特開 2023-25614 ワイヤレス加振装置および圧電素子の駆動回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023025614

(43)【公開日】2023-02-22

(54)【発明の名称】ワイヤレス加振装置および圧電素子の駆動回路

(51)【国際特許分類】

   B23Q 17/00 20060101AFI20230215BHJP

   B06B 1/06 20060101ALI20230215BHJP

【ＦＩ】

B23Q17/00 A

B06B1/06 A

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021130981

(22)【出願日】2021-08-10

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2022-04-21

(71)【出願人】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(71)【出願人】

【識別番号】519352115

【氏名又は名称】ＡＩ－ｃｒｅａｔｕｒｅｓ合同会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】弁理士法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】河野 大輔

(72)【発明者】

【氏名】松原 厚

(72)【発明者】

【氏名】石井 眞二

【テーマコード（参考）】

3C029

5D107

【Ｆターム（参考）】

3C029EE01

5D107AA13

5D107BB01

5D107CC01

5D107CD01

5D107CD03

5D107CD08

5D107DE01

5D107DE02

(57)【要約】

【課題】ワークの動剛性を測定する際に手軽に使用することが可能な加振装置を提供する。
【解決手段】ワイヤレス加振装置１０は、電池１に接続され、駆動電圧が印加されると逆圧電効果により被加工物９０を加振する圧電素子２と、被加工物９０が加振されている間に、被加工物９０から受ける力を感知する力感知部３と、感知された力を示す情報を、被加工物９０の加工を制御する制御装置２９へワイヤレス送信する制御部４と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池に接続され、駆動電圧が印加されると逆圧電効果により被加工物を加振する圧電素子と、
前記被加工物が加振されている間に、前記被加工物から受ける力を感知する力感知部と、
感知された前記力を示す情報を、前記被加工物の加工を制御する制御装置へワイヤレス送信する制御部と、
を備えるワイヤレス加振装置。

【請求項2】

前記圧電素子に接続された容量素子と、
前記容量素子に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を前記圧電素子へ印加するか、前記圧電素子が前記被加工物から前記力を受けることによって発生する電圧を前記容量素子へ印加するか、を切り替える切替部と、
をさらに備える、請求項１に記載のワイヤレス加振装置。

【請求項3】

前記制御部は、駆動周波数を変化させながら前記圧電素子を駆動させる、請求項１または２に記載のワイヤレス加振装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記制御装置との間のワイヤレス通信の通信品質に関する情報を、前記制御装置に送信する、請求項１から３のいずれか一項に記載のワイヤレス加振装置。

【請求項5】

前記制御部は、
前記力を示す情報と、前記加振により生じる前記被加工物の変位に関する情報とに基づいて、前記被加工物の動剛性を算出し、
算出した前記動剛性を示す情報を、前記制御装置へワイヤレス送信する、請求項１から４のいずれか一項に記載のワイヤレス加振装置。

【請求項6】

圧電素子に接続された容量素子と、
前記容量素子に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を前記圧電素子へ印加するか、前記圧電素子が被加工物から力を受けることによって発生する電圧を前記容量素子へ印加するか、を切り替える切替部と、
を備える、圧電素子の駆動回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワークの動剛性を測定する際に工作機械の主軸に取り付けて使用される加振装置に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車や航空機等の機械部品は、ＮＣフライス盤やマシニングセンタ等の工作機械を用いて被加工物（以下、ワークと呼ぶ）を加工することにより製造されている。工作機械を用いてワークを加工する際には、工作機械の主軸やワークに振動が発生する。振動が発生すると加工精度が低下し生産性が低下することから、工作機械を用いた製造現場においては、工作機械の主軸やワークの振動特性を測定し評価する様々な取り組みがなされている。例えば下記特許文献１には、回転工具を含む振動系における動特性（dynamic characteristics）を測定する技術が開示されている。

【0003】

また、工作機械における評価パラメータの一つとして動剛性（dynamic stiffness）がある。動剛性のうち、例えば変位および力に基づくものには機械的コンプライアンス（mechanical compliance）がある。例えば下記特許文献２には、工作機械の主軸の動剛性を測定する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－１４８８１号公報

