(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、
この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法において、
前記主軸を主軸頭に電気的に絶縁して回転可能に支持し、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械に接続し、
前記対向電極と主軸間に形成された第１のコンデンサ、前記主軸と主軸頭間に形成された第２のコンデンサ、主軸頭と対向電極間に形成された第３のコンデンサ、環状回路用コイル、工作機械本体および前記主軸の先端に設けられ前記工具と被加工物とが非接触のときオフし、接触するとオンするスイッチで環状回路を構成し、
この環状回路が貫通するように励起コイルおよび検出コイルを配置し、
前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた周波数の交流電流を流し、
前記工具と被加工物との非接触状態では環状回路の合成容量は前記第１、第２及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態では前記スイッチが閉じることにより第２のコンデンサを短絡し環状回路の合成容量を第１及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態での前記合成容量値が前記工具と被加工物との非接触状態での容量値に比して十分に大となるようにし、
前記工具と被加工物が接触した状態での前記第１及び第３のコンデンサおよび環状回路用コイルで構成する前記環状回路の共振周波数の値を前記周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた前記交流電流の周波数の値に同じにし、
前記工具と被加工物とが接近するとき、検出コイルに検出感度が途中で増減することなく、一様に増大する電圧を発生させ、前記工具と被加工物が接触したとき、検出コイルに発生した電圧が予め定めた接触用設定値を急峻に超えるようにしたことを特徴とする工作機械用接触検出方法。
【請求項２】
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、
この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法において、
前記主軸を主軸頭に電気的に絶縁して回転可能に支持し、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械に接続し、
前記対向電極と主軸間に形成された第１のコンデンサ、前記主軸と主軸頭間に形成された第２のコンデンサ、主軸頭と対向電極間に形成された第３のコンデンサ、環状回路用コイル、工作機械本体および前記主軸の先端に設けられ前記工具と被加工物とが非接触のときオフし、接触するとオンするスイッチで環状回路を構成し、
この環状回路が貫通するように励起コイルを配置し、
前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた周波数の交流電流を流し、
前記工具と被加工物との非接触状態では環状回路の合成容量は前記第１、第２及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態では前記スイッチが閉じることにより第２のコンデンサを短絡し環状回路の合成容量を第１及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態での前記合成容量値が前記工具と被加工物との非接触状態での容量値に比して十分に大となるようにし、
前記工具と被加工物が非接触した状態での前記第１及び第３のコンデンサおよび環状回路用コイルで構成する前記環状回路の共振周波数の値を前記周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた前記交流電流の周波数の値に同じにし、
前記工具と被加工物とが接近するとき、励起コイルに検出感度が途中で増減することなく、一様に増大する電圧を発生させ、前記工具と被加工物が接触したとき、検出コイルに発生した電圧が予め定めた接触用設定値を急峻に超えるようにしたことを特徴とする工作機械用接触検出方法。
【請求項３】
前記対向電極と主軸間に形成された第１のコンデンサと前記主軸と主軸頭間に形成された第２のコンデンサを並列に接続し、第２のコンデンサに主軸頭と対向電極間に形成された第３のコンデンサを直列に接続し、前記第１のコンデンサの他端と第３のコンデンサの他端に環状回路用コイルを接続することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の工作機械用接触検出方法。
