。

またこのとき、掃引範囲ｆ_s〜ｆ_e内のいくつかの周波数においてのみ、共振状態となる可変容量回路Ｃ１及びＣ２を取得することとしてもよい。この場合、いくつかの周波数において取得されたこれら可変容量素子の値に基づいて、他の周波数に共振状態となるこれら可変容量素子の値を予測して算出する。

このような動作を実現するインピーダンス調整部５０は、上記調整アルゴリズムを実現するソフトウェアを実行するためのマイコン並びにソフトウェアや上記Ｃ１、Ｃ２を記憶するためのメモリ素子で構成可能であり、またはこれらを内蔵したマイコンなどによって構成することも可能である。

また、ステップＳ２１において、渦電流センサ１０の周囲に金属がない状態にするのに変えて、渦電流センサ１０から所定の距離に既知の形状の金属を設置するとともに、ステップＳ２３〜Ｓ２５において、可変容量回路Ｃ１を、回路が共振状態となる場合の容量Ｃｒ１に調整する代わりに、可変容量回路Ｃ１を、微分値（ｄＶ／ｄＣ１）が所定の範囲内となる容量Ｃｒ２に調整してもよい（図１０参照）。

このように、インピーダンス調整部５０が、センサ駆動回路２１の同調用回路４０の調整を自動的に行うことにより、インダクタンス測定部８２によって発振回路６０の発信周波数がスイープされても、常に変位センサ１０と同調用回路４０とから成る回路が共振状態に調整される。
なお、図７に示す同調用回路４０の構成は例示であり、これに限定されるものではない。したがって同調用回路４０は、変位センサ１０と発振回路６０との間に接続されて、内部インピーダンス定数の値を調整することにより、発振回路６０が生じる交流信号に対して変位センサ１０とともに共振回路を成すことが可能な回路であればいかなる構成で実現してもよい。

また、図９及び図１０を参照して説明した可変容量回路Ｃ１及びＣ２の取得は、必ずしも変位センサ１０のサンプリングの都度行う必要はない。例えば、異常発生時や、変位センサ１０のサンプリング時間よりも長い所定の時間間隔ごと、もしくは測定環境の変更時などの特定の状況下でのみ行うこととしてよい。

以下、図１１及び図１２を参照して、可変容量回路Ｃ１、Ｃ２を実現する回路構成例を説明する。図１１の（Ａ）は可変容量回路の第１構成例を示す図であり、図１１の（Ｂ）は可変容量回路の第２構成例を示す図であり、図１１の（Ｃ）は可変容量回路の第３構成例を示す図である。また、図１２の（Ａ）は可変容量回路の第４構成例を示す図であり、図１２の（Ｂ）は図１２の（Ａ）の可変誘導素子の第１構成例を示す図であり、図１２の（Ｃ）は図１２の（Ａ）の可変誘導素子の第２構成例を示す図である。

図１１の（Ａ）に示すように、可変容量回路は、並列に接続された複数の容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３…Ｃ１ｎと、これらを選択的に接続するためのアナログスイッチＡＳＷとから構成してよい。このとき、各容量素子の値を例えばＣ１１＝１０ｐＦ、Ｃ１１＝２０ｐＦ、Ｃ１３＝４０ｐＦ…Ｃ１ｎ＝１０×２^(n-1)ｐＦとし、アナログスイッチＡＳＷの各接点のＯＮ／ＯＦＦ動作をインピーダンス調整部５０から出力されるディジタル信号により制御することにより可変容量回路の値をディジタル的に変更することが可能である。

なお、可変容量回路の抵抗成分への影響を低減するために、アナログスイッチＡＳＷには、各接点抵抗が約１０Ω以下の低い抵抗値を有するものを使用することが好適である。ただし、並列に接続される各容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３…Ｃ１ｎのうち、比較的小さな容量値の容量素子に接続される接点については、低い接点抵抗のアナログスイッチを使用しなくともよい。すなわち、大きな容量値の容量素子のみに低い接点抵抗のアナログスイッチを使用することとしてもよい。これは容量が小さければ抵抗値に換算するインピーダンス値が大きくなるため、アナログスイッチＡＳＷの接点抵抗が影響しなくなるためである。また、アナログスイッチＡＳＷには、機械的なリレー素子を用いてもよく、また可変容量回路には値が切り替え可能なキャパシタやインダクタを用いてもよい。

