JP6719906B2 - 渦電流センサ及びそれを備えたツールホルダ装着状態検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、渦電流センサおよび渦電流センサを備えたツールホルダ装着状態検出装置に係り、特に出力を直線近似した渦電流センサおよびその渦電流センサを備えたツールホルダ装着状態検出装置に関する。

工作機械において、工具を、ツールホルダを介して主軸に保持する際、回転軸に対して正確に工具が保持されたか否かを、工具またはツールホルダとの距離で検出する渦電流センサが広く用いられている。渦電流センサは、構成が簡単で検出感度が高い利点を有している。このような渦電流センサの例が、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載のものでは、センサヘッドを大型化することなしに、ケーブルを長くしてもセンサ感度を低下させず測定可能な渦電流センサを提供するために、インダクタンス素子を有するセンサヘッドと、センサヘッドのインダクタンス素子の両側に接続されるケーブルと、ケーブルの２つの端子間に接続されるアンプ回路を、渦電流センサが備える。さらに、アンプ回路は発振回路とアンプ容量素子を、センサヘッドはヘッド容量素子をそれぞれ有し、インダクタンス素子とヘッド容量素子とケーブルとアンプが、共振回路を形成している。

ところで、渦電流センサは測定対象である軸等との距離に応じて、その出力が変化するが、この出力は距離の関数であり、測定対象が平面であれば距離に反比例するものと考えられている。しかしながら現実には測定対象の形状によって必ずしも距離に反比例するものとはならず、まして直線性を有するものでなく、個々に校正曲線を作成する。そして、校正曲線を使いやすくするため、測定対象との距離を複数区間に区分し、その区間ごとに校正曲線を直線近似して測定精度を向上させる方法を用いている。このようなセンサ出力の校正曲線を直線近似する例が、特許文献２に記載されている。

特許文献２に記載のセンサ出力のリニアライズ回路では、簡単な回路を付加するだけでリニアな変化範囲を拡大することを目的として、測定値に反比例する検出信号の逆数を算出する除算回路を設け、検出信号を測定値に比例する信号に変換している。そして、検出信号が所定値以上の時には、検出信号に応じて第１補正信号を生成し、検出信号が所定値以下の時には、検出信号に応じて第２補正信号を生成する。第１、第２補正信号に応じて検出信号を変化させて、検出信号が測定値に比例する範囲を拡大している。

渦電流センサを、マシニングセンタやＮＣ工作機械等の自動加工機の工具取り付け部（ツールホルダ装置）の近傍に取り付け、振れ等の工具取り付けの不具合を監視することが従来からなされており、例えば特許文献３には、ツールホルダ装着状態検出装置の例が、開示されている。この公報に記載の装置では、ツールホルダの工作機械の主軸への装着ミスを精度よく検出するために、切り欠きを有する円筒形状のツールホルダの外周面の位置を渦電流センサで検出し、検出データから切り欠き部のデータを取り除き、取り除いた部分の補間した補正検出データを作成し、補正された検出データをフーリエ変換演算してツールの装着状態を判断している。

国際公開番号第ＷＯ２０１２／１３３５６９号 特開平１０−２６７６８７号公報 特開２００８−９３７５０号公報

渦電流センサでは、導電体である測定対象物に高周波電流による交流磁束を加え、ファラデーの電磁誘導法則により、測定対象物の内部に磁束変化を起こさせ、起電力を発生させている。そして起電力により、測定対象物表面に渦電流が流れ擬似的に二次コイルが作られ、渦電流センサのセンサコイルでは、測定対象物との距離に応じてインダクタンスや抵抗が変化する。このセンサコイルのインピーダンスの変化を検出して、距離を算出している。

このように、渦電流センサでは、接触位置または非接触での距離検出も可能であるから、工作機械のツールホルダ部に用いると、工具の装着状況を非接触で容易に検出できる。しかしながら、センサ出力は測定対象物との距離が近いほど小さく、離れるに従って大きくなり、その関係はリニアではないので、センサ出力値をそのままで距離として使用することはできない。

測定対象物が微視的にも巨視的にも平板であり、センサ端面が平面であれば、センサ出力は上記ファラデーの法則を用いて理論的に求めることも可能であるが、一般的な測定対象物は丸棒であったり、切り欠きのある円筒面であったりするので、磁束の流れが軸対称ではなかったり、いわゆる磁束の逃げが生じたりして、理論的に出力特性を求めることが困難である。そのため、通常測定対象物に対して事前にセンサの校正をする。センサ出力の校正曲線は、センサと測定対象物の距離が増加するにつれて出力が増加する単調増加関数となる。この単調増加関数は、実際の運用においては、測定対象物の形状等に依存しており、そのままでは簡単に使える曲線とはならない。そのため、センサと測定対象物間の距離を複数区間に区分し、各区間ごとにセンサの校正曲線を直線近似しているのが実状である。その場合、数値データをルックアップテーブル化して、中間点を補間して求めることも採用されている。または、直線近似した回路を設けてリニアライザとし、センサ出力自体を各区間ごとに直線化して補正出力する。

