JP6918738B2 - センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、センサシステムに関する。

工場では多くの加工装置が稼働しているが、運転時において、加工装置の状態をモニタリングする状態モニタリング技術の改良が進められている。

例えば、加工装置が熱膨張すると、熱変位に伴う加工量のずれが発生するため、加工精度が低下することがある。このような熱膨張による加工精度の低下を抑制するためには、温度センサにより加工装置の温度変化を検出し、検出した温度変化の影響をリアルタイムで加工レシピにフィードバックさせることが有効である。

また、例えば、回転部を備えた加工装置では、回転に伴う回転部の振動が発生することがある。このような振動も、加工精度を低下させる一因となっている。振動による加工精度の低下を抑制するためには、回転部の振動を検出し、検出した振動の影響をリアルタイムで加工レシピにフィードバックさせることが有効である。このように、加工装置では、さまざまな要因が加工精度に影響を与えてしまう。

このため、近年では、加工精度に影響を及ぼすような情報（温度、振動等）を検出する各種センサを備えた加工装置が製品化されており、運転時には、センサにより加工装置の状態がモニタリングされる。

回転部の振動を検出するセンサが設置された加工装置として、例えば、以下に示す特許文献１が開示されている。特許文献１の加工装置には、いわゆるロータリーエンコーダが設置されており、ロータリーエンコーダにより回転物の振動が検出される。具体的には、高速に回転する回転物にセンサ、および計測回路が装着され、検出された回転物の歪みが計測データとして検出される。計測データは、外部計測機器にデジタル伝送される。その際、伝送帯域が数１０ＭＨｚ以上の広帯域の回転に伴う現象を高速および高分解能で計測したデータは、高速回転に影響を受けない伝送方法で外部の非回転計測機器に伝送される。

特開２０１０−６１４８７号公報

特許文献１では、ロータリーエンコーダのシャフトが回転軸に連結されており、当初から振動をセンシングする機能が備わっている。一方、センサが設けられていない加工装置において振動のモニタリングを行うためには、センサを後付けする必要がある。

回転部の振動を正確に検出するためには、加速度センサを回転部に設置することが望ましい。しかし、後付けでセンサを設置すると、遠心力の影響により、正確なデータを取得することが困難である。また、回転座標系で検出されたデータを静止座標系に変換しなければならない。しかし、データ取得時における回転部の回転方位を正確に検出できなければ、静止座標系における正確な加速度データを取得することができない。

図１１は、回転座標系における遠心力の影響を説明する図である。加速度センサ２５５が実装されたボード２５０は、回転ホルダを介して切削加工機の回転基部と接続される。切削加工機の稼働中、ボード２５０及び加速度センサ２５５は、回転ホルダとともに回転運動を行う。このとき、加速度センサにより検出される加速度データには、振動に伴う並進加速度ａ_ｔｒ及び遠心加速度ａ_ｒｏｔが含まれる。

回転座標系（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ，Ｚ_Ｒ）における加速度データ（ａ(Ｘ_Ｒ)，ａ(Ｙ_Ｒ)，ａ(Ｚ_Ｒ)）は、以下の数式により、静止座標系（Ｘ_Ｓ，Ｙ_Ｓ，Ｚ_Ｓ）における並進加速度（ａ_ｔｒ(Ｘ_Ｓ)，ａ_ｔｒ(Ｙ_Ｓ)，ａ_ｔｒ(Ｚ_Ｓ)）へ変換される。なお、θは、データ検出時における回転座標系と静止座標系との角度、すなわち、回転部の回転方位である。

ａ_ｔｒ(Ｘ_Ｓ)＝ａ(Ｘ_Ｒ)cosθ＋[ａ(Ｙ_Ｒ)−ａ_ｒｏｔ]sinθ ・・・（１）
ａ_ｔｒ(Ｙ_Ｓ)＝−ａ(Ｘ_Ｒ)sinθ＋[ａ(Ｙ_Ｒ)−ａ_ｒｏｔ]sinθ ・・・（２）
ａ_ｔｒ(Ｚ_Ｓ)＝ａ(Ｚ_Ｒ) ・・・（３）
数式（１）〜（２）で示されるように、静止座標系に変換された並進加速度ａ_ｔｒ(Ｘ_Ｓ)，ａ_ｔｒ(Ｙ_Ｓ)には、遠心加速度ａ_ｒｏｔ及び角度θが含まれる。このように、静止座標系の並進加速度には、複数の未知数が存在するため、これらの検出精度が静止座標系における並進加速度の検出精度に影響を与える。

そこで、本発明は、センサを後付けしても、回転部の振動を高精度で検出することが可能なセンサシステムを提供することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

