(57)【要約】  本発明は、工作ツール（３）の振動振幅を求めるための方法に関するものであって、光ビーム（２３）を生成する発光器（２１）と、光ビーム（２３）の光強度を検出する受光器（２２）とを有した光バリアユニット（２）の光ビーム（２３）を生成する工程と、光バリアユニット（２）の受光器（２２）が検出した光ビーム（２３）の光強度に基づいて受光器信号を生成する工程と、工作ツール（３）のツール端部（３１）を光ビーム（２３）内に配置する工程と、工作ツール（３）を振動させる工程と、工作ツール（３）の振動によって生じた受光器信号の変化から工作ツール（３）の振動振幅を求める工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作ツール（３）の振動振幅を求めるための方法であって、
光ビーム（２３）を生成する発光器（２１）と、前記光ビーム（２３）の光強度を検出する受光器（２２）とを有した光バリアユニット（２）の前記光ビーム（２３）を生成する工程と、
前記光バリアユニット（２）の前記受光器（２２）が検出した前記光ビーム（２３）の光強度に基づいて受光器信号を生成する工程と、
前記工作ツール（３）のツール端部（３１）を前記光ビーム（２３）内に配置する工程と、
前記工作ツール（３）を振動させる工程と、
前記工作ツール（３）の振動によって生じた前記受光器信号の変化から前記工作ツール（３）の振動振幅を求める工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記工作ツール（３）の振動振幅を求める工程の際に、前記光ビーム（２３）を横切る方向または直交する方向に延びる軸線及び前記工作ツール（３）のツール軸線の少なくとも一方を中心に、前記工作ツール（３）を回転させる工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工作ツール（３）は、前記工作ツール（３）の基部から、前記工作ツール（３）の前記振動の方向に突出する少なくとも１つの刃先を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記工作ツール（３）の前記刃先は、前記工作ツール（３）の基部から、前記工作ツール（３）の前記振動の方向に直交する方向に突出することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記工作ツール（３）を振動させる前に、前記ツール端部（３１）の位置に応じて前記受光器信号の信号強度が変化するように、前記光ビーム（２３）内における前記ツール端部（３１）の位置を変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記光ビーム（２３）内の領域における前記ツール端部（３１）の位置を、前記光ビーム（２３）に直交する方向に沿って段階的に変更し、それぞれの段階において、得られた前記受光器信号の信号強度を、対応する前記ツール端部（３１）の位置と関連付けることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記工作ツール（３）の振動振幅は、前記受光器信号における最大信号強度と最小信号強度との差から求められることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記光ビーム（２３）に直交する前記方向は、前記工作ツール（３）のツール軸線（３２）が延びる方向に相当することを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記光ビーム（２３）に直交する前記方向は、前記工作ツール（３）のツール軸線（３２）に直交する方向に相当することを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
【請求項１０】
前記受光器信号は、前記受光器（２２）が検出した前記光強度に比例して前記受光器（２２）が生成するアナログ電圧信号であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記光ビーム（２３）内で前記ツール端部（３１）が振動するように、前記工作ツール（３）を振動させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
ツールホルダ（１１）に設けられたセンサユニット（１２）により、前記ツールホルダ（１１）に設けられた前記工作ツール（３）の振動からセンサ信号を生成する工程と、
前記センサ信号から、前記工作ツール（３）の振動振幅に関連付けた前記工作ツール（３）の振動周波数を求める工程と、
前記センサ信号から、前記工作ツール（３）の振動振幅を求める工程と
