(57)【要約】使用状態にあるＡＥセンサの感度劣化などの動作状態を確認できるようにすることを目的とする。ＡＥ変換子４１と、ＡＥ変換子４１からのＡＥ信号の出力経路を介してＡＥ変換子にパルス信号を印加するパルス信号送信器４２と、ＡＥ信号をデジタル信号に変換して処理して周波数特性を算出する受信・処理器４３と、基準状態のＡＥ変換子のＡＥ信号の周波数特性を基準周波数特性として記憶する基準周波数特性記憶部４４と、動作確認要求信号に応じて算出したＡＥ信号の周波数特性を基準周波数特性と比較する比較器４５と、を備える。
2007080692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＥ変換子と、
前記ＡＥ変換子からのＡＥ信号の出力経路を介して、前記ＡＥ変換子にパルス信号を印加するパルス信号送信器と、
前記ＡＥ信号を受信してデジタル信号に変換し、デジタルＡＥ信号を処理して周波数特性を算出する受信・処理器と、
基準状態の前記ＡＥ変換子に前記パルス信号送信器から前記パルス信号を印加した時の前記ＡＥ信号の周波数特性を基準周波数特性として記憶する基準周波数特性記憶部と、
動作確認要求信号に応じて前記ＡＥ変換子に前記パルス信号送信器から前記パルス信号を印加した時の前記ＡＥ信号の周波数特性を、前記基準周波数特性と比較する比較器と、を備えることを特徴とするＡＥセンサ。
【請求項２】
ＡＥ変換子からのＡＥ信号の出力経路を介して、基準状態の前記ＡＥ変換子にパルス信号を印加し、
前記パルス信号の印加に対して前記ＡＥ変換子から出力される前記ＡＥ信号の周波数特性を算出して基準周波数特性として記憶し、
動作確認要求信号に応じて、前記ＡＥ変換子にパルス信号を印加し、
前記パルス信号の印加に対して前記ＡＥ変換子から出力される前記ＡＥ信号の周波数特性を動作確認周波数特性として算出し、
前記動作確認周波数特性を前記基準周波数特性と比較して、差が所定量より小さい時には正常と、差が所定量より大きい時には異常と判定し、判定結果を出力することを特徴とするＡＥセンサの動作状態確認方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体媒体内を伝播する高周波数の音響信号（ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）信号）を検出するＡＥセンサ及びＡＥセンサが正常に動作するかを確認する方法に関し、特に砥石などのツールを被加工物に接触させて加工を行う加工システムの一部に取り付けて使用されるＡＥセンサ及びその動作状態確認方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ツールを被加工物（ワーク）に接触させて加工を行う加工装置、例えば、回転する砥石を回転するワークに接触させて研削する研削盤では、ツール（砥石）とワークとの接触（エアカット）の検出、ドレッシングツール（ドレッサ）によるツール（砥石）のドレッシングの完了検出、ツール（砥石）が所定の基準ピンと接触することを検出することによるツールの位置決め、及びツール（砥石）と加工装置のほかの部分との衝突の検出などのために、ＡＥセンサが使用される。ＡＥセンサは、固体内を伝播する音響信号を検出するもので、対象とする周波数などに応じて各種の方式があるが、研削盤などの加工装置で使用するＡＥセンサは、数十ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの超音波領域を対象とし、圧電素子などで構成される。
以下、研削盤で使用されるＡＥセンサを例として説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＡＥセンサであればどのようなものにも適用可能である。
ＡＥセンサについては、ＮＤＩＳのＮｏ．２１０６−７９、２１０６−９１などに、ＡＥセンサを使用した研削盤については、特許文献１などに記載されているように、広く知られているので、ここではＡＥセンサの詳しい説明は省略し、本発明に直接関係する部分についてのみ説明する。