本発明の代表的な実施の形態によるセンサシステムは、切削加工機の回転部に設置されるボードと、ボード上に実装される複数の加速度センサと、演算部と、を備えている。演算部は、それぞれの加速度センサにより検出される加速度データに基づき、回転部の移動に伴う並進加速度と、回転部の回転に伴う遠心加速度と、を算出する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、センサを後付けしても、回転部の振動を高精度で検出することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るセンサシステムが設けられた切削加工機の側面図である。 本発明の実施の形態１に係るセンサシステムの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るボードにおけるセンサの配置の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るセンサの配置の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る角度検出ユニットの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る角度検出ユニットの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る角度検出ユニットの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る角度検出ユニットの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態７及び８に係る角度検出ユニットの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態９に係るセンサシステムの要部の一例を示す図である。 回転座標系における遠心力の影響を説明する図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、発明を実施するための最良の形態を説明するための各図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
実施の形態１〜２では、遠心加速度を高精度に検出する方法について説明する。まず、実施の形態１では、２軸の検出軸を有する加速度センサを用いる場合について説明する。

＜切削加工機の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るセンサシステムが設けられた切削加工機の側面図である。図１には、−Ｙ軸側から見たときの切削加工機の側面の様子が示されている。

切削加工機１は、図１に示すように、回転基部２、保護部３、ジョイント部４、回転ホルダ（回転主軸）５、中継ユニット６ａ，６ｂ、ボード５０、切削工具７を備えている。切削加工機１の下方には、ステージ１０が設置されている。ステージ１０には加工対象のワーク１１が載置されており、切削加工機１は、回転する切削工具７によりワーク１１に対し加工を行う。

以下、切削加工機１の構成を説明する。回転基部２は、自身の回転により回転ホルダ５及び切削工具７を回転させる部材である。回転基部２は、円筒形状で鉛直方向（Ｚ軸方向）に延在している。回転基部２は、図示しない駆動モータと接続されている。回転基部２は、駆動モータの回転により、鉛直方向の中心軸を回転軸として回転する。

図１に示すように、回転基部２の下端には、回転ホルダ５を装着する際のジョイント部４の位置決めを行う回転ホルダ装着部２ａが形成されている。回転ホルダ装着部２ａは、回転基部２の下端から上方に向けて幅が狭くなるテーパー状となっている。

保護部３は、回転基部２の周囲を覆うように配置され、回転基部２を保護する部材である。また、保護部３の内部には、各種配線等が配置されてもよい。保護部３は、回転基部２が回転中も静止しており、非回転部を構成する。

ジョイント部４は、回転基部２と回転ホルダ５とを中継する部材である、。ジョイント部４の上部は、図１に示すように、回転ホルダ装着部２ａと対応するテーパー状に形成されている。ジョイント部４は、上部が回転ホルダ装着部２ａに挿入されることにより位置決めされる。一方、ジョイント部４の下部は、例えば円筒形であり、回転ホルダ５を支持する。ジョイント部４の下部は、上部よりも直径が大きい。よって、ジョイント部４は、上部が回転ホルダ装着部２ａに挿入されつつ、下部の上端が回転基部２の下端に当接した状態で取り付けられる。

回転ホルダ５は、ボード５０及び切削工具７を支持する部材である。回転ホルダ５は、例えば、円筒形状であり鉛直方向に延在している。鉛直方向における回転ホルダ５の回転軸は、回転基部２と一致しており、回転ホルダ５は、回転軸を中心に回転する。

回転ホルダ５の下端には、図１に示すように、中継ユニット６ａ、ボード５０、及び中継ユニット６ｂが順次取り付けられている。中継ユニット６ａは、ボード５０を回転ホルダ５に接続する部材である。中継ユニット６ｂは、ボード５０を介して切削工具７を回転ホルダ５に接続する部材である。

ボード５０には、回転ホルダ５又は切削工具７の振動を検出する加速度センサ、温度センサ等の各センサ等が実装されている。中継ユニット６ａ，６ｂ、及びボード５０は、例えば円板状である。また、中継ユニット６ａ，６ｂ、及びボード５０の直径は、回転ホルダとほぼ同一である。センサ等が実装されたボード５０は、後述するセンサシステムの一部を構成する。ボード５０の詳細については後述する。

切削工具７は、回転基部２の回転が回転ホルダ５を介して伝わることで回転しながらワーク１１を切削する工具である。切削工具７は、複数の刃を有する切削刃等である。

動作時に回転する、回転基部２、回転ホルダ５、ボード５０、切削工具７等は、回転部を構成する。

＜センサシステムの構成＞
次に、センサシステムの構成について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係るセンサシステムの構成の一例を示すブロック図である。図３は、本発明の実施の形態１に係るボードにおけるセンサの配置の一例を示す図である。なお、図３では、ボード５０上に加速度センサ５５（５５ａ，５５ｂ）のみ表示されているが、実際には、その他のセンサや、後述する各種回路ブロックが実装されている。

センサシステム１００は、図２に示すように、ボード５０と、給電／通信ユニット６０とを備えている。

ボード５０は、電源回路５１、受電アンテナ５１ａ、キャパシタ５３、加速度センサ５５、信号処理部５７、ＲＦ回路５９、ＲＦ送信アンテナ５９ａを備えている。

ボード５０は、後付けで回転ホルダ５に取り付けられるため、有線での給電は困難である。そこで、本実施の形態においては、給電／通信ユニット６０からボード５０に対し無線で電力が供給される。