このような従来の渦電流センサを用いた測定においては、校正曲線を複数の区間に分割するため、複数の区間のためのデータを、センサが接続される回路装置またはセンサヘッドに格納する必要があり、アナログ回路で実現しようとすると多数の回路を必要とし、小型化が望まれる場合には障害となる。特に、渦電流センサの出力を近似する校正曲線の精度を高めるために区間数を増大させると、この不都合が顕著になる。

上記特許文献１は、本願発明の発明者の先願になるものであるが、渦電流センサにおいて、検出感度を劣化させずに小型化できるという利点は有する。しかしながら、検出データをいかに簡単にかつ高精度に距離データに変換するかについては、十分には考慮されていない。

また、上記特許文献２では、静電容量センサや渦電流センサの出力を直線に変換するために、出力に反比例する除算回路を設けている。しかしながら、この公報に記載のリニアライズ回路では、「検出信号がセンサの先端表面から物体の表面位置までの距離に反比例する」ことが前提であり、一般的な測定対象物ではかなりの誤差を生ずる恐れがある。

さらに、上記特許文献３では、渦電流センサを用いて、切り欠きのあるツールホルダのデータを高精度に補間することが開示されている。しかしながら、この特許文献３においても、得られたセンサの校正曲線をいかに簡単にかつ高精度に利用するかについては、十分には考慮されていない。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、渦電流センサを用いる計測において、渦電流センサの校正に要する時間を低減し、かつ渦電流センサの出力の直線化変換を効率的かつ簡素化することにある。本発明の他の目的は、上記目的に加え、渦電流センサの出力変換を容易および迅速化するとともに、渦電流センサの大型化を防ぐことにある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、センサコイルを有し測定端部が平面で形成されたセンサ本体と、このセンサ本体に電気的に接続される回路装置（制御装置）とを有する渦電流センサにおいて、前記回路装置は、１つないし複数の測定対象物に対する前記センサ本体の使用において、前記測定対象物に対する前記センサコイルの出力を、単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換することにある。

そしてこの特徴において、前記単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換する代わりに、前記単一の指数関数に対応するリニアライズ回路を前記回路装置が備えてもよく、前記リニアライズ回路が、対数アンプを有してもよい。また、前記単一の指数関数は、βｅ^αｘ＋γで表され、ここで、α、β、γは定数であり、ｘはセンサ本体端面（測定端面）と対象物との間の距離（後述のｇに相当）、であることが望ましい。さらに、前記センサ本体はメモリ手段を有し、前記単一の指数関数の定数α、β、γを、メモリ手段が予め記憶していてもよい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、マシニングセンタやＮＣ工作機械の主軸にツールを取り付けるために設けられ、前記主軸の先端部に着脱自在に配置されるツールホルダと、このツールホルダの近傍に前記ツールホルダと離間して配置された渦電流センサとを備えたツールホルダ装着状態検出装置において、前記ツールホルダは外周がほぼ円筒の円筒状表面を有し、前記渦電流センサは前記円筒状表面に対向して配置されており、前記渦電流センサは、センサコイルを有し測定端部が平面のセンサ本体と、このセンサ本体に電気的に接続される回路装置とを有し、前記回路装置は、複数の前記ツールホルダについては前記センサ本体の使用において、前記ツールホルダに対する前記センサコイルの出力を、単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換することにある。

そしてこの特徴において、前記ツールホルダと前記センサ本体の端面との距離は、前記センサ本体の測定端面の外径よりも短いことが好ましく、前記単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換する代わりに、前記単一の指数関数に対応する対数アンプを有するリニアライズ回路を前記回路装置が備えてもよい。また、前記単一の指数関数は、βｅ^αｘ＋γで表され、ここで、α、β、γは定数であり、ｘはセンサ本体端面（測定端面）と対象物との間の距離、であるのが望ましい。

