JPS60171474A - マイクロ波検出システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 に，ま九特定的には比較的接近した距離においてターｒ
ットの連続性或は不連続性を決定することが可能なマイ
クロ波検出システムに係るものである。

工具の存否，或は細く引抜かれたフィラメント或は薄い
被膜のような連続する加工片の存否を自動的に決定する
ために産業界において用いられている殆んどの検出シス
テムは，累子が比較的小さい場合にはこのような工具或
は加工片の状ｏｆ正確且つ反覆的に検出する感応性を有
していない。

例えば、現在印刷回路基板にきシもみされて込る多くの
孔の直径は０．３３隋（θ．θ／．７′）がそれ以下で
ある。基板は一般に、一時に複数のきりもみ操作を遂行
で惠る高度に自動化された機械で製造される。機械操作
者は，通常は基板のスタックを複数の機械内に装填し，
取外すことに責任がある。従って操作者はきりもみ工具
全どのような程度であるにしろ正確に、或は一貢して視
覚検査することはできない。破損工具の検出に失敗する
と大量の欠陥加工片を生産することになり、これらは廃
棄するか或は別の費用をかけて再加工しなければならな
い。

本発明はマイクロ波システム内のターグツトの連続性或
は不連続性を決定することができるマイクロ波検出シス
テムを提供するものである。これらのターグツトには工
具、ワイヤー、表面不連続性，寸法及び容積容置が含ま
れる。本発明のマイクロ波検出システムは、比較的接近
した距離におけるターグツトの存否を検出するのに特に
有用である。この能力は，自動化された機械内の特定工
具の存在を検出し、それによって自ｌｊＩ２１化された
動作の途中においてこの工具の破損全検出する能力を与
えるのに特に有用である。

本発明のマイクロ波検出システムは、容易に製造でき、
既設機械に後から容易に適合させ九り，或は新たに生産
される機械の構造に容易に附加することが可能である。

本発明の検出システムは広一感芯範凹を呈し、これは従
来の公知のデバイスに比して感厄性及び広さの両面を改
善するものである。

本発明のマイクロ波検出システムは、公知の従来検出シ
ステムでは屡々妨沓を受けていた外部雑音、破片及び磨
損に比較的鈍感であるために特に有用である。

詳述すれば１本発明のマイクロ波検出システムは；きり
、ワイヤー、表面領域或は類似のもののようなターゲッ
トをそれがマイクロ波システムの中にあるように位置ぎ
めする開孔を有する導波管；導波管に接続されていてマ
イクロ波信号をターゲットに向けて送信し、戻り波信号
を受信するトランシーバモジュールのような手段；ター
ゲットの存在によって生ずる振巾及び位相シフト変化を
直流出力信号成分として容易に識別できるように戻り信
号とベースラインまで引下げるようにヘテロゲインする
きフサ回路；及びミクサ回路に直結されていて直流成分
を慎知し、導波管内のターゲットの存否何れかを表わす
出力を発生する；ンｉ４レータ會備えている。本発明の
一実施例によれば。

システム全ターゲットの存否の最適検出に四幽させるた
めに、短絡用スタブをターゲットの後方の導波管内に配
置しである。

本発明によるマイクロ波検出システムは櫨々のターグツ
）？検出するのに適してｂるが、比較的接近した距離に
お込て比較的小さいターグツ）？検出するのに特に有用
である。即ち５本発明によるマイクロ波検出システムは
、複数のターゲットの存否を検出できることから、複数
のきりもみ動作を同時に遂行するような自動きりもみ機
械と組合わせるのに特に有用である。

以下に添附図面を参照して夾施例を説明する。

自動きりもみ機械９は印刷回路基板１０のスタックに極
めて小さい孔をきりもみするのに用いられる。機械９は
各きりもみステーションに後退可能なきり１２を収容す
る少なくとも１つの圧力フット組立体１１を含んでｂる
。本発明は０．３３１（θ、θ１３”）或はそれ以下の
１６径ケ有するきりターゲットに特に有用であるが、大
寸法のターゲット及び平らな表面に対しても同様に有用
である。

図には本発明のマイクロ波検出システムを１機械の圧力
フット組立本に後から取付けたものとして示しである。

システムは物理的に接触させる必要が表いから、ターゲ
ットの連続性或は不連続性を検出するにはどのような便
宜位置に取付けてもよい。検出システムは導波管１５及
びトランシーバモジュール１７′に含んでいる。導波管
１５はきりもみステーションの加工ゾーンを通過し、当
分野では公知で広く用いられている型のＦＡ整可能な短
絡用スタブ１８によって終端されている。図示の導波管
は断面形状が矩形であり、上側の巾広壁２０と下側の中
広壁２１の中心にあけられている２つの小さｂ心の合っ
た孔１９．１９’？含んでいる。通常は、きり１２の細
長いシャンクは孔の中に収容されてなり、きりが加工片
に近づいたり遠去かったりするように垂直に運動するの
を可能ならしめるために２両者の間には充分な間隙が設
けられている。第１図ではきりは破損した状態で示しで
あるが、動作中にはきりは検出のために導波管内にある
。