【特許文献2】特開２０１３－１８８８２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

工作機械を用いて機械部品を製造する間には、例えば荒加工や仕上げ加工等の複数の加工工程がワークに適用される。加工工程が進むにつれてワークが切除されてワークの厚さが変化すると、加工工程毎にワークの動剛性が変化してしまうという問題がある。ワークの動剛性が変化するとワークの振動特性も変化し、或る加工工程では抑制されていたワークの振動が、その後の別の加工工程では抑制されずワークに振動が発生し、ワークの加工精度が低下する。特に、例えば航空機のエンジン部品等の、薄さおよび軽さが求められる機械部品を製造する場合には、ワークの動剛性の変化は部品の加工精度および生産性に関わる重要な問題である。

【0006】

従来、動剛性を測定するには、インパルスハンマーと加速度計とを使用した衝撃試験を実施している。しかしながら、治具を用いて工作機械に設置されている加工工程を適用中のワークについて、衝撃試験を実施するために加工工程を中断してワーク上のいくつかの測定ポイントに加速度計を設置するには非常に手間がかかる。さらに、剛性が低いワークをインパルスハンマーを用いて手動で加振すると、ダブルハンマリングが発生する可能性があり、動剛性の測定結果の再現性が低下する可能性がある。これらの理由から、工作機械を用いた加工現場において、加工工程毎に衝撃試験を実施してワークの動剛性を測定し評価することは実用的ではない。上記した特許文献１および２のいずれの技術も、ワークの動剛性を測定する技術ではない。

【0007】

工作機械の加工条件には、主軸の回転速度や回転工具による切除の深さ、主軸の送り速度等がある。複数の加工工程のそれぞれにおいて、ワークの振動を抑制することができる適切な加工条件の下で加工工程をワークに適用するために、それぞれの加工工程を開始する前毎にワークの動剛性を手軽に測定することが望まれている。

【0008】

本発明は、ワークの動剛性を測定する際に手軽に使用することが可能な加振装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。
（項１）
電池に接続され、駆動電圧が印加されると逆圧電効果により被加工物を加振する圧電素子と、
前記被加工物が加振されている間に、前記被加工物から受ける力を感知する力感知部と、
感知された前記力を示す情報を、前記被加工物の加工を制御する制御装置へワイヤレス送信する制御部と、
を備えるワイヤレス加振装置。
（項２）
前記圧電素子に接続された容量素子と、
前記容量素子に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を前記圧電素子へ印加するか、前記圧電素子が前記被加工物から前記力を受けることによって発生する電圧を前記容量素子へ印加するか、を切り替える切替部と、
をさらに備える、項１に記載のワイヤレス加振装置。
（項３）
前記制御部は、駆動周波数を変化させながら前記圧電素子を駆動させる、項１または２に記載のワイヤレス加振装置。
（項４）
前記制御部は、前記制御装置との間のワイヤレス通信の通信品質に関する情報を、前記制御装置に送信する、項１から３のいずれか一項に記載のワイヤレス加振装置。
（項５）
前記制御部は、
前記力を示す情報と、前記加振により生じる前記被加工物の変位に関する情報とに基づいて、前記被加工物の動剛性を算出し、
算出した前記動剛性を示す情報を、前記制御装置へワイヤレス送信する、項１から４のいずれか一項に記載のワイヤレス加振装置。
（項６）
圧電素子に接続された容量素子と、
前記容量素子に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を前記圧電素子へ印加するか、前記圧電素子が被加工物から力を受けることによって発生する電圧を前記容量素子へ印加するか、を切り替える切替部と、
を備える、圧電素子の駆動回路。

【発明の効果】

【0010】

本発明によると、ワークの動剛性を測定する際に手軽に使用することが可能な加振装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置の模式的な構成を示す図である。

【図2】圧電素子の電圧と容量素子の電圧との関係を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置が取り付けられた工作機械の構成を模式的に示す図である。