受電アンテナ５１ａは、給電／通信ユニット６０から送信される電力を受信し、受信した電力を電源回路５１へ供給する。電源回路５１は、受信した電力をキャパシタ５３へ供給し、キャパシタ５３を充電する。

キャパシタ５３は、電源回路５１から供給される電力を、加速度センサ５５、信号処理部５７及びＲＦ回路５９へ供給する。なお、加速度センサ５５、信号処理部５７及びＲＦ回路５９に供給される電力は、交流でもよいし直流でもよい。加速度センサ５５、信号処理部５７及びＲＦ回路５９は、必要に応じて、直流又は交流への電力変換、電圧や周波数の変調を行ってもよい。なお、電源回路５１において、直流又は交流への電力変換が行われてもよいし、電圧や周波数の変調が行われてもよい。

加速度センサ５５は、加速度を検出し、検出した加速度を加速度データとして出力するセンサである。ボード５０上には、複数の加速度センサ５５が実装される。例えば、図３には、ボード５０上に２個の加速度センサ５５ａ，５５ｂが実装された例が示されているが、３個以上の加速度センサが実装されてもよい。また、ボード５０には、これらの他、図示しない温度センサ等の切削加工機１の状態を検出する各種センサが実装されている。

加速度センサ５５ａ，５５ｂは、例えば、図３に示すように、回転軸を挟んで対称に配置される。言い換えれば、加速度センサ５５ａ，５５ｂは、互いの回転方位が１８０°となる位置に配置される。また、加速度センサ５５ａ，５５ｂは、回転軸からの距離が互いに等しい位置に配置される。このように配置されると、加速度センサ５５ａ，５５ｂにおける遠心加速度ａ_ｒｏｔが互いに逆向きであるので、並進加速度ａ_ｔｒの検出処理が軽減され、処理時間が短縮される。なお、加速度センサの配置は、このような場合に限定されるものではなく、複数の加速度センサが、ボード５０上の任意の位置に配置されてもよい。

本実施の形態では、加速度センサ５５ａ，５５ｂは、複数の検出軸（例えば２軸）を有する。例えば、加速度センサ５５ａは、図３に示すＸ_Ｒ１軸及びＹ_Ｒ１軸方向の加速度ａ(Ｘ_Ｒ１)，ａ(Ｙ_Ｒ１)をそれぞれ検出する。同様に、加速度センサ５５ｂは、図３に示すＸ_Ｒ２軸及びＹ_Ｒ２軸方向の加速度ａ(Ｘ_Ｒ２)，ａ(Ｙ_Ｒ２)を加速度データとしてそれぞれ検出する。それぞれの加速度センサ５５ａ，５５ｂは、検出した加速度データを信号処理部５７へ供給する。

信号処理部５７は、加速度センサ５５やその他のセンサから供給される検出データ（加速データ、温度データ等）の前処理を行う回路ブロックである。信号処理部５７は、例えば、ＭＣＵ（Ｍｅｍｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）や、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等である。信号処理部５７は、例えば、検出データの間引き処理を行い、間引き処理後の検出データをＲＦ回路５９へ供給する。これにより、検出データのデータ量が低減され、処理時間が短縮される。なお、信号処理部５７は、間引き処理後の検出データの圧縮処理を行ってもよい。

ＲＦ回路５９は、信号処理部５７から供給される検出データを、ＲＦ送信アンテナ５９ａを介して送信する。

給電／通信ユニット６０は、ボード５０への給電を行うとともに、センサにより検出される検出データ（加速度データ等）をボード５０から受信するユニットである。給電／通信ユニット６０は、図１に示すように、例えば、保護部３の下端、ステージ１０、加工室壁面２０等の非回転部に設置される。

給電／通信ユニット６０は、図２に示すように、電源回路６１、送電アンテナ６１ａ、ＲＦ回路６３、ＲＦ受信アンテナ６３ａ、信号処理部（演算部、角度検出ユニット）６５を備えている。

電源回路６１は、送電アンテナ６１ａを介し、ボード５０へ向けて電力を送信する。電源回路６１は、図示しない電源と接続され、電源から供給される電力を送信する。

ＲＦ回路６３は、ＲＦ受信アンテナ６３ａを介して、ボード５０の信号処理部５７から送信される検出データを受信する。ＲＦ回路６３は、受信した検出データを信号処理部６５へ供給する。

信号処理部６５は、受信した検出データに対する信号処理を行う回路ブロックである。信号処理部６５は、例えば、検出データに対し、高速フーリエ変換処理（ＦＦＴ処理）やフィルタ処理等の各種処理を行う。また、信号処理部６５は、信号処理後の検出データに基づいて、それぞれの加速度センサ５５ａ，５５ｂで検出された各検出軸の加速度データ（ａ(Ｘ_Ｒ１)，ａ(Ｙ_Ｒ１)，ａ(Ｚ_Ｒ１)），（ａ(Ｘ_Ｒ２)，ａ(Ｙ_Ｒ２)，ａ(Ｚ_Ｒ２)）を検出する。

