(57)【要約】【課題】視差の影響を受けることなく、工具の貫入深度の測定を達成した工作機械を提供する。【解決手段】工作機械（１）は、信号処理手段（６、６´）を具え、工具（３）を少なくとも軸方向に駆動して加工材料（２）内へ貫入させる。また、工作機械（１）は、工具（３）の軸方向に沿って伝播する高周波電磁波（４）の励起と測定のための適当なトランスデューサ（５）を具え、このトランスデューサは、高周波電磁波（４）に基づいて材料（２）内への工具（３）の貫入深度Ｔの算定するために設けられた信号処理手段（６，６´）と接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号処理手段（６、６´）を具え、工具（３）を少なくとも軸方向に駆動して加工材料（２）内へ貫入させるための工作機械において、該工作機械は、工具（３）の軸方向に沿って伝播する高周波電磁波（４）の励起と測定のための適当なトランスデューサ（５）を具え、該トランスデューサは、高周波電磁波（４）に基づいて材料（２）内への工具（３）の貫入深度Ｔの算定するために設けられた信号処理手段（６，６´）と接続されていることを特徴とする工作機械。
【請求項２】
前記トランスデューサ（５）は、高周波伝導性の工具（３）を少なくとも部分的に通る細長い内側導体と、高周波伝導性の工作機械の筐体（７）を少なくとも部分的に通る鞘状の外側導体とで構成された同軸管として構成されており、これら導体が互いに高周波絶縁されていることを特徴とする、請求項１記載の工作機械。
【請求項３】
前記外側導体は、放射状の拡大部（９）を工具正面に具えることを特徴とする、請求項２記載の工作機械。
【請求項４】
同軸管として構成された前記トランスデューサ（５）は、内側導体及び外側導体の双方が、それぞれ高周波伝導性の給電接続（１１ａ、１１ｂ）を、工作機械に取り付けられた工具（３）の機械側面の軸方向端部領域に具えることを特徴とする、請求項２又は３記載の工作機械。
【請求項５】
前記内側導体の給電接続（１１ａ）は、旋回自在に構成されていることを特徴とする、請求項４記載の工作機械。
【請求項６】
前記信号処理手段（６）は、タイマ（１２）、立ち上がり時間が１２０ｐｓ以下の電圧インパルスを発生するための適当な高周波インパルス発生器（１３）、サンプリング時間が１２ｐｓ以下の電圧信号を測定するための適当な高速測定入力部（１４）、及び制御アルゴリズム（１６）を含む演算手段（１５）を具え、該制御アルゴリズム（１６）は、測定入力部（１４）の選択された少なくとも二つの電圧インパルスの間の時間差（Δｔ）の算定のための走行時間モジュール（１７）を具えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項記載の工作機械。
【請求項７】
信号ピークの電圧信号の差分のための適当な差分手段（１８）を有することを特徴とする、請求項６記載の工作機械。
【請求項８】
前記信号処理手段（６´）は、８ＧＨｚ以上の周波数の一定の振動に対して適当な周波数可変な高周波発振器（１９）、高周波信号の振幅復調のための復調器（２０）、高周波信号の振幅信号の測定のための適当な測定入力部（１４）、及び制御アルゴリズム（１６）を含む演算手段（１５）を具え、該制御アルゴリズム（１６）は、高周波特異的な定在波比νの算定のための定在波モジュール（２１）、及び少なくとも二つの異なる高周波特異的な定在波比に基づいた距離（ｄ）の算定のための距離モジュール（２２）を具えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項記載の工作機械。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項記載の工作機械を用いて加工材料へ貫入させた工具（３）の少なくとも軸方向の貫入深さ（Ｔ）を算定するための測定方法において、第一工程にて、露出した工具（３）に対して工具の自由端までの距離を測定し、第二工程にて、加工材料（２）内に貫入した工具（３）に対して加工材料（２）の表面までの距離を測定することを特徴とする測定方法。
【請求項１０】