を更に備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記工作ツール（３）の振動周波数を段階的に変更し、それぞれの段階において、得られた前記工作ツール（３）の振動振幅を、対応する振動周波数と関連付けることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
工作ツール（３）の振動振幅を求めるための装置であって、
光ビーム（２３）を生成する発光器（２１）と、前記光ビーム（２３）の光強度を検出し、検出した前記光強度に基づき受光器信号を生成する受光器（２２）とを有した光バリアユニット（２）と、
前記光ビーム（２３）内に前記工作ツール（３）のツール端部（３１）を配置するユニット（４１）と、
前記工作ツール（３）を振動させるユニット（１３）と、
前記工作ツール（３）の振動によって生じた前記受光器信号の変化から、前記工作ツール（３）の振動振幅を求めるユニット（４２）と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１５】
前記ツール端部（３１）を配置する前記ユニット（４１）は、前記ツール端部（３１）の位置に応じて前記受光器信号の信号強度が変化するように、前記光ビーム（２３）内における前記ツール端部（３１）の位置を変更することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記受光器信号の信号強度を前記ツール端部（３１）の位置と関連付けるユニット（４３）を備え、
前記ツール端部（３１）を配置する前記ユニット（４１）は、前記光ビーム（２３）内の領域で、前記光ビーム（２３）に直交する方向に沿って段階的に前記ツール端部（３１）の位置を変更し、
前記受光器信号の信号強度を前記ツール端部（３１）の位置と関連付ける前記ユニット（４３）は、それぞれの段階において、得られた受光器信号の信号強度を、対応する前記ツール端部（３１）の位置と関連付ける
ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記工作ツール（３）の振動振幅を求める前記ユニット（４２）は、前記受光器信号における最大信号強度と最小信号強度との差から、前記工作ツール（３）の振動振幅を求めることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
前記光ビーム（２３）に直交する前記方向は、前記工作ツール（３）のツール軸線（３２）が延びる方向に相当することを特徴とする請求項１６または１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記光ビーム（２３）に直交する前記方向は、前記工作ツール（３）のツール軸線（３２）に直交する方向に相当することを特徴とする請求項１６または１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記光バリアユニット（２）の前記受光器（２２）は、前記受光器（２２）が検出した前記光強度に比例するアナログ電圧信号として前記受光器信号を生成することを特徴とする請求項１４〜１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
前記工作ツール（３）を振動させる前記ユニット（１３）は、前記光ビーム（２３）内で前記ツール端部（３１）が振動するように、前記工作ツール（３）を振動させることを特徴とする請求項１４〜２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
前記工作ツール（３）を受容するツールホルダ（１１）と、
前記ツールホルダ（１１）に設けられて、前記工作ツール（３）の振動からセンサ信号を生成するセンサユニット（１２）と、
前記センサ信号から、前記工作ツール（３）の振動振幅に関連付けた前記工作ツール（３）の振動周波数を求めるユニット（４４）と、
前記センサ信号から、前記工作ツール（３）の振動振幅を求めるユニット（４５）と
を更に備えることを特徴とする請求項１４〜２１のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
前記工作ツール（３）の振動周波数を段階的に変更するユニット（４６）と、
それぞれの段階において、得られた前記工作ツール（３）の振動振幅を、対応する振動周波数と関連付けるユニット（４７）と
を更に備えることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