信号処理部６５は、それぞれの加速度センサ５５（５５ａ，５５ｂ）により検出される加速度データに基づき、回転座標系における、並進加速度ａ_ｔｒと、回転に伴う遠心加速度ａ_ｒｏｔと、を検出する。ここでは、ボード５０上で、加速度センサ５５ａ，５５ｂは、回転軸を挟んで対称に配置されているので、加速度センサ５５ａ，５５ｂが受ける遠心加速度の向きは、互いに逆向きとなる。一方、並進加速度の向きは、加速度センサ５５ａ，５５ｂとも同一である。これらの関係により、回転座標系における並進加速度ａ_ｔｒ(Ｘ_Ｒ１)，ａ_ｔｒ(Ｙ_Ｒ１)、及び遠心加速度ａ_ｒｏｔ(Ｘ_Ｒ１)，ａ_ｒｏｔ(Ｙ_Ｒ１)は、以下の数式で表される。

ａ_ｔｒ(Ｘ_Ｒ１)＝［ａ(Ｘ_Ｒ１)−ａ(Ｘ_Ｒ２)］／２ ・・・（４）
ａ_ｔｒ(Ｙ_Ｒ１)＝［ａ(Ｙ_Ｒ１)−ａ(Ｙ_Ｒ２)］／２ ・・・（５）
ａ_ｒｏｔ(Ｘ_Ｒ１)＝［ａ(Ｘ_Ｒ１)＋ａ(Ｘ_Ｒ２)］／２（＝０） ・・・（６）
ａ_ｒｏｔ(Ｙ_Ｒ１)＝［ａ(Ｙ_Ｒ１)＋ａ(Ｙ_Ｒ２)］／２ ・・・（７）
信号処理部６５は、これらの数式（４）〜（７）で示される関係、及びすでに述べた数式（１）〜（２）の関係に基づいて、静止座標系の並進加速度（ａ_ｔｒ(Ｘ_Ｓ)，ａ_ｔｒ(Ｙ_Ｓ)）を検出する。信号処理部６５は、別途検出される回転座標系と静止座標系との角度θのデータを取得し、取得した角度θに基づいて静止座標系の並進加速度を検出する。

なお、ボード５０上には、回転軸方向（Ｚ軸方向）の検出軸を有する加速度センサ５５が実装されてもよい。これにより、並進加速度をより高精度で検出することが可能となる。

また、図２に示すように、給電／通信ユニット６０は、ＰＣ等の外部装置１８０と接続される。外部装置１８０は、ソフトウェアにより、加速度データの検出（測定）条件の指定や、加速度データ等の各種センサの検出データ、他のセンサにより検出される切削加工機１の状態を表示部に表示する。なお、外部装置１８０が、加速度データの座標変換処理を行ってもよい。これにより、信号処理部６５の負荷が軽減される、給電／通信ユニット６０の消費電力が低減される。

＜本実施の形態による主な効果＞
本実施の形態によれば、回転座標系における遠心加速度の検出精度を向上させることができるので、センサを後付けしても、回転部の振動を高精度で検出することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、互いの加速度センサ５５が、回転部の回転軸を挟んで対称に配置される。この構成によれば、加速度センサ５５ａ，５５ｂが受ける遠心加速度が、逆向きとなるので、遠心加速度の取り扱いが簡略化され、回転座標系における並進加速度の検出精度が向上する。

また、本実施の形態によれば、加速度センサ５５ａ，５５ｂは、回転軸から同一の距離に配置される。この構成によれば、加速度センサ５５ａ，５５ｂが受ける遠心加速度は、大きさが同一、逆向きとなるので、遠心加速度の取り扱いがより簡略化され、回転座標系における並進加速度の検出精度が向上する。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態２では、１軸の検出軸を有する加速度センサを用いる場合について説明する。なお、以下では、前述の実施の形態と重複する箇所については、原則としてその説明を省略する。

図４は、本発明の実施の形態２に係るセンサの配置の一例を示す図である。図４に示すように、ボード５０上には、３個の加速度センサ５５ｃ，５５ｄ，５５ｅが実装されている。それぞれの加速度センサ５５ｃ，５５ｄ，５５ｅは、１軸の検出軸を有し、検出軸が遠心加速度ａ_ｒｏｔに対し角度θ_Ａとなるように配置されている。なお、それぞれの加速度センサ５５ｃ，５５ｄ，５５ｅと、回転軸との距離は既知であるものとする。

ボード５０上には、回転方向の上流側から、加速度センサ５５ｃ，５５ｄ，５５ｅが順に配置されている。加速度センサ５５ｃは、図４では、ボード５０の上部に配置されている。加速度センサ５５ｄは、図４では、ボード５０の右部で、加速度センサ５５ｃに対し９０°回転した方向に配置されている。加速度センサ５５ｅは、図４では、ボード５０の下部で、加速度センサ５５ｃに対し１８０°回転した方向に配置されている。すなわち、加速度センサ５５ｃ，５５ｅは、回転部の回転軸を挟んで対称に配置される。なお、本実施の形態においても、加速度センサの配置は、これに限定されない。