図１は、ＡＥセンサの使用例を示す図であり、研削盤を含む加工システムにＡＥセンサを設けた構成を示す図である。以下の説明は、図１に示すような構成にＡＥセンサを適用した場合を例として行う。図１において、ベース１１の上にはワークＷを保持して回転させる機構と、移動ベース１２とが設けられている。移動ベース１２には、砥石１４を回転させる砥石回転機構１３が設けられる。研削盤は、加工機制御装置１５により制御される。なお、砥石１４は、新しいものに交換した時やある程度の時間使用した時に、砥石１４の表面を研削に適した状態にするため、ドレッシング処理と呼ばれる処理を行う。この処理では、回転する砥石１４に、ドレッサを接触させて砥石１４の表面処理を行う。以上の部分は通常の研削盤を含む加工システムと同じである。
砥石回転機構１３の筐体にはＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサ２１が取り付けられ、砥石１４で発生するＡＥ波が砥石回転機構１３の筐体を通してＡＥセンサ２１に伝達され、ＡＥセンサ２１はＡＥ信号を発生する。ＡＥ信号処理装置２２は、ＡＥ信号を処理して砥石１４がワークＷに接触したことを検出して加工機制御装置１５に通知する。
図２は、ＡＥセンサの回路構成を示す図である。図２において、参照番号３１はＡＥ変換子を示し、３２はＡＥ変換子３１を収容するケースを示し、３３はプリアンプを示す。ＡＥ変換子３１は、ジルコン酸チタン酸鉛系圧電セラミック（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム、水晶などの圧電材料で作られる。ＡＥ変換子３１はプリアンプ３３に接続され、プリアンプ３３からＡＥ波によるＡＥ変換子３１のインピーダンスの変化に応じた出力が得られる。図１の例では、ケース３２がＡＥセンサ２１として砥石回転機構１３の筐体に取り付けられ、ＡＥ変換子３１及びプリアンプ３３はケース３２内に設けられることになる。
従来から行われている一般的なＡＥセンサの感度測定及び故障診断方法は、所定の関係にある基準ＡＥ波発生源からの信号を被診断センサにより受信し、受信信号を解析することにより行われていた。基準ＡＥ波発生源は、例えばＡＥセンサに所定の信号を与えてＡＥ波を発生する場合と、シャープペンシル芯を圧折してＡＥ波を発生する場合などがある。このような測定を行うには、被診断センサと基準ＡＥ波発生源とが所定の関係、例えば、所定の測定媒体に対して所定の位置関係で配置されていることが必要である。測定方法には、他にも、ＮＩＳＴ法、相互校正法などがある。
ＡＥセンサは、出荷前に上記のような感度測定及び故障診断方法で検査が行われ、所定の基準を満たしたものが出荷される。
【特許文献１】特開平６−１１４６９２号公報
【発明の開示】
【０００３】
ＡＥ変換子３１は、圧電素子の両側に電極を設け、必要に応じてさらに受信板や絶縁板を設け、電極と出力端子の間に配線を設けた構成を有する。使用している間に配線の断線や、電極の剥がれや、圧電素子の劣化などの各種の故障が生じて、出力が発生しないといった問題や、感度の低下といった問題が生じる。このような問題を生じると、砥石のワークへの接触を正確に検出できないということになる。
そこで、図１に示すような構成で、砥石のワークへの接触を検出するためなどに使用される場合には、砥石がワークに接触していない状態でＡＥセンサの出力を検出して動作することを確認していた。しかし、このような状態で検出されるのは、モータ、ベアリングなどの回転部の振動や、切削油、潤滑油、エアーの流動、ポンプの駆動などに起因する雑音であり、これらの雑音は一定ではない。そのため、このような状態でＡＥセンサの出力を測定しても、ＡＥセンサの感度低下といった精密な測定を行うことはできず、行えるのはＡＥセンサが動作しているかといった簡単な確認だけである。
