(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ターン以上巻回されたトロイダルコイルと、
このトロイダルコイルの全周を包囲した中空のリング形状に形成され、当該トロイダルコイルの軸心を通る断面形状領域に、１箇所以上の非導通部分が、当該断面形状領域において前記トロイダルコイルを貫通する電流経路を遮断する位置に形成された導電金属を主体としたシールドケースと、
このシールドケースにより包囲された空間部に臨む位置に、当該シールドケースの少なくとも一部が前記空間部に望む位置に面した状態で、当該シールドケースとの間に絶縁層を介した状態で設けられた電極とを備えたことを特徴とする導体検出装置。
【請求項２】
前記シールドケースの導電金属部分と前記電極との間に交流電圧を印加する電源装置と、
前記トロイダルコイルの両端に誘起される電圧を検出する検出回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の導体検出装置。
【請求項３】
前記トロイダルコイルの両端に交流電圧を印加する電源装置と、
前記電極に流れる電流を検出する検出回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の導体検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出領域に導体が存在するか否かを検出するための導体検出装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、数値制御機能及び自動工具交換機能を備えたマシニングセンタなどの自動工作機械を実際に使用するに当たっては、作業者の工数低減及びタクトタイムの短縮による生産性の向上や、不良品発生数の低減による歩留まりの向上が大きな関心事であり、中でも、ドリルやバイトなどの工具の折損をオンラインで確実に検出することは、生産性や歩留まりの向上を図る上で重要な課題となっている。特に、工作機械を無人運転する場合には、工具の折損をオンラインで検出することが必須の要件となってくる。このような要求に対処し得る工具の折損検出方法としては、従来より以下▲１▼〜▲４▼に示すような手段が考えられている。
【０００３】
▲１▼  工具先端とワークとの電気的接触を検出する手段、
▲２▼  工具先端とワークとの機械的接触により開閉される電気的接点を内蔵したセンサを用いる手段、
▲３▼  工具先端部を磁気的に検出するセンサを用いる手段、
▲４▼  工具先端部そのものを機械的に検出するセンサを用いる手段。
【０００４】
これらの手段のうち▲１▼の例を図１８及び図１９に示す。これら図１８及び図１９において、マシニングセンタ１のワークテーブル（定盤）２上に載置されるセンサ３は、上下に導電金属製の接点板４ａ、４ｂが設けられた絶縁材料製のケース４内に、当該接点板４ａ、４ｂ間に直列接続された状態の発光ダイオード５、電池６、抵抗７を配置したもので、発光ダイオード５は、その点灯状態を外部から目視可能に配置されている。このセンサ３は、マシニングセンタ１に装着された工具８の長さをプリセットするために使用されるもので、その工具８の先端が接点板４ａに接触した状態で、図１８及び図１９中に矢印で示すように、電池６からの電流が抵抗７、発光ダイオード５、接点板４ｂ、ワークテーブル２、マシニングセンタ１、工具８、接点板４ａを通じて流れるようになり、これに応じた発光ダイオード５の点灯を作業者が確認するものである。このようなセンサ３において、上記のように流れる電流を上位コントローラに伝えるように構成すると共に、センサ３の高さ寸法を、マシニングセンタ１に装着された正常な長さの工具８が予め決められた停止位置まで下降されたときに当該工具８の先端が接点板４ａの上面に接触するように設定しておけば、上位コントローラ側で工具８の先端部の折損をオンライン検出できる。
【０００５】
しかしながら、このような構成では、マシニングセンタ１の主軸用のベアリングにセラミックが使用されていた場合に、前記電流経路が遮断された状態になるため、工具８の折損をオンライン検出することが実現不可能になる。また、上記ベアリングが金属製であったとしても、ベアリングや工具先端部に、錆、油膜、酸化膜といった電気的抵抗として作用する物質が付着した状態では、前記電流経路に流れる電流が不安定になって、その検出信頼性が低下するという問題点も出てくる。しかも、検出動作時に工具８が回転したままであると、センサケース４上面の接点板４ａが徐々に削られてしまうため、検出動作時には工具８の回転を止める必要があるが、このように検出動作時に工具８の回転を一々停止させることは、タクトタイムの短縮を図る上で重大な制約になるものであり、このような制約も実用上の欠点になってくる。従って、このようなセンサ８は、マシニングセンタ１の自動運転時における工具８の折損検出という用途に適さない。
【０００６】
前記▲１▼のような手段の他の例としては、特公平２−６０９６３号公報に記載された「工作機械の接触検出装置」がある。このものには、工具と工作物（ワーク）とが相互に接触したことを検出するために、工具、工作物及び当該工作物の支持体（ベッド、テーブルなど）によって形成される電流経路の一部を取り囲むように２個のトロイダルコイルを設け、一方を交流電圧が印加される励磁コイルとし、他方を上記励磁コイルによる誘導電流を検出する検出コイルとして利用する構成が開示されている。