加速度センサ５５ｃの検出軸と、並進加速度ａ_ｔｒとの角度はθ_１である。加速度センサ５５ｄの検出軸と、並進加速度ａ_ｔｒとの角度はθ_１＋９０°である。加速度センサ５５ｄの検出軸と、並進加速度ａ_ｔｒとの角度はθ_１＋１８０°である。このように、本実施の形態では、未知数が３個（遠心加速度、角度θ_１、角度θ）存在するため、少なくとも３個の加速度センサがボード５０上に実装される。

本実施の形態によれば、前述の実施の形態による効果に加え、以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、１軸の検出軸を有する加速度センサが用いられる。この構成によれば、それぞれの加速度センサ５５を小型・軽量化することができる。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３〜７では、回転座標系と静止座標系との角度θを高精度に検出する方法について説明する。まず、実施の形態３では、磁気センサを用いて角度データ（角度θ）を検出する方法について説明する。

図５は、本発明の実施の形態３に係る角度検出ユニットの構成の一例を示す図である。図５（ａ）は、磁石の配置を示す図である。図５（ｂ），（ｃ）は、磁気センサの配置を示すとともに、平面視における磁石と磁気センサとの配置の例を示す図である。図５（ｂ）は、磁場が最も大きい場合に対応しており、磁石７０と磁気センサ７１とが最も近づいた場合を示している。図５（ｃ）は、磁場が最も小さい場合に対応しており、磁石７０と磁気センサ７１とが最も離れた場合を示している。図５（ｄ）は、回転中の磁気センサ７１が受ける磁場の時間変化を示す図である。

角度検出ユニットは、図５（ａ）に示す磁石７０と、図５（ｂ），（ｃ）に示す磁気センサと、を有する。

磁石７０は、図５（ａ）に示すように、保護部３の下方に設置されている。具体的には、保護部３の下端に鉛直方向（Ｚ軸方向）に延在する磁石支持部７０ａが接続され、磁石７０は、磁石支持部７０ａの下端に支持されている。これにより、磁石７０は、非回転部に設置される。図５に示すように、ボード５０付近における磁場の向きは、磁気センサ７１に対し、上方（Ｚ側）から下方（−Ｚ側）に向いている。なお、磁石７０の位置は、このような場合に限定されない。

なお、磁石支持部７０ａの長さは、磁石７０との配置関係を考慮して設定される。例えば、磁石支持部７０ａの長さは、磁石７０がボード５０の直近に配置されるように設定されてもよい。また、ステージ１０やワーク１１の配置関係等を考慮し、磁石支持部７０ａの長さは、図５（ａ）に示すように、磁石７０が磁気センサ７１より上方に配置されるように設定されてもよい。

磁気センサ７１は、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、ボード５０上に実装される。磁気センサ７１には、例えば、１軸の検出軸を有するセンサが用いられる。磁気センサ７１の検出軸は、上方（Ｚ側）から下方（−Ｚ側）に向いている。磁気センサ７１は、磁石７０から発生する磁場に基づいて磁気データを検出する。

例えば、図５（ｂ）に示すように、磁石７０と磁気センサ７１とが最も近づく場合、磁気センサ７１が受ける磁場は最も大きくなる。これは、図５（ｄ）に示す時刻ｔ１０の磁場に対応し、磁気センサ７１は、最も大きい値の磁気データを検出する。一方、図５（ｃ）に示すように、磁石７０と磁気センサ７１とが最も離れる場合、磁気センサ７１が受ける磁場は最も小さくなる。これは、図５（ｄ）に示す時刻ｔ２０の磁場に対応し、磁気センサ７１は、最も小さい値の磁気データを検出する。

角度検出ユニットは、磁気データに基づいて回転部の回転方位を角度データとして検出する。例えば、信号処理部６５は、加速度センサ５５と角度検出ユニットとの配置、及び角度データに基づいて、加速度センサにより検出される加速度データを、回転座標系から静止座標系のデータに変換する。ボード５０上に実装される加速度センサ５５（例えば５５ａ〜５５ｅ）と、磁気センサ７１との配置関係は既知である。

そこで、信号処理部６５は、磁気データから磁気センサの角度（角度データ）を検出し、検出した角度データとセンサ間の配置関係とから加速度センサ５５における、回転座標系と静止座標系との角度（角度データ）θを検出する。

そして、信号処理部６５は、検出した角度θに基づいて、回転座標系の加速度データを静止座標系の加速度データに変換する。このように、信号処理部６５は、並進加速度（ａ_ｔｒ(Ｘ_Ｓ)，ａ_ｔｒ(Ｙ_Ｓ)，ａ_ｔｒ(Ｚ_Ｓ)）を検出する。したがって、信号処理部６５は、角度検出ユニットとしても機能する。

