JPH07248270A - 信号処理装置及び切削工具用状態検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 たとえ与えられたトルクに対する検出コイル
の出力の振幅の変化が小さくても、確実にトルクの大き
さに応じた出力を得ることができる信号処理装置を提供
すること 【構成】 トルクなしとトルクありの出力波形を振幅と
位相に基づくベクトルで示し、フェザー図を作成する
と、図示のようになる。すなわち回転軸にトルクを加え
ることにより、トルクなしのベクトルで示される座標Ｔ
0 からトルクありのベクトルで示される座標Ｔ1 に変化
するので、その変動分であるベクトル差（座標Ｔ0 から
座標Ｔ1 へのベクトル）が加えられたトルク量を示すベ
クトルとなる。そこで、検出コイルの出力波形の振幅と
位相の変化を検出し、その変化分から上記ベクトル差を
求めることにより、加えられたトルク量を算出するよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁歪式トルクセンサの
検出信号に対する信号処理装置及び切削工具用状態検出
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁歪式トルクセンサは、磁気歪現象のひ
とつである強磁性体に機械的な歪を与えた時に透磁率が
変化する現象を利用したもので、トルク検出用の回転軸
を鉄などの強磁性体で形成する。そして、その回転軸の
周囲に励磁コイルと検出コイルとを所定の位置関係で配
置するとともに、励磁コイルに対して交流信号を印加す
る。すると、励磁コイルと検出コイルは、回転軸をコア
とするトランスを構成することになり、検出コイルには
電磁誘導により所定の出力電圧が生じる。

【０００３】一方、その回転軸にトルクが加わると、捻
られて軸の中心線に対して±４５度の方向に引張応力と
圧縮応力とが生じ、これにより回転軸の透磁率が変化す
る。すると、この透磁率の変化にともない、両コイル間
での結合係数が変化し、検出コイルの出力電圧の振幅が
変化する。そして、その透磁率の変化、すなわち出力電
圧の変化は、回転軸に加わるトルクが大きいほど大きく
なり、トルクと振幅の関係は所定の範囲内に１対１に対
応する。

【０００４】そこで、検出コイルの出力を信号処理装置
に入力し、その信号処理装置にて検出コイルの出力電圧
の実行値或いは最大値（ピーク値）をホールドして取り
出すなどにより振幅を検出し、それに基づいてトルクを
算出するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の磁歪式トルクセンサ（検出コイル）の出力に対
する信号処理装置では、検出コイルの振幅の変化のみを
処理対象としているが、トルクを加えたことにより生じ
る実際の振幅の変化は小さく、軸によってはほとんど変
化しないものもあり、係る場合には、信号処理装置によ
って振幅のピーク値などを抽出したとしても、その変化
が少ないかほとんどないので、実際にトルクを検出する
ことができなくなるというおそれがある。

【０００６】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、たとえ与えられたト
ルクに対する検出コイルの出力の振幅の変化が小さくて
も、確実にトルクの有無およびまたはそのトルクの大き
さに応じた出力を得ることができ、精度良く、しかも高
調波ノイズの影響を受けずにＳ／Ｎが良く、また高速度
にトルクを検出することのできる信号処理装置及び切削
工具用状態検出装置を提供することにある。また、上記
目的を達成する信号処理装置等を用い、切削工具にかか
っているトルクを正確に検出でき、切削工具の折損の有
無並びにその折損の予測や、磨耗等の切削工具の状態を
検出し、必要に応じてその切削工具が取り付けられた加
工機械の動作制御をすることができる切削工具用状態監
視装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る信号処理装置では、励磁交流信号
が印加される励磁コイルと、前記励磁コイルに電磁誘導
される検出コイルとを備え、測定対象物に加わるトルク
に応じて前記検出コイルの出力が変動する磁歪式トルク
センサの出力信号を処理する信号処理装置において、ト
ルク無印加時の検出コイル出力と、トルク印加時の検出
コイル出力の振幅と位相差に基づいて前記測定対象物に
加えられたトルクを検出するようにした。

【０００８】より具体的には、例えば前記励磁交流信号
に対するトルク無印加時の前記出力信号の位相差及び振
幅に基づくベクトルと、前記励磁交流信号に対するトル
ク印加時の前記出力信号の位相差及び振幅に基づくベク
トルとをフェザー図上で表した際の両ベクトルのベクト
ル差を求め、そのベクトル差から加えられたトルクを求
めることにより行える。

【０００９】そして、上記ベクトル差を求める手段とし
ては、前記検出コイルの出力を、前記励磁コイルに印加
する交流信号及びその信号と９０度位相が異なる信号を
用いて同期検波する検波手段と、前記検波手段の出力デ
ータに応じた直流値に変換する変換手段と、トルク無印
加時の前記変換手段の出力値を記憶する記憶手段と、ト
ルク印加時の前記変換手段の出力値と前記記憶手段に記
憶されたトルク無印加時の出力値の差分を求めるととも
に、その求めた差分データに基づいて所定の演算処理を
して上記ベクトル差を算出する演算手段とから構成する
ことができる。

【００１０】そして、前記励磁コイルへ印加する前記励
磁交流信号は、方形波発振手段と、その方形波発振手段
の出力波形から正弦波を形成する手段により形成しても
良く、或いは直接正弦波発振手段を設け、その正弦波発
振手段の出力を用いても良い。