【図4】本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置の外観を示す斜視図である。

【図5】実施例１に係る圧電アクチュエータの先端変位の測定結果である。

【図6】実施例２に係るコンプライアンスの測定結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。

【0013】

［装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置の模式的な構成を示す図である。

【0014】

一実施形態に係るワイヤレス加振装置１０（以下、単に加振装置１０とも呼ぶ）は、被加工物９０（以下、ワーク９０と呼ぶ）の動剛性を測定する際に、後述する図３に示すＮＣフライス盤やマシニングセンタ等の工作機械２０に取り付けて使用される。加振装置１０は、電池１に接続され、駆動電圧が印加されると逆圧電効果によりワーク９０を加振する圧電素子２と、ワーク９０が加振されている間に、ワーク９０から受ける力を感知する力感知部３と、感知された力を示す情報を、ワーク９０の加工を制御する制御装置２９へワイヤレス送信する制御部４と、を備える。

【0015】

電池１は加振装置１０に備えられ、加振装置１０が備える圧電素子２、力感知部３、および制御部４等の電気的または電子的な構成に電源電圧を供給する。好ましくは電池１は二次電池であり、加振装置１０の筐体に設けられた充電コネクタ１１を介して外部の充電装置２８と接続して充電可能となっている。電池１には、例えば市販のリチウムイオンバッテリーを用いることができる。充電コネクタ１１および充電装置２８には、例えばＵＳＢ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ規格に対応した、市販のＵＳＢ－ｔｙｐｅＣコネクタおよび充電器を用いることができる。

【0016】

圧電素子２は、駆動電圧が印加されると逆圧電効果によりワーク９０を加振する。圧電素子２がワーク９０を加振する際の変位出力は、圧電素子２に印加される駆動電圧の波形に応じて変化する。圧電素子２は、制御部４からの駆動信号に基づいてワーク９０を加振する。駆動信号は、圧電素子２の駆動電圧に関する情報を含んでいる。駆動電圧に関する情報は、駆動電圧の大きさに関する情報と、駆動電圧の波形に関する情報とを少なくとも含んでいる。例示的には、圧電素子２に印加される駆動電圧の波形は、インパルス波形、正弦波、三角波、矩形波、掃引正弦波、掃引三角波および掃引矩形波とすることができる。圧電素子２には、例えば市販の積層型の圧電アクチュエータを用いることができる。

【0017】

力感知部３は、ワーク９０から受ける力（force）を感知する。力感知部３は、圧電素子２の変位軸に沿った力を感知するように配置される。本実施形態では、力感知部３において感知されたアナログ形式の力信号は、増幅器１２において増幅され、図示しないアナログ－デジタル変換回路を通じてデジタル形式に変換された力を示す情報が、制御部４に入力される。力感知部３には、市販の力センサやロードセルを用いることができる。

【0018】

制御部４は、圧電素子２の駆動電圧に関する情報を含む圧電素子２の駆動信号を工作機械２０の制御装置２９からワイヤレス受信し、受信した駆動信号に基づいて圧電素子２を駆動させる。制御部４からの駆動信号に基づいて圧電素子２がワーク９０を加振している間に、ワーク９０から受ける力を力感知部３が感知する。制御部４は、力感知部３により感知された力を示す情報を、ワーク９０の加工を制御する、工作機械２０の制御装置２９へワイヤレス送信する。

【0019】

制御部４は、圧電素子２に印加する駆動電圧の波形を制御する。例示的には、圧電素子２に印加する駆動電圧の波形は、インパルス波形、正弦波、三角波、矩形波、掃引正弦波、掃引三角波および掃引矩形波とすることができる。制御部４は、圧電素子２の駆動周波数を変化させながら圧電素子２を駆動させることができる。これにより、圧電素子２に印加する駆動電圧の波形を、例えば掃引正弦波、掃引三角波および掃引矩形波とすることができる。

【0020】

制御部４と制御装置２９との間のワイヤレス通信には、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の種々の無線方式を用いることができる。制御部４は、制御装置２９との間のワイヤレス通信の通信品質に関する情報を、制御装置２９に送信することができる。通信品質に関する情報には、例えば、ワイヤレス通信の信号強度を表現する、ＲＳＳＩ （Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）値や、ｄＢｍ（ｄｅｃｉｂｅｌｓ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ａ ｍｉｌｌｉｗａｔｔ）値を用いることができる。これにより、制御装置２９は、加振装置１０と制御装置２９との間で通信エラーが生じる可能性を事前に把握することが可能となり、制御装置２９は、例えば工作機械２０のオペレータに警告またはエラーを発することができる。

