(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ締めが予め定められた順序で行われたかどうかを自動的にチェックするねじ締め作業の監視システムにおいて、
超音波発信部を有するねじ締め工具と、
前記ねじ締め工具の作業空間の周囲に配置された、３個以上の超音波受信機を含む、該ねじ締め工具のねじ締め位置を検知する手段と、
前記ねじ締め工具の位置を時系列に記憶する手段と、
前記ねじ締め工具でねじ締めされるべき位置と順序を予め登録された作業手順データと、
前記ねじ締め工具の位置の移動と前記作業手順データとを比較する比較手段と、
前記比較手段が不一致を検出した時に警報を発する手段とを具備したことを特徴とするねじ締め作業の監視システム。
【請求項２】
請求項１に記載のねじ締め作業の監視システムにおいて、
前記３個以上の超音波受信機により、前記ねじ締め工具から発信される超音波を受信し、その発信、受信タイミング、または発信、受信信号の位相差を基に前記ねじ締め工具と前記３個以上の超音波受信機間とのそれぞれの距離を求め、該距離から前記ねじ締め工具の位置を検出するようにしたことを特徴とするねじ締め作業の監視システム。
【請求項３】
請求項１に記載のねじ締め作業の監視システムにおいて、
前記３個以上の超音波受信機により、前記ねじ締め工具から発信される超音波信号を受信し、該受信した信号をスペクトル逆変換して復調し各受信信号の発信、受信タイミングを基に前記ねじ締め工具と前記３個以上の超音波受信機間とのそれぞれの距離を求め、該距離から前記ねじ締め工具の位置を検出するようにしたことを特徴とするねじ締め作業の監視システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載のねじ締め作業の監視システムにおいて、
前記発信タイミングは、前記ねじ締め工具の状態信号を伝達する有線で、前記超音波受信機に通知されることを特徴とするねじ締め作業の監視システム。
【請求項５】
請求項１に記載のねじ締め作業の監視システムにおいて、
前記ねじ締め工具は発光部または電波発信部をさらに具備し、
前記超音波受信機の少なくとも一つに受光部または電波受信部を設け、該３個以上の超音波受信機と前記受光部または電波受信部により、前記ねじ締め工具から発信される超音波と光または電波を受信し、該超音波の受信タイミングと該光または電波の受光または受信タイミングとを基に前記ねじ締め工具と前記３個以上の超音波受信機間とのそれぞれの距離を求め、該距離から前記ねじ締め工具の位置を検出するようにしたことを特徴とするねじ締め作業の監視システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送信機または受信機付き工具およびその位置検出システムおよび作業の監視システムに関し、特に、超音波発信機能を備えた孔開け、ねじ締め、研磨等の送信機または受信機付き工具と、該工具の作動位置を検出する位置検出システムと、該工具を用いて行われる作業を監視する監視システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電動ドライバ等の工具を用いて種々の物体に対してねじ締め等の作業が行われている。ねじ締めの作業は、各種の機器を製造するのに欠かせないものであり、例えばパソコン、プリンタ、ＶＴＲの筐体等の小型機器のねじ締めから、例えば車両や、飛行機のエンジンの構成部品等の大型機器のねじ締めまで、広範な分野でねじ締めが行われている。
【０００３】
ねじ締めは、一見地味な作業であるが、上記のような機器のねじ締めを１カ所でも忘れると、またはねじ締めのトルクが規定の値より大きかったり小さかったりすると、該機器が長年使用されているうちに、筐体の形状が変形したり、あるいはエンジンの動作が不調になったりする可能性があり、大事な作業である。
【０００４】
このため、各種の機器のねじ締め作業においては、所定の箇所に全てねじ締めが行われたか、また該ねじ締めが所定の順序でなされたか、あるいは所定の締め付けトルクでねじが締め付けられたかのチェックが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の所定の箇所の全てにねじ締めが行われているかのチェックは、作業責任者などの第三者が目視で行うことができるが、ねじ締めが予め定められた所定の順序で行われたかどうかは作業者の自己申告でチェックするしかなく、事実上、無チェックであるという課題があった。また、前記のチェックを人手で行っているためミスが起きる可能性があるという課題、および作業の能率が低い上に人件費が高くつくという課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、前記した課題を解消し、ねじ締め作業などを簡単に監視できる作業の監視システムを提供することにある。