【００１１】また、上記ベクトル差を求める別の手段と
しては、トルク無印加時の検出コイル出力と同じ位相・
振幅からなる疑似正弦波を発生する疑似正弦波発生手段
と、前記検出コイルの出力波形と前記疑似正弦波発生手
段から出力される前記疑似正弦波とを比較し、位相差を
求める位相差検出手段と、前記疑似正弦波及び前記検出
コイルの出力波形の振幅を求める振幅検出手段と、前記
位相差検出手段並びに前記振幅検出手段の出力に基づい
て所定の演算処理をして上記ベクトル差を算出する演算
手段とから構成することもできる。

【００１２】一方、本発明に係る切削工具用状態検出装
置では、工作機械本体に着脱される切削工具または前記
切削工具とともに回転する主軸の外側に、その軸方向と
所定の相対位置関係で配置された磁歪式トルクセンサ
と、その磁歪式トルクセンサの出力を受け、前記切削工
具に加わっているトルクを算出する上記した各種構成の
信号処理装置と、前記信号処理装置で算出されたトルク
値に基づいて工作機械本体に着脱される切削工具の折損
の有無，折損の予測，または磨耗等の前記切削工具の所
望の状態を判定する判定手段と、その判定手段の判定結
果を受けて、前記切削工具が装着される駆動装置に対し
て減速命令等の所定の制御信号を出力する制御信号発生
手段とから構成した。

【００１３】

【作用】磁歪式トルクセンサでは、励磁コイルに一定の
交流信号を印加すると、電磁誘導により検出コイルに所
定の出力電圧が発生する。そして、測定対象物にトルク
が加わると、透磁率が変化するため両コイル間での結合
係数が変わり、出力電圧も変動する。すなわち、振幅が
変化する。一方、トルクがない場合であっても、検出コ
イルの出力波形は、励磁正弦波に対し一定の位相差θ1
を生じており、この位相差は測定対象物の材質，軸径，
トルクセンサの取付け方や励磁周波数などにより決定さ
れる。そして、トルクを加えると、上記のごとく透磁率
が変化したり、ひねらることにより内部構造にも変化が
生じる。したがって、トルクを加えた場合の上記した位
相差θ1 を生じる原因に加え、さらにトルクの大きさも
位相差を生じる原因になり、トルクを加えた時の検出コ
イルの出力波形は励磁正弦波に対し位相差θ2 を生じ
る。そして、両出力波形の位相θ1 ，θ2 との間には、
さらに位相差Φを生じ、これは加えられたトルクの大き
さに基づいて変動する。すなわち、トルクを加えること
により、振幅と共に位相も変化する。そこで、係る両者
を特徴量として抽出し、所定の演算処理をすることによ
り正確なトルクが算出される。

【００１４】そして、トルクなしの時の出力波形の振幅
ａとトルクを加えた時の出力波形の振幅ｂの差が小さい
場合であっても、両出力波形の位相θ1 ，θ2 の位相差
Φは大きくなることがあるので、振幅のみではその差が
小さくて精度良く測定できないトルクも測定可能とな
る。

【００１５】また、本発明の切削工具用状態監視装置で
は、切削工具に係っているトルクを検出することによ
り、その切削工具の状態を検出する。すなわち、仮に切
削工具がおれた場合には、負荷がなくなりトルクが急激
に低下する。また、そのおれる直前には、トルクは増大
する。また、工具の先端加工面が磨耗などすると、切削
対象物との間の接触抵抗が大きくなるので、やはりトル
クは増加する。そこでトルクセンサの出力に基づいて、
現在の切削工具の状態を判断し、必要に応じて制御信号
発生手段がドリルの駆動装置に対して所定の制御信号を
出力し、回転数や下降速度を減速したり、さらには、停
止並びに逆転駆動をかけ、安定した運転を確保する。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係る信号処理装置及び切削工
具用状態検出装置の好適な実施例を添付図面を参照にし
て詳述する。図１は、磁歪式トルクセンサの一例を示し
ており、この例では２つのＵ字状のコア１を交差状に配
置し、一方のコア１の脚部１ａに励磁コイル２を巻き付
け、他方のコア１の脚部１ａに検出コイル３を巻き付け
ることにより、磁歪式トルクセンサ５が構成される。こ
のようにして形成されたトルクセンサ５を測定対象の回
転軸６の外周面に対向配置する。この時、コア１を回転
軸６の軸方向と平行に配置し、他方のコアを軸方向と直
交する方向に配置する。

【００１７】そして、励磁コイル２に交流信号を加える
と、回転軸６を通って検出コイル３側に電磁誘導により
誘導起電力が発生する。この時、回転軸６に所定のトル
クＴがかかるとすると、軸方向に対して±４５度の方向
に沿って応力が加わる。すると、逆磁歪効果によって、
この部分の透磁率が変化する。この変化にともないコイ
ル間の結合係数が変化し、検出コイルの出力（正弦波交
流）が変化する。そして、この変化量は起電力の大きさ
は、透磁率の変化すなわちトルクの大きさに対応して大
きくなる。

【００１８】なお、本発明に用いられるトルクセンサ
は、上記した構成からなるものに限られず、トルクを加
えることにより検出コイルの出力が変化するものであれ
ばその他各種の構成のものを用いることができ、必ずし
もコアを設けていなくても良い。

【００１９】したがって、図２に示すように、トルクセ
ンサ５の励磁コイル２に交流電源７を接続するととも
に、検出コイル３に信号処理器回路８を接続し、検出コ
イル３の出力（出力の変化）を信号処理回路８で検出
し、トルクに応じた直流信号を出力するようになる。