第２図に示すトランシーバモジュール１７は局部発振器
２３を含んでいる。この発振器２３はガンダイオードで
よ（１図ではｔ！りであるターゲットに向けてマイクロ
波信号を伝播させるように導波管の一方の端に位置ぎめ
されている。崗整可能な短絡用スタブ１８はターゲット
の後方の導波管内に位置ぎめされており、モジュールに
向けて充分に限定された戻り信号を反射させて戻すよう
になっている。モジュールの受信機区分はショットキダ
イオード２５のような検波器及びミクサ回路２６を宮ん
でいる。戻り波信号はダイオード２５によってピックア
ップされ、送信信号のサンプルと共にミクサに印加され
る。これらλつの入力信号ははフサ内におりてベースバ
ンドまで引下げられるようにヘテロダインされ、戻り信
号の周波数ではなく振巾を表わす容易に検出可能な直流
出力信号を発生する。ミクサの出力はライン２９及びｍ
巾器３１を通してコン・量レータ３１に直結されるので
、コンノｆレータ３１には出力信号の直流成分だけが印
加されるようになる。

本マ・ｆクロ波システムは、導波管の端或はその附近の
所定の位暗に細いきりのような連続ターグットが存在し
ていると送信された信号の定在波比（ＳＷＲ）に変化を
生じるという原理に基いて作動する。ＳＷＲのこの変化
は受信機によって受信し、ターダット状態を表わす信号
を発生させることができる。コン／’？レータのしきい
Ｉｌｌターゲットの存在或は欠落の何れかを検出するよ
うに設定することができる。本システムはドツプラレー
ダに似ているが、コンノ９レータ回路において出力信号
の周波畝成分を用いるのではないことから、ドツプラ効
果に基いて作動するものではかいことが明白であろう。

詳細に関しては後述するが５本システムは直流出力信号
成分の奈巾の変化の明確な指示全発生し、特Ｗのターグ
ットがトランシーバに近づいたり或は遠去かったりする
運動ではな（。

その存在或は欠落を決定するように調整されるのである
。

導波管の寸法は特定のシステム応用に対して。

導波管の巾が伝送を許容する限り５最大検出感度が得ら
れるように調整する。導波管の高さの変化は伝送の電力
レベルに影響し、従ってシステムの総合感度に影響する
。短絡用スタブの位置もまた重要である。好ましくは、
λを送信される信号の波長としまたＮｆ正の整数として
、スタブはターグットの中心線からＮλ／ｌＩ或はＮ２
７ｇの距離に配置する。短絡用スタブ會このように位置
ぎめすることによって、導波管は送信される信号に同―
して戻り信号の線形部分上で検出全遂行できるようにな
る。

前述のように１局部発振器は電磁波を短絡用スタブにお
いて終端されている中空矩形導波管内に伝播させる。導
波管の巾広の壁内に設けられている工具用の孔１９は工
具が導波管に接触することなく軸方向に運動できるよう
に光分な間隙ケ与えながら最小になるようにする。工Ａ
、　ｆ導波前向に挿入するとトランシーバ１７に入射す
る反射液の振巾及び位相に変化を与える。トランク−／
櫂はこの信号をベースバンドまで引下げるようにペテロ
ダインするので、信号の直流成分は容易に検出可能なオ
フセット変化に移される。導波管の断面寸法及び局部発
振器の動作周波数は、優モードだけの波伝播と両立可能
な任意の値にスケールされる。

本システムは工具用孔１９の正しい位置ぎめ及びスタブ
の位置ぎめに関しては許容度があるが、これらの位（ｆ
は特定の応用に対して最適化することが好ましい。

導波管内の優モード伝播の電界強度ｆ＠３図及び第４図
に示す。第３図には導波管の断面を横切る正常な電界プ
ロファイルを示しであるが、電界の最大強度は導波管の
中心軸２２のところに発生し、＄２２の両側に対称的に
下向して行（。工具１２が導波管内に位置ぎめされると
電界は軸のところで短絡され、第ｑ図に矢印で図式的に
示すように電界のプロファイルに明確表変化を生じる。

動作周波数及び導波管寸法を優モード動作のみとするよ
うに選択することによって、工具は入射仮に対して短絡
用スタブのように働らき、戻り波の位相及び振巾にｇ識
できる変化をもたらす。

トランシーバにおける合計電、界（入射波グラス反射液
）をな　とすれば、 ＶＥ　＝　Ｖ□（（ｅｘｐσｘ）　＋　（Ｐ＠ｘｐ−（
ＦＸ））　ｉｌ＋で表わすことができる。ここに ｖｏ　は負荷における入射波であり。

