(57)【要約】【課題】回転部に能動素子を有さない非接触型ＡＥセンサのＳ／Ｎ比を向上する。【解決手段】回転体の回転軸に設けられ、ＡＥ変換子31に相当する容量と、第１インダクタンス要素41と、で構成されるＬＣ回路を有する回転部40と、回転部に対向して設けられ、第１インダクタンス要素41と電磁結合する第２インダクタンス要素51と、第２インダクタンス要素の電気信号を増幅するアンプ64と、を有する固定部50と、を備える非接触型ＡＥセンサであって、回転部40は、ＡＥ変換子31に相当する容量および第１インダクタンス要素41と並列に設けられた共振増幅用容量42を備え、共振増幅用容量の容量値は、ＡＥ変換子に相当する容量、第１インダクタンス要素および共振増幅用容量が形成するＬＣ回路が、測定対象とする周波数で共振するように選択される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転軸に設けられ、ＡＥ変換子に相当する容量と、第１インダクタンス要素と、で構成されるＬＣ回路を有する回転部と、
前記回転部に対向して設けられ、前記回転部の前記第１インダクタンス要素と電磁結合する第２インダクタンス要素と、前記第２インダクタンス要素の電気信号を増幅するアンプと、を有する固定部と、を備え、前記回転体のＡＥ波を、固定した固定部で検出する非接触型ＡＥセンサであって、
前記回転部は、ＡＥ変換子に相当する容量および前記第１インダクタンス要素と並列に設けられた共振増幅用容量を備え、
前記共振増幅用容量の容量値は、前記ＡＥ変換子に相当する容量、前記第１インダクタンス要素および当該共振増幅用容量が形成するＬＣ回路が、測定対象とする周波数で共振するように選択されることを特徴とする非接触型ＡＥセンサ。
【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センサに関し、特に回転するシャフトなどの回転体のＡＥ波を検出する非接触型ＡＥセンサに関する。
【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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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（ツール）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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、電気的には容量に相当する。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、プリアンプ３３はＡＥ信号処理装置３２内に設けられることになる。
【０００８】
アプリケーションに応じて、いろいろな部分のＡＥ波を検出するが、回転するツール（砥石）が発生するＡＥ波を検出するアプリケーションがある。図１の従来例では、回転するツール（砥石）が発生するＡＥ波を、ツールが取り付けられ、ツールと共に回転する回転体（シャフト）を保持する軸受けを通過したＡＥ波を砥石回転機構１３の筐体を伝播するＡＥ波として検出する。このような検出が可能であるのは、軸受けがすべり軸受け（静圧軸受けなど）のようなＡＥ波が伝播する軸受けの場合である。これに対して、転がり軸受け（ボールベアリングなど）では、回転体のＡＥ波が軸受けを介して十分に伝播しないので、検出できないという問題がある。
【０００９】
そこで、特許文献２は、回転体に、ＡＥセンサと、ＡＥセンサに接続された非接触カップリング（一般的に電磁誘導式カプラが使用される）の一方と、を有する回転部を設け、非接触カップリングの他方を有する固定部を固定側に設け、回転体のＡＥ波を直接検出可能にした非接触型ＡＥセンサを記載している。このＡＥセンサであれば、ＡＥ波を通さない軸受けが使用される場合でも、回転体のＡＥ波が検出可能である。
【００１０】
特許文献２に記載された非接触型ＡＥセンサでは、ＡＥ信号を伝送する電磁誘導式カプラとは別の電磁誘導式カプラを設け、固定部から回転部のアンプに電力を供給している。そのため、特許文献２に記載された非接触型ＡＥセンサは、複雑で回転部も大型化するという問題がある。
【００１１】
そこで、図３に示すような、ＡＥ変換子３１および非接触カップリングを構成する第１インダクタンス素子（コイル）４１を有する回転部４０と、非接触カップリングを構成する第２インダクタンス素子（コイル）５１および第２インダクタンス素子５１に発生する電気信号を増幅するアンプ５２を有する固定部５０と、を備える非接触型ＡＥセンサが使用される。図３の構成では、第１インダクタンス素子４１および第２インダクタンス素子５１を介して、通常のＡＥセンサと同様に、ＡＥ変換子３１とアンプ５２からなる回路が形成される。また、回転部４０は能動素子を有しておらず、回転部４０のＡＥ変換子３１と第１インダクタンス素子４１は、ＬＣ共振回路を形成する。図３の非接触型ＡＥセンサは、特許文献２に記載された非接触型ＡＥセンサに比べて、回転部を小型にできるという利点がある。
【００１２】
【特許文献１】特開平６−１１４６９２号公報
【特許文献２】特表２００５−５１９２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ＡＥ変換子の出力は、数１０μＶ程度と非常に微弱なため、信号処理を行うには増幅する必要がある。そのため増幅器（アンプ）を使用するが、アンプはＡＥ変換子の近傍に配置することが望ましい。