【００２０】次に本発明の原理について説明する。図３
（Ａ）に示すように、励磁コイル２に一定の交流信号を
印加した時の回転軸６に加えるトルクの有無による検出
コイルの出力波形は、それぞれ同図（Ｂ），（Ｃ）に示
すようになっている。すなわち、図から明らかなよう
に、トルクがない場合であっても、検出コイルの出力波
形は、励磁正弦波に対し一定の位相差θ1 を生じてい
る。これは、回転軸６の材質，軸径，トルクセンサ５の
回転軸６への取付け方や励磁周波数などにより決定され
る。そして、トルクを加えると、それにより回転軸の透
磁率が変化したり、ひねらることにより内部構造にも変
化が生じる。したがって、トルクを加えた場合の上記し
た位相差θ1 を生じる原因に加え、さらにトルクの大き
さも位相差を生じる原因になる。従って、トルクを加え
た時の検出コイルの出力波形は同図（Ｃ）に示すように
励磁正弦波に対し位相差θ2 を生じる。

【００２１】このように、位相差を生じる要因のひとつ
にトルクの大きさがあるので、両出力波形の位相θ1 ，
θ2 との間には、さらに位相差Φを生じる。そして、こ
の位相差Φは加えられたトルクの大きさに基づいて変動
し、図から明らかなように、トルクなしの時の出力波形
の振幅ａとトルクを加えた時の出力波形の振幅ｂの差が
小さい場合であっても、両出力波形の位相θ1 ，θ2 の
位相差Φは大きくなることがある。

【００２２】そして、上記トルクなしとトルクありの出
力波形を振幅と位相に基づくベクトルで示し、フェザー
図を作成すると、図４のようになる。そして、回転軸に
トルクを加えることにより、トルクなしのベクトルで示
される座標Ｔ0 からトルクありのベクトルで示される座
標Ｔ1 に変化するので、その変動分であるベクトル差
（座標Ｔ0 から座標Ｔ1 へのベクトル）が加えられたト
ルク量を示すベクトルとなる。そこで本発明は、振幅と
位相から加えられたトルクに基づくベクトル（差）を検
出することにより、トルクを算出するようにした。

【００２３】図５は、トルク値をベクトル差で検出する
ための本発明に係る信号処理装置の第１実施例を示すブ
ロック図である。同図に示すように、方形波発振回路１
１の出力を第１の分周回路１２と第２の分周回路１３に
入力し、そこにおいて方形波を分周して所定の周波数の
方形波を作成する。そして、第２の分周回路１３は第２
の分周回路１２から同期信号を受け、第１の分周回路１
２の出力方形波と同一周波数で位相が９０度進んだ方形
波を作成するようになっている。

【００２４】そして、第１の分周回路１２の出力をバン
ドパスフィルタ１４を通過させることにより正弦波に変
換後、その正弦波を磁歪式トルクセンサ５の励磁コイル
２へ供給する。すなわち、上記方形波発振回路１１，第
１の分周回路１２並びにバンドパスフィルタ１４にて図
２で示す交流電源６が構成される。

【００２５】一方、磁歪式トルクセンサ５の検出コイル
３の出力は、２つの乗算器１６，１７に与えられる。そ
して、第１の乗算器１６には第２の分周回路１３の出力
が与えられ、第２の乗算器１７に第１の分周回路１２の
出力が与えられるようになっている。これにより、検出
コイル３の出力と分周された方形波とを乗じ、同期検波
される。すなわち、各乗算器１６，１７と各分周回路１
２，１３により検波手段が構成される。

【００２６】そして、各乗算器１６，１７の出力をそれ
ぞれ変換手段たる第１，第２のローパスフィルタ１８，
１９に与え、ここにおいて同期検波された信号の平均値
（ＤＣ）が取り出され、次段の減算回路２０，２１にそ
れぞれ与えられる。なお、上記平均値は、検出コイル３
の出力電圧の振幅がｂで、励磁正弦波との位相差がθ2
とすると、第１のローパスフィルタ１８の出力は、 （ｂ／π）ｓｉｎθ2 となり、第２のローパスフィルタ１９の出力は （ｂ／π）ｃｏｓθ2 となる。

【００２７】また、第１のローパスフィルタ１８の出力
は、上記の如く減算回路２０に入力され、そこにおいて
記憶手段たる可変基準電圧発生回路２２の出力値が減算
される。この可変基準電圧発生回路２２の出力値は、ト
ルクがゼロの時の検出コイルの出力（正弦分）である （ａ／π）ｓｉｎθ1 但し、ａ ：トルクゼロの検出コイル出力の振幅 θ1 ：励磁正弦波との位相差 に相当する直流電圧である。そして、具体的には、トル
ク無印加時に減算回路２０の出力を監視しながら可変基
準電圧発生回路２２の出力を変更・調整し、減算回路２
０の出力が０になった時の値をセットする。

【００２８】同様に、第２のローパスフィルタ１９の出
力は、上記の如く減算回路２１に入力され、そこにおい
て記憶手段たる可変基準電圧発生回路２３の出力値が減
算される。この可変基準電圧発生回路２２の出力値は、
トルクがゼロの時の検出コイルの出力（余弦分）である （ａ／π）ｃｏｓθ1 に相当する直流電圧である。そして、この値の設定もト
ルク無印加時に減算回路２１の出力が０になるように可
変基準電圧発生回路２３の出力を変更・調整することに
より行われる。

【００２９】これにより、減算回路２０の出力は （ｂ／π）ｓｉｎθ2 −（ａ／π）ｓｉｎθ1 となり、減算回路２１の出力は （ｂ／π）ｃｏｓθ2 −（ａ／π）ｃｏｓθ1 となる。

【００３０】そして、上記のようにして求めた減算回路
２０の出力をゲインπの増幅器２４に与え、π倍に増幅
した後、自乗回路２６に入力し、与えられた数値の二乗
を求める。これにより、この自乗回路２６の出力は、 （ｂｓｉｎθ2 −ａｓｉｎθ1 ）^２ となる。