【0021】

制御部４には、ＣＰＵおよびメモリを備えワイヤレスのデータ通信機能を有する、例えばａｒｄｕｉｎｏ（登録商標）シリーズ等の市販のシングルボード・コンピュータを用いることができる。

【0022】

加振装置１０には、圧電素子２を駆動する駆動回路５が備えられている。駆動回路５は、圧電素子２に接続された容量素子６と、容量素子６に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を圧電素子２へ印加するか、圧電素子がワーク９０から力を受けることによって発生する電圧を容量素子６へ印加するか、を切り替える切替部７と、を備える。駆動回路５は、制御部４から送信される圧電素子２の駆動信号に基づいて動作し、駆動電圧を圧電素子２に印加する。本実施形態では、駆動回路５は、切替部７に印加する電圧を制御する電圧制御部８をさらに備えている。

【0023】

容量素子６は圧電素子２の駆動電圧を供給する。容量素子６は電池１に並列に接続されており、切替部７の切り替え動作（プッシュプル動作）に応じて放電または充電される。容量素子６が放電されると、容量素子６に蓄積されている電気エネルギーによる電圧が圧電素子２へ印加され、圧電素子２が逆圧電効果によりワーク９０を加振する。圧電素子２がワーク９０から力を受けると、圧電効果により圧電素子２において発生する電圧が容量素子６へ印加され、容量素子６が回生的に充電される。容量素子６は、複数の容量素子が並列または直列に接続されて構成されていてもよい。容量素子６には市販の電界コンデンサを用いることができる。

【0024】

容量素子６の内部抵抗は電池１の内部抵抗よりも低いことが好ましい。容量素子６の内部抵抗は交流インピーダンスを意味する。これにより、容量素子６は、電池１が蓄える電気エネルギーよりも高い周波数の電気エネルギーを回生的に蓄積することができる。加振装置１０が容量素子６を備えることにより、加振装置１０はより高い周波数の電気エネルギーを回生的に蓄積することが可能となり、より高い駆動周波数（例えば約５０Ｈｚ以上）で圧電素子２を駆動することが可能となる。これにより、より高い周波数での動剛性の測定に、加振装置１０を用いることが可能となる。

【0025】

切替部７は、容量素子６に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を圧電素子２へ印加する動作と、圧電素子がワーク９０から力を受けることによって発生する電圧を容量素子６へ印加する動作とを交互に切り替える。切替部７による切り替え動作（プッシュプル動作）の詳細については後述する。本実施形態では、切替部７は、ＮＰＮトランジスタ７１とＰＮＰトランジスタ７２とを２段に接続したプッシュプル回路により構成されている。ＮＰＮトランジスタ７１のエミッタおよびコレクタ間には、エミッタからコレクタに沿って順方向に整流素子７３が接続されており、ＰＮＰトランジスタ７２のエミッタおよびコレクタ間には、エミッタからコレクタに沿って逆方向に整流素子７４が接続されている。

【0026】

電圧制御部８は、制御部４から送信される圧電素子２の駆動信号に基づいて、切替部７に印加する電圧を制御する。本実施形態では、制御部４から電圧制御部８へ送信される圧電素子２の駆動信号は、図示しないデジタル－アナログ変換回路を通じてアナログ形式に変換されて、電圧制御部８に入力される。電圧制御部８には、例えばオペアンプを用いることができる。圧電素子２の駆動電圧を制御するために、電圧制御部８（オペアンプ）には切替部７の出力ノードＮ１の出力がフィードバック入力されている。

【0027】

なお本実施形態では、電池１からの電源電圧は、昇圧回路１３において昇圧されて駆動回路５へ供給される。例示的には、電池１の出力電圧は約５Ｖ（ＤＣ）であり、昇圧回路１３の出力電圧は約１００Ｖ（ＤＣ）である。電池１の出力電圧は、例えば電池１の内部において複数の内部セルを直列に接続することにより高めることができることから、昇圧回路１３は任意の構成とすることができる。

【0028】

図２は、圧電素子の電圧と容量素子の電圧との関係を示す図である。図中、圧電素子２の駆動電圧（ピエゾ電圧）には符号３１を付して実線で示し、容量素子６の電圧（コンデンサ電圧）には符号３２を付して破線で示す。