【００１４】
特許文献２に記載された非比接触型ＡＥセンサであれば、回転部に電力が供給されるので、回転部のＡＥ変換子の近くに能動素子であるアンプを配置し、アンプに電力を供給してＡＥ信号を増幅することが可能である。しかし、この非比接触型ＡＥセンサには、構成が複雑になるという問題がある。
【００１５】
一方、図３に示すような回転部４０に能動素子を有さない構成の非接触型ＡＥセンサでは、構成は簡単であるが、回転部に電力を供給しないため、アンプをＡＥ変換子の近傍に配置できず、固定部に伝送されたＡＥ信号を増幅することになる。そのため、信号強度が小さく、雑音が混入するとＡＥ信号のＳ／Ｎ比が大きく低下するという問題がある。例えば、図３の非接触型ＡＥセンサでは、回転部と固定部に分離していない従来のＡＥセンサに比べて信号強度が約１／５（２０％）に低下する。
【００１６】
本発明は、図３に示すような回転部４０に能動素子を有さない構成の非接触型ＡＥセンサの信号強度を高めてＳ／Ｎ比を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
図４は、本発明の非接触型ＡＥセンサの基本構成を示す図である。
【００１８】
上記目的を実現するため、本発明の非接触型ＡＥセンサは、図４に示すように、回転部４０においてＡＥ変換子３１に相当する容量および非接触カップリングを構成するインダクタンス要素４１に並列に容量４２を接続する。そして、共振増幅用容量４２の容量値を、ＡＥ変換子３１に相当する容量、インダクタンス要素４１および共振増幅用容量４２が形成するＬＣ回路が、測定対象とする周波数で共振するように選択する。
【００１９】
すなわち、本発明の非接触型ＡＥセンサは、回転体の回転軸に設けられ、ＡＥ変換子３１に相当する容量と、第１インダクタンス要素４１と、で構成されるＬＣ回路を有する回転部４０と、前記回転部に対向して設けられ、前記回転部４０の前記第１インダクタンス要素４１と電磁結合する第２インダクタンス要素５１と、前記第２インダクタンス要素の電気信号を増幅するアンプ５２と、を有する固定部と、を備え、前記回転体のＡＥ波を、固定した固定部で検出する非接触型ＡＥセンサであって、前記回転部４０は、ＡＥ変換子３１に相当する容量および前記第１インダクタンス要素４１と並列に設けられた共振増幅用容量４２を備え、共振増幅用容量４２の容量値は、ＡＥ変換子３１に相当する容量、第１インダクタンス要素４１および共振増幅用容量４２が形成するＬＣ回路が、測定対象とする周波数で共振するように選択されることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、ＡＥ信号の測定対象とする周波数成分は、共振により飛躍的に増大する。ＡＥ信号は、測定対象とする周波数成分を利用するので、実質的にＡＥ信号強度が増大したのと同じ効果が得られ、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、回転部に能動素子を有さない非接触型ＡＥセンサの信号強度を実質的に高めて、Ｓ／Ｎ比を向上できる。これにより、より正確な測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図５は、本発明の実施形態の非接触型ＡＥセンサの構成を示す図である。図５に示すように、本実施形態の非接触型ＡＥセンサは、回転部４０と、固定部５０と、を有する。回転部４０は、回転するシャフトなどの回転体の端部に取り付けられ、固定部５０は回転部４０に対向して配置される。なお、センサを回転体内に埋め込む場合もある。
【００２３】
回転部４０は、ＡＥ変換子３１、非接触カップリングを構成する第１インダクタンス素子（コイル）４１および共振増幅用容量４２を有する。固定部５０は、非接触カップリングを構成する第２インダクタンス素子（コイル）５１と、第２インダクタンス素子５１に発生する電気（電圧）信号を出力する受信回路６２と、受信回路６２の出力する電圧信号から雑音成分を除去するフィルタ６３と、フィルタ６３の出力を増幅するアンプ６４と、アンプ６４の出力をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ（ＡＤＣ）６５と、デジタル信号のスペクトル解析処理を行う処理制御回路６６と、を有する。受信回路６２、フィルタ６３およびアンプ６４が、図４のアンプ５２の部分に相当する。
【００２４】
回転部４０のＡＥ変換子３１は、従来のものが使用可能である。
【００２５】
回転部４０の共振増幅用容量４２は、通常の容量素子であり、その容量値の選択方法については後述する。
【００２６】
回転部４０および固定部５０の第２インダクタンス素子（コイル）５１は、図３に示した従来のものが使用可能である。
【００２７】
フィルタ６３は、例えば、ＡＥ信号の測定対象の周波数範囲を通過させ、他の周波数範囲を除去するバンドパスフィルタで実現される。なお、ＡＤＣ６５のサンプリング周波数で実質的に高周波成分が除去されるので、フィルタ６３をローパスフィルタで構成することも可能である。また、雑音の状況によっては、フィルタ６３を設けなくてもよい。
【００２８】
アンプ６４は、５００ｋＨｚ程度の帯域を有すれば既知のものが使用可能である。
【００２９】
同様に、ＡＤＣ６５も、５００ｋＨｚ程度のサンプリング周波数を有するものが使用可能であり、例えば、１０ビット程度の分解能のものが使用される。
【００３０】