【０００７】
このような構成によれば、工具を回転させたままの状態でその折損検出を行える点がタクトタイムの短縮を図る上で合理的であるが、主軸用のベアリングにセラミックが使用されている場合に適用できず、また、前述したような電流経路の不安定要素が存在することは変わりがないので、その電流経路に流れる誘導電流が不安定になって、その検出信頼性が低下するという問題点は解消できない。特に、このものでは、工具先端が工作物に接触したにも関わらず、それを検出できなかった場合には工具をさらに前進させることになるため、フェイルセーフ機能を得ることが本質的に困難であって、工具及び工作物の双方を破損させるという重大な結果を招く可能性があった。また、工作物が樹脂の場合には工具の折損検出が全く不可能になるという問題もある。
【０００８】
一方、前記▲２▼のような手段の例としては、特許第２９６７２１０号公報に記載された「タッチセンサ」がある。このものは、高精度の再現性を持つ可動接点を、先端にコンタクトを有する測定軸の変位に応じて動作させる構成としたものであり、前述した▲１▼の手段の例のように、電流経路の不安定要素に起因して検出信頼性が低下する事態を招くことがないというメリットがある。しかしながら、上記タッチセンサは、機械的な可動接点を持つ構成であるため、その接点部の開閉回数が限度値を越えると接点溶着などの不具合を招く可能性が高くなるという事情があり、寿命に対する信頼性が低くなるという欠点がある。また、可動接点に金属の切り粉などが付着して動作不良を招く可能性も否定できない。さらに、工具の折損検出を行うためには、その回転を止めねばならないので、タクトタイムの短縮を図る上で不利になる。しかも、可動接点をオン状態にするためには、工具側から測定軸を通じて比較的大きな力を作用させねばならないので、直径が０．３mm以下程度の折れやすい小径ドリル（マイクロドリル）の折損検出には不向きになるなど、検出可能対象が限定されるという欠点もある。
【０００９】
前記▲３▼のような手段の例としては、所謂電磁近接センサの原理を使ったリング状構造の金属通過検出センサがある。このセンサは、密に巻いたループコイルの電気的特性が、その内周領域に工具先端が近接するのに伴い変化する現象を検出する構成のものであり、図２０に示すような回路構成とされる。この図２０において、ループコイル１１の両端には、共振用コンデンサ１２ａを備えた発振回路１２が接続される。この発振回路１２は、一定の周波数で発振するようになっており、その発振出力は、検波・増幅回路１３、直流成分をカットするための微分回路１４を介して比較回路１５に与えられる。この場合、ループコイル１１内に工具先端部が進入すると、そのループコイル１１のコンダクタンスが増加するため、発振回路１２の発振条件（特にはＱ）が変化して振幅が低下（若しくは発振停止）する。このような振幅の変化を、検波・増幅回路１３で抽出すると共に、その微小変化分を微分回路１４により検出し、その検出値が比較回路１５にて所定のしきい値レベル以下になったか否かを判断し、しきい値レベル以下となったときに出力回路１６からスイッチング出力を発生する。
【００１０】
上記のような金属通過検出センサに用いられるループコイル１１にあっては、一般的に、検出対象の工具の形状が小さい場合には、その出力信号の変化量は非常に微少になる。この一方で、発振回路１２の発振出力の振幅は、センサ用ケーブル長の影響や、回路自身の温度ドリフトの影響を受け、また、検波・増幅回路１３に通常使用されているダイオードの順方向電圧降下の温度特性の影響により検波後の電圧レベルにも変動を来たすという事情があり、直流動作における不確定且つ不安定な要素を含むことが避けられない。このため、工具先端部がループコイル１１内に進入したときの微小な出力信号の変化よりも、上記のような不確定且つ不安定な要素に起因した振幅変動の方が大きくなる場合があり、検出信頼性が著しく低下することになる。このような事情に対処するために、微分回路１４が設けられている。
【００１１】
しかしながら、このような金属通過検出センサでは、以下のような問題点が発生する。即ち、
（ａ）原理的に、ループコイル１１内に工具先端部が進入するときにその出力信号の変化特性がシャープにならないため、工具先端部の位置を明確に検出できない。
（ｂ）ループコイル１１を収納したセンサケース（図示せず）の内周面に付着した金属切り粉の影響を受けやすく、動作が不安定になる。
（ｃ）検出対象工具の材質が同じであっても、その工具の進入速度に応じて微分出力値が異なるため、工具の検出位置（検出タイミング）がばらつく場合があり、検出信頼性が低下する。
（ｄ）検出対象工具の材質（特には磁性の有無）によってその検知位置が大きく異なってくる。
（ｅ）検出対象工具の大きさによって感度が大きく異なるため、感度調整が必要になる。
（ｆ）周囲の金属製構造物の影響を受けやすく、複数のセンサを設ける場合には相互干渉が発生して検出特性が悪化する恐れがある。