上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、渦電流センサを用いたツールホルダ装着状態検出方法において、前記ツールホルダは実質的に円筒形の外周面を有する鋼製であり、異なる少なくとも３点の距離で検出した前記渦電流センサの校正データから、単一の対数曲線（βｅ^αｘ＋γ：ここで、α、β、γは定数、ｘはセンサ本体端面（測定端面）と対象物との間の距離）からなる校正曲線を得、得られた校正曲線を用いて実際に前記ツールホルダを装着した時の前記渦電流センサと前記ツールホルダ間の距離を求め、求めた距離が所定範囲を超えていれば不適と回路装置が判断することにある。

本発明によれば、渦電流センサを用いた測定において、渦電流センサ端面から測定対象物の表面までの距離を、単調増加する指数関数で表すことにより、指数関数のパラメータのみを回路装置に記憶させればよく、渦電流センサの校正に要する時間を低減し、かつ渦電流センサの出力の直線化変換を効率的かつ簡素化できる。さらに、渦電流センサの出力変換を容易および迅速化し、渦電流センサの大型化を防止できる。

本発明に係るマシニングセンタの一実施例のツールホルダ装着状態検出装置を示す概略図である。 図１に示したツールホルダ装着状態検出装置における振れ検出のフローチャートである。 図１に示したマシニングセンタが備える渦電流センサの一実施例の概略図である。 図３に示した渦電流センサの等価回路図である。 渦電流センサを用いた変位または距離計測のフローチャートである。 円筒表面計測と平面計測における渦電流センサの挙動を模式的に示す図である。 渦電流センサの校正曲線と近似曲線の一例を示す図である。 渦電流センサの駆動制御回路の一例を示す回路図である。 対数回路の一例を示す回路図である。

本発明者は、これまでに蓄積された種々の測定対象物に対する校正曲線を検討した結果、測定対象物が曲率の小さい平面状であっても曲率の大きな円筒面状であっても、実用的な使用範囲では、校正曲線が指数関数的に単調増加することを見出した。そこで、測定対象物に応じた校正曲線を近似する指数関数のパラメータを求め、このパラメータを回路装置（本発明においては制御装置とも称する）に記憶させるだけで、渦電流センサ端面から測定対象物の表面までの距離を、容易にかつ迅速に求めることを可能にした。この知見に基づく、本発明の実施例を以下に説明する。

以下の記載においては、ツールホルダ装着状態検出装置１０を備える装置の一例として、マシニングセンタＭＣを取り上げ説明する。しかしながら、本発明はマシニングセンタＭＣに限るものではなく、ＮＣ工作機械等、自動でまたは手動で加工具を交換する機械一般に適用可能である。

以下、図面を用いて本発明に係るマシニングセンタＭＣの一実施例を説明する。図１（ａ）は、マシニングセンタＭＣのツールホルダ装着状態検出装置１０を部分的に示した模式図であり、正面図である。図１（ｂ）は、ツールホルダ装着状態検出装置１０を下方から見た図である。

マシニングセンタＭＣは、加工工程に従って各種工具を自動的に選択し、主軸に自動で装着して多種類の加工を行う。マシニングセンタＭＣにおいては、工具１は、図示しない自動工具交換（ＡＴＣ：オートツールチェンジ）装置を用いて自動交換される。ＡＴＣ装置は、工具１が取り付けられたツールホルダ２を工具マガジン（図示せず）から自動で取り出し、垂直に形成されたヘッド５に保持された主軸３に自動で装着する。

工具１が取り付けられたツールホルダ２は、円錐状の嵌合部２Ａを有しており、この嵌合部２Ａを主軸３に形成された円錐状の被嵌合部３Ａに嵌合させて装着される。その際、ツールホルダ２および主軸３のそれぞれの嵌合部２Ａ、被嵌合部３Ａ間に切り屑などが付着すると、矯正手段を有していなければ、工具１の軸が曲がって装着される。この状態で加工を開始すると、工具１に振れが発生し、ワークの加工精度が著しく低下する。

このようなツールホルダ２の装着ミスは、例えば主軸３に装着されたツールホルダ２の工具１の先端にレーザ光を照射して判定することも可能である。しかしながら、工具１の先端には加工のための冷却液（クーラント）が大量に供給されるので、クーラントによりレーザ光が遮られて検出精度が低下する。

そこで本発明では、ツールホルダ２のフランジ２Ｂの外周面が円筒状に形成されているのを利用して、この外周面の変位を検出する渦電流センサ本体１２を、ブラケット６を介して設けている。そして、検出したフランジ２Ｂの外周面の変位データを解析して、ツールホルダ２の装着異常（チャックミス）を検出する。