【０００７】
前記した目的を達成するために、本発明は、ねじ締めが予め定められた順序で行われたかどうかを自動的にチェックするねじ締め作業の監視システムにおいて、超音波発信部を有するねじ締め工具と、前記ねじ締め工具の作業空間の周囲に配置された、３個以上の超音波受信機を含む、該ねじ締め工具のねじ締め位置を検知する手段と、前記ねじ締め工具の位置を時系列に記憶する手段と、前記ねじ締め工具でねじ締めされるべき位置と順序を予め登録された作業手順データと、前記ねじ締め工具の位置の移動と前記作業手順データとを比較する比較手段と、前記比較手段が不一致を検出した時に警報を発する手段とを具備した点に特徴がある。この特徴によれば、工具を用いた作業者の作業手順を自動的に監視することができるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態の概念図である。
【００１１】
いま、ある電気機器等の筐体１をねじ締めする作業空間があるとした場合、該空間の周囲の少なくとも３カ所（図示の例では、４カ所）に、超音波受信機２ａ、２ｂ、２ｃ、および２ｄが配置されている。該超音波受信機は、前記作業空間が一連の作業を流れ作業できるようにした広い空間である時には、図示されているように、ねじ締めをする作業空間の周囲の少なくとも３カ所に、ポール３ａ〜３ｄを立て、該ポールの上部のそれぞれに、前記超音波受信機２ａ〜２ｄを固定する。近くに柱があれば、この柱を利用しても良い。一方、前記作業空間が個室である場合には、天井の４隅に超音波受信機２ａ〜２ｄを固定することができる。
【００１２】
前記筐体１をねじ締めするための工具である電動ドライバ４は、電源５から電力を供給されて駆動される。電動ドライバ４はスタートスイッチを押すとこれと同時に超音波を発信する超音波発信部６を有している以外は、周知の構造のものを使用することができる。なお、該超音波を発信するタイミングは、電動ドライバ４の作動前、停止時等の他のタイミングであっても良い。電動ドライバの作動前に超音波を発信させるには、電動ドライバ４の構成を、そのスタートスイッチを押すと超音波を発信させ、それから少しの時間遅延して電動ドライバが作動を開始するようにすればよい。
【００１３】
電動ドライバ４の超音波発信部６から超音波が発信されると、該超音波は全方位に伝搬され、前記超音波受信機２ａ〜２ｄで受信される。該超音波受信機２ａ〜２ｄで受信される時間は、電動ドライバ４の超音波発信部６と超音波受信機２ａ〜２ｄとの間の各距離の関数になることは明らかである。
【００１４】
超音波受信機２ａ〜２ｄのそれぞれには、信号解析部１１ａ〜１１ｄが接続されており、該信号解析部１１ａ〜１１ｄでは、超音波受信機２ａ〜２ｄと前記超音波発信部６との間の距離を算出する。該信号解析部１１ａ〜１１ｄで求められた距離情報は統括処理部１２に送られる。統括処理部１２は、入力してきた３個以上の距離情報のうち、誤検出されたものを除外し、正しい距離情報から電動ドライバ４の位置、すなわち、筐体１のねじ止め位置を検出する。
【００１５】
このねじ止め位置の検出情報は、筐体１のねじ締め作業が進むと、順次検出されるので、統括処理部１２はこれらの検出情報を時系列でメモリに記憶する。従って、図１（ｂ）（ｃ）に示されているように、筐体１のＡ面が図の１→２→３→４の順に、またＢ面が５→６→７→８の順にねじ締めされたかどうかは、該メモリに記憶された検出情報を参照すれば分かることになる。また、前記Ａ面、Ｂ面などのねじ締めをする順序のデータを基準データとして予めメモリに記憶させておき、作業員がねじ締めを行う度にその順序を該基準データと比較し、間違いが起きればその時に警報部（アラーム）１３を作動させるようにすれば、リアルタイムで作業員の作業をチェックできるようになる。
【００１６】
次に、前記信号解析部１１ａ〜１１ｄで、超音波受信機２ａ〜２ｄの各々から作業中の電動ドライバ４までの距離が求まる理由を図２を参照して説明する。なお、図２は、図１を上から見た平面図である。
【００１７】