請求項１４〜２３のいずれかに記載の装置を備えた工作機械（１）であって、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法に従って、前記工作ツール（３）の振動振幅を求めるように構成されることを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作ツールの振動振幅を求めるための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワークピースを工作ツールで機械加工する際に、工作ツールの回転運動に超音波振動を重畳することができるようにした加工機械が、先行技術として知られている。
【０００３】
特許文献１には、このような技術に関連し、回転可能なスピンドルノーズに適合させるためのツールホルダ支持部を一端に有すると共に、他端にツール支持部を有したツールホルダと、ツール支持部に挿入可能なツールヘッドとを備えた工作ツールにおいて、ツールホルダが振動モータを有する工作機械が記載されている。
【０００４】
工作ツールを超音波振動状態とするため、例えば圧電駆動方式を用いることが可能であり、この場合、電圧によって圧電ディスクの厚みに変化を生じさせる。ある周波数の場合に、ツールホルダに定在波が生じる（共鳴振動）。
【０００５】
なお、共振周波数に加え、共振時の振動振幅も、形状や材質などといった、使用工作ツールの特性に依存するため、製造工場において、ツールホルダの振動振幅が特定の大きさとなるように校正することは困難である。
【０００６】
特許文献２には、半導体チップの配線を行うワイヤボンディング装置において自由振動する細管の振幅を計測する装置が記載されている。この装置では、超音波発生器を用いて細管を振動させる。その振幅を計測するため、受光器を用い、細管の振動する端部によって遮られる光ビームの変化を検出する。
【０００７】
特許文献２に記載された方法では、細管の端部によって光ビームが完全に遮られることで、光ビームが遮断される可能性がある。細管の振動の程度は、光ビームが遮られる程度のみに基づいて示しうるものであり、光ビームが完全に遮られてしまうと、受光器が光ビームから得られる信号を検出できなくなるため、振動の程度を示すことができなくなる。このため、計測信号が欠損することになり、細管の振動の計測が不十分なものとなる。
【０００８】
更に、特許文献２に記載された方法では、ワイヤボンディング装置の細管の例で示されるように、回転対称の工作ツールに適用が制限される。しかしながら、多くの場合、工作ツールが光ビーム内に突出する非対称形状を有することから、振動振幅の計測に悪影響を及ぼすことになり、この方法は、そのような非対称形状の工作ツールにはあまり適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第１７６３４１６号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第１４３１７２９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、振動する工作ツールの振動振幅の計測を可能とする方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的は、請求項１に記載の方法、及び請求項１４に記載の装置によって達成される。従属請求項は、本発明による方法及び本発明による装置の有用な態様を示すものである。
【００１２】
本発明による方法は、工作ツールの振動振幅を求めるための方法であって、光ビームを生成する発光器と、前記光ビームの光強度を検出する受光器とを有した光バリアユニットの前記光ビームを生成する工程と、前記光バリアユニットの前記受光器が検出した前記光ビームの光強度に基づいて受光器信号を生成する工程と、前記工作ツールのツール端部を前記光ビーム内に配置する工程と、前記工作ツールを振動させる工程と、前記工作ツールの振動によって生じた前記受光器信号の変化から前記工作ツールの振動振幅を求める工程とを備える。
【００１３】
このようにすることで、例えば工作機械自体における超音波周波数領域の振動など、工作ツールの振動における実際の振動振幅を工作ツールごとに的確に計測することが可能となる。このとき、工作機械に元々設けられていることが多い一般的なツール計測用レーザを、光バリアユニットに適用することが可能である。従って、本発明による方法は、工作機械の内部に付加的な装備を何ら必要とすることなく、工作機械の既存の装備を用いて実行することができるので、工作機械の構造的な変更が不要となり、経済的に実行することが可能である。更に、振動振幅は、工作ツールを傷めるおそれのない非接触の方式で、光バリアユニットを用いて計測される。
【００１４】
