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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-06
(45)【発行日】2024-02-15
(54)【発明の名称】摩耗検出センサおよびこれを備えたローラーカッター
(51)【国際特許分類】
G01B 7/00 20060101AFI20240207BHJP
【ＦＩ】
G01B7/00 W
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2023080432
(22)【出願日】2023-05-15
【審査請求日】2023-05-17
(31)【優先権主張番号】P 2022130704
(32)【優先日】2022-08-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000137340
【氏名又は名称】株式会社マコメ研究所
(73)【特許権者】
【識別番号】522329984
【氏名又は名称】永原 忠之
(74)【代理人】
【識別番号】110002343
【氏名又は名称】弁理士法人 東和国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】新井 栄作
(72)【発明者】
【氏名】永原 忠之
【審査官】眞岩 久恵
(56)【参考文献】
【文献】特開平１０－３１１７１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－３２９５１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００８－５０４１３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２４２７１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－０２９４６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭６０－１７９８０３（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ ７／００－７／３４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁気抵抗の変化に基づいて強磁性体であるカッターの刃先の摩耗を検出する摩耗検出センサであって、前記カッターの回転軸に略平行で前記カッターの刃先に近接対向して検出面となる外底面を有する有底円筒状の非磁性金属ケースと該非磁性金属ケースの開口を覆う蓋板とからなる防水構造の筐体と、
該筐体の内部に収容されて前記検出面と略平行な開放面で磁路を開放する強磁性体コアと、
該強磁性体コアに巻回されて前記強磁性体コアと一体化したコイルと、
前記カッターの刃先と前記検出面との間の距離の変化に基づく前記磁気抵抗の変化に対応した前記コイルのインダクタンス変化を発振周波数変化に変換する発振回路と該発振回路の発振周期を計数して計測値を求める計数回路と該計数回路から得た計数値をシリアル信号に変換して伝送するインターフェイス回路とを有して前記筐体と絶縁した状態で前記筐体の内部に収容されるセンサ基板と、
前記筐体の内部に収容されて前記強磁性体コアの側面と底面とを覆い比透磁率が前記強磁性体コアの比透磁率および前記筐体の比透磁率よりも大きい強磁性金属製の磁気シールドカバーとを備え、
前記センサ基板と導通する静電シールド板が、前記筐体の非磁性金属ケースの内底面と前記強磁性体コアの開放面との間に配置され、
前記静電シールド板が、絶縁体層と、該絶縁体層に積層されて前記強磁性体コアの開放面と対向する非磁性金属からなる電極層とを有し、
前記静電シールド板の電極層が、前記センサ基板の接地電極と導通する環状接地電極と、該環状接地電極と一端のみが導通する線状電極とから形成され、
前記静電シールド板の環状接地電極の内径が、前記強磁性体コアの外径よりも大きいことを特徴とする摩耗検出センサ。
【請求項2】
前記静電シールド板の環状接地電極の内径が、前記磁気シールドカバーの外径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の摩耗検出センサ。
【請求項3】
前記静電シールド板の環状接地電極が、前記磁気シールドカバーと導通していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩耗検出センサ。
【請求項4】
前記センサ基板と前記磁気シールドカバーとを導通する金属製の支柱が、前記センサ基板と前記磁気シールドカバーとの間に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩耗検出センサ。
【請求項5】
請求項１に記載の摩耗検出センサを備えたカッター支持枠と、該カッター支持枠に回転自在に支持された前記カッターとを備えていることを特徴とするローラーカッター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は摩耗検出センサおよびこれを備えたローラーカッターに関するものであって、特に、磁気抵抗の変化に基づいてカッターの摩耗を検出する摩耗検出センサおよびこれを備えたローラーカッターに関する。
【背景技術】
【0002】
坑道掘削機械の前面で回転して地盤を掘削するカッターヘッドには、複数のローラーカッターが設けられており、各ローラーカッターは回転可能なカッターを有している。
このカッターは、地盤の切削に伴い経時的に摩耗や損傷を受けるため、ある程度カッターが損耗した場合は、これを交換する必要がある。
カッターの交換には煩雑で大掛かりな工事を伴い、その間は掘削工事が中断されるため、工期やコストの観点からカッターの交換頻度はなるべく少ないほうが良い。
逆に交換頻度が少なすぎると、カッターが許容範囲を超えて損耗されることによって掘進速度や掘削効率が著しく低下し、しかもカッターばかりかカッターヘッドの面板等も異常摩耗して、修復が困難になったり、その後の掘進工事に支障を来すことになったりして、結果的に工事の遅延や大幅なコスト上昇を招く。
このカッターは、地盤の切削に伴い経時的に摩耗や損傷を受けるため、ある程度カッターが損耗した場合は、これを交換する必要がある。
カッターの交換には煩雑で大掛かりな工事を伴い、その間は掘削工事が中断されるため、工期やコストの観点からカッターの交換頻度はなるべく少ないほうが良い。
逆に交換頻度が少なすぎると、カッターが許容範囲を超えて損耗されることによって掘進速度や掘削効率が著しく低下し、しかもカッターばかりかカッターヘッドの面板等も異常摩耗して、修復が困難になったり、その後の掘進工事に支障を来すことになったりして、結果的に工事の遅延や大幅なコスト上昇を招く。
【0003】
したがって、カッターの摩耗状況は地上から常時把握し、その交換時期を的確に決定する必要がある。