【００３１】同様に、減算回路２１の出力をゲインπの
増幅器２５に与え、そこにおいてπ倍に増幅した後、自
乗回路２７に入力し、与えられた数値の二乗を求める。
これにより、この自乗回路２７の出力は、 （ｂｃｏｓθ2 −ａｃｏｓθ1 ）^２ となる。

【００３２】そして、各自乗回路２６，２７の出力を加
算回路２８に入力して加算処理した後、平方根回路２９
に送る。これにより、この平方根回路２９の出力Ｖout
は、

【００３３】

【数１】 となる。そして、上記減算回路２０，２１，増幅器２
４，２５，自乗回路２６，２７，加算回路２８及び平方
根回路２９により演算手段が構成される。

【００３４】そして、上記式は、図６に示すフェザー図
における無負荷時とトルクを加えた時のそれぞれのベク
トルのベクトル差（トルクＴのベクトル）と等しくな
る。したがって、上記した説明のように、初期設定とし
てトルクをかけない状態で可変基準電圧発生回路２２，
２３から出力される基準電圧の調整をしておくことによ
り、その後に得られるトルクをかけた時の検出コイル３
の出力から振幅と位相差の変化に基づいて算出するトル
クに相当する出力電圧を求めることができる。なお、こ
のようにして求められた出力電圧に対応するトルクは予
めわかっているので、従来と同様の手法などにより変換
してトルク値を出力することもできる。

【００３５】かかる構成にすることにより、感度を向上
することができ、またたとえ振幅の変化が少なくて位相
が変化した場合であってもトルクを精度良く検出するこ
とができる。

【００３６】図７は本発明に係る信号処理装置の第２実
施例を示すブロック図である。この実施例では、上記し
た第１実施例と相違して、正弦波発振回路３０を設け、
その出力である正弦波信号をそのまま磁歪式トルクセン
サ５の励磁コイル２に印加するようにしている。

【００３７】すなわち、図８に示すように、第１実施例
のごとく方形波発振回路１１の出力を第１の分周回路１
２で分周した後ローパスフィルタ１４にて正弦波を作成
すると、高調波成分（ノイズ）を生じてしまい、励磁正
弦波にその高調波ノイズが重畳するおそれがある。する
と、検出コイル４の出力は、図示するようにノイズを拾
ってしまいＳ／Ｎが低下してしまう。

【００３８】そこで本例では、上述した如く正弦波発振
回路３０の出力を直接磁歪式トルクセンサ５の励磁コイ
ル２に印加する励磁正弦波とすることにより、Ｓ／Ｎの
向上を図る。また、係る変更にともない、正弦波発振回
路３０の出力を９０度位相回路３１に送り、位相を９０
度進めさせた正弦波を第１の乗算器１６に与え、検出コ
イル３の出力と乗じるようにしている。なお、第２の乗
算器１７へは正弦波発信回路３０の出力をそのまま入力
し、検出コイル３の出力と乗じるようにしている。

【００３９】そして、第１実施例と同様に係る乗算器１
６，１７で同期検波した信号を第１，第２のローパスフ
ィルタ１８，１９に入力し、平均値を求める。この時、
第２のローパスフィルタ１９の出力信号は、

【００４０】

【数２】 となる。同様に、第１のローパスフィルタ１８の出力信
号は、正弦波発振回路３０の出力との位相差がθ2 −
（π／２）であるので、

【００４１】

【数３】 となる。したがって、可変基準電圧発生回路２２，２３
では、それぞれ （ａ／２）ｓｉｎθ1 （ａ／２）ｃｏｓθ1 に相当する直流電圧を発生させるようにしている。具体
的な調整は、第１実施例と同様に、トルク無印加状態で
減算回路２０，２１の出力がゼロになるように設定す
る。

【００４２】そして、各減算回路２０，２１をそれぞれ
増幅器３２，３３に入力し、減算回路２０，２１の出力
値を増幅するのであるが、この時、ローパスフィルタ１
８，１９の出力に合わせてゲインは「２」としている。
これにより、この増幅器３２，３３の出力は、上記した
第１実施例のものと同様になり、その出力を自乗回路２
６，２７を経て加算回路２８に入力して加算処理し、そ
の加算した結果を平方根回路２９に入力することによ
り、上記した第１実施例と同一の出力が得られ、トルク
に応じたベクトルに基づく直流電圧が求められる。

【００４３】図９は本発明に係る信号処理装置の第３実
施例のブロック図を示しており、図１０はその動作原理
を説明する各部のタイミングチャート図を示している。
同図に示すように、本実施例では、上記した各実施例と
相違して、トルク無印加状態での検出コイルの出力電圧
波形と同一振幅，同一位相の疑似正弦波を保持し、その
疑似正弦波と実際のトルク印加時の検出波形から上記し
たベクトル差を求めるようにしている。

【００４４】具体的には、正弦波発振回路３０の出力を
磁歪式トルクセンサ５の励磁コイル２に印加するように
している。また、これと同時に正弦波発振回路３０の出
力を、疑似正弦波発生回路４１に入力するようにしてい
る。疑似正弦波発生回路４１は、位相回路４１ａと増幅
器４１ｂとから構成される。位相回路４１ａは正弦波の
任意位相回路で、与えられた正弦波に対し、任意の位相
だけ進ませ／遅らせることができるようになっている。
また、増幅器４１ｂは、ゲインを変更できるものを用い
ている。これにより、位相回路４１ａで位相を進ませる
（遅らせる）とともに、増幅器４１ｂのゲインを調整す
ることにより、正弦波発振回路３０の出力波形（励磁正
弦波（図３（Ａ）参照））に対し、位相がθ1 だけ進
み、振幅がａの正弦波（図３（Ｂ）参照）を作成するこ
とができる。