本発明による方法は、特に、振動振幅を計測しているとき、及び前記工作ツールを前記光ビーム内に配置して前記工作ツールを振動させているときの少なくとも一方において、前記工作ツールを、前記光ビームに直交する軸線周りに回転する状態とする工程を更に備えるのが好ましい。
【００１５】
具体的には、本発明による方法は、前記工作ツール、または前記工作ツールを保持するツールホルダを前記工作機械のワークスピンドルに受容する工程と、前記工作ツールが前記光ビーム内に位置するときに、前記工作ツールの振動によって生じた前記受信信号における変化から前記工作ツールの振動振幅を求める前記工程の際に、前記ワークスピンドルを用いて前記工作ルールを回転駆動する工程とを備えるのが好ましい。
【００１６】
この場合、例えば工作機械のワークスピンドルを用いて駆動された回転により、回転対称ではない構造の工作ツールであっても、回転軸線に直交する方向で見たときに、回転対称のように見えるという点で有利である。また、この場合、工作ツールを駆動するワークスピンドルから離間する方向に向く工作ツールの面が、工作ツールの回転軸線周りに少なくとも１つの環状領域または円環を形成するので、工作ツールの振動振幅の計測に特に有利である。この環状領域または円環は、回転しないときに回転対称ではない構造の工作ツールには適用が困難であると考えられていた、光ビームを遮る部分として用いることが可能である。
【００１７】
更に、本発明による方法は、前記工作ツールが、前記工作ツールの基部から例えば前記工作ツールの振動の方向に突出する少なくとも１つの刃先（例えば、フライスの切削刃）を有するものに効果的に適用することができる。
【００１８】
上述のように、工作ツールの回転によって非対称性を補うことができるので、振動の方向における工作ツールの外形形状を、必要に応じて任意に設定することができるという利点がある。
【００１９】
更に、本発明による方法は、前記工作ツールの刃先が、前記工作ツールの前記基部から前記工作ツールの振動の方向に直交する方向に突出するものに効果的に適用することができる。
【００２０】
上述したように、工作ツールの外形が回転対称ではない場合、または連続的な回転対称ではない場合においても、工作ツールを回転状態とすることで非対称性を補うことができるため、工作ツールの外形形状が、計測の機構や、工作ツールの振動振幅の計測における信頼性に、重大な影響を及ぼすものではないという効果がある。
【００２１】
更に、振動振幅は、その後のワークピースの加工処理でも使用する工作ツールまたはツールホルダを、工作機械のワークスピンドルに装着した状態で、直接的に計測することが可能であるという利点があり、その場合、ワークピースの加工処理の直前に計測することができる。
【００２２】
前記工作ツールを振動させる前に、前記ツール端部の位置に応じて前記受光器信号の信号強度が変化するように、前記光ビーム内における前記ツール端部の位置を変更するのが好ましい。
【００２３】
この場合、工作ツールが光ビームを遮る度合いのみによって振幅計測値が定まるので、工作ツールの外形形状や材質によって、この方法の機能性や精度が損なわれることはないという効果がある。
【００２４】
前記光ビーム内の領域における前記ツール端部の位置を、前記光ビームに直交する方向に沿って段階的に変更し、それぞれの段階において、得られた前記受光器信号の信号強度を、対応する前記ツール端部の位置と関連付けるのが好ましい。
【００２５】
このようにして、システムを振動振幅の絶対測定用に校正することができる。この校正において、ツール端部の位置と受光器信号の信号強度との間の相関関係を求めることにより、後に、計測された受光器信号の信号強度から、その信号強度に関連付けられたツール端部の位置を求めることが可能となる。
【００２６】
前記工作ツールの振動振幅は、前記受光器信号における最大信号強度と最小信号強度との差から求められるのが好ましい。
【００２７】
校正を行った後、振動する工作ツールについて、最大信号強度からツール端部の第１位置を求めることが可能であり、最小信号強度からツール端部の第２位置を求めることが可能である。これら２つの位置の違いにより、工作ツールの振動振幅が得られる。
【００２８】
前記光ビームに直交する前記方向は、前記工作ツールのツール軸線が延びる方向に相当するのが好ましい。
【００２９】
これにより、ツール軸線方向における工作ツールの振動について、振動振幅を求めることができる。
【００３０】
これに代えて、前記光ビームに直交する前記方向は、前記工作ツールのツール軸線に直交する方向に相当するようにしてもよい。
【００３１】
これにより、工作ツールのツール軸線に直交する方向に振動する工作ツールについて、振動振幅を求めることが可能となる。従って、本発明による方法は、いくつかの方向における工作ツールの振動についての特性を求めることが可能となる。