図示されているように、ｘ、ｙ、ｚ軸が互いに直交する座標系を想定し、前記超音波受信機２ａ〜２ｄはそれぞれ既知の位置（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）、および（ｘ４，ｙ４，ｚ４）に設置されているものとする。いま、ある時刻ｔ０に電動ドライバ４のスタートボタンが押されたとすると、前記超音波発信部６からは時刻ｔ０に超音波が発信される。その後、該超音波が前記超音波受信機２ａ〜２ｄに届くと、信号解析部１１ａ〜１１ｄは該超音波を受信した時刻を検出することができる。この時、前記時刻ｔ０、すなわち始動信号ｍは、電動ドライバ４のスタートボタンが押された時、電源５に設けられた電動ドライバ４のスタート検知部５ａを経て、受信解析部１１ａ〜１１ｄへ、有線で通知するものとする。該スタート検知部５ａは、例えば電源５から電動ドライバ４へ供給される電流の変化を検出することにより、もしくはスタートボタンと連動した論理回路からのトリガパルスを検出することにより、電動ドライバ４のスタートを検知することができる。
【００１８】
今、該信号解析部１１ａ〜１１ｄが超音波を受信した時刻をｔ１，ｔ２，ｔ３，およびｔ４とすると、ｔ４−ｔ０，ｔ３−ｔ０，ｔ２−ｔ０，ｔ１−ｔ０が、各超音波受信機２ａ〜２ｄ  と電動ドライバ４間の超音波伝搬時間差Δｔとなるから、該Δｔに超音波の空中の伝搬速度ｖ（約３４０ｍ／秒）を乗算すれば各超音波受信機２ａ〜２ｄと電動ドライバ４間の距離差が求まる。一般に、３次元の空間において、３つ以上の距離差が求まれば、電動ドライバ４の超音波受信機２ａ〜２ｄに対する位置は１点に特定できるので、該電動ドライバ４の位置は求められることになる。
また、他の方法としては、電動ドライバ４の超音波発信部６と同位置またはその近傍に発光素子（例えば、光ダイオード）または電波発信機を配置し、また超音波受信機２ａ〜２ｄの少なくとも１つに光または電波受信機受光器を設けておく方法であっても良い。すなわち、電動ドライバ４のスタートボタンが押されると同時に、前記超音波発信部６および前記発光素子または電波発信機を動作させるようにすると、光または電波の速度は超音波の伝搬速度に比べて殆ど無限大であるから、前記受光素子または電波受信機で光または電波を検知した時間と前記超音波受信機２ａ〜２ｄの各々の超音波受信時間とを比較すれば、電動ドライバ４から出た超音波の各超音波受信機２ａ〜２ｄへの伝搬所要時間ｔｉが求められる。従って、該ｔｉに超音波の伝搬速度ｖを乗算すれば、各超音波受信機２ａ〜２ｄと電動ドライバ４間の距離が求まることになり、該距離から電動ドライバ４の位置が一意に求められることになる。
【００１９】
以上のように、本実施形態によれば、電動ドライバでねじ締めされた位置およびその順序を検知することができるので、ねじ締めされるべき箇所にねじ締めがされなかったり、あるいはねじ締めされる順序が違ったりした場合に、これを容易に発見することができるようになる。また、作業者が作業中に予め定められた通りのねじ締めをしなかった場合には、警報を発して、作業をやり直させるようにすることもできるようになる。
【００２０】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。この実施形態は、前記第１の実施形態では、前記作業空間またその近傍で、他の同様の超音波を発生する工具が使用されていると、該工具の位置の検出に誤動作が生じる恐れが発生するので、この恐れを改善したものである。
【００２１】
この実施形態では、前記電動ドライバ４の超音波発信部６として、スペクトル拡散変調された超音波信号を出力する超音波発信部３０を用いるようにする。一方、前記超音波受信機２ａ〜２ｄとして、受信した信号を逆拡散して復調する超音波受信機４０を用いるようにする。
【００２２】
図３は、前記超音波発信部３０の一具体例の構成を示すブロック図である。２進符号発生器３１は例えば電動ドライバ４に付与された識別番号を含むデータに、＋１または−１の値を取る疑似雑音符号（ＰＮ符号）を乗算する。ＰＳＫ変調器３２は、搬送波発生器３３から供給される搬送波を用いて、前記２進符号発生器３１からの出力信号を、狭帯域変調すると同時に拡散変調する。該ＰＳＫ変調器３２からの変調信号は超音波送信機３４に送られ、超音波で発信される。
【００２３】