【請求項４】
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、
この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法において、
前記主軸を主軸頭に電気的に絶縁して回転可能に支持し、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械に接続し、
前記対向電極と主軸間に形成された第１のコンデンサ、前記主軸と主軸頭間に形成された第２のコンデンサ、主軸頭と対向電極間に形成された第３のコンデンサ、環状回路用コイル、工作機械本体および前記主軸の先端に設けられ前記工具と被加工物とが非接触のときオフし、接触するとオンするスイッチで環状回路を構成し、
この環状回路が貫通するように励起コイルおよび検出コイルを配置し、
前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた周波数の交流電流を流し、
前記工具と被加工物との非接触状態では環状回路の合成容量は前記第１、第２及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態では前記スイッチが閉じることにより第２のコンデンサを短絡し環状回路の合成容量を第１及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態での前記合成容量値が前記工具と被加工物との非接触状態での容量値に比して十分に大となるようにし、
前記工具と被加工物が接触した状態での前記第１及び第３のコンデンサおよび環状回路用コイルで構成する前記環状回路の共振周波数の値を前記周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた前記交流電流の周波数の値に同じにし、
前記工具と被加工物とが接近するとき、前記検出コイルに検出感度が途中で増減することなく、一様に増大する電圧を発生させ、
前記工具と被加工物が接触したとき前記検出コイルに発生した電圧が予め定めた接触用設定値を急峻に超えるように検出する電圧検出手段が設けられたことを特徴とする工作機械用接触検出装置。
【請求項５】
前記電圧検出手段は、前記交流電流発生手段の発生する交流電流と略同じ周波数の電流を通過させるバンドパスフィルターを介して、電圧を検出することを特徴とする請求項４に記載の工作機械用接触検出装置。
【請求項６】
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、
この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法において、
前記主軸を主軸頭に電気的に絶縁して回転可能に支持し、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械に接続し、
前記対向電極と主軸間に形成された第１のコンデンサ、前記主軸と主軸頭間に形成された第２のコンデンサ、主軸頭と対向電極間に形成された第３のコンデンサ、環状回路用コイル、工作機械本体および前記主軸の先端に設けられ前記工具と被加工物とが非接触のときオフし、接触するとオンするスイッチで環状回路を構成し、
この環状回路が貫通するように励起コイルを配置し、
前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた周波数の交流電流を流し、
前記工具と被加工物との非接触状態では環状回路の合成容量は前記第１、第２及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態では前記スイッチが閉じることにより第２のコンデンサを短絡し環状回路の合成容量を第１及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態での前記合成容量値が前記工具と被加工物との非接触状態での容量値に比して十分に大となるようにし、
前記工具と被加工物が接触した状態での前記第１及び第３のコンデンサおよび環状回路用コイルで構成する前記環状回路の共振周波数の値を前記周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた前記交流電流の周波数の急峻に値と同じにし、
前記工具と被加工物とが接近するとき、前記検出コイルに検出感度が途中で増減することなく、一様に増大する電圧を発生させ、