【0029】

図１および図２を参照して、切替部７による切り替え動作（プッシュプル動作）について説明する。図２に示すように、圧電素子２の駆動電圧３１と容量素子６の電圧３２とは、切替部７の切り替え動作（プッシュプル動作）により逆位相で変化する。図２中、符号３３で示す区間は、容量素子６が放電されて、圧電素子２が逆圧電効果によりワーク９０を加振している区間である。符号３４で示す区間は、圧電素子２がワーク９０から力を受けて、圧電効果により発生する電圧により容量素子６が回生的に充電されている区間である。

【0030】

区間３３では、切替部７においてＮＰＮトランジスタ７１がオン、ＰＮＰトランジスタ７２がオフとなり、切替部７のプッシュプル回路はプッシュ動作を行う。容量素子６に蓄積されている電気エネルギーによる電圧は、図１に示すノードＮ２，Ｎ３、ＮＰＮトランジスタ７１、ノードＮ４を通じて、圧電素子２へ印加される。

【0031】

区間３４では、切替部７においてＮＰＮトランジスタ７１がオフ、ＰＮＰトランジスタ７２がオンとなり、切替部７のプッシュプル回路はプル動作を行う。圧電素子２がワーク９０から力を受けることによって発生する電圧は、図１に示すノードＮ４、整流素子７３、ノードＮ３，Ｎ２を通じて、容量素子６へ印加される。

【0032】

このように、一実施形態に係る加振装置１０では、圧電素子２の逆圧電効果による動作および圧電効果による動作と、容量素子６の電気エネルギーの充放電と、切替部７のプッシュプル動作とが互いに調和して動作する。これにより、加振装置１０を動作する際の電池１の電源電圧の負担は低下し、電池１の定格容量および寸法の小型化が促進される。電池１が小型化されると加振装置１０の小型化および軽量化も促進される。

【0033】

なお、二次電池に関する技術の進歩により電池１の小型化および大容量化が促進されると、加振装置１０はその寸法が小型化されたまま、容量素子６および切替部７を用いることなく、電池１から供給される電源電圧のみを用いて、圧電素子２を短期間で連続的に駆動することが可能となる。容量素子６および切替部７を備える駆動回路５は任意の構成である。

【0034】

［装置の使用態様］
図３は、本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置が取り付けられた工作機械の構成を模式的に示す図である。図４は、本発明の一実施形態に係るワイヤレス加振装置の外観を示す斜視図である。図３に示すように、一実施形態に係るワイヤレス加振装置１０は、被加工物９０（ワーク９０）の動剛性を測定する際に、ＮＣフライス盤やマシニングセンタ等の工作機械２０に取り付けて使用される。

【0035】

例示する態様の工作機械２０は、互いに直交する３つの駆動軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）を有する工作機械である。工作機械２０は、ベッド２１と、ベッド２１上においてＹ軸方向に移動可能なコラム２２と、コラム２２に沿ってＺ軸方向に移動可能なサドル２３と、回転可能な主軸２４１を有してサドル２３に取り付けられる主軸装置２４と、主軸２４１の先端側に取り付けられるツールホルダ２５と、ベッド２１上においてＸ軸方向に移動可能でありワーク９０を載置するテーブル２６と、制御装置２９とを備える。各駆動軸の制御および主軸２４１の制御を含む工作機械２０の動作は、制御装置２９により制御されている。例示する態様では、制御装置２９は例えばパーソナルコンピュータであり、工作機械２０と通信可能に接続されている。工作機械２０がワーク９０を加工する間、テーブル２６上におけるワーク９０の位置は治具２７により固定されている。

【0036】

工作機械２０がワーク９０に対して加工工程を施す間、ツールホルダ２５の先端には、それぞれの加工工程に応じた、例えばエンドミルやフライス等の回転工具が取り付けられている。加振装置１０は、工作機械２０を用いたワーク９０の加工工程における一工程として、それぞれの加工工程を開始する前毎に、回転工具に替えて取り付けて使用される。例えば工作機械２０がマシニングセンタである場合、加振装置１０は、普段は工作機械２０の図示しないツールマガジンに収納または装着されており、それぞれの加工工程を開始する前毎に、マシニングセンタの自動工具交換（Automatic Tool Changer, ATC）機能により回転工具に替えて取り付けられる。例示する態様では、加振装置１０はツールホルダ２５に取り付けられており、加振装置１０はツールホルダ２５とセットで回転工具と取り替えられる。