図１（ａ）に示すように、ツールホルダ装着状態検出装置１０は、ＡＴＣ装置において主軸３に装着されたツールホルダ２のチャックミスを自動で検出する。ツールホルダ装着状態検出装置１０は、主として渦電流センサ本体１２と制御装置（回路装置）１４とで構成される。工具１が取り付けられたツールホルダ２は、円錐状の嵌合部２Ａを有しており、この嵌合部２Ａを主軸３に形成された円錐状の被嵌合部３Ａに嵌合させて、工具１をツールホルダ２に装着する。

渦電流センサ１００は、渦電流センサ本体１２と制御装置１４とを含んで構成された近接した区間の距離（隙間）の微小変動を高精度で測定可能なセンサであり、主軸３に装着されたツールホルダ２のフランジ２Ｂの外周面までの距離ｇを電気信号として検出する。制御装置１４は、渦電流センサ本体１２で検出した検出データに基づきツールホルダ２のチャックミスを検出する。制御装置１４は、信号検出回路１５、Ａ／Ｄコンバータ１６、ＣＰＵ１８、メモリ２０、入出力回路２２などを備える。

詳細を後述するように、Ａ／Ｄコンバータ１６は、渦電流センサ本体１２から出力された距離ｇを示す電気信号をデジタル信号に変換してＣＰＵ１８に出力する。ＣＰＵ１８は、このデジタル信号に変換された渦電流センサ本体１２の検出データに基づいて、ツールホルダ２の偏心量を算出する。算出した偏心量と予めメモリ２０に記憶された許容値を比較し、偏心量が許容値を超えていたら、チャックミスと判定する。そして、入出力回路２２を介してマシニングセンタＭＣを制御するマシニングセンタ制御装置２４に、判定結果を出力する。ここで、渦電流センサ１００は、距離ｇのデータのみをMC制御装置に送信する構成とし、上述した、そして後述もするツールホルダ２の偏心量を算出及び、チャックミスか否かの判定等以降の処理は渦電流センサ１００の制御装置１４ではなく、MC制御装置２４で行う構成としても良い。

ＣＰＵ１８は、渦電流センサ１００から出力された距離ｇの検出データを、ツールホルダ２の回転角度θに対応させて１周分メモリ２０に記憶し、その検出データをフーリエ解析などで周波数解析し、各周波数成分の強度を算出する。ここで、各周波数成分のうち基本波周波数成分（１山成分）の振幅値がツールホルダ２の偏心量の２倍とみなせるので、それを許容値と比較してチャックミスであるか否かを判定する。

図１（ｂ）は、ツールホルダ２の底面視図である。ツールホルダ２のフランジ２Ｂの外周面に近接して、渦電流センサ本体１２が配置されている。渦電流センサ１００は、検出に磁界を使用するので、埃、水、オイルなどの非導電性の汚染物質の影響を受けないという利点を有し、切削液等による汚染があるツールホルダ２の位置計測には好適である。また、渦電流センサ本体１２は、ツールホルダ２の外周面から離れれば離れるほど、出力が大となる単調増加傾向にあり、所定距離以上離れると、ほぼ一定の出力となる性質を有している。渦電流センサ本体１２は、軸方向端部であってツールホルダ２のフランジ２Ｂに対向する面の直径がφｄの丸棒状の形状をしており、相手材の測定範囲は、この直径φｄの３倍（正確には内部のコイル径の３倍）もの範囲となる。

なお、ツールホルダ２のフランジ２Ｂの外周面には、チャッキングのために、２つ以上の切り欠きを設ける場合もある。その場合には、渦電流センサ本体１２から出力される距離ｇの検出データを、切り欠き部で補間する必要がある。この補間に関しては、例えば、上記特許文献３に記載の方法を用いることができる。

ツールホルダ２を主軸３に装着した後のツールホルダ２の状態を、上記ツールホルダ装着状態検出装置１０を用いて判定する手順を、図２を用いて説明する。図２は、渦電流センサ１００を有するツールホルダ装着状態検出装置１０の処理内容を説明するフローチャートである。

マシニングセンタＭＣでは、多数の工具１を加工内容に応じて使用する。そのため、工具１の品数に応じてツールホルダ２も増加し、渦電流センサ１００は、それら多数のツールホルダ２に対応できることが求められる。渦電流センサ１００は、測定対象の材質に依存し、特に測定対象の磁性／非磁性の区分によりその性能が大きく変化する。すなわち、渦電流センサ本体１２の磁界は、測定対象に侵入して渦電流を誘引し、渦電流センサ本体１２の磁界とは反対の磁界を生成する。そして、発生する渦電流の強さ、その結果として得られる磁界の強さは、測定対象物の透磁率と導電率に依存する。