前記工具と被加工物が接触したとき前記励起コイルに発生した電圧が予め定めた接触用設定値を急峻に超えるように検出する電圧検出手段が設けられたことを特徴とする工作機械用接触検出装置。
【請求項７】
前記電圧検出手段は、前記交流電流発生手段の発生する交流電流と略同じ周波数の電流を通過させるバンドパスフィルターを介して、電流を検出することを特徴とする請求項６に記載の工作機械用接触検出装置。
【請求項８】
前記工具が被加工物に接触したと判定するための接触用設定値が設定され、前記検出手段の検出値が接触用設定値に達した場合に、工具が被加工物に接触したと判定する判定手段が設けられていることを特徴とする請求項４ないし７の何れか１項に記載の工作機械用接触検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械において、工具と被加工物との接触状態を検出する方法および装置は、工具の磨耗や浮き上がり等による基準点変動を補正して加工精度を確保する用途に用いられる。また、加工中の工具の折損検出による自動警報などの用途にも用いられている。さらに、工具と被加工物との接触前の近接状態が検出できれば、空送り時間の短縮により加工能率の向上が可能となる。
【０００３】
このような用途のために、従来、LCタッチセンサと呼ばれる装置が使われている。この技術の一例（以下、「従来例１」と呼ぶ。）は、特公昭 60-8178号公報に開示されており、図７を用いて説明する。図７は工作機械用接触検出装置の従来例１の概略図である。従来例１は、工具Ｔと被加工物Ｗとが接触したときに、工作機械本体０１を通した電気的ループ０２が構成されることを利用したものである。このループ０２の開閉状態は、ループ０２が貫通するリングセンサ０３に流れる電流値の変化に現れるので、抵抗０Ｒの両端電圧の増減で検出される。
従来例１は、ループ０２と、リングセンサ０３の回路とが電気的に絶縁されており、外来電気ノイズによるループ０２の回路全体の電位変化に対しては、リングセンサ０３の検出回路が動作せず、ループ０２内を流れる電流変化のみに基づく検出方式であるために、外来電気ノイズに強く、工具Ｔと被加工物Ｗとの接触の検出の確実性が高い特徴がある。
【０００４】
しかしながら、最近の工作機械には、高速回転による加工能率の向上のため、主軸が空気式軸受けやセラミック製軸受けなどの絶縁性の軸受けで支持されているものがある。そして、この様な絶縁された主軸を持つ工作機械が増大している。図７に図示するタッチセンサは、鋼製軸受けによる主軸と工作機械本体の電気的な導通を前提としているので、絶縁された主軸を持つ上記のような工作機械に適用することができない。
【０００５】
また、絶縁された主軸を持つ機械について、専用の接点式センサを用いた従来の技術として、特開平10-94946号公報に開示された技術がある（従来例２）。この従来例２は、被加工物の基準となる位置の検出が可能である。しかし、加工用の工具の接触検出については適用することができず、また、ブラシの接触抵抗が増大するので、高速回転中の状態には適用することができない。
【０００６】
さらに、工具が回転中で、かつ、軸受けが絶縁性である場合にも、工具と被加工物との接触を検出できる従来の技術（従来例３）が、特開平10-217069 号公報に開示されており、図８を用いて説明する。図８は工作機械用接触検出装置の従来例３の概略図である。従来例３は、交流電源０１１、抵抗器０１２、主軸０１３および給電電極０１４によって、工作機械本体０１６を通した電気的ループを構成し、被加工物Ｗと工具Ｔとの接触によるループ開閉時のインピーダンス変化を抵抗器０１２の両端の電圧値の増減で検出する技術である。この抵抗器０１２の電圧は、電圧検出器０１７が検出している。なお、主軸０１３は軸受け０１８で工作機械本体０１６に対して絶縁されている。また、給電電極０１４は、主軸０１３に対して容量結合している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来例３は、工作機械本体０１６と検出回路（交流電源０１１、抵抗器０１２および給電電極０１４など）が容量結合（コンデンサ結合）されているので、工具Ｔと被加工物Ｗとの接近により容量変化があった場合には、接触検出のみならず、同一回路で接近検出も可能となる利点がある。しかし、前述したように、工作機械の周辺には、多数の電気的ノイズ源があり、工作機械本体０１６の電位は、たとえ確実に接地されていてもノイズの影響をうける。このため、従来例３は、外来ノイズによる誤検出の可能性が大きいという問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、絶縁された主軸を持つ工作機械においても、外来ノイズに影響されることを極力防止して、工具と被加工物との接触を確実に検出できる工作機械用接触検出方法およびその装置を提供することを目的とする。