【００３２】
前記受光器信号は、前記受光器が検出した前記光強度に比例して前記受光器が生成するアナログ電圧信号であるのが好ましい。
【００３３】
この場合、光強度と電圧とが比例関係にあることにより、必要な演算を容易且つ迅速に行うことが可能となる。
【００３４】
前記光ビーム内で前記ツール端部が振動するように、前記工作ツールを振動させるのが好ましい。
【００３５】
振動振幅を計測するため、例えば、振動するツール端部が、発光器及び受光器からほぼ等距離の位置にあると共に、光ビームの径のほぼ中央に位置するように、当該振動するツール端部を光バリアユニット内に位置決めする。このため、光ビームの径は、ツール端部が完全に光ビームの内側で振動するように、十分な大きさをもって選定される。これにより、受光器信号の変化が、まさに工作ツールの振動を示すものとなる。
【００３６】
本発明による方法は、ツールホルダに設けられたセンサユニットにより、前記ツールホルダに設けられた前記工作ツールの振動からセンサ信号を生成する工程と、前記センサ信号から、前記工作ツールの振動振幅に関連付けた前記工作ツールの振動周波数を求める工程と、前記センサ信号から、前記工作ツールの振動振幅を求める工程とを更に備えるのが好ましい。
【００３７】
これにより、振動する工作ツールの振動振幅をセンサ信号から直接求めることが可能となるので、使用する工作ツールについての校正を光バリアユニットによって行った後は、光バリアユニットが振幅の計測に不要となり、光バリアユニットを取り外すことが可能となるという効果が得られる。
【００３８】
前記工作ツールの振動周波数を段階的に変更し、それぞれの段階において、得られた前記工作ツールの振動振幅を、対応する振動周波数と関連付けるのが好ましい。
【００３９】
即ち、２段階で校正が行われ、振動する工作ツールについて、受光器信号の最大値と最小値とから振動振幅を導き出すことができるように、まず初めにツール端部の位置と受光器信号の信号強度との相関関係を求める。次に、振動する工作ツールについて、計測された振動周波数から振動振幅を導き出すことができるように、振動振幅と振動周波数との間の相関関係を求める。
【００４０】
本発明による装置は、工作ツールの振動振幅を求めるための装置であって、光ビームを生成する発光器と、前記光ビームの光強度を検出し、検出した前記光強度に基づき受光器信号を生成する受光器とを有した光バリアユニットと、前記光ビーム内に前記工作ツールのツール端部を配置するユニットと、前記工作ツールを振動させるユニットと、前記工作ツールの振動によって生じた前記受光器信号の変化から、前記工作ツールの振動振幅を求めるユニットとを備える。
【００４１】
これにより、例えば工作機械自体における超音波周波数領域の振動など、工作ツールの振動における実際の振動振幅を工作ツールごとに的確に計測することが可能となる。工作機械に元々設けられていることが多い一般的なツール計測用レーザを、光バリアユニットに適用することが可能である。従って、本発明による装置は、工作機械の内部に付加的な装備を何ら必要とすることなく、工作機械の既存の装備を用い、工作機械の構造的な変更なしで、経済的に構築することが可能である。更に、振動振幅は、工作ツールを傷めるおそれのない非接触の方式で、光バリアユニットを用いて計測される。
【００４２】
前記ツール端部を配置する前記ユニットは、前記ツール端部の位置に応じて前記受光器信号の信号強度が変化するように、前記光ビーム内における前記ツール端部の位置を変更するのが好ましい。
【００４３】
この場合、工作ツールが光ビームを遮る度合いのみによって振幅計測値が定まるので、工作ツールの外形形状や材質によって、この装置の機能性や精度が損なわれることはないという効果がある。
【００４４】
本発明による装置は、前記受光器信号の信号強度を前記ツール端部の位置と関連付けるユニットを備えるのが好ましく、このとき、前記ツール端部を配置する前記ユニットは、前記光ビーム内の領域で、前記光ビームに直交する方向に沿って段階的に前記ツール端部の位置を変更し、前記受光器信号の信号強度を前記ツール端部の位置と関連付ける前記ユニットは、それぞれの段階において、得られた受光器信号の信号強度を、対応するツール端部の位置と関連付けるのが好ましい。
【００４５】
このようにして、本発明による装置を用い、システムを振動振幅の絶対測定用に校正することができる。この校正において、ツール端部の位置と受光器信号の信号強度との間の相関関係を求めることにより、後に、計測された受光器信号の信号強度から、その信号強度に関連付けられたツール端部の位置を求めることが可能となる。
【００４６】