上記のように、従来のＡＥセンサの感度測定方法は、ＡＥセンサと基準ＡＥ波発生源とが、所定の測定媒体に対して所定の位置関係で配置されていることが必要であり、図１のような構成では使用できない。
本発明は、実際の使用状態にあるＡＥセンサの感度劣化などの動作状態を確認できるようにすることを目的とする。
上記目的を実現するため、本発明のＡＥセンサ及びその動作状態確認方法は、ＡＥ変換子の圧電効果と自己共振を利用し、出荷時などの正常な動作時の自己共振の特性を基準特性として記憶しておき、この基準特性からの変化量で動作状態を判定する。
図３は、本発明のＡＥセンサの基本構成を示すブロック図である。図示のように、本発明のＡＥセンサは、ＡＥ変換子３１と、前記ＡＥ変換子３１からのＡＥ信号の出力経路を介して、前記ＡＥ変換子にパルス信号を印加するパルス信号送信器４２と、前記ＡＥ信号を受信してデジタル信号に変換し、デジタルＡＥ信号を処理して周波数特性を算出する受信・処理器４３と、基準状態の前記ＡＥ変換子に前記パルス信号送信器から前記パルス信号を印加した時の前記ＡＥ信号の周波数特性を基準周波数特性として記憶する基準周波数特性記憶部４４と、動作確認要求信号に応じて前記ＡＥ変換子に前記パルス信号送信器から前記パルス信号を印加した時の前記ＡＥ信号の周波数特性を、前記基準周波数特性と比較する比較器４５と、を備えることを特徴とする。
また、本発明のＡＥセンサの動作状態確認方法は、ＡＥ変換子からのＡＥ信号の出力経路を介して、基準状態の前記ＡＥ変換子にパルス信号を印加し、前記パルス信号の印加に対して前記ＡＥ変換子から出力される前記ＡＥ信号の周波数特性を算出して基準周波数特性として記憶し、動作確認要求信号に応じて、前記ＡＥ変換子にパルス信号を印加し、前記パルス信号の印加に対して前記ＡＥ変換子から出力される前記ＡＥ信号の周波数特性を動作確認周波数特性として算出し、前記動作確認周波数特性を前記基準周波数特性と比較して、差が所定量より小さい時には正常と、差が所定量より大きい時には異常と判定し、判定結果を出力することを特徴とする。
本発明によれば、パルス信号送信器が所定の測定用パルス信号を発生し、この測定用パルス信号を、ＡＥ変換子からのＡＥ信号の出力経路を介してＡＥ変換子に印加する。このパルス信号に応じてＡＥ変換子が自己共振し、ＡＥ信号を出力する。測定用パルス信号は一定であり、パルス信号送信器からＡＥ変換子に測定用パルス信号を印加する経路及びＡＥ変換子からＡＥ信号が出力される経路の一定であるため、この測定系は閉じた経路であり、ＡＥセンサの感度劣化などの精密な測定が可能である。
出荷時やメンテナンス時には、ＡＥセンサの動作確認が行われるので、この時にはＡＥセンサが正常に動作することが確実である。そこで、このような時に測定用パルス信号に応じてＡＥセンサから出力されるＡＥ信号は、正常時のＡＥ信号であり、それを基準信号として記憶する。ＡＥ信号の記憶及び比較を行うには、ＡＥ信号の周波数特性を利用する必要があり、基準ＡＥ信号及び比較対象のＡＥ信号は、周波数解析されて周波数特性が算出される。
ただし、本発明のＡＥセンサ及びその動作確認方法は、ＡＥセンサの閉じた系内の測定であり、例えば、ＡＥセンサの取り付けの緩みなどのＡＥセンサの外部で生じる要因については判定できない。
本発明によれば、実際の使用状態にあるＡＥセンサの感度劣化などの動作状態を確認できるようになり、ＡＥセンサを使用する上での信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、ＡＥセンサが使用される加工システムの構成例を示す図である。
図２は、ＡＥセンサの回路構成を示す図である。
図３は、本発明のＡＥセンサの基本構成を示す図である。
図４は、本発明の実施例のＡＥセンサの構成を示す図である。
図５Ａは、ＡＥ変換子に印加される測定用パルス信号の例を示す図である。
図５Ｂは、図５Ａの測定用パルス信号によるＡＥ信号の例を示す図である。