また、工具が回転中の状態であっても、工具と被加工物との接触を確実に検出できる工作機械用接触検出方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法において、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械本体に接続し、前記主軸、対向電極、環状回路用コイル、工作機械本体、被加工物および工具で、前記工具と被加工物とが接触状態の時に閉じ、前記工具と被加工物とが非接触状態の時に開く環状回路を構成し、この環状回路が貫通するように励起コイルおよび検出コイルを配置し、前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに交流電流を流し、前記環状回路に流れる交流電流によって検出コイルに発生した電圧を検出することを特徴とする工作機械用接触検出方法であり、
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出装置において、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械本体に接続し、前記主軸、対向電極、環状回路用コイル、工作機械本体、被加工物および工具で、前記工具と被加工物とが接触状態の時に閉じ、前記工具と被加工物とが非接触状態の時に開く環状回路を構成し、この環状回路が貫通するように励起コイルを配置し、前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに交流電流を流し、前記励起コイルに流れる電流の大きさを検出することを特徴とする工作機械用接触検出方法であり、
前記閉じた状態での前記環状回路における共振周波数の値、および、励起コイルに供給する交流電流の周波数の値を、周辺で発生するノイズの固有周波数の値から避けた値に設定することを特徴とする工作機械用接触検出方法であり、
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出装置において、対向電極が前記主軸に容量結合する様に配置されるとともに、環状回路用コイルを介して工作機械本体に接続され、前記主軸、対向電極、環状回路用コイル、工作機械本体、被加工物および工具で、前記工具と被加工物とが接触状態の時に閉じ、前記工具と被加工物とが非接触状態の時に開く環状回路が構成され、この環状回路が貫通するように励起コイルおよび検出コイルが配置され、前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに交流電流を流す交流電流発生手段が設けられ、かつ、前記環状回路に流れる交流電流によって検出コイルに発生した電圧を検出する電圧検出手段が設けられていることを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
前記電圧検出手段は、前記交流電流発生手段の発生する交流電流と略同じ周波数の電流を通過させるバンドパスフィルターを介して、電圧を検出することを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出装置において、対向電極が前記主軸に容量結合する様に配置されるとともに、環状回路用コイルを介して工作機械本体に接続され、前記主軸、対向電極、環状回路用コイル、工作機械本体、被加工物および工具で、前記工具と被加工物とが接触状態の時に閉じ、前記工具と被加工物とが非接触状態の時に開く環状回路が構成され、この環状回路が貫通するように励起コイルが配置され、前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに交流電流を流す交流電流発生手段が設けられ、かつ、前記励起コイルに流れる電流の大きさを検出する電流検出手段が設けられていることを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
前記電流検出手段は、前記交流電流発生手段の発生する交流電流と略同じ周波数の電流を通過させるバンドパスフィルターを介して、電流を検出することを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
前記交流電流発生手段の供給する交流電流の周波数が、閉じた状態での前記環状回路における共振周波数を超え、かつ、その共振周波数の近傍の周波数であることを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