前記工作ツールの振動振幅を求める前記ユニットは、前記受光器信号における最大信号強度と最小信号強度との差から、前記工作ツールの振動振幅を求めるのが好ましい。
【００４７】
本発明による装置では、校正を行った後、振動する工作ツールについて、ツール端部の第１位置を最大信号強度から求めることが可能であり、ツール端部の第２位置を最小信号強度から求めることが可能である。これら２つの位置の違いにより、工作ツールの振動振幅が得られる。
【００４８】
前記光ビームに直交する前記方向は、前記工作ツールのツール軸線が延びる方向に相当するのが好ましい。
【００４９】
これにより、ツール軸線方向における工作ツールの振動について、振動振幅を求めることができる。
【００５０】
これに代えて、前記光ビームに直交する前記方向は、前記工作ツールのツール軸線に直交する方向に相当するようにしてもよい。
【００５１】
これにより、工作ツールのツール軸線に直交する方向に振動する工作ツールについて、振動振幅を求めることが可能となる。従って、本発明による装置は、いくつかの方向における工作ツールの振動についての特性を求めることが可能となる。
【００５２】
前記光バリアユニットの前記受光器は、前記受光器が検出した前記光強度に比例するアナログ電圧信号として前記受光器信号を生成するのが好ましい。
【００５３】
この場合、光強度と電圧とが比例関係にあることにより、必要な演算を容易且つ迅速に行うことが可能となる。
【００５４】
前記工作ツールを振動させる前記ユニットは、前記光ビーム内で前記ツール端部が振動するように、前記工作ツールを振動させるのが好ましい。
【００５５】
振動振幅を計測するため、例えば、振動するツール端部が、発光器及び受光器からほぼ等距離の位置にあると共に、光ビームの径のほぼ中央に位置するように、当該振動するツール端部を光バリアユニット内に位置決めする。光ビームの径は、ツール端部が完全に光ビームの内側で振動するように、十分な大きさをもって選定される。これにより、受光器信号の変化が、まさに工作ツールの振動を示すものとなる。
【００５６】
本発明による装置は、前記工作ツールを受容するツールホルダと、前記ツールホルダに設けられて、前記工作ツールの振動からセンサ信号を生成するセンサユニットと、前記センサ信号から、前記工作ツールの振動振幅に関連付けた前記工作ツールの振動周波数を求めるユニットと、前記センサ信号から、前記工作ツールの振動振幅を求めるユニットとを更に備えるのが好ましい。
【００５７】
これにより、振動する工作ツールの振動振幅をセンサ信号から直接求めることが可能となるので、使用する工作ツールについての校正を光バリアユニットによって行った後は、光バリアユニットが振幅の計測に不要となり、光バリアユニットを取り外すことが可能となるという効果が得られる。
【００５８】
本発明による装置は、前記工作ツールの振動周波数を段階的に変更するユニットと、それぞれの段階において、得られた前記工作ツールの振動振幅を、対応する振動周波数と関連付けるユニットとを更に備えるのが好ましい。
【００５９】
即ち、本発明による装置は、２段階での校正を実行可能とするものであって、振動する工作ツールについて、受光器信号の最大値と最小値とから振動振幅を導き出すことができるように、まず初めにツール端部の位置と受光器信号の信号強度との相関関係を求める。次に、振動する工作ツールについて、計測された振動周波数から振動振幅を導き出すことができるように、振動振幅と振動周波数との間の相関関係を求める。
【００６０】
本発明による工作機械は、本発明による前記装置を備え、本発明による前記方法に従って、前記工作ツールの振動振幅を求めるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係る装置の一部を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る装置の一部の概略図である。
【図３】本発明に係る方法において用いるツールホルダの一例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
代表的な実施形態及び図面に基づき、以下に詳細に本発明を説明する。
【００６３】
図１は、本発明の一実施形態に係る装置の一部を示している。図１には、光ビーム２３（図１には示さず）を生成する発光器２１と、光ビーム２３の光強度を検出する受光器２２とを備えた光バリアユニット２が示されている。例えば、光バリアユニット２として、ツール制御及び破損管理のためのレニショー（ＲＥＮＩＳＨＡＷ、登録商標）製またはブルーム（ＢＬＵＭ、登録商標）製の非接触式ツール破損検出用システムのレーザシステムを適用することが可能であり、このようなシステムでは、集束されたレーザビームが光ビーム２３として発光器２１から発せられ、この光ビーム２３が受光器２２に照射されるようになっている。この光バリアユニット２は、台座または取付機構を用い、工作ツール３の移動範囲内に位置するように、工作機械１の加工処理区域に取り付けられる。光バリアユニット２の取り付けは、工作台の上または工作台に隣接した位置で行うことが可能である。受光器２２は、検出した光強度に比例する大きさの受光器信号を生成し、この受光器信号は、アナログ電圧信号として受光器２２から出力される。