＜本実施の形態における主な効果＞
本実施の形態によれば、回転部の回転方位を高精度で検出することができるので、座標系の変換時における加速度データの誤差が低減される。これにより、センサを後付けしても、回転部の振動を高精度で検出することが可能となる。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。実施の形態４においても、磁気センサを用いて角度データ（角度θ）を検出する方法について説明する。

図６は、本発明の実施の形態４に係る角度検出ユニットの構成の一例を示す図である。図６（ａ）は、磁石の配置を示す図である。図６（ｂ），（ｃ）は、磁気センサの配置を示すとともに、平面視における磁石と磁気センサとの配置の例を示す図である。図６（ｄ）は、回転中の磁気センサ７１が受ける磁場の時間変化を示す図である。

磁石７０は、例えば図６（ａ）に示すように、加工室壁面２０に設置されている。図６に示すように、ボード５０付近における磁場の向きは、＋Ｙ側から−Ｙ側へ向かう方向である。磁気センサ７１の検出軸は、例えば、ＸＹ平面内において、遠心加速度と直交する方向であり、回転方向とは逆方向である。

図６（ｂ）は、磁場が最も大きい場合に対応しており、磁石７０と磁気センサ７１とが、最も近づいた場合を示している。このとき、検出される磁気データは、例えば、図６（ｄ）の時刻ｔ３０に対応している。一方、図６（ｃ）は、磁気センサ７１が、＋Ｙ軸方向の最も高い位置に配置されている。この場合、磁気センサ７１は、磁場と直交する方向に移動するため、ほとんど磁場を検出しない。このとき、検出される磁気データは、例えば図６（ｄ）の時刻ｔ４０に対応し、ほぼゼロである。

信号処理部６５は、実施の形態３と同様に、磁気データから磁気センサの角度（角度データ）を検出し、検出した角度データとセンサ間の配置関係とに基づいて、加速度センサ５５における、回転座標系と静止座標系との角度（角度データ）θを検出する。

本実施の形態においても、実施の形態３と同様の効果が得られる。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５について説明する。実施の形態５では、回転部を駆動させる電流の位相を用いて角度データ（角度θ）を検出する方法について説明する。一般的に、回転部のモータ電流は正弦波であり、その周期は、回転部の回転周期と一致する。ただし、この方法を用いる際には、回転部の初期位相（回転方位）を検出しておく必要がある。

図７は、本発明の実施の形態５に係る角度検出ユニットの構成の一例を示す図である。図７（ａ）は、回転動作前におけるボード５０の動作を示す図である。図７（ｂ）は、回転動作時におけるボード５０の動作を示す図である。図７（ｃ）は、回転部であるボード５０の回転方位を示す図である。図７（ｄ）は、回転部の駆動モータに流れる電流の例を示す図である。

角度検出ユニットは、図７（ａ），（ｂ）に示すモーションセンサ７５と、図示しない電流計を有する。モーションセンサ７５は、ボード５０上に実装されており、回転前におけるボード５０の回転方位の初期位相を検出するセンサである。モーションセンサ７５には、例えば２軸の検出軸を有するセンサが用いられる。

例えば、刃などの切削工具７の交換時に行われる加工前の定型動作時、モーションセンサ７５は、ボード５０の並進動作をモーションデータとして検出する。電流計は、図７（ｄ）に示すように、回転部の駆動モータに流れる電流の位相を検出する。

信号処理部６５は、検出されたモーションデータに基づいて、図７（ｃ）に示すボード５０の初期位相θ_１０を検出する。そして、時刻ｔ５０において回転部が回転すると（図７（ｂ））、信号処理部６５は、電流計で測定される電流データに基づいて電流の位相を検出する。そして、信号処理部６５は、初期位相及び電流の位相に基づいて、回転中における回転部の回転方位、すなわち、回転座標系と静止座標系との角度θを角度データとして検出する。

本実施の形態によれば、モータ電流の位相情報に基づいて、回転部であるボード５０の回転方位を検出することが可能となる。また、本実施の形態によれば、回転部の駆動中、モーションデータを受信する必要がない。

（実施の形態６）
次に、実施の形態６について説明する。本実施の形態では、角度検出光の強度に基づいて角度データ（角度θ）を検出する方法について説明する。

図８は、本発明の実施の形態６に係る角度検出ユニットの構成の一例を示す図である。図８（ａ）は、角度検出ユニットが設置された切削加工機１の側面図である。図８（ｂ）は、スリット板の構成の詳細を示す斜視図である。

本実施の形態における角度検出ユニットは、発光部８０と、受光部８１と、スリット板８２と、を有する。発光部８０は、例えば、非回転部である保護部３の下端に設置される。発光部８０は、下方（−Ｚ方向）の受光部８１に向けて角度検出光を出射する。発光部８０の光源には、例えば、ＬＥＤや半導体レーザ等が用いられる。

受光部８１は、例えば、スリット板８２の下方のステージ１０に設置される。すなわち、発光部８０及び受光部８１は、スリット板８２を挟んで互いに対向する位置に配置される。受光部８１は、例えばフォトダイオードである。受光部８１は、発光部８０から出射される角度検出光を受光し、受光したときの角度検出光の強度に基づいて光強度データを検出する。