前記工具が被加工物に接触したと判定するための接触用設定値が設定され、前記検出手段の検出値が接触用設定値に達した場合に、工具が被加工物に接触したと判定する判定手段が設けられていることを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
前記工具が被加工物に近接したと判定するための近接用設定値、および、前記工具が被加工物に接触したと判定するための接触用設定値が設定され、前記検出手段の検出値が近接用設定値に達した場合に、工具が被加工物に近接したと判定し、かつ、前記検出手段の検出値が接触用設定値に達した場合に、工具が被加工物に接触したと判定する判定手段が設けられていることを特徴とする工作機械用接触検出装置である。
【００１０】
【実施の形態】
次に、本発明における工作機械用接触検出方法およびその装置の実施の一形態を図１ないし図６を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態の工作機械用接触検出装置の概略図である。図２はリングコイルの説明図で、（ａ）がリングコイルの斜視図、（ｂ）が励起コイルと検出コイルとが兼用される場合のリングコイルへの配線図である。図３は工具と被加工物とのギャップをスイッチとして図示した場合の工作機械用接触検出装置の工具周辺部の等価回路である。図４は工具が被加工物に接触した時の工具周辺部の等価回路である。図５は工具が被加工物に非接触の時の工具周辺部の等価回路である。図６は検出感度のグラフである。
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１において、Ｔは工具、Ｗは被加工物、１は工作機械の本体、２は主軸、３は工作機械本体１のうち主軸２を保持する主軸頭、６は対向電極、７は環状回路用コイル、８は励起コイル、９は検出コイル、１０は発信器、１１は電圧検出手段としての検出回路、１２〜１４は検出回路１１の構成要素であって、１２は増幅器、１３は比較回路、１４は警報回路、１５はNC装置、１６はモータ部、１７は軸受け、Ｆはバンドパスフィルターである。
【００１２】
主軸２は、工作機械本体１の主軸頭３に、軸受け１７で回転可能に支持されている。この軸受け１７は、空気式軸受けやセラミック製軸受けなどの絶縁性の軸受けであり、工作機械本体１と主軸２とは電気的に絶縁されている。また、主軸２は、駆動手段であるモータ部１６で回転駆動される。このモータ部１６はNC装置１５で制御されている。工具Ｔは導電性で、主軸２の先端に取り付けられており、工具Ｔと主軸２とは電気的に導通している。また、主軸頭３が上下動することにより、工具Ｔは被加工物Ｗに対して離接することができる。
対向電極６は、主軸頭３の一部に機械的に保持され、電気的には主軸頭３と絶縁されている。この対向電極６は、たとえばリング状の導電体であって、主軸２の対応する部分の外径よりわずかに大きい内径を持ち、主軸２の外面と対向電極６の内面とが空気コンデンサを構成して容量結合する。対向電極６は、その中心が主軸２の軸心と合致させて保持されており、結合の容量は、主軸２が静止状態でも、また、回転状態でもほぼ一定である。
【００１３】
対向電極６と環状回路用コイル７とは、配線７ａで接続され電気的に導通している。また、環状回路用コイル７と工作機械本体１とは別な配線７ｂで接続されており、対向電極６は環状回路用コイル７を介して工作機械本体１に接続されている。工作機械本体１と被加工物Ｗとは共に導電体なので、機械的接触により電気的に導通している。
【００１４】
前記主軸２、対向電極６、環状回路用コイル７、工作機械本体１、被加工物Ｗおよび工具Ｔなどで、工具Ｔと被加工物Ｗとが接触状態の時に閉じ、工具Ｔと被加工物Ｗとが非接触状態の時に開く環状回路を構成する。
【００１５】
次に、この実施の形態の工作機械用接触検出装置の電気的な等価回路を図３〜５によって説明する。
図３は、工具Ｔと被加工物Ｗとのギャップをスイッチ２０とした、図１の工作機械用接触検出装置の工具周辺部の等価回路である。主軸２と対向電極６との間の空気コンデンサの容量をC1とし、主軸２と主軸頭３とは電気的に絶縁されているが、接近しているので、両者の間の分布容量を合計した値をC2とし、主軸頭３と対向電極６との間の機械的保持部分の容量をC3とし、環状回路用コイル７のインダクタンスをL とするとき、図１の工作機械用接触検出装置の工具周辺部は、図３の回路で表すことができる。なお、スイッチ２０が開いている時の容量（工具Ｔと被加工物Ｗとが離れている時のギャップの容量）はCsとする。
スイッチ２０に並列に容量C1および容量C2が接続され、この容量C2に直列に容量C3が接続されている。そして、容量C1の他端と容量C3の他端とが合流して接続され、これに環状回路用コイル７およびスイッチ２０が順次直列に接続されている。また、容量C2と容量C3との間から分岐して、スイッチ２０に接続されている。