これらの物性値は、同一材料であっても、微視的には組成のばらつき、クラック、ボイド等の存在により、変化する。ところで、材料全体では、上記のような物性値の均一性を妨げる要因は数多くあるが、材料の表面近傍だけであれば、熱処理や表面仕上げ加工等の機械加工により、材料の均一性がかなりの程度保持される。

そこで、磁界の侵入深さを浅くして、測定範囲ではほぼ均一な物性を有する材料とみなせるようにし、多くのツールホルダ２で渦電流センサ１００の出力が同じ大きさになるようにする。一般にツールホルダ２は、主軸３との嵌合や工具１との衝撃力による嵌合、工具１を安定して保持する強度等の要求から、鋼製である。測定対象材料が鋼や鉄系材料等の強磁性金属であれば、磁界の侵入深さは測定対象のごく表面であり、たとえば渦電流センサ本体１２のコイルに４００ｋＨｚ程度の高周波電流が印加された場合、測定対象物の表面から３〜４μｍ程度までしか磁界は侵入しない。

この特徴を生かして、渦電流センサ１００による計測の予備段階として、強磁性金属製（ツールホルダの材質は、鋼製や鉄系材料であっても良い）のツールホルダ２の全てに共通で用いられる近似校正曲線を、校正対象を円筒面にして、マシニングセンタＭＣ用として予め求める(ステップＳ１０)。すなわち、個々のツールホルダ２に対する校正曲線を不要とする。この校正は、マシニングセンタＭＣの製作元で一括して行うこともできるし、マシニングセンタＭＣの購入者が最初の使用時に一度実行するようにしてもよいし、出荷時に既に行ってもよい。なお、渦電流センサ本体１２が変われば校正曲線は変わるので、渦電流センサ本体１２の交換時には、ステップＳ１０で示した最初の校正が必要である。このステップＳ１０の校正では、詳細を後述する指数関数の３つの係数を求め、これらの値を制御装置１４が有するメモリ２０に記憶するか、またはＡ／Ｄコンバータ１６内の処理に対数アンプを設けて、求めた指数に対応した値に対数アンプのゲインを調整する。

また図示を省略するが、図１（a）において、渦電流センサ本体１２に、制御装置１４のメモリ２０とは異なる小容量のメモリ手段を設け、そのメモリ手段に指数関数の３つの係数を記憶させてもよい。その場合、制御装置１４のメモリ２０が、渦電流センサ本体１２のメモリ手段に記憶された指数関数の定数α、β、γを読み込む。これにより、渦電流センサ１００の出荷前に、渦電流センサ本体１２内に、指数関数の３個の定数α、β、γを設定できるので、出荷後に使用元での校正が不要となり、渦電流センサ１００の使用がより容易になる。さらに、渦電流センサ本体１２がメモリ手段を有し、このメモリ手段に指数関数の定数α、β、γを記憶しているので、渦電流センサ本体１２の交換が容易になるとともに、渦電流センサ本体１２の交換後に、一般的には使用元で実行する校正が不要となる。

次に、マシニングセンタＭＣを実際に稼働させる。マシニングセンタＭＣの起動とともに、ツールホルダ装着状態検出装置１０が起動される（ステップＳ１２）。工具自動交換装置において、工具が自動交換されると（ステップＳ１４）、マシニングセンタ制御装置２４は、主軸３を予め設定した回転速度で回転させる（ステップＳ１６）。

渦電流センサ本体１２は、回転するツールホルダ２のフランジ２Ｂの外周面までの距離ｇに対応した信号を検出し(ステップＳ１８)、渦電流センサ本体１２が接続された制御装置１４に検出信号を送信する。制御装置１４は、渦電流センサ本体１２が検出した信号を、対数アンプ４１があれば(ステップＳ２０)、対数アンプ４１で処理(ステップＳ２２)したのちＣＰＵ１８に送る。または、渦電流センサ本体１２が検出した信号をデジタル化したのち、ＣＰＵ１８においてメモリ２０に記憶した校正曲線の係数を用いて距離に変換する(ステップＳ２４)。

渦電流センサ１００による距離検出を、ツールホルダ２の全周にわたって一周分だけ実行し(ステップＳ２６)、ツールホルダ２の全周分の検出データを得る。ツールホルダ２のフランジ２Ｂにツールホルダ２の取り付け具用の切り欠き等が形成されていて(ステップＳ２８)、データに急変部がある場合には、その部分を補間・修正し（ステップＳ３０）、修正データを生成してメモリ２０に記憶する。