（ｇ）ループコイル１１を収納したセンサケース（図示せず）は非磁性材料  （一般的にはアルミニウム）で構成しなければならないが、特に、センサケースの内周面は、感度向上のために樹脂のみで構成する必要があるので、その機械的強度やシール性、耐食性などに問題が発生する場合がある。例えば、シール性が阻害されて内部に水が浸入したときには、ループコイル１１のレヤショートが発生して感度が著しく変化してしまう。
【００１２】
従って、この金属通過検出センサは、工具の折損検出には不向きであり、特に小径の工具の折損検出には適さない。つまり、一般的に、工具は小径であるほど工具長が短く、検出位置特性が厳密に求められるためである。例えば、図２１（ａ）に示すようなマイクロドリル（寸法の一例を示した：単位はmm）にあっては、小径の刃の部分が折損して図２１（ｂ）に示す状態となったときには、全体の体積変化がきわめて小さいため、その折損検出が非常に困難になる。要するに、この種の金属通過検出センサは、比較的緩やかな検出位置特性を持つため、例えばネジのような金属部品の通過検出といった用途に使われるものであり、工具の折損を検出する用途に使う場合には、比較的大きい形状の工具の位置を大雑把に検出するという使い方にならざるを得ない。
【００１３】
前記▲４▼のような手段の例としては、空気を吐出するノズル部を設け、その空気の流れが工具の近接により変化したときの圧力変動を検出するセンサが実用化されているが、このものでは、検出出力の応答性が遅いこと（通常１〜２秒程度）や、システムが大掛かりになるという欠点がある。また、適正な検出出力を得るための調整が微妙で、空気圧源の特性変化（汚れやポンプ部分の経年変化など）に影響されやすいため、そのメンテナンスのために空圧システムについての専門知識が必要なるという問題点がある。
【００１４】
以上のように、前記▲１▼〜▲４▼の手段を採用した工具の折損検出装置では、何れも一長一短があるものであり、この点が未解決の課題となっていた。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成にて応答性の良い良好な検出特性を得ることができると共に、検出対象の拡大並びに検出信頼性の向上を実現でき、さらには、寿命に対する信頼性の向上やメンテナンスの簡単化なども同時に実現できる導体検出装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載した手段を採用できる。この手段によれば、導体検出動作を行う場合には、例えば、トロイダルコイルの全周を包囲した中空のリング形状に形成されたシールドケースの導電金属部分と、そのシールドケースにより包囲された空間部に臨む位置に当該シールドケースとの間に絶縁層を介した状態（直流的に絶縁された状態）で設けられた電極との間に交流電圧を印加する。この状態で、シールドケースにより包囲された空間部に検出対象物である導体が近接していない場合には、電極から絶縁層を経由してシールドケースに交流電流が流れるが、そのシールドケースには、トロイダルコイルの軸心を通る断面形状領域に１箇所以上の非導通部分が形成されているから、トロイダルコイルを貫通する電流は全く流れない。従って、導体が近接していない場合には、トロイダルコイルの両端に電圧が現れることがなく、検出動作は行われない。
【００１７】
この状態から、シールドケースにより包囲された空間部に対し導体が進入して、その先端が電極に近付くと、電極と導体の先端部との間の結合容量が増加する。すると、その結合容量及び導体を通じてトロイダルコイルを貫通する電流が流れるため、当該トロイダルコイルの両端には、電磁誘導作用により印加交流電圧と同じ周波数の交流電圧が誘起されるようになり、以て導体の検出動作が行われる。
【００１８】
請求項２記載の手段によれば、上述のようにシールドケースの導電金属部分と電極との間に交流電圧を印加する電源装置が設けられていると共に、トロイダルコイルの両端に誘起される交流電圧を検出する検出回路が設けられているから、その検出回路からの出力に基づいて導体の有無を容易に判断できる。
【００１９】
請求項３記載の手段によれば、トロイダルコイルは交流電源から印加される交流電圧により励磁状態とされる。この励磁状態で、シールドケースと同電位とされた導体が、当該シールドケースにより包囲された空間部に進入して、その先端が電極に近付くと、電極と導体の先端部との間の結合容量が増加する。すると、電極から、その結合容量、導体、シールドケース及び絶縁層を介して電極へ戻る閉回路が形成されて、その閉回路に電磁誘導作用による電流が流れる。従って、このように流れる電流を検出回路で検出することにより、導体の有無を容易に判断できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１実施例を図１ないし図１０を参照しながら説明する。