【００１６】
次に、工具Ｔと被加工物Ｗとが接触している時（ギャップであるスイッチ２０が閉）の場合の等価回路を図４に示す。図３でスイッチ２０が閉じ、容量C2の両端がショートされるので、容量C2が無効となる。このときの回路の合成容量CcはCc＝C1＋C3となる。
また、工具Ｔと被加工物Ｗとが非接触時（スイッチ２０が開）の場合の等価回路を図５に示す。なお、工具Ｔと被加工物Ｗとが大きく離れており、容量Csは略０とし無視する。このときの容量C1、容量C2および容量C3による合成容量CoはCo＝C1・C2／（C1＋C2）＋C3となる。
【００１７】
スイッチ２０の開における合成容量Coは、スイッチ２０の閉の合成容量Ccとの比較において、容量C3は共通で、C1＞ C1 ・C2／（C1＋C2）なので、Cc＞Coであり、C1≠０だから、ギャップであるスイッチ２０の開閉の状態に応じて合成容量が異なる。これは、閉状態の合成容量Ccと開状態の合成容量Coとの間の任意の開閉判断用容量Chの値で、ギャップ開閉の状態判別が可能となることになり、設計の自由度が大きい点で好ましい。すなわち、合成容量が開閉判断用容量Chよりも大きい場合には、ギャップが閉じていると判断し、逆に、合成容量が開閉判断用容量Chよりも小さい場合には、ギャップが開いていると判断する。ただし、C1<<C2ならばCo≒C1＋C3となってスイッチ２０の開閉時の合成容量が類似の値となり、開閉の判別が困難となるので好ましくない。すなわち容量C1の値は容量C2に比べて極端に小さくしてはならない条件がある。
【００１８】
図４、５の等価回路は、いずれの場合も、環状回路用コイル７と合成容量（CoまたはCc）とが直列になった環状回路（以下「ループ」という）を構成している。一般にLCR の直列ループのインピーダンスZ は、 Z=R＋ｉ( ωL −１／ωC)であらわされる。ここでＲはコイルや配線の直流抵抗の合計値である。ω＝１／(L・C)1/2 のとき、直列共振が可能であり、このときのループのインピーダンスの絶対値は最小値(R) となる。
ループに加える起電力の角周波数ωを共振角周波数ω＝１／(L・C)1/2 付近としておけば、ループのインピーダンスが小さくなるので、ループを流れる電流が増大して、励起コイル８および検出コイル９によるインピーダンス状態の検出が確実にできる。
【００１９】
実際に適用する角周波数ω0 の選定は、接触状態における合成容量Ccによって、直列共振が起きる角周波数ωc ＝１／(L・Cc)1/2よりわずかに大きい角周波数としておく。このように角周波数を一定とした場合、図６によって検出感度の状態を説明する。後述するように検出回路の出力電圧は、インピーダンスの大きさに反比例するので、図６の縦軸は検出感度を１／Z2で示している。前述したようにCc＞Coであり、ギャップであるスイッチ２０が開から閉になるにしたがって、ｉ／ωC の絶対値は減少して、インピーダンスが減少するから、回路の検出感度が増大する。さらに、工具Ｔと被加工物Ｗとが接近したとき、等価回路でスイッチ２０の部分に発生する容量結合Csを考えると、図５の（ギャップであるスイッチ２０の開）において、CoとCsは並列結合となるので、Cc＞Co+Cs ＞Coとなり、工具Ｔが離れた状態から、接近・接触の方向に移動があったとき、ループの検出感度が、途中で増減の変化をすることなく、一様に増大することになる。これは、検出側で閾値を設けた検出回路が単調に増加する設定値を使うことができ、回路が簡単になるので好ましい。
【００２０】
次に、励起コイル８および検出コイル９を用いたループのインピーダンス検出について説明する。
励起コイル８は、図２（ａ）で示したような、トロイダルコア２６にコイル巻線２７を施したトロイダルコイルであるリングコイル２８であり、ループの配線７ａが貫通している。励起コイル８の巻線に、交流電流発生手段としての発信器１０から定電流回路による角周波数ω0 の交流電流I1(t) を流した場合、励起コイル８のコアに生じる磁束密度B1(t) は、２πR1・B1(t) ＝μ1 ・N1・I1(t) となり、コア中にΦ1(t)＝ B1(t)・S1＝S1・μ1 ・N1・I1(t) ／２πR1なる磁束が発生する。ここでN1は励起コイル８の巻数、μ1 はコアの透磁率、S1は励起コイル８の断面積、R1はコアの半径、である。
励起コイル８の電流が時間変化する時、励起コイル８を貫通する環状配線には、ｅ1(t)＝−ｄΦ1(t)／ｄｔなる起電力が発生する。
ループのインピーダンスZ は、Z=R ＋ｉ( ωL −１／ωC)であらわされ、ループに流れる電流I7は、I7(t) ＝ｅ1(t)／Z となる。
【００２１】