σは導波管の複素伝播定数であり、 Ｆは負荷の複素反射係数であり、ナしてＸはＶＥ　から
負荷までの距離である。

導波管の短区分は２本し工具孔が充分に小さければ損失
がないものと見なすことができる。従ってσは となる。ここに ωは動作周波数（ｒａｄ／ｓｅａ　）であり、Ｃは自由
空間における光速であり、すして畠は導波管の中広の壁
の巾である。

もしトランシーバユニットが単純な正弦波信号Ａ・ｘｐ
　Ｉωｔを中心軸に発生するものとすれば、口１及び１
２１式から ＶＥ−Ａ（ｅｘｐ　Ｉωｔ）　（ｅｘｐ−１βｘ）〔（
ｅｘｐ　Ｉβｘ　）＋　（７’ｅｘｐ−１βｘ）’］　
＋ａ＋が得られる。短絡用スタブ或は工具の何れかが入
射電界に対して短絡回路を呈することがら、負荷反射係
数は−／に等しくなる。従って（３）式はＶＥ−−２Ａ
（ｓｌｎβｘ）［ｅｘｐ　Ｊ　（ａ＋ｔ−βｘ＋ｒ／−
２）］　１４１となる。トランシーバはコンパレータに
直結されているために％（４１式の直流関連成分だけを
検出する。これは次のような形？とる。

ｖＥｍａ　ｘ−ａｃｏｓ（ωｔ＋φ）（５）ここに ａ　＝　、１ｌＡｓｌｎ　ｘ　、また φ　＝π／コーβＸ である。工具を導波管から除去した場合にはｘ　＝　ｔ
ｔ　＋ｌｓ　１６＋ となり％また工具が導波管内に存在する場合にはｘ　＝
　ｉｔ　１７１ となる。従って（５１〜（７）式が工具が存在している
場合のトランシーバにおける振巾及び位相を限定する。

＃ｇ、２図を参照して本発明を簡単なホモダイントラン
シーバとして説明しよう。ホモダイントランシーバのベ
ースパンドンクサ直流成分出力はで与えられ、ここに ０は随意の位相定数であり、そして ｋはミクキの変換定数である。

弔）乃至（８）式を用いることによって、工具が導波管
から除去されている状態に対して次の関係が得られる。

ＳＯｏｃＭＫ八ｓｌｎ［へ（ｔｔ＋ｔｓ）］ａｃｏｓ：
π／Ｊ−β（ｔｔ＋１ｓ）−〇〕（９１また工具が存在
している場合には ５ＯＤｃ−にＡｓ　Ｉｎ　（βｔｔ）［ｃｏｓ　（＋ｒ
／、２−β１１−θ）〕帥以上から解るように、（９１
或は帥式の倒れかを用いることによって、ターゲット検
出システムの物理的）量ラメータを与えられた応用に対
して容易に最適化することが可能であるので、コンパレ
ータの出力を用いて機械の自動運転休止及びターゲット
の不連続を表示する警報の発生の両方或は何れか一方を
行なわせることができる。

若干の寸法的な拘束があるために、導波管内にターゲッ
トを通し得々い場合があるかもしれない。

この場合には、短絡用スタブを導波管から取除き、導波
管の末端を大気に開放する。第Ｓ図に示すように、この
場合には細いワイヤー５０で示されているターゲットは
導波管の端面開口に極めて接近させて位置ぎめする。タ
ーゲットはトランシーツ４の出力からλ／ダ或は２７ｇ
の正の整数（Ｎ）倍の距離に位置ぎめする。前述のよう
に、システムのパラメータはｘ　＝　Ａｔ　の動作モー
ドに容易に最適化することができる、この応用ではトラ
ンシーバ５２から導波管５１に沿って送、出される信号
は短絡用スタブが欠落している九めに若干減衰するが、
ターゲットの状態を正確に探知できるように検出可能で
ある。