また、可変容量回路は、図１１の（Ｂ）及び（Ｃ）に示すような積分回路を用いた仮想容量回路によっても実現可能である。これらの仮想容量回路では、可変抵抗素子Ｒｖの値をインピーダンス調整部５０によって変更することにより、可変容量回路の容量値を変更することが可能である。

さらに、可変容量回路は、図１２の（Ａ）に示すように容量値固定の容量素子Ｃと、可変誘導素子Ｌｖとを組み合わせて実現することも可能である。可変誘導素子Ｌｖは、図１２の（Ｂ）に示すように、並列に接続された複数の誘導素子Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３…Ｌ１ｎと、これらを選択的に接続するためのアナログスイッチＡＳＷとから構成してよい。アナログスイッチＡＳＷの各接点のＯＮ／ＯＦＦ動作をインピーダンス調整部５０から出力されるディジタル信号により制御することにより可変容量回路の値をディジタル的に変更することが可能となる。
なお、可変誘導回路の抵抗成分への影響を低減するために、アナログスイッチＡＳＷには、各接点抵抗が約１０Ω以下の低い抵抗値を有するものを使用することが好適である。ただし、並列に接続される各容量素子Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３…Ｌ１ｎのうち、比較的大きな値の素子に接続される接点については、低い接点抵抗のアナログスイッチを使用しなくともよい。

また、可変誘導素子Ｌｖは、図１２の（Ｃ）に示すような積分回路を用いた仮想誘導回路によっても実現可能である。これらの仮想誘導回路では、可変抵抗素子Ｒｖの値をインピーダンス調整部５０によって変更することにより、可変誘導素子のインダクタンス値を変更することが可能である。

また、図１１の（Ｂ）及び（Ｃ）、並びに図１２の（Ｃ）において、積分回路に含まれる可変抵抗素子Ｒｖを、ＦＥＴやバイポーラトランジスタやアナログフォトカプラ等のディスクリートデバイスによって実現することとしてよい。図１３は、図１１の（Ｂ）に示す可変容量回路の可変抵抗素子ＲｖにＪＦＥＴを使用した場合の、可変容量回路の第５構成例を示す図である。図１１の（Ｃ）に示す可変容量回路及び図１２の（Ｃ）に示す可変誘導素子においても同様に構成することが可能である。

図１３に示す構成例では、ＪＦＥＴであるディスクリートデバイスＱのゲート電極Ｇに、インピーダンス調整部５０から出力されるディジタル信号に応じた入力信号を印加することにより、ソースＳ−ドレインＤ間の抵抗値を、ディジタル信号に応じて変更することが可能となる。
しかし、このようにディスクリートデバイスを可変抵抗素子として使用する場合には、ディスクリートデバイスの温度などの要因によってその抵抗値が変動しやすく、その影響で可変容量回路の容量値が変動してしまうおそれがある。
したがって、この場合にはアンプユニット２０を図１４に示すように構成し、ディスクリートデバイスの抵抗値の変動を補償する補償回路を設けることが望ましい。

アンプユニット２０の第２構成例を示す構成図である。図１４において、可変容量回路Ｃ１及びＣ２には、図１１の（Ｂ）もしくは（Ｃ）の可変容量回路、又は図１２の（Ｃ）の可変誘導素子を有する可変容量回路が用いられ、その可変抵抗素子Ｒｖには、図１３を参照して説明したようにディスクリートデバイスが使用されている。