【００６４】
工作機械１は、ツールホルダ１１を介して工作ツール３が受容されるスピンドル５０（例えば、ツール保持式ワークスピンドル）を更に備える。また、このスピンドル５０は、ツールホルダ１１及び工作ツール３を回転状態とするように構成されている。スピンドル５０が工作ツール３を回転駆動する際には、例えば発光器２１が発した光ビーム２３を用い、工作ツール３によって遮られる光ビーム２３の光強度を受光器２２で検出することによって、振動振幅の計測が行われる。
【００６５】
即ち、工作ツール３の振動振幅の計測は、例えば以下のようにして行われる。ツールホルダ１１に受容された工作ツール３のツール端部３１が、発光器２１と受光器２２との間で光バリアユニット２の光ビーム２３内に配置されて光ビーム２３を遮るように、ツールホルダ１１の位置を定める。工作ツール３が超音波振動状態に置かれているとき、光ビーム２３内で振動するツール端部３１により、光ビーム２３が遮られる度合いが変化する。この結果、受光器信号が変化し、この変化から工作ツール３の振動振幅を求めることができる。
【００６６】
このような本発明の基本原理について、図２を用い、詳細に説明する。まず最初に、システムの校正が行われる。このような目的のため、振動していない状態の工作ツール３のツール端部３１を、ビームウエストの領域において光ビーム２３に近接して配置する。光ビーム２３の径は、ビームウエストで最小となる。ツール軸線３２は、光ビーム２３に直交する方向に向けられている。次に、工作機械１の可動軸を用い、ツール軸線３２に沿う方向に、例えば１μｍずつ段階的に、ツール端部３１を光ビーム２３内で移動させる。この結果、光ビーム２３は徐々に遮られていくことになる。移動の各段階において、受光器２２が、光強度を計測して受光器信号に変換し、その電圧値がそのときの工作ツール３のツール位置と関連付けられる。このようにして、電圧値に対するツール位置の相関関係が得られる。このとき、ビームウエストの径は、全く遮られていない状態の光強度から、完全に遮られた状態の光強度まで変化させる上で、複数段階での位置変更が必要となる程度に大きく、且つツール端部３１に予測される最大振動振幅よりも十分大きくなるように設定されている。
【００６７】
校正の後、振動振幅は以下のようにして求められる。光ビーム２３内の、ビームウエストの径のほぼ中央で、発光器２１と受光器２２とのほぼ中央となる位置にツール端部３１を配置し、このツール端部３１を超音波振動で励振する。従って、振動するツール端部３１により、光強度に比例した受光信号の変化が生じる。振動振幅は、予め求められているツール位置と電圧値との相関関係を用い、受光器信号の波高値（peak-to-peak value）から求められる。
【００６８】
また、校正は、ツール端部３１を、ツール軸線３２に沿う方向ではなく、ツール軸線３２に直交すると共に光ビーム２３に直交する方向に沿って移動させるようにして行うことも可能である。このような校正は、ツール軸線３２に直交する方向における工作ツール３の振動振幅を計測する際に用いられる。
【００６９】
図３は、本発明に係る方法において用いるツールホルダ１１の一例を示しており、校正の後、このツールホルダ１１により、光バリアユニット２を用いずに、工作ツール３の振動振幅を計測することが可能である。このような目的のため、システムの校正が以下のようにして行われる。
【００７０】
図２を用いて説明したように、まず最初に、受光器信号の電圧値に対するツール位置の相関関係が求められる。
【００７１】
ツールホルダ１１には、工作ツール３の振動からセンサ信号を生成するセンサユニット１２が設けられており、このセンサ信号には、工作ツール３の振動周波数の情報が含まれている。センサ信号は、ツールホルダ１１の外部にある分析手段（図示せず）を用いて分析処理することが可能である。
【００７２】
次に、工作ツール３が超音波振動状態に置かれる。これは、ツールホルダ１１に設けられた圧電素子１３を、電圧発生器（図示せず）により励起して機械的振動を発生させ、この機械的振動を工作ツール３に伝達するようにして行うことができる。振動周波数は、センサユニット１２が生成するセンサ信号から求めることが可能であり、振動振幅は、光バリアユニット２の受光器２２が生成する受光器信号から求めることが可能である。