【0037】

制御装置２９は、圧電素子２の駆動電圧に関する情報を加振装置１０の制御部４へワイヤレス送信する。制御装置２９は、工作機械２０の各部を動作させて、加振装置１０の圧電素子２をワーク９０の測定ポイント９１に当接させる。例示する態様では、ワーク９０は円筒状の中空な部品であり、測定ポイント９１はワーク９０の薄い側壁である。加振装置１０の制御部４は、制御装置２９から送信される、圧電素子２の駆動電圧に関する情報に基づいて圧電素子２を駆動させ、ワーク９０の測定ポイント９１を加振する。加振装置１０は、測定ポイント９１を加振している間に測定ポイント９１から受ける力の測定を行う。測定ポイント９１の加振は、加振装置１０の圧電素子２により行われ、力の測定は、加振装置１０の力感知部３により行われる。

【0038】

加振装置１０による力の測定が行われた後、制御装置２９は、測定により得られた力を示す情報を、加振装置１０の制御部４からワイヤレス受信する。一般に、圧電素子における駆動電圧と変位量との対応関係は、いわゆる圧電素子の性能特性として予め把握されている。すなわち、圧電素子２による加振により生じるワーク９０の変位に関する情報は、制御装置２９が加振装置１０へ送信した圧電素子２の駆動電圧に関する情報に対応しており、制御装置２９は、受信した力を示す情報と、加振装置１０へ送信した圧電素子２の駆動電圧に関する情報とに基づいて、ワーク９０の動剛性に関するデータ２９１を算出する。本実施形態では、ワーク９０の動剛性の評価に用いる値として、変位および力から機械的コンプライアンスを算出する。

【0039】

制御装置２９は、算出した動剛性に関するデータ２９１に基づいてワーク９０の振動特性を評価する。これにより、制御装置２９は、直後に適用しようとする次の加工工程に適切な、主軸２４１の回転速度や回転工具による切除の深さ、主軸２４１の送り速度等の加工条件を改めて吟味し、それぞれの加工工程を開始する直前に吟味された適切なその加工条件の下で、加工工程をワーク９０に適用することができる。例えば制御装置２９は、ワーク９０の変位が大きくなる加振周波数を避けることが可能な工作機械２０の加工条件の下で、加工工程をワーク９０に適用する。これにより、加工工程が進むにつれてワーク９０が切除されて、加工工程毎にワーク９０の厚さが変化しても、ワーク９０の加工精度の低下を抑制することができる。

【0040】

以上、本発明によると、ワークの動剛性を測定する際に手軽に使用することが可能な加振装置を提供することができる。

【0041】

一実施形態に係る加振装置１０によると、加振装置１０は、回転工具に替えて工作機械２０の主軸２４１に取り付けて使用され、ワーク９０の動剛性の測定は、工作機械２０を用いたワーク９０の加工工程における一工程として行われる。測定されたワーク９０の力を示す情報は、加振装置１０から制御装置２９へワイヤレスで送信される。これにより、加振装置１０は、それぞれの加工工程を開始する前毎に、ワーク９０の動剛性を手軽に測定することが可能となる。加振装置１０と制御装置２９との間の通信はワイヤレス化されているから、マシニングセンタの自動工具交換機能により回転工具に替えて加振装置１０を自動で取り付ける際にも、通信用のケーブルの取り回しを考慮する必要が無く、交換作業をスムーズに行うことができる。

【0042】

また、加振装置１０が駆動回路５を備え、駆動回路５が容量素子６と切替部７とを備えることにより、圧電素子２の逆圧電効果による動作または圧電効果による動作に応じて、容量素子６に電気エネルギーが充放電される。これにより、圧電素子２は、電池１から供給される電源電圧に加えて、容量素子６に蓄積されている電気エネルギーによる電圧を、駆動電圧として用いることが可能となる。これにより、電池１を小型化することが可能となり加振装置１０の小型化および軽量化が促進される。加振装置１０の寸法が小型化されると、例えばマシニングセンタ等の工作機械２０において、他の回転工具と同様にツールマガジンに加振装置１０を容易に収納または装着することが可能となり、工作機械２０を用いたワーク９０の加工工程における一工程として、それぞれの加工工程を開始する前毎に、ワーク９０の振動特性をより手軽に評価することが可能となる。