カッターの摩耗状況を把握するために従来は特許文献１及び特許文献２に記載の技術があった。
カッターの摩耗状況を把握するために従来は特許文献１及び特許文献２に記載の技術があった。
【0004】
特許文献１には、カッター外周の刃先に近接して配置した高周波渦電流センサを用いて、コイルから高周波磁界を与えてカッターの刃先に渦電流を発生させる動作原理によりカッターの摩耗を検出する技術が開示されている。
【0005】
特許文献２には、磁気センサと磁石とで構成され、磁石とカッター刃先との距離がカッターの摩耗度合いに応じて変化することを磁界の変化として磁気センサで検出する方式の摩耗検出センサの技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開平１０－３１１７１７号公報
【文献】特開２００３－３０７０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１に開示された技術はコイルから高周波磁界を与えてカッターの刃先に渦電流を発生させる動作原理に基づくものであるため、コイルの検出面を保護する目的で金属製のカバーを使用することはできない。
さらに、コイルの検出面がゴムまたは樹脂板で覆われる構造になっており、地盤あるいは岩盤を掘削した掘削土（ズリ）によって検出面が摩耗または破損し易く、センサとしての耐久性が劣るという問題がある。
さらに、コイルの検出面がゴムまたは樹脂板で覆われる構造になっており、地盤あるいは岩盤を掘削した掘削土（ズリ）によって検出面が摩耗または破損し易く、センサとしての耐久性が劣るという問題がある。
【0008】
特許文献２に開示された技術は磁気センサと磁石とで構成された摩耗検出センサを備えているが、摩耗検出センサに磁石を使用するため、切削ズリに混じった砂鉄やカッターから削り落ちた鉄粉などが摩耗検出センサの検出面に付着堆積して検出精度が低下するという問題がある。
さらに、砂鉄や鉄粉の堆積は経時的に増加するため、カッターの摩耗量が実際より少ない方向に誤差が増加してカッターの交換時期を誤り、危険性が増大するという問題がある。
さらに、砂鉄や鉄粉の堆積は経時的に増加するため、カッターの摩耗量が実際より少ない方向に誤差が増加してカッターの交換時期を誤り、危険性が増大するという問題がある。
【0009】
また、回転するカッターヘッドに取り付けられたカッターは、地盤の掘削に伴い自身も回転する。
切削ズリの挟み込みや回転軸の破損などによってカッターが固着すると、カッターが著しく損耗してカッターとしての機能を果たせなくなる。
したがって、カッターの固着を早期に発見してカッターを速やかに交換することは重要であるが、特許文献１及び特許文献２では、カッターの回転を検出するセンサが別途必要となる。
回転を検出する方法は、カッター側に磁石を埋め込み磁気近接スイッチで検出するのが一般的である。
このようにカッターの健全性をモニターするためには摩耗検出センサの他に回転検出センサを設置する必要があるが、摩耗検出センサの他に回転検出センサを設置すると、コストが増大するといった問題や、センサの設置スペース確保の問題がある。
また全てのカッターに回転検出用の磁石を埋め込まない場合には、通常のカッターと回転検出用に磁石を埋め込んだカッターの２種類のカッターを用意する必要があり、在庫や予備品の管理が煩雑となるという問題がある。
切削ズリの挟み込みや回転軸の破損などによってカッターが固着すると、カッターが著しく損耗してカッターとしての機能を果たせなくなる。
したがって、カッターの固着を早期に発見してカッターを速やかに交換することは重要であるが、特許文献１及び特許文献２では、カッターの回転を検出するセンサが別途必要となる。
回転を検出する方法は、カッター側に磁石を埋め込み磁気近接スイッチで検出するのが一般的である。
このようにカッターの健全性をモニターするためには摩耗検出センサの他に回転検出センサを設置する必要があるが、摩耗検出センサの他に回転検出センサを設置すると、コストが増大するといった問題や、センサの設置スペース確保の問題がある。
また全てのカッターに回転検出用の磁石を埋め込まない場合には、通常のカッターと回転検出用に磁石を埋め込んだカッターの２種類のカッターを用意する必要があり、在庫や予備品の管理が煩雑となるという問題がある。
【0010】
そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、磁石を使用せず、かつ、耐久性がある構造にでき、経時的な精度低下を来さないと共に、カッターの回転状態や交換時期を的確に判断できる摩耗検出センサを提供することである。
そして、更なる本発明の目的は、強磁性体コアの側面から漏れ出る漏れ磁束が筐体の外部に漏れ出ることを防ぎ、強磁性体コアの側面から検出面へ漏れ出る漏れ磁束によるコイルのインダクタンス変化を抑制してカッターの刃先の摩耗検出精度が向上する摩耗検出センサを提供することである。
そして、更なる本発明の目的は、強磁性体コアの側面から漏れ出る漏れ磁束が筐体の外部に漏れ出ることを防ぎ、強磁性体コアの側面から検出面へ漏れ出る漏れ磁束によるコイルのインダクタンス変化を抑制してカッターの刃先の摩耗検出精度が向上する摩耗検出センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
請求項１に係る発明は、磁気抵抗の変化に基づいて強磁性体であるカッターの刃先の摩耗を検出する摩耗検出センサであって、前記カッターの回転軸に略平行で前記カッターの刃先に近接対向して検出面となる外底面を有する有底円筒状の非磁性金属ケースと該非磁性金属ケースの開口を覆う蓋板とからなる防水構造の筐体と、該筐体の内部に収容されて前記検出面と略平行な開放面で磁路を開放する強磁性体コアと、該強磁性体コアに巻回されて前記強磁性体コアと一体化したコイルと、前記カッターの刃先と前記検出面との間の距離の変化に基づく前記磁気抵抗の変化に対応した前記コイルのインダクタンス変化を発振周波数変化に変換する発振回路と該発振回路の発振周期を計数して計測値を求める計数回路と該計数回路から得た計数値をシリアル信号に変換して伝送するインターフェイス回路とを有して前記筐体と絶縁した状態で前記筐体の内部に収容されるセンサ基板と、前記筐体の内部に収容されて前記強磁性体コアの側面と底面とを覆い比透磁率が前記強磁性体コアの比透磁率および前記筐体の比透磁率よりも大きい強磁性金属製の磁気シールドカバーとを備え、前記センサ基板と導通する静電シールド板が、前記筐体の非磁性金属ケースの内底面と前記強磁性体コアの開放面との間に配置され、前記静電シールド板が、絶縁体層と、該絶縁体層に積層されて前記強磁性体コアの開放面と対向する非磁性金属からなる電極層とを有し、前記静電シールド板の電極層が、前記センサ基板の接地電極と導通する環状接地電極と、該環状接地電極と一端のみが導通する線状電極とから形成され、前記静電シールド板の環状接地電極の内径が、前記強磁性体コアの外径よりも大きいことにより、前述した課題を解決するものである。