ＣＰＵ１８は、メモリ２０に記載された修正データをフーリエ変換し、基本周波数（周期がツールホルダ２の一周分の時間）を抽出して、その振幅値を算出する。この基本周波数の振幅値は、ツールホルダ２の偏心量の２倍に等しいので、これによりツールホルダ２の偏心量が求められる（ステップＳ３２）。ＣＰＵ１８は、得られた偏心量と許容値とを比較し、装着ミスの有無を判定する（ステップＳ３４）。

なお、フーリエ変換は測定と同時に実行するようにしてもよい。また、許容値は、マシニングセンタの運転開始に先立ち、操作者が入力装置から入力しておく。入力された許容値はメモリ２０に記載される。また、許容値は、ユーザが必要とする加工精度に基づいて設定し、ツールホルダ２の偏心に基づく振れの許容範囲内で適宜最適なものを選択して設定する。

判定結果はマシニングセンタ制御装置２４に出力され、マシニングセンタ制御装置２４は、偏心量が許容値より小さく正常に装着されたと判定したら（ステップＳ４０）、その状態で加工を開始する（ステップＳ４２）。一方、偏心量が許容値より大きく装着ミスと判定したら（ステップＳ３６）、自動ツールホルダ交換をやり直す指令を出し（ステップＳ３８）、ステップＳ１４に戻る。以後、上記手順を繰り返す。なお、装着ミスの場合には、ツールホルダ２と主軸３との嵌合部分に異物を挟み込んだ可能性があるので、この嵌合部分にエアーブローなどをして異物を除去する。

次に、上記マシニングセンタＭＣが備える渦電流センサ１００について、図３から図９を用いて説明する。図３は、渦電流センサ１００の一実施例の概略図であり、図４は、渦電流センサ１００の等価回路図である。図５は、渦電流センサ１００を用いた距離計測の手法を説明するフローチャートであり、図６は、測定対象形状による渦電流センサ１００の出力変化を説明する図である。さらに、図７は、本発明による渦電流センサ本体１２の出力特性(校正曲線)とその近似曲線との関係の一例を示すグラフであり、図８は本発明を実現する回路構成の一例を示す図である。図９は、図８に示した回路構成中の対数アンプの一例を示す回路図である。

図３に示す渦電流センサ本体１２は、測定対象物(ツールホルダ２)に対向する面３２（本発明においては測定端面とも称する）の側に、渦巻き状に形成された円板状のコイル３１を有している。コイル３１は、同軸ケーブル３３に接続されている。コイル３１は保持される容器のほぼ外径まで扁平に形成されて、薄型化が図られている。コイル３１はエポキシ等のプラスティックで形状を保持されたのち、樹脂製のキャップ形状の円筒容器内に保持されている。本実施例に用いる渦電流センサ本体１２は、典型的には、測定対象物に対向する面３２の外径がφ５であり、軸方向長さは約１６ｍｍである。そして、コイル３１の厚さ(軸方向長さ)は、１．２ｍｍである。

この渦電流センサ１００の等価回路を図４に、その動作のフローチャートを図５に示す。渦電流センサ１００では、制御装置１４に設けた高周波発振器から、励磁角周波数ωで励磁電圧ｖ_ｉの高周波信号が、同軸ケーブル３３を経由してコイル３１に供給される(ステップＳ６０)。本実施例では、励磁周波数は約４００ｋＨｚである。

高周波発振器からの高周波信号を受けて、コイル３１は高周波磁束を発生する(ステップＳ６２)。高周波磁束により磁界が形成され、測定対象物の表面に磁界は侵入する。その際、測定対象物が鉄系材料であればその侵入深さは３〜４μｍ程度であり、アルミニウム系材料であれば１００μｍ以上となる。磁界が侵入した測定対象物の表面では、渦電流が発生する（ステップＳ６４）。発生する渦電流の大きさは、コイル３１と測定対象物との距離や形状により変化する(ステップＳ６６)。

図６に、測定対象物５０、５１の形状の違いによる磁力線５４の発生の違いと、距離の変化による磁力線５４の測定対象物５０への到達の違いを、模式的に示す。測定対象物５１が平面と模擬できる（ｄ）図の場合には、渦電流センサ本体１２が測定対象物５１に近づくと、測定対象物５１の表面近くに渦電流が発生し(図示せず)、磁力線５４が測定対象物５１の内部まで入り込む鎖交５６が生ずる。測定対象物５１が鉄系材料であれば、磁界の侵入深さが浅いので、この鎖交５６も無視できる程度である。