【００４５】そして、具体的な調整は、例えば正弦波発
振回路３０を作動させ、トルク無印加状態の時の疑似正
弦波発生回路４１の出力と、磁歪式トルクセンサ５の検
出コイルの出力とを比較し、両者が一致するように位相
回路４１ａと増幅器４１ｂを調整すれば良い。より具体
的には、例えば図９に示すピーク値検出回路４９の出力
が０になるように位相回路４１ａを調整することにより
位相を等しくする（θ1 にする）ことができ、平方根回
路２９の出力が零になるように増幅器４１ｂのゲインを
調整することにより、トルク無印加時の検出コイル３の
出力電圧波形の振幅ａが得られる。

【００４６】また、正弦波発振回路３０の出力波形が図
１０（Ａ）に示すようになっているとすると、疑似正弦
波発生回路及び磁歪式トルクセンサ（検出コイル３）５
の出力波形は、それぞれ同図（Ｂ），（Ｃ）に示すよう
になる。

【００４７】一方、疑似正弦波発生回路４１の出力は第
１のコンパレータ４３の非反転入力端子に入力し、検出
コイル３の出力も第２のコンパレータ４４の非反転入力
端子に入力するようにしている。そして、両コンパレー
タ４３，４４の反転入力端子はアースに落としている。
これにより、第１，第２のコンパレータ４３，４４では
入力波形のゼロクロスを検出できるようになっている。
すなわち、第１，第２のコンパレータ４３，４４の出力
が反転するときがそれぞれのゼロクロスとなる（図１０
（Ｄ），（Ｅ）参照）。

【００４８】そして、両コンパレータ４３，４４の出力
を排他的論理和素子４５に入力する。排他的論理和素子
４５は、２つの入力が異なる場合に出力が「１」にな
り、同じ論理値（０と０，１と１）が入力された場合に
出力が「０」となる。従って、疑似正弦波のゼロクロス
（第１のコンパレータ４３の出力が反転したとき）から
検出コイル３のゼロクロス（第２のコンパレータ４４の
出力が反転したとき）まで排他的論理和素子４５の出力
が「１」となる（図１０（Ｆ）参照）。そしてこの出力
が「１」となっている期間（パルス幅）が、疑似正弦
波、すなわちトルクなしの時の検出コイルの出力波形と
トルクがかかったときの検出コイルの出力波形の位相差
（θ2 −θ1 ）となる。

【００４９】さらにこの排他的論理和素子４５の出力を
ランプ関数発生回路４８に入力している。これにより、
排他的論理和素子４５の出力が「１」の時にランプ関数
発生回路４８の出力が上昇し、排他的論理和素子４５の
出力が「０」になるとランプ関数発生回路４８の出力も
リセットされて零になる（図１０（Ｇ）参照）。従っ
て、排他的論理和素子４５の出力が「１」になっている
時間、すなわち、位相差（θ2 −θ1 ）が大きいほど、
ランプ関数発生回路４８のピーク値は高くなる。

【００５０】そこで、ランプ関数発生回路４８の出力を
ピーク値検出回路４９に入力することにより、上記位相
差（θ2 −θ1 ）を直流電圧に変換する（図１０（Ｈ）
参照）。すなわち、本例では、コンパレータ４３，４
４，排他的論理和素子４５，ランプ関数発生回路４８並
びにピーク値検出回路４９により位相差検出手段が構成
される。

【００５１】そして、このピーク値検出回路４９の出力
を余弦関数発生回路５０に入力することにより、上記変
換された直流電圧に対する余弦値が求められる。そし
て、この余弦関数発生回路５０の出力は、 ｃｏｓ（θ2 −θ1 ） を意味する。

【００５２】一方、疑似正弦波発生回路４１，検出コイ
ル３の出力は、上記したごとく各コンパレータ４３，４
４に入力されたが、それと並列に振幅検出手段たるピー
ク値検出回路４６，４７にも入力するようになってい
る。これにより、各ピーク値検出回路４６，４７では、
与えられた正弦波のピーク値、すなわち、振幅を検出す
ることになる。よって、各波形の振幅が図１０（Ｂ），
（Ｃ）のようになっているとすると、ピーク値検出回路
４６の出力はａとなり、ピーク値検出回路４７の出力は
ｂとなる。そして、これら各ピーク値検出回路４６，４
７の出力と上記余弦関数発生回路５０の出力を乗算器５
１に入力し、ここにおいて各値を乗する。これにより、 ａｂｃｏｓ（θ2 −θ1 ） が求められる。

【００５３】さらに、上記各ピーク値検出回路４６，４
７の出力は、それぞれ自乗回路５２，５３に送られてそ
れぞれの自乗値（ａ² ，ｂ² ）が求められ、次段の加算
器５５に入力される。一方、上記乗算器５１の出力は、
ゲインが「−２」の増幅器５４に送られ、そこにおいて
「−２倍」され、 −２ａｂｃｏｓ（θ2 −θ1 ） が得られ、この値も上記加算器５５に入力される。

【００５４】よって、加算器５５では与えられた３つの
値を加算処理することにより、 ａ² ＋ｂ² −２ａｂｃｏｓ（θ2 −θ1 ） が得られる。そして、その加算器５５の出力を平方根回
路２９に送る。これにより、この平方根回路２９の出力
Ｖout は、