【0013】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載された摩耗検出センサの構成に加えて、前記静電シールド板の環状接地電極の内径が、前記磁気シールドカバーの外径よりも大きいことにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【0014】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載された摩耗検出センサの構成に加えて、前記静電シールド板の環状接地電極が、前記磁気シールドカバーと導通していることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【0015】
請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２に記載された摩耗検出センサの構成に加えて、前記センサ基板と前記磁気シールドカバーとを導通する金属製の支柱が、前記センサ基板と前記磁気シールドカバーとの間に設けられていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。
【0016】
請求項５に係る発明は、請求項１に記載の摩耗検出センサを備えたカッター支持枠と、該カッター支持枠に回転自在に支持された前記カッターとを備えていることにより、前述した課題を解決するものである。
【発明の効果】
【0017】
請求項１に係る発明の摩耗検出センサによれば、検出面で磁路が開放される強磁性体コアと一体のコイルと、このコイルのインダクタンス変化を発振周波数変化に変換する発振回路と、この発振回路の発振周期を計数して計測値を求める計数回路と、が非磁性金属ケース内に一体で収められていることにより、磁石を使用せず、かつ切削ズリによる摩耗と衝撃から保護されて耐久性がある構造にでき、経時的な精度低下を来さないと共に、カッターの回転状態や交換時期を的確に判断できる。
また、摩耗検出センサにカッターに特別な細工を施すこと無くカッターの回転を検出できる機能を備えることもできる。
また、摩耗検出センサにカッターに特別な細工を施すこと無くカッターの回転を検出できる機能を備えることもできる。
【0018】
強磁性体コアは、コイルから発生する磁束が検出面前面に集中するように自身の磁路が形成されている。
検出面から前方に形成される空間の磁路は非磁性金属ケースを貫き検出対象であるカッターの刃先を通って再び検出面に一巡して閉じた磁路が形成される。
このとき、検出面が非磁性金属で覆われているが、非磁性金属は空気に準じて磁気抵抗が大きいため、磁路を乱さない。
また、請求項１に係る発明の摩耗検出センサは、検出面で磁路が開放される強磁性体コアと一体となったコイルを有しているため、周囲の金属の影響を受けずにカッターの刃先を効率よく検出できる。したがって、カッターの回転状態や交換時期を的確に判断できる。
検出面から前方に形成される空間の磁路は非磁性金属ケースを貫き検出対象であるカッターの刃先を通って再び検出面に一巡して閉じた磁路が形成される。
このとき、検出面が非磁性金属で覆われているが、非磁性金属は空気に準じて磁気抵抗が大きいため、磁路を乱さない。
また、請求項１に係る発明の摩耗検出センサは、検出面で磁路が開放される強磁性体コアと一体となったコイルを有しているため、周囲の金属の影響を受けずにカッターの刃先を効率よく検出できる。したがって、カッターの回転状態や交換時期を的確に判断できる。
【0019】
このように請求項１に係る発明の摩耗検出センサは、カッターの刃先が摩耗すると磁路の磁気抵抗が変化し、この磁気抵抗の変化に対応してコイルのインダクタンスが変化する物理現象の効果を用いるため、渦電流による効果の影響が無く、また、コイルの検出面が非磁性金属で覆われるため、切削ズリによる摩耗と衝撃から保護されて耐久性が高いという特徴を持つ。
また、コイルから発生する磁界は微弱であり、かつ磁石を用いていないため、検出面に砂鉄や鉄粉が吸着または堆積することが無く、検出精度が高く経時的な特性変化が無い。
したがって、請求項１に係る発明の摩耗検出センサによれば、カッターの回転状態や交換時期を的確に判断できる。
また、コイルから発生する磁界は微弱であり、かつ磁石を用いていないため、検出面に砂鉄や鉄粉が吸着または堆積することが無く、検出精度が高く経時的な特性変化が無い。
したがって、請求項１に係る発明の摩耗検出センサによれば、カッターの回転状態や交換時期を的確に判断できる。
【0020】
このように、請求項１に係る発明の摩耗検出センサによれば、カッターの摩耗状況を正確に把握してカッターの交換時期を的確に判断することができる。
またカッターの摩耗状況とカッターの回転状況を一つのセンサで検出できるようになり、従来別途必要であった回転検出センサが不要となったことから、センサ設置に係る配線、保護養生、取り付け費用、取り付け部の加工費用などの工数、費用、管理が半減する。
更にカッターの回転を検出するためにカッターに特別な細工をする必要が無いため、特別なカッターを用意する必要がなくなり、在庫や予備品の管理が軽減して、使い回しのローテーションも可能なことから全体的に大幅なコスト削減ができる。
またカッターの摩耗状況とカッターの回転状況を一つのセンサで検出できるようになり、従来別途必要であった回転検出センサが不要となったことから、センサ設置に係る配線、保護養生、取り付け費用、取り付け部の加工費用などの工数、費用、管理が半減する。
更にカッターの回転を検出するためにカッターに特別な細工をする必要が無いため、特別なカッターを用意する必要がなくなり、在庫や予備品の管理が軽減して、使い回しのローテーションも可能なことから全体的に大幅なコスト削減ができる。
【0021】
さらに、請求項１に係る発明の摩耗検出センサによれば、筐体の内部に収容されて強磁性体コアの側面と底面とを覆う強磁性金属製の磁気シールドカバーを備えていることにより、強磁性体コアの側面から漏れ出る漏れ磁束による渦電流が磁気シールドカバー内を流れ、強磁性体コアの側面から漏れ出る漏れ磁束が磁気シールドカバー内に発生する渦電流によって反射されるだけでなく磁気シールドカバーの比透磁率が強磁性体コアの比透磁率および筐体の比透磁率よりも大きいことにより、強磁性体コアの側面から漏れ出る漏れ磁束が磁気シールドカバーの側壁を貫きにくくなるため、強磁性体コアの側面から漏れ出る漏れ磁束が筐体の外部に漏れ出ることを防ぎ、強磁性体コアの側面から開放面へ漏れ出る漏れ磁束によるコイルのインダクタンス変化を抑制してカッターの刃先の摩耗検出精度を向上させることができる。
【0022】
また、請求項１に係る発明の摩耗検出センサによれば、静電シールド板の電極層が、センサ基板の接地電極と導通する環状接地電極と、この環状接地電極と一端のみが導通する線状電極とから形成されていることにより、環状接地電極の内側に金属の閉ループが形成されず環状接地電極の内側で渦電流が発生しないだけでなく静電シールドの環状接地電極の内径が、強磁性体コアの外径よりも大きいことにより、強磁性体コアから発生する磁束の大半が静電シールド板の環状接地電極の内側で鎖交するため、静電シールド板全体に渦電流が流れなくすることができる。