次に、前記受信機超音波４０の一具体例の構成を、図４のブロック図を参照して説明する。前記超音波発信部３０から発信された超音波信号は超音波受信機４１で受信され、ミキサ処理部４２に送られる。該ミキサ処理部４２では、搬送波発生器４３からの搬送波を用いて周波数変換し、該周波数変換された信号を相関処理部４４に送る。該相関処理部４４は、前記超音波発信部３０の２進符号発生器３１で用いたのと同じ疑似雑音信号を２進符号発生器４５から得て、逆拡散して復調する。
【００２４】
この実施形態によれば、前記作業空間またその近傍で、複数の電動ドライバが並行して動作していても、各電動ドライバの疑似雑音符号が異なっていれば、超音波受信機は該複数の電動ドライバの位置を個別的に検出できるというメリットがある。また、周辺の他の機器から超音波のノイズが発せられても、これにより電動ドライバの位置が誤検出されることはなくなる。
【００２５】
次に、本発明の第３実施形態を図５、図６を参照して説明する。この実施形態では、ある電気機器等の筐体をねじ締めする作業空間の周囲の少なくとも３カ所（図示の例では、４カ所）に、超音波送信機５１，５２，５３，および５４を配置し、一方電動ドライバ４の一部に超音波受信部６０を設け、該受信部６０で超音波送信機５１〜５４から時系列に順番に送られてくる信号を受信し、これを信号解析することにより、電動ドライバ４の位置を検出するようにしたものである。なお、図５において、図１と同符号は、同一または同等物を示す。また、超音波送信機５１，５２，５３，および５４はトリガされると、ｔ１時間の間作動して、それぞれ超音波信号５１ａ，５２ａ，５３ａ，および５４ａを送出するものとする。
【００２６】
電動ドライバ４が起動されると、電動ドライバ４のスタート検知部５ａから出力された始動信号ｍが超音波送信機５１に入力され、該超音波送信機５１はトリガされる。これにより、該超音波送信機５１から、超音波信号５１ａがｔ１時間送出される。次に、前記始動信号ｍはｔ０時間遅延されて、超音波送信機５２に入力し、該超音波送信機５２をトリガする。この時、ｔ１＜ｔ０であるので、該超音波送信機５２は、超音波送信機５１が超音波信号５１ａの送信を終了した後信号５２ａの送信を開始することになり、両超音波信号５１ａ、５２ａの重なりは回避される。同様に、超音波送信機５３，５４は、それぞれｔ０時間ずつ遅れて超音波信号５３ａ，５４ａの送信を行う。
【００２７】
図６は、前記受信機６０の受信信号のタイミングチャートを示す。受信機６０は、電動ドライバ４の始動から時間Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，およびＴ３後にそれぞれ信号５１ａ，５２ａ，５３ａ，および５４ａの受信を開始する。受信機６０で受信された受信信号５１ａ〜５４ａは、信号解析部６１に送られ、前記電動ドライバ４の始動から受信機６０で受信されるまでの時間Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，およびＴ３が求められる。また、該信号解析部６１は、該時間Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，およびＴ３を基に、超音波送信機５１〜５４と、電動ドライバ間の距離ｒ１，ｒ２，ｒ３，およびｒ４を求める。これらの距離ｒ１，ｒ２，ｒ３，およびｒ４は、超音波信号の空間の伝搬速度をｖとすると、それぞれｖＴ０，ｖ（Ｔ１−ｔ０），ｖ（Ｔ２−２ｔ０），およびｖ（Ｔ３−３ｔ０）で求められる。
【００２８】
信号解析部６１で求められた距離ｒ１，ｒ２，ｒ３，およびｒ４は統括処理部６２に送られる。該統括処理部６１は、図１の統括処理部１２と同一または同等の処理をする。すなわち、入力してきた３個以上の距離情報のうち、誤検出されたものを除外し、正しいと考えられる距離情報から電動ドライバ４の位置、すなわち、筐体のねじ止め位置を検出する。
【００２９】
なお、前記電動ドライバ４が超音波を受信するタイミングは、該電動ドライバ４の作動前、作動中または停止時のいずれであっても良い。
【００３０】