スリット板８２は、図８に示すように、回転ホルダ５に設置されている。スリット板８２は、図８（ｂ）に示すように、複数のスリット部８２ａ，８２ｂを有する。それぞれのスリット部８２ａ，８２ｂは、スリット板８２の回転時、発光部８０と受光部８１との間を通過する位置に形成されている。なお、スリット部は１個でも構わない。

スリット板８２は回転部である回転ホルダ５ともに回転する。また、スリット板８２の回転とともに、スリット部８２ａ，８２ｂも回転する。そして、スリット部８２ａ，８２ｂが所定の回転方位になると、発光部８０、スリット部８２ａ（８２ｂ）、受光部８１が一直線に配置される。このとき、発光部８０から出射された角度検出光は、スリット部８２ａ（８２ｂ）を介して受光部８１で受光され、受光部８１は、光強度データを検出する。

信号処理部６５は、光強度データに基づいて角度データを検出し、検出した角度データに基づいて回転座標系と静止座標系との角度（角度データ）θを検出する。このように、本実施の形態では、受光部にて検出される光強度の時間変化を追うことで、回転方位を検出することができる。

本実施の形態によれば、ボード５０にセンサを設けることなく角度データを検出することが可能となる。

（実施の形態７）
次に実施の形態７について説明する。本実施の形態では、超音波の反射波が到達するまでの時間に基づいて角度データ（角度θ）を検出する方法について説明する。

図９は、本発明の実施の形態７及び８に係る角度検出ユニットの構成の一例を示す図である。図９（ａ）は、角度検出ユニットが設置された切削加工機の側断面図である。図９（ｂ）は、回転ホルダ５の回転側面に設けられた段差の例を示す図である。

本実施の形態における角度検出ユニットは、回転部である回転ホルダ５の回転側面に形成された段差９１と、非回転部に設けられる超音波送受信端末９０と、を有する。

段差９１は、例えば図９（ｂ）に示すように、回転ホルダ５の回転側面には、縦方向（Ｚ方向）に細い段差９１が形成されている。段差９１は、溝であってもよいし、突条であってもよい。なお、段差９１は、溝の深さ又は突条の高さがそれぞれ異なっていれば、複数箇所に形成されてもよい。

超音波送受信端末９０は、例えば、回転ホルダ５の側方である、加工室壁面２０に設置される。超音波送受信端末９０は、回転ホルダ５に向けて超音波を送信し、回転ホルダ５からの反射波を受信する。このとき、超音波送受信端末９０は、超音波を送信してから段差９１において反射した反射波を受信するまでの第１の時間を検出する。また、超音波送受信端末９０は、超音波を送信してから段差９１以外の回転側面における反射波を受信するまでの第２の時間を検出する。そして、超音波送受信端末９０は、第１の時間と第２の時間との時間差に基づいて、回転座標系と静止座標系との角度θを角度データとして検出する。なお、時間差から角度データを検出する処理は、信号処理部６５において実行されてもよい。

本実施の形態においても、ボード５０にセンサを設けることなく角度データを検出することが可能となる。

（実施の形態８）
次に、実施の形態８について説明する。本実施の形態では、撮像画像に基づいて角度データ（角度θ）を検出する方法について説明する。

本実施の形態における角度検出ユニットは、図９（ｂ）に示すように、回転部である回転ホルダ５の回転側面に形成された角度検出領域９６と、図９（ａ）に示すように、非回転部に設けられる撮像装置９５と、を有する。

角度検出領域９６は、回転ホルダ５の回転側面の他の領域よりも色又は反射率が異なる領域である。角度検出領域９６には、例えば蛍光体がコーティングされる。なお、角度検出領域９６は、色又は反射率がそれぞれ異なっていれば、複数箇所に形成されてもよい。

撮像装置９５は、例えば、回転ホルダ５の側方である、加工室壁面２０に設置される。撮像装置９５は、回転ホルダ５の回転側面付近の撮像画像を生成する。

撮像装置９５は、撮像画像における角度検出領域９６の位置データを検出し、検出した位置データに基づいて角度データを検出する。なお、撮像画像から角度データを検出する処理は、信号処理部６５において実行されてもよい。

本実施の形態においても、ボード５０にセンサを設けることなく角度データを検出することが可能となる。

（実施の形態９）
次に、実施の形態９について説明する。本実施の形態では、すでに述べた実施の形態１〜２の処理と、実施の形態３〜８の処理とを組み合わせることにより、角度データ（角度θ）を検出する方法について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態９に係るセンサシステムの要部の一例を示す図である。図１０に示すように、ボード５０上には、加速度センサ５５（例えば５５ａ，５５ｂ）、磁気センサ７１、温度センサ、歪みセンサ、変位センサ等の各種センサが実装されている。非回転部には、磁石７０が設置されている。