検出コイル９は、励起コイル８と同様に、図２（ａ）のトロイダルコア２６にコイル巻線２７を施したリングコイル２８であり、ループの配線７ａが貫通している。
ループに流れる電流I7(t) によって、ループの配線７ａの周りの検出コイル９のコアに生じる磁束密度B2(t) は、２πR2・B2(t) ＝μ2 ・I7(t) となり、コイルの磁束Φ2(t)は、Φ2(t)＝B2(t) ・ S2 となる。ここでR2はトロイダルコアの半径、μ2 はコアの透磁率、S2は検出コイル９の断面積である。変化する磁束Φ2(t)によって、検出コイル９の巻線にはV ＝−N2ｄΦ2(t)／ｄt なる電圧が発生する。ここでN2は検出コイル９の巻数である。
これらをまとめて、位相分を除いて検出される信号の大きさ（絶対値）のみを正弦波で考えると、
V ＝N2・Φ2(t)  →  V(t)＝N2・B2(t) ・S2  →  V ＝N2・μ2 ・S2・ｅ1(t)／（Ｚ・２πR2）→  V ＝N1・N2・μ1 ・μ2 ・S1・S2・I1(t) ／（Z ・２πR2・２πR1）
すなわち、励起コイル８の電流I1(t) が一定ならば、ループのインピーダンスZ に反比例した電圧V が検出コイル９に発生することになる。
【００２２】
検出コイル９に発生した電圧V は、バンドパスフィルターＦを介して検出回路１１に入力される。すなわち、検出回路１１の入力側にバンドパスフィルターＦが接続されている。バンドパスフィルターＦは発信器１０の発生する交流電流の周波数と略同じ周波数の電流を通過させ、一方、発信器１０の交流電流の周波数を含む帯域から外れた周波数の電流を阻止する。そして、検出回路１１のうち、増幅器１２で電圧を増幅し、判定手段としての比較器１３であらかじめ設定した接近電圧（すなわち、近接用設定値）、接触電圧（すなわち、接触用設定値）と比較する。なお、接近電圧は接触電圧よりも低く設定されている。そして、検出した電圧が接近電圧よりも低い場合には、離れていると判定する。また、検出した電圧が接近電圧以上で、かつ、接触電圧よりも低い場合には、接近していると判定する。さらに、検出した電圧が接触電圧以上の場合には、接触していると判定する。このそれぞれの大小判定によって接近警報・接触警報の信号を警報回路１４で作成して、NC装置１５に送って工作機の工具Ｔの接近速度や加工指令を制御する。また、工具Ｔの破損などの加工異常の検知や、加工開始時点の検知などを行うことができる。そして、加工開始時点の検知をすることにより、非加工時間を短縮することができる。さらに、外来電気ノイズによるループの回路全体の電位変化に対しては、検出コイル９などの検出回路が動作せず、ループ内を流れる電流変化のみに基づく検出方式であるために、外来電気ノイズに強く、工具Ｔと被加工物Ｗとの接触の検出の確実度が向上する。環状回路用コイル７のインダクタンスL や容量C1，C3などを変更することにより、接触状態におけるループの共振角周波数を選択することができる。したがって、回路定数・電源（発信器）を設定することで、共振周波数を数十KHz から数百KHz の高周波域から、周辺で発生するノイズの固有周波数を避けた周波数を選択することができる。たとえば、１５０KHz を選択することができる。そのため、より外来電気ノイズに強くすることができる。そして、バンドパスフィルターＦが設けられているので、発信器１０の発生する交流電流を含む帯域以外の交流電流は阻止され、外来電気ノイズにさらに強くなる。
【００２３】
次に、励起コイルと検出コイルを兼用する場合のループのインピーダンス検出について説明する。
このときのリングコイルは、前記励起コイル８と同じものを用い、図２（ｂ）にあるように定電圧の交流発信器１０から抵抗Rdを介して励起コイル８の巻線に角周波数ωの電圧E1(t) を供給する。なお、検出コイル９は、励起コイル８と兼用しており、設けられていない。そして、抵抗Rdに流れる電流I1(t) を電圧で検出するように、抵抗Rdの両端に検出回路１１を接続する。この様にして、抵抗Rdと検出回路１１とで電流検出手段が構成されている。励起コイル８に流れる電流I1(t) は、E1(t) と上記の式で発生する起電力V(t)との位相を考慮したI1(t) ＝（E1(t) −V(t)）／Rdで表される。ループのインピーダンスが最小のときは最大のV(t)となる。このときのインピーダンスは、R のみの純抵抗分であり、ループのインピーダンスによる位相の差を生じない。しかし、励起・検出コイル８，９を共用しているので、E1(t) とV(t)との位相が逆となりこのとき最大の電流が流れる。抵抗RdにはI1(t) に比例した電圧が現れるので、検出電圧が最大となる。
【００２４】