図６は、実施例のＡＥセンサを使用する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、本発明の実施例のＡＥセンサを説明する。実施例のＡＥセンサは、例えば、図１の研削盤に使用される。以下の説明では実施例のＡＥセンサを図１の研削盤に使用した場合を例として説明する。
図４は、実施例のＡＥセンサの構成を示す図である。図示のように、実施例のＡＥセンサは、ＡＥ変換子３１と、図１のＡＥ信号処理装置２２に対応する信号処理部５１と、を有する。ＡＥ変換子３１は、容量Ｃ１、Ｃ２及びプリアンプ３３と共にケース３２に収容されて、図１の砥石回転機構の筐体部分などに取り付けられる。ケース３２と信号処理部５１の間はケーブルなどで接続される。
信号処理部５１は、ＡＥ変換子３１と容量Ｃ２を介して接続され、測定用パルスを出力するパルス発生回路５２と、ＡＥ変換子３１と容量Ｃ１及びプリアンプ３３を介して接続され、ＡＥセンサ３１の出力するアナログＡＥ信号から、ＡＥ波の対象とする周波数範囲、例えば２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲の信号を通過させ、それ以外の周波数の信号を遮断するバンドパスフィルタ５３と、バンドパスフィルタ５３を通過した信号を所定の強度に増幅する可変ゲインアンプ５４と、可変ゲインアンプ５４から出力されたアナログ信号をデジタルＡＥ信号に変換するＡ／Ｄ変換器５５と、Ａ／Ｄ変換器５５から出力されたデジタルＡＥ信号に対して周波数解析を行うＦＦＴ（高速フーリエ変換器）５６と、ＦＦＴ５６を制御すると共にＦＦＴ５６の出力するＡＥ信号の周波数特性を読み取る制御部５７と、メモリ５８と、を有する。ＦＦＴ５６は、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）で構成される。ＤＳＰを使用した周波数解析処理については広く知られているので、ここでは説明は省略する。
制御部５７は、マイクロコンピュータなどで実現される。メモリ５８は、一部が制御部５７を構成するマイクロコンピュータのプログラムを記憶すると共に基準周波数特性を記憶する不揮発性のメモリで構成される。制御部５７は、出荷時に外部から初期状態記憶信号を受け、さらに、図１の加工機制御装置１５から動作確認要求信号を受けると共に加工機制御装置１５に判定結果及び接触検出信号を出力するように構成される。また、制御部５７は、パルス発生回路５２が測定用パルスを出力するかしないかを制御する。
図５Ａは、パルス発生回路５２から容量Ｃ２を介してＡＥ変換子３１に印加される測定用パルス信号の例を示す。図示のように、正（プラス）方向に細いパルスが出力された後、負（マイナス）方向に細いパルスが出力され、この動作を所定の周期で繰り返す。
ＡＥ変換子３１は、図５Ａに示すような波形のパルス信号が印加されると共振して、図５Ｂに示すような、パルスの印加後も出力が振動するＡＥ信号を容量Ｃ１及びプリアンプ３３を介して出力し、それがバンドパスフィルタ５３に入力する。もし、ＡＥ変換子３１が接続されてなかったり、配線が断線していると、図５Ａに示すような波形のパルス信号がそのままバンドパスフィルタ５３に入力することになる。もし、ＡＥ変換子３１の感度が劣化していると、パルスの印加後も出力が振動する部分が変化する。ＦＦＴ５６でパルスの印加後も出力が振動する部分の信号を周波数分析すると、ＡＥ変換子３１の共振周波数及びその整数倍の部分に極大値を有するように変化する周波数成分が算出される。
図６は、実施例のＡＥセンサにおいて、基準周波数特性を記憶し、それに基づいて動作状態を確認するための動作を説明するフローチャートである。
ステップ１０１では、外部から初期状態記憶信号が入力されるまで待機し、初期状態記憶信号が入力されことを検出すると、次のステップ１０２に進む。初期状態記憶信号は、出荷時やメンテナンスなどを行った時のような動作が正常であることが確実な時に外部から入力される。