図１０の例では、実施の形態１の処理により加速度データを検出し、実施の形態３の処理により座標系変換を行うことにより、静止座標系における並進加速度が検出されるが、このような場合に限定されない。実施の形態１又は２の処理と、実施の形態３〜８のいずれか１つの処理とを任意に組み合わせることが可能である。

本実施の形態によれば、複数の実施の形態の処理が実行されるので、回転座標系における並進加速度の検出精度が向上するとともに、座標系の変換時における加速度データの誤差が低減される。これにより、センサを後付けしても、回転部の振動をより高精度で検出することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる場合がある。

１…切削加工機、２…回転基部、３…保護部、５…回転ホルダ、７…切削工具、５０…ボード、５５…加速度センサ、６０…給電／通信ユニット、６５…信号処理部、７０…磁石、７１…磁気センサ、８０…発光部、８１…受光部、８２…スリット板、８２ａ，８２ｂ…スリット部、９０…超音波送受信端末、９１…段差、９５…撮像装置、９６…角度検出領域、１００…センサシステム

Claims (13)

1. 切削加工機の回転部に設置されるボードと、
   前記ボード上に実装される複数の加速度センサと、
   演算部と、
   を備え、
   前記演算部は、それぞれの前記加速度センサにより検出される加速度データに基づき、前記回転部の移動に伴う並進加速度と、前記回転部の回転に伴う遠心加速度と、を検出する、
   センサシステム。
2. 請求項１に記載のセンサシステムにおいて、
   前記ボード上には、２個以上の前記加速度センサが実装され、
   それぞれの前記加速度センサは、複数の検出軸を有する、
   センサシステム。
3. 請求項２に記載のセンサシステムにおいて、
   前記ボード上には、２個の前記加速度センサが実装され、
   互いの前記加速度センサは、前記回転部の回転軸を挟んで対称に配置される、
   センサシステム。
4. 請求項３に記載のセンサシステムにおいて、
   それぞれの前記加速度センサが、前記回転軸から同一の距離に配置される、
   センサシステム。
5. 請求項１に記載のセンサシステムにおいて、
   前記ボード上には、３個の前記加速度センサが実装され、
   それぞれの前記加速度センサは、１つの検出軸を有する、
   センサシステム。
6. 請求項１に記載のセンサシステムにおいて、
   前記回転部は、前記切削加工機の回転主軸を含む、
   センサシステム。
7. 切削加工機の回転部に設置されるボードと、
   前記ボード上に実装される加速度センサと、
   前記回転部の回転方位を角度データとして検出する角度検出ユニットと、
   演算部と、
   を備え、
   前記演算部は、前記加速度センサと前記角度検出ユニットとの配置、及び前記角度データに基づいて、前記加速度センサにより検出される加速度データを、回転座標系から静止座標系のデータに変換する、
   センサシステム。
8. 請求項７に記載のセンサシステムにおいて、
   前記角度検出ユニットは、非回転部に設けられる磁石と、前記ボード上に実装される磁気センサと、を有し、
   前記磁気センサは、前記磁石から発生する磁場に基づいて磁気データを検出し、
   前記角度検出ユニットは、前記磁気データに基づいて前記角度データを検出する、
   センサシステム。
9. 請求項７に記載のセンサユニットにおいて、
   前記角度検出ユニットは、回転前における前記回転方位の初期位相を検出するモーションセンサと、前記回転部の駆動モータに流れるモータ電流の位相を検出する電流計と、を有し、前記初期位相及び前記モータ電流の前記位相に基づいて、回転中における前記回転部の前記回転方位を検出する、
   センサシステム。
10. 請求項７に記載のセンサシステムにおいて、
    前記角度検出ユニットは、前記回転部に設置されスリット部が形成されたスリット板と、非回転部に設置され前記スリット板を挟んで互いに対向する位置に配置される発光部及び受光部と、を有し、
    前記受光部は、前記発光部から出射される角度検出光が前記スリット部を介して受光した前記角度検出光の強度に基づいて光強度データを検出し、
    前記角度検出ユニットは、前記光強度データに基づいて前記角度データを検出する、
    センサシステム。
11. 請求項７に記載のセンサシステムにおいて、
    前記角度検出ユニットは、前記回転部の回転側面に形成された段差と、非回転部に設けられる超音波送受信端末と、を有し、
    前記超音波送受信端末は、超音波を送信してから前記段差における反射波を受信するまでの第１の時間と、超音波を送信してから前記段差以外の前記回転側面における反射波を受信するまでの第２の時間との時間差に基づいて前記角度データを検出する、
    センサシステム。
12. 請求項７に記載のセンサシステムにおいて、
    前記角度検出ユニットは、前記回転部の回転側面に形成された角度検出領域と、前記回転側面付近の撮像画像を生成する撮像装置と、を有し、
    前記角度検出ユニットは、前記撮像画像における前記角度検出領域の位置データを検出し、検出した位置データに基づいて前記角度データを検出する、
    センサシステム。
13. 請求項７に記載のセンサシステムにおいて、
    前記回転部は、前記切削加工機の回転主軸を含む、
    センサシステム。

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