【0023】
請求項２に係る発明の摩耗検出センサによれば、請求項１に係る発明の摩耗検出センサが奏する効果に加えて、静電シールド板の環状接地電極の内径が、磁気シールドカバーの外径よりも大きいことにより、強磁性体コアから発生する磁束がすべて静電シールド板の環状接地電極の内側で確実に鎖交するため、静電シールド板の環状接地電極に渦電流が確実に流れなくなり、コイルのインダクタンス変化に重畳しうるノイズをより確実に低減することができる。
【0024】
請求項３に係る発明の摩耗検出センサによれば、請求項１または請求項２に係る発明の摩耗検出センサが奏する効果に加えて、静電シールド板の環状接地電極が、磁気シールドカバーと導通していることにより、静電シールド板の環状接地電極と磁気シールドカバーとセンサ基板の接地電極とが等電位になるため、コイル全体が静電シールドされて、センサ基板に重畳されるノイズをより一層低減することができる。
【0025】
請求項４に係る発明の摩耗検出センサによれば、請求項１または請求項２に係る発明の摩耗検出センサが奏する効果に加えて、センサ基板と磁気シールドカバーとを導通する金属製の支柱が、センサ基板と磁気シールドカバーとの間に設けられていることにより、支柱がセンサ基板の固定だけでなくセンサ基板と磁気シールドカバーとの導通をさせるため、センサ基板の固定およびセンサ基板と磁気シールドカバーとの導通を簡単な構造で両立させることができる。
【0026】
請求項５に係る発明のローラーカッターによれば、請求項１に記載の摩耗検出センサを備えたカッター支持枠と、このカッター支持枠に回転自在に支持されたカッターとを備えていることにより、強磁性体コアの側面から漏れ出る漏れ磁束による渦電流が磁気シールドカバー内を流れ、強磁性体コアの側面から漏れ出る漏れ磁束が磁気シールドカバー内に発生する渦電流によって反射されるだけでなく強磁性体コアの側面から漏れ出る漏れ磁束が磁気シールドカバーの側壁を貫きにくくなるため、強磁性体コアの側面から漏れ出る漏れ磁束が磁気シールドカバーの外部に漏れ出ることを防ぎ、強磁性体コアの側面から検出面へ漏れ出る漏れ磁束によるコイルのインダクタンス変化を抑制してカッターの刃先の摩耗検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】カッターヘッドの正面図である。
【図2A】ローラーカッターの平面図である。
【図2D】ローラーカッターディスクの斜視図である。
【図3A】摩耗検出センサの外観斜視図である。
【図3B】摩耗検出センサの断面図である。
【図3C】摩耗検出センサの強磁性体コアの斜視図である。
【図4】コントローラ部の斜視図である。
【図5】センサ本体部の回路ブロック図である。
【図6】コントローラ部の回路ブロック図である。
【図7】強磁性体コアと被検出対象との間が空間である場合の想定図である。
【図8】強磁性体コアと被検出対象との間に非磁性金属が存在する場合の想定図である。
【図9】強磁性体コアと被検出対象との間が空間であり、発振周波数が約１０ｋＨｚの場合の特性図である。
【図10】強磁性体コアと被検出対象との間が空間であり、発振周波数が約３００Ｈｚの場合の特性図である。
【図11】強磁性体コアと被検出対象との間に非磁性金属が存在し、発振周波数が約３００Ｈｚの場合の特性図である。
【図13】被検出対象を非磁性金属とした場合の周波数変化の影響を示した特性図である。
【図14】第１実施形態の摩耗検出センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る摩耗検出センサ及び摩耗検出センサを備えたローラーカッターを説明する。
但し、以下に示す実施形態は本発明の技術思想を具体化するための摩耗検出センサ及び摩耗検出センサを備えたローラーカッターを例示するものであって、本発明をこれらに特定するものではなく、特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態のものにも等しく適用し得るものである。
但し、以下に示す実施形態は本発明の技術思想を具体化するための摩耗検出センサ及び摩耗検出センサを備えたローラーカッターを例示するものであって、本発明をこれらに特定するものではなく、特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態のものにも等しく適用し得るものである。
【0029】
【0030】
図１は、カッターヘッド１０の正面図である。カッターヘッド１０は掘進機の前面にあって回転しながら地盤あるいは岩盤を掘削する。カッターヘッド１０は、カッターヘッド１０の円周方向（回転方向）に対して直交する方向に回転可能な状態に支持される。カッターヘッド１０の掘削面側には、複数のローラーカッター２０及び複数の非回転のカッタービット１１が取り付けられている。カッターヘッド１０は、坑道掘削機械の前面で回転して地盤を掘削する。カッタービット１１は固定式であるのに対して、各ローラーカッター２０は回転可能なカッター（以下「ローラーカッターディスク２１」ということがある。）を有している。
【0031】
カッターヘッド１０は、特に限定されるものではないが、１～２分で１回転する程度の速度で回転している。これに対して、ローラーカッターディスク２１もカッターヘッド１０の回転に対応して地盤あるいは岩盤を掘削しながら回転している。ローラーカッターディスク２１はカッターヘッド１０の掘削面側の外径側にも内径側にも複数分布して設けられているので、ローラーカッターディスク２１の回転速度は、外径側の方が内径側よりも速い速度で回転する。
【0032】
このローラーカッターディスク２１は、地盤の切削に伴い経時的に摩耗や損傷を受けるため、ある程度ローラーカッターディスク２１が損耗した場合は、これを交換する必要がある。ローラーカッターディスク２１は、特に限定されるものではないが例えば６０ｋｇ程度の重量がある。また、ローラーカッターディスク２１はカッターヘッド１０の掘削面側に設けられているため、ローラーカッターディスク２１の交換のためには、カッターヘッド１０に設けられた作業孔（図示省略）から掘削面側へ回り込んでの作業が必要となる。なお、掘削時には作業孔を利用してカッターヘッド１０の掘削面側で削られた土砂を外部へ取り出すこともできる。
【0033】
このため、ローラーカッターディスク２１の交換には煩雑で大掛かりな工事を伴い、その間は掘削工事が中断される。本参考形態では、ローラーカッターディスク２１の摩耗を地上から常時把握することにより、工期やコストとの関係も考慮し、適切な時期にローラーカッターディスク２１の交換を行うことにより、ローラーカッターディスク２１が許容範囲を超えて損耗されることによって、掘進速度や掘削効率が著しく低下すること、カッターヘッド１０の面板等の異常摩耗すること等を防止し、工事の遅延やコストの上昇を防ぐことができる。
【0034】