また、センサ駆動回路２１には、渦電流センサ１０に印加する交流信号を生成し供給するための第１発振回路６１と、この第１発振回路６１により生成される第１交流信号と異なる周波数の第２交流信号を生成し供給するための第２発振回路６２と、第１交流信号と第２交流信号とを重畳して、この重畳信号を同調用回路４０に供給する重畳回路６３と、をさらに備える。なお、第１発振回路６１及び第２発振回路６２を、プログラマブル波形発生器にて実現することにより、これら第１発振回路６１及び第２発振回路６２を、同一の発振回路にて構成することとしてもよい。

さらに、センサ駆動回路２１には、上記重畳信号をフィルタリングして第１交流信号のみを抽出して渦電流センサ１０に印可するための第１フィルタ回路５２を備え、また第１フィルタ回路５２によるフィルタリング前の重畳信号から第１交流信号のみを抽出して検波回路７０及び上記電圧測定器５１に出力する第２フィルタ回路５３と、を備える。この第２フィルタ回路５３の働きによって、第２交流信号による検波回路７０及び電圧測定器５１の検出電圧への影響が除去される。

さらに、センサ駆動回路２１には、また第１フィルタ回路５２によるフィルタリング前の重畳信号から第２交流信号のみをモニタ信号として抽出する第３フィルタ回路５４を備える。第１フィルタ回路５２及び第３フィルタ回路５４の働きによって、渦電流センサ１０のインダクタンスの変動が、第３フィルタ回路５４から抽出されるモニタ信号に影響を及ぼすことが回避され、モニタ信号の信号電圧レベルは、可変容量回路Ｃ１及びＣ２のインピーダンス定数のみに依存することになる。

そして、抽出されたモニタ信号は、比較器５５及び５６によって、インピーダンス調整部５０から可変容量回路Ｃ１及びＣ２へ出力される容量値制御信号とそれぞれ比較され、この比較結果を示す信号によって、可変容量回路Ｃ１及びＣ２の容量値を変更させる。このように、モニタ信号の信号レベルに基づき、可変容量回路Ｃ１及びＣ２内の可変抵抗素子Ｒｖの抵抗値を増減するフィードバック回路を構成することにより、可変抵抗素子Ｒｖの抵抗値は、可変容量回路Ｃ１及びＣ２のインピーダンス定数が一定となるように制御され、ディスクリートデバイスの抵抗値の変動が補償される。なお、例えば、温度等の外部環境により不必要に抵抗値が変動した場合にも、本回路の構成を用いることにより、ディスクリートデバイスの抵抗値を安定させることができる。
また、重畳する周波数は２つに限られずそれ以上の周波数を重畳してモニタ信号に使用してもよい。

本発明は、回転軸を有する工作機械装置、特に、マシニングセンタ（以下、「ＭＣ」と略称でいう）等のツールホルダを使用する工作機械に好適に利用可能である。

本発明に係る工作機械の第１実施例の概略構成図である。 図１に示すマイコンによって実行される機能モジュールを示す図である。 図１に示すインダクタンス測定部及び距離算出部による距離測定方法の第１例を示すフローチャートである。 図１の渦電流センサの等価回路図である。 図１に示すインダクタンス測定部及び距離算出部による距離測定方法の第２例を示すフローチャートである。 本発明に係る工作機械の第２実施例の概略構成図である。 変位センサが接続された図６のセンサ駆動回路の第１構成例を示す構成図である。 図７に示す同調用回路の好適な調整状態を説明する図である。 可変容量回路Ｃ１及びＣ２の決定方法のフローチャートである。 可変容量回路Ｃ１及びＣ２の決定方法の説明図である。 （Ａ）は可変容量回路の第１構成例を示す図であり、（Ｂ）は可変容量回路の第２構成例を示す図であり、（Ｃ）は可変容量回路の第３構成例を示す図である。 （Ａ）は可変容量回路の第４構成例を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の可変誘導回路の第１構成例を示す図であり、（Ｃ）は（Ａ）の可変誘導回路の第２構成例を示す図である。 可変容量回路の第５構成例を示す図である。 変位センサが接続された図６のセンサ駆動回路の第２構成例を示す構成図である。 ツールホルダの装着状態を示す断面図である。 ツールホルダの装着状態を示す説明図である。