一方、測定対象物５０が円筒表面で近似できる（ａ）〜（ｃ）図の場合には、渦電流センサ本体１２が測定対象物５０から遠ざかるにつれて、磁力線５４のいわゆる逃げが大きくなり、渦電流センサ本体１２の出力が低下する。渦電流センサ本体１２と測定対象物５０、５１間の距離の増大による渦電流センサ本体１２の出力の低下の割合は、（ｄ）図に示した平面の場合には、ほぼ距離に反比例するが、（ａ）〜（ｃ）図の場合には、磁力線５４の逃げにより、距離の複雑な関数となる。なお、（ａ）〜（ｃ）図における５５は、測定対象物５０の表面に発生する渦電流を模式的に示したものである。

図５に戻り、測定対象物の表面に発生する渦電流の大きさが変化すると、測定対象物を含むコイル３１のインピーダンスＺ（Ｌｃ、Ｒｃ）が変化する（ステップＳ６８）。インピーダンスＺ（Ｌｃ、Ｒｃ）の変化を、図４に示した等価回路中の電圧Ｖｃとして検出する（ステップＳ７０）。最後に、検出した電圧Ｖｃを検波回路で調整したのち、リニアライズ回路により距離に比例した電圧を出力する（ステップＳ７２）。

上述したように、測定対象物が平面でない本実施例の場合には、出力のリニアライズ化には解析的な方法を用いることが困難である。そこで本発明では、測定対象物が円筒面である場合に、個別に構成曲線を近似した複雑な構成を用いることなく、単一の近似校正曲線を用いて、高精度に測定対象物までの距離を求めている。この詳細を図７から図９を用いて説明する。

図７は、測定対象物５０が円筒面である場合の、渦電流センサ本体１２の校正曲線（実線）とその近似曲線（破線）を合わせて示した図である。この図７では渦電流センサ本体１２の出力を±１０Ｖに正規化している。すなわち、最接近点で−１０Ｖ、無限遠点で＋１０Ｖである。校正曲線は、複数の距離ｘにおける渦電流センサ本体１２の出力結果に基づいて、最小二乗法を用いて求めている。校正曲線は、渦電流センサ本体１２と測定対象物５０の距離ｘが増加するにつれて単調に増加する曲線であり、この校正曲線を指数関数で近似したのが近似校正曲線である。図７では、ほとんどの位置で校正曲線と近似校正曲線があっているので、２つの曲線は重なり実線のみが現れている。

近似する指数関数は、
Ｖｏｕｔ＝βｅ^αｘ＋γ ここで、α、β、γは定数
で表される。図７の例では、α＝−０．００１３、β＝−４４．０８、γ＝７．５９６である。校正曲線と近似曲線は、距離ｘがｘ≦０．１となる接触点近傍では、わずかに乖離しているが、距離が０．１〜３ｍｍの範囲ではほぼ一致する。したがって、この近似曲線を回路で構成することで、または演算式としてメモリに記憶することで、リニアライズ化処理が実行可能となる。

図８及び図９は、回路上でリニアライズ化する場合の例である。図８に示すように、渦電流センサ１００の従来の制御回路に、リニアライズ処理用に対数アンプ４１が付加されている。すなわち、複数段のアンプＡ_１〜Ａ_３と、ＦＥＴやトランジスタＴｒ、Ｄ／Ａコンバータ４２を含む回路に、入力信号Ｖ_ｉｎ（図４のＶｃに対応）が入力されると、リニアライズ化された出力信号Ｖ_ｏｕｔが出力される。これは、図７に対応する。対数アンプ４１の例としては、図９に示すような回路を用いてもよいし、市販の対数アンプＩＣを用いてもよい。

対数アンプ４１のゲインは、実際の測定対象物を模擬した円筒面での計測で得られた値を使用して調整される。ここで上述したように、測定対象物が鉄系材料であれば磁界の侵入が３〜４μｍ程度であるので、測定対象物が鉄系材料である限り、測定対象物の表面の個別差は生じにくく、発生する渦電流もほぼ同一の挙動を示すことが想定できる。

つまり、測定対象物は、微視的には均一ではなく、内部には組成のばらつきや、クラック、ボイド等がある恐れがあるが、表面から３〜４μｍの範囲であればこれらの発生する恐れはほぼ皆無である。従って、マシニングセンタのツールホルダの場合のように、１台の機械に対し多数個備えられる場合であっても、渦電流センサが同じである限り、ツールホルダを交換しても、同一の近似校正曲線を使用することができる。