【００５５】

【数４】 となる。そして、上記式もやはり無負荷時とトルクを加
えた時のそれぞれのベクトルのベクトル差（トルクＴの
ベクトル）と等しくなる（図４に示すフェザー図参
照）。なお、本例では、上記した余弦関数発生回路５
０，乗算器５１，自乗回路５２，５３，増幅器５４，加
算器５５並びに平方根回路２９により演算手段が構成さ
れる。

【００５６】本実施例では、上記した各実施例に示した
効果に加え、ローパスフィルタを用いた同期検波を行っ
ていないので、磁歪式トルクセンサ５の精度を犠牲にす
ることなく応答速度を向上（原理的には１／励磁周波
数）することができる。なお、ピーク値検出回路４，４
７に替えて平均値，実効値検出回路としても良い。

【００５７】図１１は本発明に係る切削工具用状態監視
装置の一実施例を示している。同図に示すように、本例
では工作機械に着脱自在に取付けられる切削工具として
穴開け用のドリルを用いた例を示している。すなわち、
ドリル６０は工作機械本体６１のチャック６１ａにて把
持され、工作機械本体６１に内蔵された駆動モータの回
転力を受けて回転し、下端に配置されたワーク（被加工
物）６２に対して切削処理して所定の穴を開けるように
なっている。

【００５８】そして、そのドリル６０の所定位置に上記
各実施例等で説明した構成からなる磁歪式トルクセンサ
５を内蔵した取付け治具６５をセットする。この取付け
治具６５により、トルクセンサ５はドリル６０の外周面
に対して非接触で対向配置されるようになる。また、こ
の取付けに際し、ドリル６０の回転並びに昇降移動の妨
げにならないようにする。なお、ドリル６０の昇降に追
従してトルクセンサ５も昇降移動するようにしてもよい
が、信号の送受の関係から、トルクセンサ５は回転方向
には固定しておくのが望ましい。

【００５９】そして、具体的なセンサ５の取り付け位置
は、図１２に示すようにする。図示するように、ドリル
６０は、刃部６０ａと、溝が形成されていないシャンク
（柄の部分）６０ｂとから構成される。なお、ドリル以
外の各種の切削工具も刃部のかわりに砥石その他の加工
部材が配置され、基端側に上記シャンク６０ｂが配置さ
れ流転で共通する。

【００６０】そして、そのドリル６０のシャンク６０ｂ
部分の外側にトルクセンサ５を対向配置する。この時、
コア１の脚部１ａの開放側がシャンク６０ｂの外周面に
近接する。すなわち、このシャンク６０ｂが上述した測
定対象の回転軸６となる。

【００６１】そして、図１３に示すように、励磁コイル
２は交流電源７０に接続させ、検出コイル３は信号処理
装置７１に接続させる。すると上記したトルクセンサの
動作原理にしたがって、トルクがかかった状態で交流電
源７０にて励磁コイル２に交流信号を流すと、電磁誘導
により検出コイル３側にそれぞれ誘導電圧が誘起されて
所定の交流信号が出力される。そして、図１１では図示
省略したが、取付け治具６５内のトルクセンサ５には、
その外部から励磁コイル２に対して交流信号を与えられ
るようになっている。

【００６２】また、図１１に示すように、上記信号処理
装置７１の出力を判定手段たるコンパレータ６６を介し
て制御信号発生手段たる制御回路６７に送る。そして、
この制御回路６７は、コンパレータ６６の出力（Ｌ／
Ｈ）に基づいて工作機械本体６１にフィードバック制御
などをしたり、所定の表示等を行うようになっている。

【００６３】すなわち、ワーク６２に穴を開ける切削処
理の場合、時間ｔの変化に対するトルクの変化は、正常
であれば図１４（Ａ）に示すようになり、異常（折損）
であれば同図（Ｂ）に示すようになる。そこで、正常で
あれば取り得ないトルク（センサ出力）をしきい値とし
てコンパレータ６６の基準電圧にセットする。すると、
正常であれば常に基準電圧の方が高いため出力はＬとな
るが、折損するような場合にはその途中でセンサ出力が
しきい値をこえるため、コンパレータ６６の出力はＨに
変わる。

【００６４】そして、制御回路６７では、異常であるこ
とをディスプレイなどの表示装置６８に出力したり、或
いはランプ（警告等）を点灯させたり、さらには音声出
力部６９を介して音声で知らせたりするとともに、工作
機械本体６１に対して異常信号を発する。そして、工作
機械本体６１はその異常信号に基づいて駆動モータの出
力を低くしたり、或いは停止または逆転駆動し、ドリル
を引き上げるなどの所定の処理を行う。

【００６５】図１５，図１６は切削工具用状態監視装置
の他の実施例を示している。上記図１１に示す実施例で
は、ＯＮ／ＯＦＦの２値制御であったが、本実施例では
トルクの大きさ対して連続的な制御を可能としている。
すなわち図１５に示すように、工作機械本体には、ドリ
ル６０を正逆回転させるための主軸モータ７２と、ドリ
ル６０を上下移動させるための送りモータ７３とを有
し、両モータ７２，７３は切削制御装置７４からの速度
指令を受けたドライバ７５，７６によりその回転が制御
されるようになっている。これにより、主軸モータ７２
にてドリル６０を所定速度で正回転させながら、送りモ
ータ７３を作動させてドリル６０を下降移動させてワー
ク６２に所定の圧力で当接させることにより切削（穴開
け）加工をすることになる。