ループのインピーダンスの大きさが最小値の２1/2 倍になるとき、位相角は最大値から±45度ずれている。V の絶対値は１／２1/2 となるが、E1(t) とV(t)との位相が逆方向から±45度ずれているので、電流の絶対値は最大値から比べて１／２1/2 よりも低い低下率となる。即ちこの方式では、コイルを別々に設けた場合に比べて容量変化による検出電圧の変化率が小さくなり、検出感度が落ちることになる。しかし、コイルが共用できるので、スペース的に制約がある場合や、十分な検出感度があって装置を小型化したい場合に有効である。
【００２５】
この様にして、励起コイルと検出コイルとを兼用した場合には、抵抗Rdに発生した電圧V は、図１に図示する検出回路１１と同様にして、検出回路１１のうち、増幅器１２で電圧を増幅し、比較器１３であらかじめ設定した接近電圧（すなわち、近接用設定値）、接触電圧（すなわち、接触用設定値）と比較する。それぞれの大小判定によって接近警報・接触警報の信号を警報回路１４で作成して、NC装置１５に送って工作機の工具Ｔの接近速度や加工指令を制御する。なお、抵抗Rdと発信器１０との間や抵抗Rdと検出回路１１との間など（すなわち検出回路１１の入力側）にバンドパスフィルターＦを設けることも可能である。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内で種々の形態を実施することが可能である。
たとえば、（１）主軸２に工具Ｔを取り付ける代わりに、被加工物Ｗを取り付けることも可能である。
（２）工作機械は、切削や研磨など種々の用途に使用可能である。
（３）接触状態におけるループの共振周波数は、適宜選択可能である。ただし、１０KHz から５００KHz が好ましい。
（４）励起コイル８および検出コイル９は、その形式は適宜選択可能であるが、トロイダルコイルであることが好ましい。
（５）発信器１０の周波数は、適宜選択可能であるが、接触状態の環状回路において直列共振を引き起こさせる値に設定する。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明によれば、対向電極を主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械本体に接続し、主軸、対向電極、環状回路用コイル、工作機械本体、被加工物および工具で、前記工具と被加工物とが接触状態の時に閉じ、前記工具と被加工物とが非接触状態の時に開く環状回路を構成し、環状回路が貫通するように励起コイルおよび検出コイルを配置し、環状回路に誘導起電力を発生すべく励起コイルに交流電流を流しているので、絶縁された主軸を持つ工作機械においても、工具と被加工物との接触を検出することが可能である。また、外来ノイズの影響が少なく、工具と被加工物の接触を確実に検出できる。主軸が回転中の状態であっても、また、静止状態でも、検出可能である。さらに、被加工物と工具の接近時に容量が発生するときは、被加工物と工具との接近も検出可能となる。加工中に検出電圧が低下したときは、工具の折損を検出できる。そして、接触状態における環状回路の共振角周波数を選択することができるので、外来電気ノイズの固有周波数を避けることで、より外来電気ノイズに強くすることができる。また、励起コイルと検出コイルとを兼用している場合には、コイルが共用できるので、部品点数を削減することができるとともに、コンパクトにすることができる。さらに、バンドパスフィルターを設けた場合には、さらに外来電気ノイズに強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の工作機械用接触検出装置の概略図である。
【図２】リングコイルの説明図で、（ａ）がリングコイルの斜視図、（ｂ）が励起コイルと検出コイルとが兼用される場合のリングコイルへの配線図である。
【図３】工具と被加工物とのギャップをスイッチとして図示した場合の工作機械用接触検出装置の工具周辺部の等価回路である。
【図４】工具が被加工物に接触した時の工具周辺部の等価回路である。
【図５】工具が被加工物に非接触の時の工具周辺部の等価回路である。
【図６】検出感度のグラフである。
【図７】工作機械用接触検出装置の従来例１の概略図である。
【図８】工作機械用接触検出装置の従来例３の概略図である。
【符号の説明】
Ｆ  バンドパスフィルター
Ｔ  工具
Ｗ  被加工物
１  工作機械本体
２  主軸
６  対向電極
７  環状回路用コイル
８  励起コイル
９  検出コイル
１０  発信器（交流電流発生手段）
１１  検出回路（電圧検出手段）
１３  比較器（判定手段）
【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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