上記対数アンプ４１を用いてリニアライズ化した本実施例の渦電流センサ１００では、図３に示したようにコイル３１を薄型化しているので、測定対象物から従来よりも遠ざかる位置まで計測可能になる。しかし、測定対象物から渦電流センサ本体１２が離れると感度も低下し、例えばその距離が０．５ｍｍ広がると、感度は１／２になる。この不具合を解消するために、測定回数を増やし、ＡＣでゲインを増大させている。これらは、近似校正曲線が単一の関数で表されるという利点に基づいており、多数回の測定により測定精度を向上できる。この結果、従来ツールホルダと渦電流センサ本体１２間の距離が０．９〜１．１ｍｍ内に設定せざるを得なかったものが、近似校正曲線が有効な最短距離０．１ｍｍから、感度低下を測定頻度等で補償できる限界の２ｍｍまで、測距範囲を広げることができる。そのため、渦電流センサ本体１２の設置裕度が向上する。

１…工具、２…ツールホルダ、２Ａ…嵌合部、２Ｂ…フランジ、３…主軸、３Ａ…被嵌合部、５…ヘッド、６…ブラケット、１０…ツールホルダ装着状態検出装置、１２…渦電流センサ本体、１４…制御装置、１５…信号検出回路、１６…Ａ／Ｄコンバータ、１８…ＣＰＵ、２０…メモリ、２２…入出力回路、２４…マシニングセンタ制御装置、３１…コイル、３２…対向面、３３…同軸ケーブル、４１…対数アンプ、４２…Ｄ／Ａコンバータ、５０、５１…測定対象物、５４…磁力線、５５…渦電流、５６…鎖交、１００…渦電流センサ、ＭＣ…マシニングセンタ、ｇ…センサとツールホルダ間の距離、ｄ…センサ面のセンサ外径

Claims (9)

1. センサコイルを有し測定端面が実質的に平面であるセンサ本体と、このセンサ本体に電気的に接続される回路装置とを有する渦電流センサであって、前記渦電流センサは工具を取付けて交換して用いられる強磁性体の複数の測定対象物を測定し、かつこの測定対象物に対して鎖交を無視できる０．１ｍｍ〜２ｍｍの距離にある状態を測定するものであり、前記回路装置は、前記複数の測定対象物に対する前記センサ本体の使用において、前記複数の測定対象物に対する前記センサコイルの出力を、単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換することを特徴とする渦電流センサ。
2. 前記単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換する代わりに、前記単一の指数関数に対応するリニアライズ回路を前記回路装置が備えることを特徴とする請求項１に記載の渦電流センサ。
3. 前記リニアライズ回路は、対数アンプを有することを特徴とする請求項２に記載の渦電流センサ。
4. 前記単一の指数関数は、βｅ ^αｘ ＋γで表され、ここで、α、β、γは定数であり、ｘは前記測定端面と対象物との間の距離、であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の渦電流センサ。
5. 前記センサ本体はメモリ手段を有し、前記単一の指数関数は、βｅ ^αｘ ＋γ（ここで、α、β、γは定数、ｘは前記測定端面と対象物との間の距離）であり、前記メモリ手段に前記単一の指数関数の定数α、β、γを、予め記憶させたことを特徴とする請求項１に記載の渦電流センサ。
6. マシニングセンタやＮＣ工作機械の主軸にツールを取り付けるために設けられ、前記主軸の先端部に着脱自在に配置される強磁性体のツールホルダと、このツールホルダの近傍に前記ツールホルダと離間して配置された渦電流センサとを備えたツールホルダの装着状態検出装置であって、前記渦電流センサは交換して用いる複数の前記ツールホルダに適用可能であるとともに、測定対象物に対して鎖交を無視できる０．１ｍｍ〜２ｍｍの距離にある状態を測定するものであり、前記ツールホルダの外周は、ほぼ円筒状の円筒状表面であり、前記渦電流センサは前記円筒状表面に対向して配置されており、前記渦電流センサは、センサコイルを有し測定端面が実質的に平面であるセンサ本体と、このセンサ本体に電気的に接続される回路装置とを有し、前記回路装置は、交換して用いる複数の前記ツールホルダに対する前記センサ本体の使用において、前記ツールホルダに対する前記センサコイルの出力を、単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換することを特徴とするツールホルダ装着状態検出装置。
7. 前記ツールホルダと前記センサ本体の端面との距離は、前記センサ本体の測定端面の外径よりも短いことを特徴とする請求項６に記載のツールホルダ装着状態検出装置。
8. 前記単一の指数関数で近似した校正曲線を用いて変換する代わりに、前記単一の指数関数に対応する対数アンプを有するリニアライズ回路を前記回路装置が備えることを特徴とする請求項６または７に記載のツールホルダ装着状態検出装置。
9. 前記単一の指数関数は、βｅ ^αｘ ＋γで表され、ここで、α、β、γは定数であり、ｘは前記測定端面と対象物との間の距離、であることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載のツールホルダ装着状態検出装置。