図３には本発明による導体検出装置の原理的構成図が示されている。この図３は、工作機械のワークテーブル上に載置されるセンサユニット２１を半割り状態で示しており、環状コアに対しコイルを複数ターン巻回して成るトロイダルコイル２２は、これを物理的に保護すると共に静電シールドの役目を果たすセンサケース２３（本発明でいうシールドケースに相当）内に収納されている。尚、トロイダルコイルのコイルターン数は１ターン以上あれば良い。上記センサケース２３は、トロイダルコイル２２の全周を包囲した中空のリング形状に形成されており、外周縁部の隅部がその全体に渡って開口した形状の導電金属製の環状ケース２３Ａと、この環状ケース２３Ａにおける上記開口部分にこれを閉鎖するように設けられた絶縁材料製の環状枠部２３Ｂとを一体化した構成となっている。つまり、センサケース２３は、トロイダルコイル２２の軸心を通る断面形状領域に非導通部分（環状枠部２３Ｂ部分）が形成された導電金属製の環状ケース２３Ａを主体とした構造とされている。
【００２１】
上記センサケース２３の下面側には、当該センサケース２３と同軸状のリング形状に形成された絶縁材料製のスペーサ２４（本発明でいう絶縁層に相当）が固定される。このスペーサ２４には、その外周縁部の全体に渡って開口した溝部２４ａが同心状に形成されており、その溝部２４ａ内にリング形状の電極２５が収納されている。これにより、上記電極２５は、その内周縁部を前記センサケース２３により包囲された空間部Ｗに臨ませた状態で、当該センサケース２３と直流的に絶縁された状態で設けられている。
尚、この実施例では、スペーサ２４をリング形状としたが、単純な円板形状とした構成、つまり、センサケース２３により包囲された空間部Ｗの下方を当該スペーサ２４により閉鎖した構成としても良いものであり、このような構成の採否は検出対象の種類に応じて適宜に選択することができる。
【００２２】
図４には、図３のように構成された導体検出装置の原理的構成及び動作原理図が示されている。この図４において、センサケース２３はグラウンド端子に接続され、電極２５は発振回路２６（電源装置に相当）からの高周波交流電圧が印加されるように接続され、さらにトロイダルコイル２２の両端はアンプやフィルタ回路などを含む信号処理回路２７（検出回路に相当）に接続される。このような構成において、センサケース２３により包囲された空間部Ｗ（センサケース２３の中空部分）に対し工具２８の近接が全くない場合を考える。この状態では、電極２５からスペーサ２４を経由してセンサケース２３の環状ケース２３Ａに交流電流が流れるが、その環状ケース２３Ａには非導通部分である環状枠部２３Ｂが存在するため、上記交流電流は、図４中に矢印Ａで示すようにグラウンド端子へ流れ込むようになる。このため、トロイダルコイル２２を貫通する電流は全く流れない。従って、工具２８の近接がない場合には、トロイダルコイル２２の両端に電圧が現れず、信号処理回路２７からの出力電圧はゼロである。尚、工具２８が取り付けられたマシニングセンタ２９は、実質的にグラウンドされた状態にある。
【００２３】
この状態から、センサケース２３により包囲された空間部Ｗに対し工具２８が進入して、その先端が電極２５に近付くと、電極２５と工具２８の先端部との間の結合容量Ｃが増加する。すると、図４に矢印Ｂで示すように、その結合容量Ｃ及び工具２８を通じてトロイダルコイル２２を貫通する電流が流れるため、当該トロイダルコイル２２の両端には、電磁誘導作用により発振回路２６と同じ周波数の交流電圧が誘起されるようになり、その交流電圧が信号処理回路２７により増幅されて出力される。従って、信号処理回路２７の出力に基づいて工具２８の近接を検出することができる。尚、図６及び図７には、上記のような動作原理を簡明に理解できるようにした模式図及び等価的な電気的構成図を示した。これら図６及び図７から、工具２８がない場合には、二次側回路となるトロイダルコイル２２に誘導電流が流れないため、信号処理回路２７からの出力電圧はゼロになることが分かる。
【００２４】
この場合、工具２８が空間部Ｗ内に進入していくに当たって、その進入度合いが浅い状態時には、導電金属製の環状ケース２３Ａの内周壁がシールドの役目を果たすため、工具２８にはほとんど電流が流れない。この状態から、工具２８の先端部が電極２５と同一平面付近よりもさらに深く進入し出すと、電極２５と工具２８の先端部との間にシールド作用を果たす物体がなくなるため、両者間の結合容量Ｃが急激に増えるようになり、これに応じて工具２８に流れ込む電流が急増するようになる。
【００２５】
このような電流の急増現象が起きるということは、原理的に、工具２８先端部の検出特性をシャープにできることを意味し、しかも、工具２８先端部の検出位置を電極２５と同一平面付近のポイントに明確に特定できるという検出特性が得られることを意味する。また、工具２８が近接していない状態で信号処理回路２７からの出力電圧をゼロにできるということは、その信号処理回路２７の感度を上げても工具２８の近接がなければ出力電圧がゼロのままであることを意味する。従って、この性質は、工具２８先端部の検出特性をシャープにする上できわめて有益になり、しかも、信号処理回路２７に多少のドリフトがあった場合でも本質的に安定した検出動作を行い得るようになるなど、ループコイルを用いて、コンダクタンスの微少な変化を検出する従来のセンサ（図２０参照）とは根本的に違うメリットが得られる。
【００２６】