符号の説明

１ 工作機械
２ 工具
３ ツールホルダ
３Ｂ ツールフランジ
４ 主軸
１０ 変位センサ
２０ アンプユニット
２１ センサ駆動回路
７０ 検波回路
８４ インダクタンス測定部
８５ 距離算出部

Claims (13)

1. 被測定対象物との距離に応じてインダクタンスが変化する変位センサを備え、駆動信号が印加された前記変位センサに現れる信号レベルを検出して、前記被測定対象物との距離を測定する距離測定装置において、
   前記変位センサに駆動信号を供給する発振回路と、
   前記発振回路が前記変位センサに供給する前記駆動信号の周波数を変更させる周波数変更手段と、
   複数の周波数の前記駆動信号が供給された前記変位センサにそれぞれ現れる信号レベルに基づき、前記変位センサのインダクタンスを測定するインダクタンス測定手段と、
   測定された前記インダクタンスに基づき、前記被測定対象物との距離を測定する距離算出手段と、を備え、
   前記インダクタンス測定手段は、前記変位センサの等価回路に従って定義される、前記変位センサに現れる信号強度と前記変位センサのインダクタンス、容量及び抵抗との間の関係式に、複数の周波数にて前記変位センサに現れる信号レベルを代入して得られる連立方程式を解くことにより前記インダクタンスを算出するインダクタンス算出手段を含むことを特徴とする距離測定装置。
2. 前記発振回路は、複数の周波数の前記駆動信号を重畳させて前記変位センサに供給することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記発振回路が供給する駆動信号には、直流信号が含まれることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
4. 前記変位センサは、渦電流センサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離測定装置。
5. 前記変位センサに接続されて、前記変位センサとともに共振回路を成すためのインピーダンス回路であって、その内部インピーダンス定数が調整可能なインピーダンス回路と、
   前記インピーダンス回路の内部インピーダンス定数を調整する制御信号を出力するインピーダンス調整回路と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の距離測定装置。
6. 前記制御信号は、ディジタル信号であることを特徴とする請求項５に記載の距離測定装置。
7. 前記インピーダンス調整回路は、前記変位センサと前記インピーダンス回路とから成る回路が、共振回路となるように調整することを特徴とする請求項５又は６に記載の距離測定装置。
8. 前記インピーダンス調整回路は、前記変位センサに現れる信号レベルを検出しながら前記インピーダンス回路の内部インピーダンス定数を調整して、前記内部インピーダンス定数の変化に対する前記信号レベルの変化率を所定の範囲内の値とすることを特徴とする請求項５又は６に記載の距離測定装置。
9. 前記インピーダンス調整回路は、前記変位センサに現れる信号レベルを検出しながら前記インピーダンス回路の内部インピーダンス定数を調整して、前記変位センサに現れる信号レベルを最大値とすることを特徴とする請求項５又は６に記載の距離測定装置。
10. 前記インピーダンス調整回路は、前記変位センサに現れる信号レベルを検出しながら前記インピーダンス回路の内部インピーダンス定数を調整して、前記変位センサに現れる信号レベルを最小値とすることを特徴とする請求項５又は６に記載の距離測定装置。
11. 前記インピーダンス調整回路は、前記変位センサに現れる信号レベルを検出しながら前記インピーダンス回路の内部インピーダンス定数を調整して、前記変位センサに現れる信号レベルを所定の範囲内の値とすることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか一項に記載の距離測定装置。
12. 前記インピーダンス回路は、容量値が前記制御信号によって調整可能な可変容量回路を備える請求項５〜１１のいずれか一項に記載の距離測定装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の距離測定装置と、回転駆動する主軸と、工具が取り付けられるツールホルダと、を備え、該ツールホルダが装着される前記主軸を回転駆動させてワークを加工する工作機械であって、
    前記距離測定装置によって、前記主軸に装着した前記ツールホルダのフランジ外周面までの距離を測定して、前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定することを特徴とする工作機械。

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