図２Ａは、ローラーカッター２０の平面図であり、図２Ｂは、図２Ａのローラーカッター２０の側面図であり、図２Ｃは、図２Ａのローラーカッター２０の正面図であり、図２Ｄは、ローラーカッターディスク２１の斜視図である。
【0035】
ローラーカッター２０は、カッター支持枠２２にローラーカッターディスク２１が回転可能に取り付けられて構成されている。ローラーカッターディスク２１は、カッターヘッド１０の掘削面側にローラーカッターディスク２１の刃先が突出するよう複数配置される。カッター支持枠２２のローラーカッターディスク２１の回転軸と平行な側面には、摩耗検出センサのセンサ本体部３０が設けられている。特に限定されるものではないが、摩耗検出センサのセンサ本体部３０は、例えば摩耗度合いをモニターしたい代表的なローラーカッターディスク２１に対して複数箇所取り付けられる。センサ本体部３０は、カッター支持枠２２の側面に穴を開け、センサ本体部３０の検出面３１がローラーカッターディスク２１の刃先に対向するようにカッター支持枠２２の外側から固定される。センサ本体部３０は、ローラーカッターディスク２１の回転軸に平行な検出面３１を有しており、この検出面３１は、ローラーカッターディスク２１の外周の刃先に近接して配置され、ローラーカッターディスク２１の摩耗を検出する。
【0036】
ローラーカッターディスク２１外周の刃先とセンサ本体部３０の検出面３１との距離は、特に限定されるものではないが、例えば１ｍｍ～５０ｍｍ程度で適宜設定できる。例えばローラーカッターディスク２１の摩耗が２０ｍｍ程度になった時が交換の目安であることを考慮して、ローラーカッターディスク２１外周の刃先とセンサ本体部３０の検出面３１との距離は使用前のローラーカッターディスク２１の刃先との距離は例えば１ｍｍ～３０ｍｍ程度の間で設定することができる。このため、摩耗検出センサとしての検出距離の範囲は、例えば０～５０ｍｍに設定される。
【0037】
ローラーカッターディスク２１は、回転支持部２７を介して、カッター支持枠２２に回転可能に支持されている。また、ローラーカッターディスク２１は円盤状のシャンク２６を有し、円盤状のシャンク２６には、ローラーカッターディスク２１の外周の刃先部分にチップ２５が埋め込まれている。なお、チップ２５は必ずしも必須の構成ではなく、本参考形態では、チップ２５を有していないローラーカッターディスク２１を使用することもできる。
【0038】
図２Ｄのようにチップ２５を備えているローラーカッターディスク２１の場合には、地盤を掘削する主体は超硬材質のチップ２５であるが、それを支えるシャンク２６は通常、鉄でできている。チップ２５は超硬質であるため、ローラーカッターディスク２１外周の刃先の他の部分よりも、摩耗しにくい。このため、チップ２５を備えているローラーカッターディスク２１が摩耗していくと、チップ２５は摩耗が少なくそのまま残り凸状となり、他の刃先部分（シャンク２６の部分）が摩耗して凹状となるため、チップ２５の間隔毎に凹凸形状となる。掘削工程が進むと、例えるならばシャンク２６が歯槽膿漏のように摩耗して、チップ２５の保持力が弱まり、そのまま摩耗が進んでいくと、凹凸がさらに大きくなり、さらには、チップ２５が抜け落ちるに至る場合がある。この場合、例えば、チップ２５の先端部では後述の摩耗値ｗが小さく、シャンク２６では摩耗値ｗが大きくなるので、摩耗値ｗの最大値と最小値から振幅の幅を計算して、この値が設定した部分破壊しきい値を上回った場合にシャンク２６が異常摩耗を来したと判断できる。
【0039】
図３Ａは、摩耗検出センサの外観斜視図であり、図３Ｂは、摩耗検出センサの断面図であり、図３Ｃは、摩耗検出センサの強磁性体コア３７の斜視図である。摩耗検出センサとしてのセンサ本体部３０は、有底円筒状の金属ケース３３と、金属ケース３３の開口面側、すなわち検出面３１側を覆う円盤状の非磁性金属３２と、からなる筐体に収容されている。非磁性金属３２の外側面が検出面３１となる。金属ケース３３の底面側は例えば方形のフランジ部となっている。フランジ部には例えば角部に取付穴が設けられており、このフランジ部はセンサ本体部３０を、その検出面３１がローラーカッターディスク２１外周の刃先に近接して配置されるように、カッター支持枠２２に取り付けるために利用される。
【0040】
金属ケース３３の材質は特に限定するものではないが、磁気シールドの観点からは、磁性金属、例えば鉄、鋼材とすることが望ましい。また、非磁性金属３２の材質としては、特に限定されるものではないが、例えばＳＵＳ３０４等の非磁性ステンレス鋼、さらに硬度の高いオーステナイト系非磁性鋼等を用いることができる。オーステナイト系非磁性鋼としては、特に限定されるものではないが、非磁性体の鋼材であって、焼き入れにより硬度が高く、耐摩耗に優れているオーステナイト系非磁性特殊鋼、例えばＨＰＭ７５等を採用することができる。金属ケース３３の材質を非磁性金属３２の材質と同一とすることもできる。
【0041】
金属ケース３３と非磁性金属３２とにより構成された筐体の中には、強磁性体コア３７、強磁性体コア３７に巻回されたコイル３８、センサ基板３６が設けられている。金属ケース３３は防水構造であり、インターフェイス回路５４の信号線２本と電源線２本は４芯のキャブタイヤコードにまとめられ防水ケーブルグランドを通して金属ケース３３から引き出される。また金属ケース３３の材質を非磁性金属３２と同じにすれば一体の切削加工が可能になり構造が簡単で防水構造が容易になる。
【0042】
強磁性体コア３７は、円柱状の中央部３７ａ、中央部３７ａに対して同心かつ円環状の外周部３７ｂ、及び、円柱状の中央部３７ａと外周部３７ｂとを底面側で接続する円盤状の底部３７ｃから構成されている。強磁性体コア３７の材質は、強磁性体であれば特に限定されるものではないが、例えばフェライトとすることができる。強磁性体コア３７の製造方法は特に限定されるものではなく、鋳造でも、鍛造でも、積層鋼板による製造でもよい。また、強磁性体コア３７の寸法は特に限定されるものではないが、例えば外径６０ｍｍ、高さ２０ｍｍ程度とすることができる。摩耗検出センサの検出距離を長くするためには、強磁性体コア３７のサイズは大きい方が望ましいが、一方で、配置スペースの観点からは強磁性体コア３７のサイズを小さく抑えることが求められる。
【0043】
強磁性体コア３７の中央部３７ａと外周部３７ｂと底部３７ｃとの囲まれた円筒上の空間には、コイル３８が、中央部３７ａを中心として集中巻されることにより、コイル３８は、強磁性体コア３７と一体となっている。
【0044】
強磁性体コア３７は、底部３７ｃとは反対側の開放面には、図３Ｂに示された磁束Ｂによる磁路が形成される。磁束Ｂは、中央部３７ａと、ローラーカッターディスク２１外周の刃先の先端と、ローラーカッターディスク２１外周の刃先の側面と、外周部３７ｂと、底部３７ｃとを結ぶ磁路に沿って、コイル３８への通電によって発生される。磁束Ｂは、コイル３８が巻回された強磁性体コア３７の構造により、検出面３１の前方に磁束Ｂが集中する。検出面３１から出た磁束Ｂは空中の磁路を通りローラーカッターディスク２１の刃先を貫いた後、再度空中の磁路を通って検出面３１に戻る。
【0045】