つまり、本実施例の構成によれば、工具２８の先端部の位置を明確に検出できるようになる。従って、上記ポイントの位置（電極２５の位置）を、マシニングセンタ２９に装着された正常な長さの工具２８が予め決められた停止位置まで下降されたときに当該工具２８の先端部が当該ポイントより少し下の位置に設定しておけば、その停止位置での信号処理回路２７の出力を上位コントローラ側でチェックすることにより工具２８の先端部の折損を確実且つ容易に検出できることになる。しかも、信号処理回路２７の感度を上げることが可能であると共に、工具２８の有無を非接触検出する構成であるから、直径が０．３mm以下程度の折れやすい小径ドリル（マイクロドリル）の折損検出も、その折損を招くことなく確実に行い得る。
【００２７】
また、電極２５と工具２８の先端部との間の結合容量Ｃは、工具２８の回転に関係しないから、工具２８の折損検出を行う際に、従来構成のように工具２８の回転を止める必要がなくなる。従って、本実施例の構成によれば、タクトタイムの短縮を図る上できわめて有益になり、マシニングセンタ２９のような工作機械における工具の折損検出を行う用途に適したものとなる。
【００２８】
さらに、トロイダルコイル２２に貫通電流が流れるか否かは、工具２８の位置によって絶対的に決まるものであって、工具２８の先端部の検出を、その進入速度とは直接関係なく行い得るようになるから、工具２８の先端部を検出する位置（検出タイミング）がばらつく恐れがなくなり、結果的に、本実施例の構成によれば、検出信頼性の向上を実現できるようになる。
【００２９】
また、本実施例の構成によれば、トロイダルコイル２２に貫通電流が流れるのは、工具２８の先端部が、センサケース２３により包囲された空間部Ｗ内に所定深さに進入したときだけであるから、周囲に金属製構造物が接近した状態でもその影響を受けることがなくなり、複数のセンサユニット２１を互いに近付けた場合でも相互干渉に起因した検出特性の悪化を来たす恐れがなくなる。
【００３０】
ところで、上記のようなセンサユニット２１においては、電極２５と検出対象物（工具２８）との間の結合容量Ｃは非常に小さい値（数ｐＦ以下）になるので、その結合容量Ｃを通じた電流経路のインピーダンスを低くするために、発振回路２６による励磁信号の周波数を比較的高い値（１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度）に設定することになる。この周波数の選定には、トロイダルコイル２２用のコアの特性、信号処理回路２７内のアンプを構成するＩＣの特性、信号取出用ケーブルの特性などを考慮することになる。また、励磁信号の周波数を十分に高めることにより、トロイダルコイル２２のコイルターン数を少なくしても（１〜１０ターン程度）、結合容量Ｃを通じた電流経路のインピーダンスを実用上十分な状態とすることが可能になる。そして、このようにコイルターン数を少なくした場合には、トロイダルコイル２２を粗巻きすることができ、従って厚い絶縁被覆を備えたコイル導線を利用しても全体が大型化する恐れがなくなる。この結果、万一、内部に水が浸入した場合でも、これに起因したレヤーショートを未然に防止できるなど、寿命に対する信頼性を高め得るようになる。また、励磁信号の周波数を高めた場合には、信号処理回路２７側の応答速度が速くなるという利点が出てくる。
【００３１】
以上の説明から、本実施例によるセンサユニット２１の検出対象は、導電体であれば良いことが分かる。この場合、工具２８と電極２５との間の容量結合のインピーダンスを比較的高く（数１００〜数１００ｋΩ程度）できるのに対して、工具２８の材質が変わった場合における当該工具２８側での抵抗値変化量はごくわずか（１Ω程度）であるから、その抵抗値変化による影響がほとんどなく、従って、工具２８が他の材質のものに交換された場合でも常に良好な検出特性を得ることができる。勿論、工具２８の磁気特性の影響を受けることもない。
【００３２】
さて、図８には、センサユニット２１の内周面に金属製切り粉のような異物Ｆが付着したときの影響を説明するための図が模式的に示されている。このように導電性の異物Ｆが付着した場合、電極２５からスペーサ２４を経由した交流電流が異物Ｆを通じて流れるが、その電流は環状ケース２３Ａの内周側を経由してグラウンド端子に流れ込むようになるから、結果的に、異物Ｆ及び環状ケース２３Ａを流れる各電流が相殺されることになって、トロイダルコイル２２を貫通する電流は全く流れない。従って、金属製切り粉のような異物Ｆが付着した場合でも、工具２８の先端部を誤検知することがなくなり、従来構成のような動作が不安定になる恐れがなくなる。また、センサユニット２１の内周面に水などが付着した場合も同様である。但し、異物Ｆにより電極２５と環状スペーサ２３Ａの内周側が短絡された状態となったときには、電極２５の電圧振幅が低下して感度の低下を招くので、その電極２５は、空間に露出させることなく絶縁体で表面を覆うことが望ましい。
【００３３】