処理制御回路６６は、プロセッサにＤＳＰなどを組み合わせて実現され、スペクトル解析処理を行う。スペクトル解析処理は、ＡＤＣ６５の出力するＡＥ信号のデジタルデータのスペクトル解析であり、ＡＥ信号のうちの検出対象の周波数成分のスペクトル強度を算出する。
【００３１】
ＡＥ信号は、増幅したアナログ信号をそのまま使用する場合もあるが、近年はデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などの進歩により、ＦＦＴなどの処理が高速に簡単に行えるので、ＡＥ信号をスペクトル解析して、測定対象となる周波数成分の変化を検出するのが一般的である。測定対象の周波数成分は、各種のアプリケーションにおいて発生する振動も異なるので、アプリケーションにより異なる。
【００３２】
上記のように測定対象となる周波数成分を限ることで、増幅したアナログ信号をそのまま使用する場合に比べて雑音の影響などを低減できる。
【００３３】
従って、ＡＥ信号のうち必要とするのは、測定対象の周波数成分のみである。
【００３４】
図３に示す従来例では、ＡＥ測定子３１と第１インダクタンス素子（コイル）４１でＬＣ回路が構成され、その発振周波数ｆ＝１／（２π（ＬＣ）1/2）であり、この周波数の整数倍の周波数で発振する。ここで、Ｌは第１インダクタンス素子４１のインダクタンス値であり、ＣはＡＥ測定子３１の容量値である。上記のように、測定対象となる周波数成分はアプリケーションごとに設定されるが、上記のようにして決定される発振周波数に一致するとは限らない。一致しない場合、アンプ６４に入力する信号振幅は非常に小さい。
【００３５】
本実施形態では、共振増幅用容量４２を設けて、発振周波数またはその整数倍の周波数が、測定対象周波数に一致するように、共振増幅用容量４２の容量値を決定する。共振増幅用容量４２の容量値をＣ１とすると、上記の発振周波数は、発振周波数ｆ１＝１／（２π（Ｌ（Ｃ+Ｃ１））1/2）に変化するので、Ｃ１を選択することにより、発振周波数またはその整数倍の周波数を、測定対象周波数にすることができる。
【００３６】
図６は、あるアプリケーションで、共振増幅用容量４２の容量値Ｃ１を変化させた場合のパワースペクトル（スペクトル強度分布）を示す。ここで、横軸が周波数であり、縦軸がアンプの出力電圧、すなわちスペクトル強度である。実線がＣ１＝２２０ｐｆの場合を、破線がＣ１＝８２ｐｆの場合を、一点鎖線がＣ１＝３９ｐｆの場合を、点線がＣ１＝０ｐｆの場合、すなわち共振増幅用容量４２を設けない場合のスペクトル強度を示す。
【００３７】
図７は、共振増幅用容量４２の容量値Ｃ１を変化させた場合の２００ｋＨｚから３００ｋＨｚの平均電圧を示す。なお、参考に同じ条件で回転部と固定部に分離していない従来のＡＥセンサの場合の平均電圧を、「直接」として示す。図７から、この条件では、Ｃ１＝２２０ｐｆとした場合に最も高い電圧になり、Ｃ１＝０ｐｆの場合に比べて強度が約２倍になったことが分かる。
【００３８】
従って、測定対象周波数を２００ｋＨｚから３００ｋＨｚとし、Ｃ１＝２２０ｐｆとすると、実質的にＡＥ信号が増幅できる。これによりＡＥ信号のＳ／Ｎ比が向上する。
【００３９】
なお、上記の例では、測定対象周波数を２００ｋＨｚから３００ｋＨｚとしたが、例えば、図６から分かるように、Ｃ１＝２２０ｐｆとし、測定対象周波数を２３５ｋＨｚ付近に限定すると、より一層高い平均電圧になることが分かる。
【００４０】
従って、共振増幅用容量４２の容量値Ｃ１は、アプリケーションごとに測定対象周波数に応じて決定する必要がある。
【００４１】
以上、本発明の実施形態を説明したが、記載したのは一例に過ぎず、他に各種の変形例があり得ることが当業者には自明である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、回転部に能動素子を有さない非接触型ＡＥセンサであれば適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】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】ＡＥセンサの回路構成を示す図である。
【図３】回転部に能動素子を有さない非接触型ＡＥセンサの基本構成を示す図である。
【図４】本発明の非接触型ＡＥセンサの基本構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態の非接触型ＡＥセンサの構成を示す図である。
【図６】本実施形態の非接触型ＡＥセンサで、共振増幅用容量の容量値を変化させた場合のパワースペクトルを示す図である。
【図７】本実施形態の非接触型ＡＥセンサで、共振増幅用容量の容量値に対する所定の周波数範囲の平均電圧を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
３１    ＡＥ変換子
４０    回転部
４１    第１インダクタンス素子（コイル）
４２    共振増幅用容量
５０    固定部
５１    第２インダクタンス素子（コイル）
６２    受信回路
６３    フィルタ
６４    アンプ
６５    ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）
６６    処理制御回路（プロセッサ）
【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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