次に、該第３実施形態の変形例として、前記超音波送信機５１〜５４から、スペクトル拡散された超音波信号を送出するようにしても良い。該超音波送信機５１〜５４は、図３の２進符号発生器３１において、それぞれ異なる２進符号を発生するようにする。一方、受信側では、該超音波送信機５１〜５４で用いたのと同じ２進符号器４５を有する相関処理部４４を超音波送信機５１〜５４の数だけ並列に設けて疑似拡散符号解析を行うことにより、該超音波送信機５１〜５４の送信信号を識別することができる。この場合には超音波送信機５１〜５４は同時に信号を送出することができるので、図５の遅延ｔ０は不要である。なお、前記第３実施形態では、電動ドライバのスタートボタンが押されたタイミングを有線で通知するようにしたが、光や電波による無線で通知するようにしても良い。  次に、本発明の第４実施形態を、図７、図８を参照して説明する。この実施形態では、電動ドライバ４の超音波発信部６は、内部の基準時計に従って連続的に疑似拡散符号で変調した信号を繰り返し送信し続ける。この時、受信機２ａ〜２ｄまたは受信の相関演算部７１ａ〜７１ｄ内の基準時計は超音波発信部６の内部時計と有線もしくは光・電波などの無線（ｑ）によって同期をとるものとする。例えば、電動ドライバ４の超音波発信部６は、図８に示されている繰り返しスペクトル拡散符号Ｓ（ｔ）７２を出力する。一方、受信機２ａ〜２ｄまたは相関演算部７１ａ〜７１ｄは、該超音波発信部６と同期して、信号７２と同一の信号７２’を発生する。この時、該信号７２’はＳ（ｔ−Δｔ）とし、Δｔの値を逐次変化させて受信信号Ｓ（ｔ−Ｔ）７３と相関演算を行う。ΔｔがＴと一致すると、相関演算部７１ａ〜７１ｄは大きな相関値を出すので、その時点でＴの値を決定する。
【００３１】
該位相差Ｔは、電動ドライバ４の超音波発信部６から受信機２ａ〜２ｄまでの超音波信号の伝搬時間に相当するから、該位相差Ｔに超音波の空気中の伝搬速度ｖを乗ずることにより、電動ドライバ４と受信機２ａ〜２ｄ間のそれぞれの距離を求めることができる。該距離が求まれば、前記した各実施形態と同様に、電動ドライバ４の位置を求めることができる。
【００３２】
この実施形態では、送信部６と受信機２ａ〜２ｄの時計の同期を取っているので、特に始動信号ｍは必要ないが、同期を取るための一定の信号ｑは定期的に送出することが必要になる。
【００３３】
この実施形態の変形例として、前記第３実施形態のように、超音波発信部６を超音波受信機とし、受信機２ａ〜２ｄを超音波発信部としても良い。
【００３４】
なお、前記した各実施形態では、電動ドライバを例に挙げて説明したが、本発明は電動ドライバに限らず、超音波発信または受信機能を備えた孔開け、ねじ締め、研磨等の工具あるいは電動穿孔機のような他の工具にも適用することができる。また、空気工具、手動工具であっても良い。また、結束、カシメ、リベットなどの工具で合っても良い。さらに、自動機械やロボット等にも応用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、工具から超音波を発信することができるので、これを少なくとも３個以上の超音波受信機で受信することにより、該工具の作業手順を検出することができるようになる。
【００３７】
また、工具で超音波信号を受信することができるので、工具の作業位置の周囲の少なくとも３カ所以上に配置された超音波発信機から発信された信号を該工具で受信することにより、該工具の作業位置を検出することができるようになる。
【００３８】
また、該工具の作業位置を時系列に記憶することにより、作業の履歴を記録することができるようになる。また、予め定められた作業手順データと該作業の履歴とを比較することにより、作業の監視をすることができるようになる。また、作業手順に間違いがあった場合には警報を発して、作業者に正しい手順を守らさせるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態の概略の構成を示すシステム図である。
【図２】   図１を上から見た平面図である。
【図３】  超音波発信部の一実施例の構成を示すブロック図である。
【図４】  超音波受信機の一実施例の構成を示すブロック図である。
【図５】  本発明の第３実施形態の概略の構成を示すシステム図である。
【図６】  超音波受信機の受信信号のタイミングチャートである。
【図７】  本発明の第４実施形態の概略の構成を示すシステム図である。
【図８】  送受信信号の位相差の説明図である。
【符号の説明】
２ａ〜２ｄ・・・超音波受信機、６・・・超音波発信部、１１ａ〜１１ｄ、６１・・・信号解析部、１２、６２・・・統括処理部、１３、６３・・・警報部、５１〜５４・・・超音波送信機、６０・・・受信部、７１ａ〜７１ｄ・・・相関演算部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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