図９及び図１０には、マシニングセンタ２９における主軸用ベアリング部分で導通不良があるときの影響を説明するための図が模式的に示されている。図９において、マシンニングセンタ２９のベアリング２９ａにセラミックが使用されている場合、或いはベアリング２９ａの金属ボールの表面に油膜が付着して導通が絶たれた場合には、その状態での電気的構成を等価的に示すと図１０のようになる。即ち、工具２８が取り付けられた加工ヘッド２９ｂは、マシニングセンタ２９の本体と直流的な導通はないが、ベアリング２９ａ部分での浮遊容量結合やセラミックそのものが誘電体となってコンデンサを形成することになる。ベアリング２９ａにセラミックが使用されている場合、そのセラミックの比誘電率は５〜１０程度であるから、空気によるコンデンサ形成状態よりも容量が５〜１０倍程度高くなる。そして、上記のように形成されるコンデンサの結合容量の総計ＣＢは、電極２５と工具２８との間の結合容量ＣＡ  に対して非常に大きくなるので、それら結合容量ＣＡ  及びＣＢ  を通じた電流経路のインピーダンスは、ほとんど結合容量ＣＡ  で決まることになる。従って、結果的には、結合容量ＣＢの影響をほとんど無視できるので、ベアリング２９ａにセラミックが使用されている場合においても通常時とほとんど変わりないことが分かる。また、ベアリング２９ａの金属ボールの表面に油膜が付着して導通が阻害された場合には、金属ボール同士が非常に近接した状態、つまりごく薄い油膜を介してコンデンサが形成される状態になるから、上記結合容量ＣＢ  がさらに増大することになり、影響は一段と小さくなる。
【００３４】
一方、図２には、図３に原理的構成を示したセンサユニット２１の実際の構成例が示されている。この図２において、センサケース２３は、トロイダルコイル２２を収納するための環状凹部３０ａを有した導電金属製のケース本体３０と、このケース本体３０の外周縁部の上面に嵌め込まれた環状絶縁枠３１と、上記環状凹部３０ａをＯリング３２ａ、３２ｂを介して閉鎖する環状の導電金属製上部カバー３３と、ケース本体３０の下面に固定される環状の導電金属製下部カバー３４とにより構成されている。この場合、上部カバー３３は、内周側がケース本体３０の内周壁部上に載置され且つ外周側が環状絶縁枠３１上に載置された状態にてネジ止め手段或いは圧入手段などにより固定されるものである。尚、上記ケース本体３０及び上部カバー３３によって図３に示した環状ケース２３Ａが構成され、上記環状絶縁枠３１が図３に示した環状枠部２３Ｂに相当するものである。
【００３５】
また、下部カバー３４もネジ止め手段或いは圧入手段などにより固定されるものであり、その下部カバー３４とケース本体３０との間に、スペーサ２４及び電極２５を収納するための凹部（符号なし）が形成される。尚、スペーサ２４及び電極２５は予め一体成形（インサート成形）しておくことができる。また、スペーサ２４と上記凹部の底壁部（ケース本体３０の内周面）との間には、Ｏリング３５ａ、３５ｂが介挿される。ケース本体３０の外側壁には、クランプ金具３６、ゴムブッシュ３７及びブッシュナット３８を介してシールド線から成るセンサケーブル３９が連結される。そして、このセンサケーブル３９は、そのシールド導体（外部導体）がケース本体３０（環状ケース２３Ａ）に接続され、互いにシールドされた３本の芯線のうちの１本が電極２５に接続され、他の２本がトロイダルコア２２の両端に接続される。
【００３６】
このような構成とされたセンサユニット２１にあっては、水などの進入を阻止する必要がある部分に、防水に対する信頼性が高いＯリング３２ａ、３２ｂ、３５ａ、３５ｂを使用できるから、無理のない構成で頑丈且つシール性が高い構造とすることができる。また、センサユニット２１は、単純な形状の部品を組み合わせた構成で済むから、その使用部品を適宜に選択することにより、耐熱性、耐振動性、防水性などを大幅に高めることが可能になる。
【００３７】
ここで、センサユニット２１を構成する部品について考察すると、まず、電極２５は単に電圧を印加するだけのものであるから、アルミニウム、銅、黄銅、鉄、ステンレスなどの導電性金属であれば良く、耐環境性、コスト、機械的強度などを考慮して適宜に選択することになる。また、センサケース２３のケース本体３０、上部カバー３３、下部カバー３４も全く同じ材質で問題ない。スペーサ２４や環状絶縁体３１のための絶縁材料も各種の樹脂が使用可能であるが、工作機械のクーラントに対する耐性などを考慮する必要がある。トロイダルコイル２２のためのコアの材料としては、高周波特性、耐環境性、コストパフォーマンスに優れ、しかも最も入手しやすいフェライトを使用できる。但し、フェライトコアは衝撃により割れやすいという問題があるため、実際には、トロイダルコア２２を収納した環状凹部３０ａ内に衝撃緩和用の樹脂をポッティングするという対策を施すことが望ましい。この他のコア材料としては、アモルファス合金或いはパーマロイといった高周波特性や耐蝕性に優れた金属磁性体などを使用することができる。
【００３８】
尚、本実施例では、電極２５、ケース本体３０などを円環形状とすることによりセンサユニット２１を全体として円環形状となるように構成したが、必ずしもこのような円環形状とする必要なく、矩形のリング形状など、多様な形状を採用できるものである。
【００３９】
図１には、センサユニット２１のための前記発振回路２６及び信号処理回路２７を含む回路ユニット４０の構成例が示されている。この図１において、回路ユニット４０の一対の入力端子Ｐ１、Ｐ２には、トロイダルコイル２２の両端がセンサケーブル３９を介して接続され、また、回路ユニット４０の出力端子Ｑには、電極２５がセンサケーブル３９を介して接続される。尚、センサケーブル３９のシールド導体は、回路ユニット４０における回路グラウンド端子（内部アース端子）に接続されている。
【００４０】