【００６６】この時、送りモータ７３の回転出力をあげ
ると加工時間が短くなるがドリル６０がワーク６２から
受ける反力が強く、大きなトルクがかかるために折損す
るおそれが生じ、逆に送りモータ７３の出力をさげると
ドリル６０の折損のおそれは可及的に減少するが加工時
間も長くなる。すなわち、ドリル６０の回転数を一定と
すると、ドリルにかかるトルクは送り量（下降速度）に
依存する。

【００６７】そこで本例では、ドリル６０のシャンク部
分の外側に本発明に係るトルクセンサ５を設け（図１１
〜図１３参照）、そのトルクセンサ５の出力を信号処理
回路７１を介して切削制御装置７４に送り、フィードバ
ック制御によりドリル６０に一定以上のトルクがかから
ない状態で切削加工をするようにしている。

【００６８】すなわち、図１６に示すように、切削制御
装置７４は判定手段たるＰＩＤコントローラ７４ａと、
制御信号発生手段たる送り速度算出部７４ｂと、主軸回
転制御部７４ｃとから構成され、ＰＩＤコントローラ７
４ａにトルクセンサ５で検出したドリル６０にかかって
いるトルクに基づく信号と、設定負荷に基づく信号の差
分を入力するようにする。ここで、設定負荷とはそのド
リル６０が折損してしまうトルクに対して所定のマージ
ンを取った値である。なお、主軸回転制御部７４ｃで
は、主軸モータドライバ７５に対して主軸モータ７２を
一定速度で回転するように制御信号を発するようになっ
ている。

【００６９】この状態で、ＰＩＤコントローラ７４ａで
は、入力信号の正負及びその絶対値から、ドリル６０の
下降速度すなわち送り量を決定する。つまり、入力信号
が負の場合にはドリル６０にかかっているトルクが設定
負荷を越えていて折損のおそれが高いため、送り量を低
下させたり或いは逆戻りさせたりする（ドリルを上昇さ
せる）必要があり、一方、入力信号が正の場合には、ド
リル６０にかかっているトルクは設定負荷よりも小さい
ため、ドリル６０にかかるトルクをもう少し増やしても
ドリルが折損するおそれが低いので、送り量を増加させ
て加工効率の向上を図る。そして、上記増減量は、ＰＩ
Ｄコントローラ７４ａへの入力信号の絶対値により決定
する。そして、この決定した送り量を次段の送り速度算
出部７４ｂに送り、その送り量を得るに必要な送りモー
タ７３の速度を求め、その決定した速度をモータドライ
バ７６に制御信号として出力する。

【００７０】係る構成にすることにより、切削時にドリ
ル６０にかかるトルク（負荷）を折損レベル以下に保つ
ことができる。そして、ドリルに無理な負荷がかからな
いので、ドリルの長寿命化が図れる。また、トルク値を
検出することにより、ドリルの磨耗の程度を知ることも
でき、交換の目安をつけやすくなる。

【００７１】また、上記した各実施例では、いずれも切
削工具としてドリルを用いて例について説明したが、本
発明はこれに限ることなく、ドリル以外の砥石その多種
樹のものを用いることができる。換言すれば、かかる切
削工具を用いる工作機械としては、例えばドリル，フラ
イス盤，ボール盤，ホーニング盤等の回転する切削工具
により種々の加工を行うものがある。

【００７２】なおまた、上記した各実施例では、いずれ
も切削工具のシャンクの外側にトルクセンサを対向配置
して直接切削工具にかかっているトルクを計測するよう
にしたが、例えば、図１１に示すように、チャック６１
ａの上端には、駆動モータの回転力を伝達するための主
軸７８が設けられている。この主軸７８とチャック６１
ａさらにはドリル６０（切削工具）は一体になって回転
移動する。したがって、ドリル６０に加わるトルクは、
そのまま主軸７８にも加わることになる。そこで、本発
明の磁歪式トルクセンサを主軸７８の外側所定位置に所
定の相対位置関係を保たせた状態で配置するようにして
もよい。また、ドリルの刃部等にかかるように配置して
も良い。

【００７３】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る信号処理装
置及び切削工具用状態検出装置では、磁歪式トルクセン
サの検出コイルの出力電圧波形の振幅のみならずその位
相の変化も抽出し、トルクを求めるようにしたため、ト
ルクの変動に伴う振幅の変化が小さくても、位相の変化
が大きい場合には、そのトルクの変動を精度良く検出す
ることができる。よって、感度を大幅に向上することが
できる。

【００７４】さらにまた本発明に係る切削工具用状態監
視装置では、非接触でしかも簡易な構成でもって切削工
具にかかったトルクを検出することができるので、トル
クの大きさや変化の度合いから、折損の有無はもちろん
のこと、折損のおそれが高いか否かの判断や、刃部の欠
けや磨耗等の切削工具の状態を検出することが可能とな
る。そして、磁気的に検出するので切削時の環境に影響
されにくいとともに切削工具の径に関係なく検出が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁歪式トルクセンサの一例を示す斜視図であ
る。