【0043】

［その他の形態］
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。

【0044】

上記した実施形態では、力を示す情報を加振装置１０から受信した制御装置２９が、ワーク９０の動剛性に関するデータ２９１を算出しているが、動剛性に関するデータ２９１の算出は、制御装置２９に代えて加振装置１０の制御部４が行ってもよい。すなわち、制御部４が、力を示す情報と、加振により生じるワーク９０の変位に関する情報とに基づいて、ワーク９０の動剛性を算出し、算出した動剛性を示す情報を、制御装置２９へワイヤレス送信してもよい。前述したように、圧電素子における駆動電圧と変位量との対応関係は、圧電素子の性能特性として予め把握されており、加振により生じるワーク９０の変位に関する情報は、制御装置２９が加振装置１０へ送信した圧電素子２の駆動電圧に関する情報に対応している。

【0045】

上記した実施形態では、ワーク９０の動剛性の評価に用いる値として、変位および力から機械的コンプライアンスを算出しているが、動剛性の評価に用いる値としてアパレントスティフネス（apparent stiffness）を算出し、算出したアパレントスティフネスをワーク９０の動剛性の評価に用いてもよい。また、ワーク９０の動剛性の評価に用いる値として、モビリティ（mobility）やイナータンス（inertance）を算出してもよい。モビリティは、変位の微分値から速度を導出し、速度および力から算出することができる。イナータンスは、速度の微分値から加速度を導出し、加速度および力から算出することができる。

【0046】

上記した実施形態では、制御部４により制御される、圧電素子２に印加する駆動電圧の波形は、インパルス波形、正弦波、三角波、矩形波、掃引正弦波、掃引三角波および掃引矩形波が例示されているが、圧電素子２に印加する駆動電圧の波形は、これら例示するものに制限されない。制御部４は、圧電素子２の駆動電圧を、任意の波形で圧電素子２に印加することができる。

【0047】

上記した実施形態では、制御装置２９はパーソナルコンピュータであり、工作機械２０と通信可能に接続されているが、制御装置２９の態様はこれに限定されない。制御装置２９は、工作機械２０と別に設けられていてもよいし、工作機械２０と一体化されて構成されていてもよい。例えば一般的な工作機械に設けられているコンピュータ化された数値制御装置（Numerical Control, NC）を、制御装置２９として用いることができる。制御装置２９は、工作機械２０の動作を直接的または間接的に制御することができて、加振装置１０の制御部４とワイヤレスで通信することができればよい。

【0048】

上記した実施形態では、制御装置２９は、ワーク９０の動剛性に関するデータ２９１を算出する際に、加振装置１０へ送信した圧電素子２の駆動電圧に関する情報を用いているが、制御装置２９は、加振装置１０へ送信した駆動電圧に関する情報に代えて、圧電素子２に実際に印加されている印加電圧の実測値を用いて、データ２９１を算出してもよい。この場合、例えば圧電素子２に電圧検出器を設けて、圧電素子２に実際に印加されている印加電圧を実測し、圧電素子２への印加電圧の実測値を、制御部４から制御装置２９へワイヤレス送信するとよい。制御部４では、印加電圧の実測値をメモリに記憶しておくとよい。