回路ユニット４０において、発振回路２６によって生成された高周波励磁信号は、バッファ４１を介した後に出力端子Ｑから出力される。この場合、回路ユニット４０の内部アース端子は、周辺機器のアース端子に交流的に接地されており、従って、回路グラウンドから見た励磁信号電圧は、機器接地レベルから見た電極２５の電圧に等しくなる。また、トロイダルコイル２２から入力端子Ｐ１、Ｐ２を通じて入力されたセンサ検出信号は、信号処理回路２７に与えられる。この信号処理回路２７においては、増幅回路４１及びバンドパスフィルタ４２によって必要な信号のみが増幅された後に、整流回路４３及びローパスフィルタ４４によって直流化される。このようにローパスフィルタ４４から直流化された状態で出力される信号電圧Ｖｓが、工具２８のセンサユニット２１に対する進入状態を表す信号となる。
【００４１】
上記信号電圧Ｖｓは、コンパレータ４５及び４６において基準電圧Ｖ１及びＶ２（Ｖ１≠Ｖ２）とそれぞれ比較され、各比較出力をホトカプラ４７及び４８により取り出すことによりスイッチング出力を得る構成となっている。そして、上位コントローラでは、このスイッチング出力を読み取ることにより工具２８の有無（折損）を検出する。
尚、回路ユニット４０の電源は、外部の交流電源４９からの出力により所定レベルの±直流電圧に生成する二電源用のＡＣ／ＤＣコンバータ５０により得る構成となっている。
【００４２】
ここで、上記のような回路ユニット４０とセンサユニット２１とを接続するセンサケーブル３９には、大きなレベルの高周波励磁信号と微小レベルのセンサ検出信号とが混在するので、互いの信号線（センサケーブル３９の芯線）は厳重にシールドしてクロストークの発生を抑える必要がある。また、センサ検出信号を直流化するためのローパスフィルタ４４のカットオフ周波数は、高周波励磁信号の１／１００程度以下であれば、実用上十分に低いリップルの直流信号を得ることができる。つまり、励磁信号の周波数が２００ｋＨｚであれば、カットオフ周波数は２ｋＨｚ以下にすれば良い。この場合、回路ユニット４０におけるセンサ検出信号に対する応答時間は、このローパスフィルタ４４の特性でほとんど決まるので、その応答時間を１０ｍ秒以下にすることはきわめて容易になる。また、センサ検出信号をローパスフィルタ４４で直流化した後に、そのレベル判定を行うことになるから、マシニングセンタ２９に使用されているモータなどの存在に起因したサージ電圧が平均化されることになり、この種のノイズに対し本質的に耐久性がある構成となる。このような耐ノイズ特性は、モータを多用する工作機械においてきわめて有益な特性となる。
【００４３】
ここで、図１の回路ユニット４０では、二つのコンパレータ４５、４６を使用すると共に、それらの比較対象基準電圧Ｖ１及びＶ２のレベルを異ならせた状態として感度を変える構成としているが、これは検出対象（工具２８）の外径により検出位置が若干量だけ異なってくるという現象を補正することを目的としたものである。従って、特に必要がなければコンパレータを一つだけ設ける構成としても良く、また、このようにコンパレータを一つだけ設ける場合に、基準電圧を複数段階に切り替えることにより感度を複数段階に調整できる構成とすることも可能である。
【００４４】
尚、ここまでの実施例説明では、図４で示した動作原理に基づいた各部の構成について説明したが、これとは異なる動作原理を示す図５のように、トロイダルコイル２２の両端に発振回路２６からの高周波交流電圧を印加する構成も可能である。このようにトロイダルコイル２２を励磁した場合、工具２８が取り付けられたマシニングセンタ２９側は接地電位レベルになっているため、トロイダルコイル２２を貫通した状態の工具２８に対し、電極２５との間の結合容量Ｃを介して電磁誘導作用による電流が流れる。従って、このように流れる電流を信号処理回路２７で検出することにより、工具２８のセンサユニット２１に対する進入状態を検出できるようになる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
図１１には本発明の第２実施例による導体検出装置の原理的構成及び動作原理図が示されており、以下これについて第１実施例と異なる部分のみ説明する。  この第２実施例では、センサケース２３の内周側に、円筒状の絶縁材料製スペーサ５１内に埋め込まれた状態の円筒状電極５２を設けた構成としている。この場合、工具２８が近接していない状態では、電極５２からセンサケース２３へ電流が流れるだけであるが、一旦トロイダルコイル２２を貫通した電流も全て逆方向に戻るため、それらの電流が互いに相殺されるようになる。このため、トロイダルコイル２２から信号電圧が出力されることはない。この状態から工具２８の先端部がセンサケース２３により包囲された空間部Ｗに進入したときには、工具２８及び電極５２間の結合容量Ｃが急激に増大する。
【００４６】
従って、このような構成の本実施例によれば、前記第１実施例と同様の特長を維持しつつ、工具２８の先端部の検出位置を容易に認識可能なセンサケース２３の端面付近に設定できるというメリットがあり、実用性を高め得るようになる。