当業者ならば本発明のマイクロ波検出システムの他の及
び別の用法及び変形は容易に考案されよう。

【図面の簡単な説明】

第７図は本発明全組入れた工作機械の部分側面図であり
、 第２図はきりの形状のターグツ）ｆ＃出するための本発
明の一実施例を示す概要図であり、第３図は・第２図に
示す破損工具検出システムの導波管の断面図であって、
ターグツｉ導波管から除いた場合の導波管内の電界強度
を示すものであり。 第４図４導波管の断面図であって、ターゲットが存在す
る場合の導波管内の電界強度會示すものであり、そして 第Ｓ図はターゲットを導波管の端に位置ぎめするような
本発明の別の実施例ケ示すものである。 ９・・・自動きりもみ機械、１０・・・印刷回路基板（
のスタック）、１１・・・圧力フット組立体、１２・・
・色り、１５％５１・・・導波管４１７，５２・・・ト
ランシー／４モジユール、ｔ８…短絡用スタフ”、１９
・・・孔、２０・・・上側巾広壁、２１・・・下側巾広
壁。 ２３°・・局部発振器、２５・・・ショットキダイオー
ド、２６・・・ミクサ回路％　２９・・・ミクサ出力ラ
イン。 ３０・・・コンパレータ、３１・・・増巾器、５０・・
・ワイヤー（ターグツト）。 ミ 特許庁長官　殿 ３．補正をする者 事件との関係　出願人 名称　ニー　ニス　チック　コーボレーシ→ン４、代理
人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋ｎ　２Ｊ４波管内にターグットが存在しているか否か
   を検出するマイクロ波検出システムであって；ターグッ
   トを配置するための開孔を有する矩形導波管：導波管の
   一方の端に位置ぎめされていてマイクロ波信号をターグ
   ットに向けて導波管内に送信し、逆方向に走行する反射
   戻り波信号を受信する手段；送信された信号と反射信号
   とをベースバンドまで引下げるようにヘテロゲインして
   導波管開孔内のターグットの存否を表わす直流成分を有
   する出力信号を発生するモジュールに接続されているミ
   クサ回路；及びミクサ回路の出力に直接結合されていて
   直流成分と所定のレベルとを比較してターグットの存否
   を決定する検出手段を具備するシステム。 （２）　前記導波管開孔が導波管の対向している巾広壁
   内に中心をおき、短絡用スタブがターグットの後方の導
   波管内に位置ぎめされていることを特徴とする特ｉＦｆ
   請求の範囲（１）に記載のシステム。 （３）　前記送信及び受信手段がトランシーバであるこ
   とを特徴とする特許請求のか囲ｔｘｔに記載のシステム
   。 （４）　前記短絡用スタブが、Ｎを任意の整数及びλを
   送信される信号の波長として、導波管開孔がＮλ／４’
   或はＮ２７ｇの距離に位１１ぎめされていることを特徴
   とする特ｆｆ請求の範囲（２）に記載のシステム。 （５）　前記トランシーバがガンダイオード及びショッ
   トキダイオードを含んでいることを特徴とする請求 （６）　前記ミクサとコンパレータとの間に作動的に位
   置ぎめされていて直流出力信号を増巾する増巾器を具備
   することを特徴とする特許請求の範囲（１１に記載のシ
   ステム。 （７｝　前記導波管孔が、Ｎを任意の整数及びλを送信
   される信号の波長として、トランシーバからＮλ／ｌＩ
   或はＮ２７ｇの距離に位置していることを特徴とする特
   許請求の範囲ｉｌｌに記載のシステム。 （８）前記導波管孔が／、２．’７ｍ（θ、！１′）或
   はそれ以下であることを特徴とする特許請求の範囲ｆｌ
   ｌに記載のシステム。 （９１前記導波管開孔の巾が約θ、３３鴎（０，０／、
   ３”　）或はそれ以下であることを特徴とする特許請求
   の範囲＋１１に記載のシステム。 ａｔｉ　特許請求の範囲（１）のシステムの導波管内に
   ターゲットが存在するか否か？検出する方法であって；
   導波管内の開孔の中にターグツトを位（１ぎめし；マイ
   クロ波信号をターゲットに向けて導波管内に送信し：タ
   ーグツトから反射して導波管内を逆方向に戻る戻り波信
   号を受信し：送信された信号と戻り信号とをへテロダイ
   ンして開孔内のターグツトの存否を表わす直流成分を有
   する出力信号全発生し；そしてベースバンド信号の直流
   成分と与えられた値とを比較してターゲットの存否を決
   定する諸段階を営む方法。 ＋Ｉｌｌ　１Ｉｉｌ記ターゲツトの後方の導波管内に短
   絡用スタブを位置ぎめする段階をも含んでいることを特
   徴とする特許請求の範囲ａｅに記載の方法。 ａ湯　前記スタブが、Ｎを正の整数及びλを送信される
   信号の波長として、ターケ゛ットからＮλ／ｌＩ或はＮ
   ２７ｇの距離に位置ぎめされていることケ特徴とする特
   許請求の範囲ａｌｌに記載の方法。 ０　前記ターグツトが導波管の端の真近に位置ぎめされ
   、Ｎを正の螢数及びλを送信される信号の波長として、
   マイクロ波伝播点からＮλ／ｌＬｔ或はＮ２７ｇの距離
   に位置していることを特徴とする特許請求の範囲＋１（
   Ｉに記載の方法。 α楊　前記ヘテロゲインされた信号を増巾する段階をも
   含んでいることｆ特徴とする時ｌＦｌ：請求の範囲ａω
   に記載の方法。