ステップ１０２では、パルス発生回路５２が測定用パルスを出力する。測定用パルスが出力されると、ＡＥ測定子３１が共振して図５ＢのようなＡＥ信号がバンドパルフィルタ５３に入力され、ＦＦＴ５６はその周波数特性を算出して出力する。
ステップ１０３では、制御部５７が測定用パルスに応じてＦＦＴ５６から出力された周波数特性を読み取る。
ステップ１０４では、制御部５７が、読み取った周波数特性を解析して、極大値、すなわち共振周波数及びその整数倍の周波数位置、及びそれらの強度（パワー）値を算出する。必要であれば極小値についても算出する。
ステップ１０５では、制御部５７がステップ１０４の解析結果をメモリ５８の不揮発性メモリに基準周波数特性として記憶する。従って、記憶された基準周波数特性は、ＡＥセンサの電源供給を停止しても消えることはない。
以上の動作は、出荷時にはかならず行われ、以後メンテナンス時などに随時行われる。
ステップ１０６以下の動作は、実際の使用状態で行われる。
ステップ１０６では、加工機制御装置１５から動作確認要求信号が入力されるまで待機し、動作確認要求信号が入力されことを検出すると、次のステップ１０７に進む。加工機制御装置１５は、砥石１４をワークＷに接触させるように動作させる前に動作確認要求信号を出力する。
ステップ１０７からステップ１０９は、ステップ１０２からステップ１０４と同じ動作を行う。
ステップ１１０では、ステップ１０９で算出した周波数特性の極大値の位置の差（ずれ）、及びそれらの強度（パワー）値の差を算出する。
ステップ１１１では、ステップ１１０で算出した差が所定値より小さいかを判定し、大きければステップ１１２に進み、小さければステップ１１３に進む。この判定方法は、各種設定することが可能であり、例えば、極大値の位置の差の１つ又は合計値が所定値を超えた時には異常と判定したり、極大値及び極小値の強度の１つ又は合計値が所定値を超えた時には異常と判定する。
ステップ１１２では、算出した周波数特性が基準周波数特性から大きく変化したので何らかの異常が発生したと考えられるので、加工機制御装置１５に異常を示す判定結果を出力する。これに応じて、加工機制御装置１５は、オペレータに異常発生を知らせる。
ステップ１１３では、算出した周波数特性は基準周波数特性から大きくは変化していないので正常であると考えられるので、加工機制御装置１５に正常を示す判定結果を出力する。そして、ステップ１１４の通常の動作状態に入り、ＡＥ信号の大きな変化を検出すると接触検出信号を出力する。加工機制御装置１５は、砥石１４をワークＷに接触させるように制御し、接触検出信号を検出すると、砥石１４の送り速度を低速に変化させて精密な加工が行われるように制御する。
以上、本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能である。例えば、実施例では、砥石をワークに接触させて加工を行う研削盤を例として説明したが、本発明はこれに限定されず、ＡＥセンサであればどのようなものにも適用可能である。
また、ＡＥ信号の周波数特性の解析、記憶及び比較は、使用するＡＥセンサの仕様や、取り付けられる対象物に応じて適宜定められるべきであり、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。例えば、検出したＡＥ信号の周波数特性と記憶してある基準周波数特性の差を対象とする全周波数領域で積分して、積分値の差が所定値以下であるかを判定するなどの変形例も可能である。
本発明は、どのようなＡＥセンサにも適用可能であり、特に加工機に取り付けられるＡＥセンサに適用すれば、ＡＥセンサによる判定の信頼性を向上して、重大な故障の発生を防止できる。
【図１】
2007080692.tif 000003
【図２】
2007080692.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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