【0049】

［実施例］
以下の実施例では、本発明による加振装置の試作機を作製して性能評価を行った。作製した試作機の概要を表１に示す。

【表1】

【0050】

電池には、薄型で大容量（定格容量１．５ＡＨ）であり、内部抵抗が低い積層シート型のリチウムイオンバッテリーを使用した。使用した電池の内部抵抗は、１ｋＨｚの高周波印加時に６．５ｍΩであった。圧電素子には、株式会社トーキン製の積層圧電アクチュエータ「ＴＯＫＩＮ ＡＳＬ１７０Ｃ８０１」シリーズを使用した。力感知部には、スイス国キスラー（KISTLER）グループ社製の水晶圧電式力センサ「９１３４Ｂ」を使用した。制御部には、英国ラズベリーパイ財団による「Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ ３ Ｍｏｄｅｌ Ｂ＋」を使用した。容量素子には、静電容量が１０００μＦの市販の電界コンデンサを８つ並列に接続して使用した。合成静電容量は約８０００μＦであった。切替部には、米国ビシェイ・シリコニクス（Vishay Siliconix）社製のＮ－Ｃｈａｎｎｅｌ ＭＯＳＦＥＴおよびＰ－Ｃｈａｎｎｅｌ ＭＯＳＦＥＴである、「Ｓｉ７１７２ＡＤＰ」および「Ｓｉ７４３１ＤＰ」を使用した。

【実施例0051】

実施例１では、圧電アクチュエータが対象物に押し当てられていない状態である、無負荷時の加振における圧電アクチュエータの先端変位を測定することにより、加振変位の測定を行った。圧電アクチュエータの先端変位の測定は、三角測量型のレーザ変位計を用いて行った。測定条件として、印加電圧を５０Ｖ、加振周波数を１Ｈｚ～２０００Ｈｚ、加振時間を１０秒、サンプリング周波数を１００ｋＨｚとした。測定結果を図５に示す。

【0052】

図５の（Ａ）は圧電アクチュエータの先端変位の時間波形を示すグラフであり、（Ｂ）は圧電アクチュエータの先端変位のスペクトログラムである。（Ｂ）に示すスペクトログラムにおいて、パワー／周波数（ｄＢ／Ｈｚ）の比率が高く、図中に白く表示されている周波数のデータが、加振中に多く含まれている周波数成分のデータである。

【0053】

（Ａ）に示すように、約１０秒間の加振時間の間に、圧電アクチュエータの先端が約８μｍ変位していることが確認された。（Ｂ）において図中に白く表示されているように、約１０秒間の加振の間に、周波数が約０Ｈｚ～約２０００Ｈｚまでリニアに変化して掃引されていることが確認された。

【実施例0054】

実施例２では、マシニングセンタの主軸に加振装置の試作機を取り付けて、マシニングセンタ上で平板の加振実験を行い、コンプライアンスを測定した。また、マシニングセンタ上の平板に対して、インパルスハンマーおよび加速度計を使用した衝撃試験（ハンマリング試験）を行い、コンプライアンスを測定した。両者の測定におけるコンプライアンスの測定値を比較した。平板の厚さは約１０ｍｍであった。測定値の比較結果を図６に示す。

【0055】

図６は、コンプライアンスの測定値を示すグラフである。（Ａ）～（Ｅ）に示すように、コンプライアンスの測定は、加振器による静的な押し付け量と、圧電アクチュエータの動作電圧（印加電圧）の振幅との組み合わせを変化させて複数回行った。符号６１で示す濃い線のデータは、加振装置の試作機による測定データであり、符号６２で示す薄い線のデータは衝撃試験（ハンマリング試験）による測定データである。（Ａ）は、加振器による静的な押し付け量が４０μｍであり、圧電アクチュエータの動作電圧の振幅が５０Ｖにおける測定値のグラフである。同様に、（Ｂ）は、静的な押し付け量が８０μｍであり動作電圧の振幅が５０Ｖにおける測定値のグラフである。（Ｃ）は、静的な押し付け量が１２０μｍであり動作電圧の振幅が５０Ｖにおける測定値のグラフである。（Ｄ）は、静的な押し付け量が４０μｍであり動作電圧の振幅が２５Ｖにおける測定値のグラフである。（Ｅ）は、静的な押し付け量が８０μｍであり動作電圧の振幅が２５Ｖにおける測定値のグラフである。

【0056】

（Ａ）～（Ｅ）のそれぞれのグラフにおいて、上段に示されている振幅と周波数との関係を表すデータについて着目する。符号６１で示す濃い線のデータと、符号６２で示す薄い線のデータとで、振幅がピークを示す周波数の値は概ね一致していた。このことから、本発明の加振装置の試作機による測定データは、従来の衝撃試験（ハンマリング試験）と良好な対応関係を示していることが確認された。