【００７３】
次に、工作ツール３の振動周波数を、例えば電圧発生器の励起周波数を変化させることにより、段階的に変化させる。各段階において、振動周波数と振動振幅とを計測し、これら振動周波数と振動振幅とを相互に関連付ける。これにより、振動周波数に対する振動振幅の相関関係が得られる。この後は、光バリアユニット２を取り外すことが可能である。
【００７４】
このようなシステムの校正を行った後は、光バリアユニット２を用いなくても、工作ツール３の振動振幅を求めることが可能となる。このような目的のため、工作ツール３を振動させ、センサ信号から振動周波数が求められる。求められた振動周波数に関連付けられている振動振幅を、予め求めた振動振幅と振動周波数との相関関係から求めることができる。
【００７５】
図４は、本発明の一実施形態に係る装置の概略を示している。ツール端部３１の位置を定めるユニット４１は、例えば、工作機械１のコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）により独立して移動可能な可動軸とすることが可能であり、これにより、可動軸の一端に装着されたツールホルダ１１、及び工作ツール３を所望の位置に移動させることが可能となっている。工作ツール３を振動させるユニット１３は、図３に示されるツールホルダ１１に設けられた圧電素子１３に相当するものとすることができる。工作ツール３の振動周波数を変化させるユニット４６は、特定の励起周波数で圧電素子１３を励起して超音波振動させる電圧発生器で構成することが可能であり、この励起周波数を変化させることができるようになっている。
【００７６】
受光器信号から振動振幅を求めるユニット４２、信号強度をツール端部３１の位置と関連付けるユニット４３、振動周波数を求めるユニット４４、センサ信号から振動振幅を求めるユニット４５、振動周波数を変化させるユニット４６、及び振動振幅を振動周波数と関連付けるユニット４７は、工作機械１の電子システムの一部とすることが可能である。
【００７７】
本実施形態において、信号強度をツール端部３１の位置と関連付けるユニット４３は、光バリアユニット２の受光器２２に接続され、受光器２２から受光器信号を受信することが可能となっている。また、信号強度をツール端部３１の位置と関連付けるユニット４３は、受光器信号から振動振幅を求めるユニット４２に、校正の情報を送信することが可能であって、受光器信号から振動振幅を求めるユニット４２は、受光器２２から受光器信号を受信することも可能となっている。
【００７８】
振動周波数を求めるユニット４４は、ツールホルダ１１に設けられたセンサユニット１２に接続され、センサユニット１２からセンサ信号を受信することが可能となっている。また、振動周波数を求めるユニット４４は、振動振幅を振動周波数と関連付けるユニット４７に、振動周波数に関するデータを送信することが可能となっており、振動振幅を振動周波数と関連付けるユニット４７は、更に、受光器信号から振動振幅を求めるユニット４２から、振動振幅に関する情報を受信することが可能となっている。
【００７９】
振動振幅を振動周波数と関連付けるユニット４７は、センサ信号から振動振幅を求めるユニット４５に校正の情報を送信し、センサ信号から振動振幅を求めるユニット４５は、更に、センサユニット１２からセンサ信号を受信する。
【００８０】
これらユニット４２〜４５，４７のうちのいくつかまたは全部は、１つのユニットにまとめることも可能である。
【００８１】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、上述した実施形態における個々の要素及び個々の特徴の少なくとも一方を互いに組み合わせ、本発明の更なる実施形態とすることが可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１  工作機械
１１  ツールホルダ
１２  センサユニット
１３  圧電素子
２  光バリアユニット
２１  発光器
２２  受光器
２３  光ビーム
３  工作ツール
３１  ツール端部
３２  ツール軸線
４１  ツール端部の位置を定めるユニット
４２  受光器信号から振動振幅を求めるユニット
４３  信号強度をツール端部の位置と関連付けるユニット
４４  振動周波数を求めるユニット
４５  センサ信号から振動振幅を求めるユニット
４６  振動周波数を変化させるユニット
４７  振動振幅を振動周波数と関連付けるユニット
５０  スピンドル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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