請求項７記載の工作機械を用いて加工材料へ貫入させた工具（３）の少なくとも軸方向の貫入深さ（Ｔ）を算定するための測定方法において、最初の正の信号ピークと最初の負の信号ピークの間の時間差（Δｔ）を計測することを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加工すべき材料内への工具の貫入深度の測定、特に止まり孔を穿孔する穿孔工具の穿孔深さの測定を可能とした工作機械、ハンマドリル又はコアドリル等の手持ち式工作機械における深さストッパとしての使用、及び対応する測定法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常、加工すべき材料内への工具の貫入深度は補助測定部により測定される。つまり、手持ち式工作機械は、機械的、音響学的、又は光学的な測深システムを具えるのが一般的である。それにより、加工材料の表面から機械に固定された基準点までの距離が直接測定可能となり、さらには前記の基準点までの既知の工具長を用いて減算により貫入深度を間接的に求めることができる。手持ち式工作機械においては、所定の貫入深度に到達した際に、機械式ストッパ（深さストッパ）により、又は主駆動ユニットを停止することにより、工具がさらに深く陥入することを阻止する。
【０００３】
最も一般的なものは、工具の軸に沿って延在し、手持ち式工作機械から離間して配置された棒状の深さストッパであって、機械に固定された基準点に対して軸方向に調整可能及び固定可能であり、距離測定用目盛が付されることの多い深さストッパである。このような機械式深さストッパは、軸の回転自由度を制限し、軸を曲げるおそれがある。さらに、実際には、測定尺の固定のため、ハンドル部を開くため、及び機器の固定のための三本の手を必要とすることから、機械式深さストッパの調節にはいくらかの熟練を要する。手持ち式工作機械が地面に置かれているか、又は体を使って壁面に対して押し付けられている場合には、後者のみが避けられる。
【０００４】
特許文献１には、手持ち式工具用電気式深さストッパのための、走行時間に基づいた距離測定のための種々の技術、特に超音波、電磁波又は光を使用した測定方法に基づいた技術が提案されている。これら超音波、電磁波又は光は基準点から工具軸と平行に離間して（即ち、視差を生じて）放射され、それぞれ加工材料の表面で反射される。表面の法線に対して工具軸が傾いている場合には、原理的に測定誤差を生じる。
【０００５】
【特許文献１】ドイツ国特許第２８３８９６８号明細書
【０００６】
さらに、非常に長いデータ転送ケーブルの欠陥位置を測定するため、例えば特許文献２ニ記載されているような、ケーブルに沿って伝播する高周波電磁波を用いた時間領域反射測定法の測定原理に基づいた特殊なケーブルテスタを用いることが知られている。
【０００７】
【特許文献２】米国特許第４，７３９，２７６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明の課題は、視差の影響を受けることなく、工具の貫入深度の測定を達成した工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題は独立請求項の特徴により本質的に解決される。有利な実施態様は従属請求項に述べる通りである。
【００１０】
この発明によれば、工具を少なくとも軸方向に駆動して加工材料内へ貫入させるための工作機械は、工具の軸方向に沿って伝播する高周波電磁波の励起と測定のための適当なトランスデューサを具える。そのトランスデューサは、高周波電磁波に基づいて材料内への工具の貫入深度を求めるために設けられた信号処理手段と接続されている。
【００１１】
トランスデューサ及び信号処理手段により、工具に沿って直接伝播する高周波電磁波を用いて、工具に対する視差の影響の無い貫入深度測定が可能となる。これについては、いくつかの物理的な根拠に基づいて以下で明確にする。
【００１２】