特に、小径ドリルのような工具は全長が短いことがあるので、このようなメリットはきわめて有用になる。また、前記第１実施例の構成では、トロイダルコイル２２のコアの厚みが工具２８の先端部の検出位置を左右することになるので、その厚さ寸法を余り大きくできないとう事情があったが、この第２実施例の構成によれば、コアの厚さ寸法に関係なく検出位置をセンサケース２３の端面付近に設定できるから、設計上の自由度が向上するようになる。
【００４７】
尚、円筒状の電極５２に代えて、図１２に示すように、センサケース２３の端面（工具２８の進入側端面）付近に位置した円板状の電極５３を設ける構成としたり、図１３に示すように、縦断面形状がＬ字状の円筒状電極５４を設ける構成としても同様の作用・効果を奏するものであり、要するに、電極形状は、検出位置特性や作りやすさなどを考慮して種々設定できるものである。
【００４８】
（その他の実施の形態）
図１４に示す第３実施例のように、センサユニット２１の下方に、当該センサユニット２１により包囲された空間部Ｗに向けてエアを吹き出すためのアダプタ５５を設ける構成としても良い。この構成によれば、センサユニット２１の内周面及び後部２８に付着した切り粉や水などを吹き飛ばすことができるから、工作機械を長時間無人運転する場合などにおいて非常に便利になる。
【００４９】
尚、工作機械を長時間無人運転する場合には、図１４に示した第３実施例の構成でも対応できない可能性がある。このような場合には、図１５に示す第４実施例のように、先端にセンサケース２３の内径より小さいスポンジ或いはフェルト状の材料より成る清掃部材５６ａを取り付けた清掃用工具５６を用意し、この清掃用工具５６を工作機械の自動工具交換機能により加工ヘッドに装着してセンサケース２３の内周を掃除する構成としても良い。
【００５０】
図１６に示す第５実施例のように、工作機械の多軸ヘッド５７に対応して複数のセンサユニット２１を設ける使用法も可能である。本実施例のセンサユニット２１は、前述したように互いに近付けた状態で複数設けた場合でも相互干渉に起因した検出特性の悪化を来たす恐れがなく、且つ周囲に金属製構造物が接近した状態でもその影響を受けることがないから、このような使用法であっても全く支障がない。因みに、インダクタンスの変化を見る形式のセンサではお互い干渉し合うと共に、周囲構造物の影響を受けるから実現困難である。
【００５１】
センサユニット２１の検出対象は、導電体であれば良いから、例えば図１７に示す第６実施例のように、タンク５８内の導電性液体５９（水でも可）のレベル検知も可能となる。但し、センサユニット２１が取り付けられる液位検知用の分岐管５８ａは、電気的な絶縁性が十分に高い材質でなければならない。同様に、水性インクが充填されたサインペンの通過検出や、非導電性のパイプ（例えば樹脂パイプ、木製パイプなど）の内部を流れる導電性液体（水、或いは水溶液、醤油、ソース、ジュース、酒などの食品）の有無などの検出も可能になる。
【００５２】
その他、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、以下のような変形や拡大が可能である。
センサユニット２１は、比較的軽量にできるので、必ずしもワークテーブル上に載置する必要はなく、工作機械の加工ヘッド周辺に装着してタクトタイムの短縮を図ることも可能である。但し、センサユニット２１を固定・移動するための機構が必要になる。
１個の環状枠部２３Ｂ（環状絶縁枠３１）を設けることにより、トロイダルコイ２２ルの軸心を通る断面形状領域に１箇所の非導通部分を形成する構成としたが、このような非導通部分は複数箇所存在しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すセンサユニット縦断面図及び回路ユニットの構成図
【図２】センサユニットの実際の構成例を示す縦断面図
【図３】センサユニットの原理的構成を示すために半割り状態で示す斜視図
【図４】原理的構成及び動作原理図
【図５】図４とは異なる例を示す原理的構成及び動作原理図
【図６】動作原理を簡明化した模式図
【図７】動作原理を示す等価的な電気的構成図
【図８】作用説明用の図４相当図その１
【図９】作用説明用の図４相当図その２
【図１０】作用説明用の図７相当図
【図１１】本発明の第２実施例を示す原理的構成及び動作原理図
【図１２】変形例を示す原理的構成図
【図１３】異なる変形例を示す原理的構成図
【図１４】本発明の第３実施例を示す要部の概略的縦断面図
【図１５】本発明の第４実施例を示す要部の側面図
【図１６】本発明の第５実施例を示す要部の概略的斜視図
【図１７】本発明の第６実施例を示す要部の概略的縦断面図
【図１８】第１の従来例を示す全体の側面図
【図１９】同従来例の要部を模式的に示す縦断側面図
【図２０】第２の従来例を示す回路構成図
【図２１】同従来例での検出対象の一例を示す側面図
【符号の説明】
２１はセンサユニット、２２はトロイダルコイル、２３はセンサケース（シールドケース）、２４はスペーサ（絶縁層）、２５は電極、２６は発振回路（電源装置）、２７は信号処理回路（検出回路）、２８は工具、２９はマシニングセンタ、３０はケース本体、３１は環状絶縁体、５２、５３、５４は電極を示す。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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