これにより、強磁性体コア３７はコイル３８から発生する磁束Ｂが検出面３１前面に集中するように自身の磁路が形成されている。検出面３１から前方に形成される空間の磁路は非磁性金属３２のカバーを貫き検出対象であるローラーカッターディスク２１の刃先を通って再び検出面３１に一巡して閉じた磁路が形成される。このとき、検出面３１が非磁性金属３２で覆われているが、非磁性金属３２は空気に準じて磁気抵抗が大きいので磁路を乱さない。また、強磁性体コア３７が磁性体からなる金属ケース３３に収容されている場合には、磁束Ｂが検出面３１以外の周囲に作用することがない。また、本参考形態の摩耗検出センサは、検出面３１で磁路が開放されている強磁性体コア３７と一体となったコイル３８を有しているため周囲の金属の影響を受けずにローラーカッターディスク２１の刃先を効率よく検出できる。このため、ローラーカッターディスク２１の回転状態や交換時期を的確に判断できる。
【0046】
ローラーカッターディスク２１の刃先が摩耗すると磁路の磁気抵抗が変化し、磁束Ｂが減少する。本参考形態の摩耗検出センサは、この磁気抵抗の変化に対応してコイル３８のインダクタンスが変化するという物理現象の効果を用いるため、渦電流による影響が無く、コイル３８の検出面側を非磁性金属で覆うことができ、切削ズリによる摩耗と衝撃から保護されて耐久性が高いと言う特徴を持つ。また、コイル３８から発生する磁界は微弱であり、かつ磁石を用いていないので、検出面３１に砂鉄や鉄粉が吸着または堆積することが無く、検出精度が高く経時的な特性変化が無い。したがって本参考形態の摩耗検出センサによれば、磁石を使用せず、かつ、耐久性がある構造にでき、経時的な精度低下を来さないと共に、ローラーカッターディスク２１の回転状態や交換時期を的確に判断できる。また、摩耗検出センサにローラーカッターディスク２１に特別な細工を施すこと無くローラーカッターディスク２１の回転を検出できる機能を備えることもできる。
【0047】
また、本参考形態の摩耗検出センサは、検出面３１で磁路が開放されている強磁性体コア３７と一体となったコイル３８と、コイル３８のインダクタンス変化を発振周波数変化に変換する発振回路５０と、発振回路５０の発振周期を計数して計測値を求める計数回路５３と、を少なくとも有するセンサ本体部３０は、金属ケース３３内に一体で収められコイル３８の検出面側は非磁性金属で覆っているため、切削ズリによる摩耗と衝撃から保護されて耐久性が高い。
【0048】
このように、本参考形態の摩耗検出センサによれば、ローラーカッターディスク２１の摩耗状況を正確に把握してローラーカッターディスク２１の交換時期を的確に判断することができる。またローラーカッターディスク２１の摩耗状況とローラーカッターディスク２１の回転状況を一つのセンサで検出できるようになり、従来別途必要であった回転検出センサが不要となったことから、センサ設置に係る配線、保護養生、取り付け費用、取り付け部の加工費用などの工数、費用、管理が半減する。更にローラーカッターディスク２１の回転を検出するためにローラーカッターディスク２１に特別な細工をする必要が無いため、特別なローラーカッターディスク２１を用意する必要がなくなり、在庫や予備品の管理が軽減して、使い回しのローテーションも可能なことから全体的に大幅なコスト削減ができるという効果がある。
【0049】
図４は、コントローラ部４０の斜視図である。コントローラ部４０は、センサ本体部３０から信号ケーブル３５により伝送された信号を受信し、信号処理する。コントローラ部４０の外側には、ＬＣＤ表示器４１、キースイッチ４２、ＵＳＢインターフェイス４３、及び、端子４４が設けられている。
【0050】
ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）表示器４１は、信号値等の検出情報、設定メニュー等の設定値情報、及び報知情報等の各種情報の表示を行い、キースイッチ４２により数値入力や設定メニューの操作等の表示を行う。
【0051】
キースイッチ４２は複数設けられており、摩耗検出センサの各種設定、例えば測定モードの設定、測定パラメータの設定、検出情報の表示、検出情報の出力等の設定に使用される。
【0052】
ＵＳＢインターフェイス４３は、上位コンピュータと通信して、コントローラ部４０から上位コンピュータへのデータの読み出しや、上位コンピュータによるコントローラ部４０の機能の設定等を行う。また、ＵＳＢメモリへのデータ保存等にも使用することができる。
【0053】
端子４４は、複数設けられており、例えば、センサ本体部３０からの信号ケーブル３５用、ＤＡＣ（Digital-to-Analog Converter）出力用、デジタル出力用、制御入力用、電源用等のコントローラ部４０の入出力用にそれぞれ使用される。特に限定されるものではないが、図４の例では、端子４４は１４個設けられている。
【0054】
センサ本体部３０から引き出された信号ケーブル３５は、カッターヘッド１０の回転軸部分に装備された図示しないスリップリングに接続され、掘進機本体の固定側スリップリングに中継される。固定側スリップリングから取り出したセンサ本体部３０の信号は、掘進機後方の掘進機制御装置内や操作室内に配置されたコントローラ部４０の、センサ本体部３０からの信号ケーブル３５用の端子４４に接続される。そして、コントローラ部４０は後述の信号処理１から信号処理４の信号処理演算を行い、その処理結果を端子４４から出力する。コントローラ部４０は、センサ本体部３０と信号ケーブル３５により接続されているため、センサ本体部３０と離れた場所で信号処理を行うことができる。
【0055】
図５は、センサ本体部３０の回路ブロック図である。センサ本体部３０には、センサ基板３６上に、マイクロコンピュータ５５及びインターフェイス回路５４が設けられている。マイクロコンピュータ５５は、ＬＣ発振回路５０及び計数回路５３を含んでいる。すなわち、ＬＣ発振回路５０及び計数回路５３は、マイクロコンピュータ５５の機能によって構成されている。例えば、ＬＣ発振回路５０は、後述のとおりマイクロコンピュータ５５のアナログ構成によって実現することができる。なお、ＬＣ発振回路５０がマイクロコンピュータ５５だけから実現できない場合には、その一部又は全部をマイクロコンピュータ５５とは別の回路としてセンサ基板３６上に設けることも可能である。また、強磁性体コア３７に巻回されたコイル３８と、コンデンサ５２とからなる並列回路が、ＬＣ発振回路５０に電気的に接続されている。なお、本参考形態では発振回路として、ＬＣ発振回路５０を例示しているが、コイル３８のインダクタンスの変化を検出できる限りにおいて、発振回路の種類はＬＣ発振回路５０に限定されるものではない。
【0056】
本参考形態ではコイル３８のインダクタンスの変化を検出するために、キャパシタンスＣが既知のコンデンサ５２と、測定対象のコイル３８とを含むＬＣ発振回路５０の発振周波数ｆから、測定対象のインダクタンスＬを演算している。このようなＬＣ発振回路５０としては特に限定されるものではないが例えばフランクリンＬＣ発振回路を用いることができる。フランクリンＬＣ発振回路は測定範囲のインダクタンスで、５００Ｈｚ以下の周波数でも安定して発信し、マイクロコンピュータのアナログ構成によって実施することができる。例えば計数回路５３を構成しているマイクロコンピュータによって、ＬＣ発振回路５０を実現することができる。