加工材料に貫入する工具の軸は、それ自体電磁波の導波路である。軸方向に均質な長さ領域に関して、波は、伝播速度及び、導波路を取り囲む誘電体に本質的に依存する波動抵抗（インピーダンス）により本質的に特徴付けられる。自由な工具長により、円筒形の工具を露出した導波路と、二重ドリル刃らせんを二つの平行な導波路と、工作機械に差し込まれている工具の軸方向断面を同軸の導波路と見做すことができる。工具の自由端においては、波動抵抗が無限大に急上昇するため、波の全反射が起きる。加工材料の表面においても、同様に透電率の（空気に対するε＝１から鉱物質基盤に対するε＝３．５への）変化、及びそれ故の波動抵抗の変化が起こるため、そこでは波が少なくとも部分的に反射する。波の電界強度は、トランスデューサでの電圧測定により把握可能である。それ故、変圧器により把握された、工具の自由端及び表面における反射の電圧信号に基づいて、信号を適切に処理することにより、工具の貫入深度を求めることができる。
【００１３】
トランスデューサは、高周波伝導性の工具を少なくとも部分的に通る細長い内側導体と、高周波伝導性の工作機械の筐体を少なくとも部分的に通る鞘状の外側導体とで構成された同軸管として構成されており、これら導体が互いに高周波絶縁されていることが好ましい。これにより、同軸管部が一定の波動抵抗を有し、高周波電磁波が工作機械内であまり反射せずに工具に沿って伝播することのできる。
【００１４】
外側導体は、放射状の拡大部を工具正面に有することが好ましい。これにより、工具正面で波動抵抗が真空中の波動抵抗に適合し、そのため高周波電磁波はあまり反射せずに工作機械を離れ、露出した工具に沿って伝播することができる。同様なことは入力端と反射波の適合についても言える。
【００１５】
同軸管として構成されたトランスデューサは、内側導体及び外側導体の双方が、例えばガルバニ式又は容量式の高周波伝導性の給電接続を、工作機械に取り付けられた工具の機械側面の軸方向端部領域に具えると有利である。それを通して、最大電圧の範囲内での給電が行われる。
【００１６】
内側導体の給電接続は、たとえば伝導性軸受け又はＨＦ回転継手に、回転自在に配置されることが好ましい。これにより、回転動作する工具が導波路としても機能することができる。
【００１７】
信号処理手段はタイマ、立ち上がり時間が１２０ｐｓ以下の電圧インパルスを発生するための適当な高周波インパルス発生器、サンプリング時間が１２ｐｓ以下の電圧信号を測定するための適当な高速測定入力部、及び演算手段を具え、この演算手段は、測定入力部の選択された少なくとも二つの電圧インパルスの時間差の測定のための走行時間モジュールを具えた制御アルゴリズムを含みことが有利である。それにより、工具に沿ったパルス状波の直接的な走行時間測定による距離測定が実現される。
【００１８】
信号処理手段あるいは走行時間モジュールは電圧信号の差分のための適当な（アナログ式又は数値的）差分手段を具えると有利である。それにより、時間的に検知される電圧信号の急上昇を、単純で頑強（ロバスト）に検知可能な（正と負の）信号ピークに変換する。
【００１９】
対応する測定法において、最初の正の信号ピークと最初の負の信号ピークの間の時間差を計測すると有利である。それにより、表面での反射波（正の信号ピーク）と工具末端での反射波（負の信号ピーク）との間の、貫入深度と比例する走行時間差が計測される。
【００２０】
他の実施態様において、信号処理手段が８ＧＨｚ以上の周波数の一定の振動に対して適当な周波数可変な高周波発振器、高周波信号の振幅復調のための復調器、高周波信号の振幅信号の測定のための適当な測定入力部、及び制御アルゴリズムを含む演算手段を具え、制御アルゴリズムは、高周波特異的な定在波比の算定のための定在波モジュール及び少なくとも二つの異なる高周波特異的な定在波比に基づいた距離の算定のための距離モジュールを具えると有利である。それにより、異なる周波数による、重なった入力波と反射波の位相位置に依存した定在波比測定を利用した、間接的な距離測定が実現される。
【００２１】