【図２】磁歪式トルクセンサの等価回路及び信号処理系
を示す図である。

【図３】本発明の原理を説明する図である。

【図４】本発明の原理を説明する図である。

【図５】本発明に係る信号処理装置の第１実施例を示す
ブロック図である。

【図６】動作原理を説明する図である。

【図７】本発明に係る信号処理装置の第２実施例を示す
ブロック図である。

【図８】第２実施例の効果を説明するための図である。

【図９】本発明に係る信号処理装置の第３実施例を示す
ブロック図である。

【図１０】第３実施例の動作を説明するタイミングチャ
ート図である。

【図１１】本発明に係る切削工具状態監視装置の一実施
例を示す図である。

【図１２】磁歪式取付けセンサの切削工具に対する取付
け位置を示す図である。

【図１３】磁歪式取付けセンサの切削工具に対する取付
け位置を示す図である。

【図１４】図１１に示す制御装置の動作原理を説明する
図である。

【図１５】本発明に係る切削工具状態監視装置の他の実
施例を示す図である。

【図１６】図１５に示す制御装置の要部を示す図であ
る。

【符号の説明】

２ 励磁コイル ３ 検出コイル ５ 磁歪式トルクセンサ ８ 信号処理回路 １１ 方形波発振回路 １２ 第１の分周回路（検波手段） １３ 第２の分周回路（検波手段） １４ バンドパスフィルタ １６ 第１の乗算器（検波手段） １７ 第２の乗算器（検波手段） １８ 第１のローパスフィルタ（変換手段） １９ 第２のローパスフィルタ（変換手段） ２０，２１ 減算回路（演算手段） ２２，２３ 可変基準電圧発生回路（記憶手段） ２４，２５，３３，３３ 増幅器（演算手段） ２６，２７ 自乗回路（演算手段） ２８ 加算回路（演算手段） ２９ 平方根回路（演算手段） ３０ 正弦波発振回路 ３１ ９０度位相回路（検波手段） ４１ 疑似正弦波発生回路 ４３，４４ コンパレータ（位相差検出手段） ４５ 排他的論理和素子（位相差検出手段） ４６，４７ ピーク値検出回路（振幅検出手段） ４８ ランプ関数発生回路（位相差検出手段） ４９ ピーク値検出回路（位相差検出手段） ５０ 余弦関数発生回路（演算手段） ５１ 乗算器（演算手段） ５２，５３ 自乗回路（演算手段） ５４ 増幅器（演算手段） ５５ 加算器（演算手段） ６０ ドリル（切削工具） ６６ コンパレータ（判定手段） ６７ 制御回路（制御信号発生手段） ７０ 交流電源 ７１ 信号処理装置 ７４ 切削制御装置 ７４ａ ＰＩＤコントローラ（判定手段） ７４ｂ 送り速度算出部（制御信号発生手段） ７６ 主軸

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励磁交流信号が印加される励磁コイル
   と、前記励磁コイルに電磁誘導される検出コイルとを備
   え、測定対象物に加わるトルクに応じて前記検出コイル
   の出力が変動する磁歪式トルクセンサの出力信号を処理
   する信号処理装置において、 トルク無印加時の検出コイル出力と、トルク印加時の検
   出コイル出力の振幅と位相差に基づいて前記測定対象物
   に加えられたトルクを検出するようにした信号処理装
   置。
2. 【請求項２】 前記励磁交流信号に対するトルク無印加
   時の前記出力信号の位相差及び振幅に基づくベクトル
   と、 前記励磁交流信号に対するトルク印加時の前記出力信号
   の位相差及び振幅に基づくベクトルとをフェザー図上で
   表した際の両ベクトルのベクトル差を求め、 そのベクトル差から加えられたトルクを求めるようにし
   た請求項１に記載の信号処理装置。
3. 【請求項３】 前記検出コイルの出力を、前記励磁コイ
   ルに印加する交流信号及びその信号と９０度位相が異な
   る信号を用いて同期検波する検波手段と、 前記検波手段の出力データに応じた直流値に変換する変
   換手段と、 トルク無印加時の前記変換手段の出力値を記憶する記憶
   手段と、 トルク印加時の前記変換手段の出力値と前記記憶手段に
   記憶されたトルク無印加時の出力値の差分を求めるとと
   もに、その求めた差分データに基づいて所定の演算処理
   をして上記ベクトル差を算出する演算手段とを備えた請
   求項２に記載の信号処理装置。
4. 【請求項４】 前記励磁コイルへ印加する前記励磁交流
   信号が、方形波発振手段と、 前記方形波発振手段の出力波形から正弦波を形成する手
   段を備えた請求項１〜３のいずれか１に記載の信号処理
   装置。
5. 【請求項５】 正弦波発振手段を設け、その正弦波発振
   手段の出力を前記励磁コイルに印加するようにした請求
   項１〜３のいずれか１に記載の信号処理装置。
6. 【請求項６】 トルク無印加時の検出コイル出力と同じ
   位相・振幅からなる疑似正弦波を発生する疑似正弦波発
   生手段と、 前記検出コイルの出力波形と前記疑似正弦波発生手段か
   ら出力される前記疑似正弦波とを比較し、位相差を求め
   る位相差検出手段と、 前記疑似正弦波及び前記検出コイルの出力波形の振幅を
   求める振幅検出手段と、 前記位相差検出手段並びに前記振幅検出手段の出力に基
   づいて所定の演算処理をして上記ベクトル差を算出する
   演算手段とを備えた請求項２に記載の信号処理装置。
7. 【請求項７】 工作機械本体に着脱される切削工具のシ
   ャンク部分または前記切削工具とともに回転する主軸の
   外側に、その軸方向と所定の相対位置関係で配置された
   磁歪式トルクセンサと、 その磁歪式トルクセンサの出力を受け、前記切削工具に
   加わっているトルクを算出する請求項１〜６のいずれか
   に記載の信号処理装置と、 前記信号処理装置で算出されたトルク値に基づいて工作
   機械本体に着脱される切削工具の折損の有無，折損の予
   測，または磨耗等の前記切削工具の所望の状態を判定す
   る判定手段と、 その判定手段の判定結果を受けて、前記切削工具が装着
   される駆動装置に対して減速命令等の所定の制御信号を
   出力する制御信号発生手段とを備えた切削工具用状態検
   出装置。