【0057】
ＬＣ発振回路５０を用いると、コイル３８のインダクタンス変化を直接的に周波数に変換することができる。周波数はデジタル化することが簡単なため、他の検出方式、例えば、コイル３８に流れる電流の大きさや位相などのアナログ値をＡＤ変換して処理する方式と比較すると回路構成が簡単でコストも掛からない。
【0058】
ＬＣ発振回路５０の発振周波数ｆはコイル３８のインダクタンスＬとコンデンサ５２のキャパシタンスＣとで次式により決まる。
【0059】
（１）式からインダクタンスＬの値に注目するとインダクタンスが大きくなると発振周波数ｆが低くなり、逆にインダクタンスが小さくなると発振周波数ｆが高くなる。ＬＣ発振回路５０からのコイル３８に交流電圧が印加されると、コイル３８に交流電流が流れ、コイル３８の検出面３１から交流磁束が発生する。
【0060】
ＬＣ発振回路５０の発振周波数ｆは計数回路５３において計数され、計数回路５３では、発振周波数ｆの逆数である発振周期Ｔが演算される。コントローラ部４０における信号処理の過程においては、周波数の逆数が使用されるため、計数回路５３にて予め発振周期Ｔが演算されていると都合がよい。計数回路５３において、ＬＣ発振回路５０の発振周期Ｔは、ゲート信号として水晶発振器等の基準クロックをカウントすることで演算することができる。
【0061】
インターフェイス回路５４は計数回路５３から得た計数値をシリアル信号に変換して、ノイズ耐性を強化した上で、コントローラ部４０に伝送する。摩耗検出センサは回転するカッターヘッド１０上に配置されるため、信号ケーブル３５からの配線は、スリップリングを経由して、他の制御信号及び／又は電力線と共に坑道内の後方に送られる。このため、信号ケーブル３５の長さは数十メートルから数百メートルになる場合がある。この間の信号ケーブル３５における信号劣化を防ぐため、ノイズ耐性を強化した伝送方式として、特に限定されるものではないが、例えばＲＳ－４８５規格を採用することができる。ＲＳ－４８５規格は、ノイズ耐性の強化を低コストで実現するには好適である。このように、センサ本体部３０から出力される信号はノイズ耐性の強化されたデジタルデータであり、インターフェイス回路５４によってノイズ耐性を強化しているため、スリップリングや長距離の伝送路を経由しても信号が劣化しない特徴を持つ。
【0062】
図６は、コントローラ部４０の回路ブロック図である。コントローラ部４０は、前述のＬＣＤ表示器４１、前述のキースイッチ４２、前述のＵＳＢインターフェイス４３、インターフェイス回路６１、マイクロコンピュータ６２、ＤＡＣ出力回路６４、スイッチ出力回路６３、及び端子４４等を含んでいる。
【0063】
インターフェイス回路６１は、センサ本体部３０のインターフェイス回路５４との間で、例えばＲＳ－４８５規格の通信を行い、例えばインターフェイス回路５４の計数値のシリアル信号を、信号ケーブル３５及び端子４４を介して受信する。マイクロコンピュータ６２は、プログラムで信号処理をすると共に、コントローラ部４０の各部を制御する。計数値としての発振周期Ｔを用いて、後述の信号処理１～信号処理４等の信号処理演算を行う。
【0064】
ＤＡＣ出力回路６４は、マイクロコンピュータ６２で信号処理されたデジタル信号をアナログ信号に変換して１つの端子４４から出力する。オシロスコープで信号波形を観測したり、データーロガー等を接続して長時間の信号変化を記録したりする。スイッチ出力回路６３は、キースイッチ４２で設定された各種出力信号、例えば信号処理の判定結果等を複数の各端子４４から出力する。
【0065】
ＬＣ発振回路５０、計数回路５３、及びインターフェイス回路５４は、ほとんどをマイクロコンピュータ５５に内蔵された機能回路上に展開できるため、プログラムにて変更、修正可能な状態でマイクロコンピュータ５５を中心した小型なセンサ基板３６に実装している。強磁性体コア３７と一体となったコイル３８と、小型なセンサ基板３６は金属ケース３３に一体で収められ、強磁性体コア３７と一体となったコイル３８の検出面側は非磁性金属３２で覆われる。金属ケース３３の材質は特に限定するものではないが、磁気シールドの観点からは、磁性金属、例えば鉄、鋼材とすることが望ましい。
【0066】
本参考形態の摩耗検出センサによれば、コントローラ部４０が摩耗値を演算するだけでなく、ローラーカッターディスク２１の回転状態とローラーカッターディスク２１の異常摩耗を検出できる信号処理機能を有する。ローラーカッターディスク２１の刃先は強磁性体であるため磁気抵抗が小さい。ローラーカッターディスク２１の刃先の摩耗が少なく検出面３１との距離が近い場合はより多くの磁束Ｂが磁気抵抗の小さい刃先を通るため空間磁路における磁気抵抗の合計が小さくなる。一巡する磁路の磁気抵抗が小さくなると、コイル３８のインダクタンスが大きくなり、ＬＣ発振回路５０の発振周波数ｆが減少する。逆に刃先の摩耗が多いと検出面３１との距離が遠くなり、磁気抵抗が大きくなって、コイル３８のインダクタンスが小さくなり、ＬＣ発振回路５０の発振周波数ｆが増加する。計数回路５３は、ＬＣ発振回路５０の発振周期Ｔを計測して計数値を得る。このようにして本参考形態の摩耗検出センサによれば、ローラーカッターディスク２１の刃先の摩耗度合いを発振周波数ｆの変化として捉えことができるので、ローラーカッターディスク２１の回転状態や交換時期を的確に判断できる。
【0067】
図７は、強磁性体コア３７と被検出対象７０との間が空間である場合の想定図であり、図８は、強磁性体コア３７と被検出対象７０との間に非磁性金属７５が存在する場合の想定図である。ローラーカッターディスク２１の刃先の材質は鉄を基本成分とする強磁性体であり、コイル３８から発生する交流磁束Ｂが作用すると主に次の（ａ）及び（ｂ）の二つの物理現象の効果が現れる。
【0068】
（ａ）第１の物理現象は渦電流の効果である。金属（導電体）に時間的に変化する磁束Ｂが貫くと金属の表面に渦電流が流れる。渦電流の大きさは磁束Ｂの変化が早いほど大きくなり、渦電流の流れる向きは磁束Ｂの変化を妨げる方向に作用する。また電気抵抗率が小さいほど渦電流が流れやすい。このため、渦電流が発生すると磁束Ｂが通りにくくなり、コイル３８のインダクタンスを減少させ、ＬＣ発振回路５０の発振周波数ｆは（１）式に従い増加する。渦電流の効果は発振周波数ｆを高くするほど大きくなる。
【0069】
（ｂ）第２の物理現象は磁気抵抗の効果である。磁気抵抗は電気抵抗に対比する概念であり、磁束Ｂの通り道（磁路）における磁束Ｂの通りにくさを表す。磁気抵抗は空気中（厳密には、真空中）が最も大きく、強磁性体の中では小さい。また、非磁性金属は空気中に準じて磁気抵抗が大きい。磁路の途中に強磁性体があると磁束Ｂが通りやすくなり、コイル３８のインダクタンスを増加させ、ＬＣ発振回路５０の発振周波数ｆは（１）式に従い減少する。磁気抵抗の効果は静磁界（直流）からある程度の発振周波数ｆ（数十ｋＨｚ以下）まで大きく変化しない。