対応する測定法において、加工材料へ貫入した工具の貫入深度の少なくとも軸方向における測定のため、第一工程において、露出した工具に対して工具の自由端までの距離を測定し、第二工程において、加工材料内に貫入した工具に対して加工材料表面までの距離を測定すると有利である。それにより、二つの距離の差から貫入深度が求められるため、絶対距離測定の代わりに相対距離測定が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施態様を詳細に説明する。図１に示すように、工作機械１は、回転及び打撃を行って、加工材料２に対して、ドリル用ビットの形態である工具３を軸方向に貫入させる。また、工作機械１は、貫入部３に沿って軸方向に伝播する高周波電磁波のパルス形状波４の励起と測定のためのトランスデューサ５（図２）を具える。トランスデューサ５は、高周波電磁波４に基づいて材料２内への工具３の貫入深度Ｔを算定するための信号処理手段６（図２）と接続されている。
【００２３】
図２に示すように、トランスデューサ５は、高周波伝導性の工具３を少なくとも部分的に通る細長い内側導体と、高周波伝導性の工作機械１の筐体７を少なくとも部分的に通る鞘状の外側導体とで構成される同軸管として構成されている。これら内側及び外側導体はセラミック製の絶縁材８によって互いに高周波絶縁されている。外側導体はホーンアンテナ形状の放射状拡大部９を工具正面に具える。トランスデューサ５は、内側導体が自由に旋回できるように構成された伝導性の軸受け１０に接続されたガルバニ式高周波伝導性の第一給電接続１１ａ及び、外側導体と接続された高周波伝導性の第二給電接続１１ｂを具える。これらの接続は、一部のみが図示されている電空式ハンマドリルの形態である工作機械１内に取り付けられた工具３の、機械側面の軸方向端部領域Ｅに配置されている。信号処理手段６は、時間ｔのためのタイマ１２と、立ち上がり時間が５０ｐｓの電圧インパルスを発生するための適当な高周波インパルス発生器１３と、パルス混合器Ｍ（逐次サンプリング、たとえばストロボ走査ダイオードブリッジによって実現される）、下流のローパスフィルタＦ及び下流のアナログ−ディジタル変換器Ａ／Ｄの形態の、サンプリング時間が５ｐｓの電圧信号ｖ（ｔ）を測定するための適当な高速測定入力部１４と、マイクロコントローラμＣの形態の演算手段１５を具える。また、信号処理手段６は、貫入深度Ｔの算定のための制御アルゴリズム１６を含む。アルゴリズム１６は、パルス状の波４の、測定入力部の選択された二つの電圧インパルスの間の時間差Δｔの算定のための走行時間モジュール１７を具える。ここで、走行時間モジュール１７は、電圧信号ｖ（ｔ）の差分のための適当な数値的差分手段１８を具える。差分手段１８は、対応する測定法において、貫入深度Ｔと比例する最初の正の信号ピークと最初の負の信号ピークの間の時間差Δｔを計測する。ここに、ｃは真空中の光速度、μは透磁率、εは誘電率である。
【００２４】
図３に示される他の実施態様において、図２との相違点としては、信号処理手段６´が、８ＧＨｚ以上の周波数の一定の振動に対して適当な周波数可変な高周波発信器１９、振幅信号ａ（ｆ）のための高周波信号ｆの振幅復調のための復調器２０、高周波信号ｆの振幅信号ａ（ｆ）の測定のための、アナログ−ディジタル変換器Ａ／Ｄの形態の適当な測定入力部１４、及びマイクロコントローラμＣの形態の演算手段１５を具える。演算処理手段１５は、貫入深度Ｔの算定のための制御アルゴリズム１６を含む。アルゴリズム１６は、高周波特異的な定在波比νの算定のための定在波モジュール２１及び異なる周波数ｆ１及びｆ２の下での少なくとも二つの異なる高周波特異的な定在波比ν１及びν２に基づいた（絶対）距離ｄの算定のための距離モジュール２２を具える。対応する測定法において、加工材料２（図１）へ貫入した工具３の軸方向の貫入深度Ｔの測定のため、第一工程において、露出した工具３（図１）に対して工具の自由端までの距離ｄＩを測定し、第二工程において、加工材料２（図１）内に貫入した工具３（図１）に対して加工材料２（図１）の表面までの距離ｄＩＩを測定する。貫入深度Ｔは、二つの距離ｄＩ、ｄＩＩの差により求められる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、貫入深度測定器を有する工作機械を表す。
【図２】図２は、工作機械の要部の断面図である。
【図３】図３は、他の実施態様の信号処理手段を表す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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