【0070】
（ａ）の物理現象は、対象が非磁性体または強磁性体のどちらでも効果が現れる。一方、（ｂ）の現物理象は対象が強磁性体の場合のみに適用できる。対象が強磁性体の場合は（ａ）の物理現象及び（ｂ）の物理現象が同時に作用するので、対象の材質や発振周波数ｆの条件によりどちらかの現象が優勢になったり二つの現象が拮抗したりする。
【0071】
コイル３８の検出面３１は切削ズリによる摩耗と衝撃から保護するため、強靱な材質でカバーする必要があり、金属材料を用いるのが好ましい。コイル３８の検出面３１を金属で覆うと前記（ａ）の物理現象である渦電流が流れ、被検出対象７０であるローラーカッターディスク２１の刃先より先にカバー自身に反応してしまうと言う不都合がある。従ってコイル３８の検出面側を金属製のカバーで覆った場合、渦電流の効果を用いてローラーカッターディスク２１の刃先を検出することは不可能である。一方ローラーカッターディスク２１の刃先は強磁性体であるため前記（ｂ）の物理現象である磁気抵抗の効果を用いて検出することに可能性がある。
【0072】
これを可能ならしめるため次のように条件を整える。
条件１：コイル３８の検出面側を覆うカバーの材質は非磁性金属である。
条件２：発振回路の発振周波数ｆは十分低くする。
条件１：コイル３８の検出面側を覆うカバーの材質は非磁性金属である。
条件２：発振回路の発振周波数ｆは十分低くする。
【0073】
上記条件１は、コイル３８の検出面側から磁束Ｂを通過させるため必要である。非磁性金属は空気中に準じて磁気抵抗が大きいためコイル３８から発生する磁束Ｂを乱さない。
【0074】
上記条件２は、渦電流の効果を最小限にするために必要である。コイル３８から発生する磁束Ｂは非磁性金属のカバーを貫くため渦電流が発生する。渦電流が発生すると非磁性金属７５のカバーを貫く磁束Ｂが妨げられる。渦電流は発振周波数ｆが低いほど小さくなるため極力低い発振周波数ｆで発振させる必要がある。
【0075】
【0076】
図９は、強磁性体コア３７と被検出対象７０との間が空間であり、発振周波数ｆが約１０ｋＨｚの場合の特性図である。図９の実線のグラフは、被検出対象７０が非磁性ステンレス（以下「ＳＵＳ」ということがある。実験では具体的にはＳＵＳ３０４を使用した。）の場合であり、破線のグラフは、被検出対象７０が鉄の場合である。被検出対象７０が鉄の場合には、距離ｄが小さくなるほど、周期Ｔが上昇し、発振回路のインダクタンスＬが上昇していることが分かる。一方、被検出対象７０がＳＵＳの場合には、距離ｄが小さくなるほど周期Ｔが減少している。これは、コイル３８から発生する磁束Ｂが被検出対象７０であるＳＵＳを貫くため、渦電流が発生しており、これに伴い、ＳＵＳを貫く磁束Ｂが妨げられてインダクタンスが低下しているためである。すなわち、発振周波数ｆが約１０ｋＨｚの場合には、ＳＵＳによる渦電流の影響を大きく受けることが分かる。
【0077】
図１０は、強磁性体コア３７と被検出対象７０との間が空間であり、発振周波数ｆが約３００Ｈｚの場合の特性図である。図１０の実線のグラフは、被検出対象７０がＳＵＳの場合であり、破線のグラフは、被検出対象７０が鉄の場合である。被検出対象７０が鉄の場合には、距離ｄが小さくなるほど、周期Ｔが上昇し、発振回路のインダクタンスＬが上昇していることが分かる。一方、被検出対象７０がＳＵＳの場合には、距離ｄに関わらず、周期Ｔが略一定であり、ＳＵＳによる渦電流の影響をほぼ受けていない。すなわち、発振周波数ｆが約３００Ｈｚの場合には、ＳＵＳによる渦電流の影響をほぼ受けないことが分かる。
【0078】
図１１は、強磁性体コア３７と被検出対象７０との間に非磁性金属７５が存在し、発振周波数ｆが約３００Ｈｚの場合の特性図である。図１１の実線のグラフは、強磁性体コア３７と被検出対象７０である鉄との間にＳＵＳが存在する状態で、鉄を移動させた場合である。ここでＳＵＳの厚みｔは、１０ｍｍとした。坑道掘削工事の工期は例えば１年等の長期間に及ぶので、非磁性金属７５には工期の間の使用に耐えるだけの強度が求められる。一方で、非磁性金属７５が薄い方が強磁性体コア３７から検出面３１までの距離も短くなり、検出には有利である。この両面を考慮して、ＳＵＳの厚みｔは１０ｍｍに設定した。
【0079】
図１１の破線のグラフは、強磁性体コア３７と被検出対象７０である鉄との間が空間である場合である。各距離ｄにおいて、直線のグラフは、破線のグラフを僅かに下回っており、周期Ｔの大きさの差は、距離ｄが小さくなるにしたがって徐々に広がっている。両グラフの差が僅かであることから、発振周波数ｆが約３００Ｈｚの場合には、ＳＵＳによる渦電流の影響が小さいことが分かる。
【0080】
そこで、発振周波数ｆが約３００Ｈｚの場合のＳＵＳによる渦電流の影響を検討するために、図１２では、図１１の縦軸を対数目盛にした。図１２の実線のグラフは、強磁性体コア３７と被検出対象７０である鉄との間にＳＵＳが存在する状態で、鉄を移動させた場合である。図１２の破線のグラフは、強磁性体コア３７と被検出対象７０である鉄との間が空間である場合である。図１２は、図１１の対数グラフによる特性図であり、縦軸の値は、距離ｄが４０ｍｍ付近の値との差分で表し、実線のグラフ（ＳＵＳのグラフ）を基準として、対数を取ったものである。図１３の実線のグラフは、距離ｄに対して周期（差分）Ｔｄが直線的に変化している。また、実線のグラフの傾きと、破線のグラフの傾きは、ほぼ同じとなる。以上のことから、発振周波数ｆが約３００Ｈｚの場合には、強磁性体コア３７の検出面３１側にＳＵＳ等の非磁性金属３２を挟み込んだ場合でも、被検出対象７０を十分な感度で検出できることを確認できた。
【0081】
上述の条件２の発振回路の発振周波数ｆは十分低くするという条件の境界条件を求めるために、発振周波数ｆを変化させた場合の非磁性金属３２による渦電流の影響を検討した。図１３は、被検出対象７０を非磁性金属とした場合の周波数変化の影響を示した特性図であり、被検出対象７０をＳＵＳとし、距離ｄが３０ｍｍ地点を基準としたときの周波数帯別の変動周波数Δｆ［Ｈｚ］を示したグラフである。変動周波数Δｆが大きくなると、ＳＵＳの渦電流の影響によりインダクタンスが減少していることを示すので、変動周波数Δｆが増大しない特性が望ましい。この条件として、上述の条件２の周波数条件は、変動周波数Δｆが１Ｈｚ以下となる発振周波数５００Ｈｚ以下（０．２％以下）が好適である。また、非磁性金属は電気抵抗率が大きいほど渦電流を抑制できる。
【0082】
上述の条件２の周波数条件は、発振周波数５００Ｈｚ以下が好適であり、原理的には下限は限りなく０まで近づけることができるが、実際上は発振周波数ｆが低すぎると、発振回路の発振が不安定となるおそれがある。また、発振周波数ｆが低すぎた場合、インダクタンスＬを検出するための時間が長くなってしまう。このため、本参考形態では、特に限定されるものではないが、実際上、発振周波数ｆの下限を１Ｈｚと設定した。
【0083】
このような非磁性金属３２として、例えばＳＵＳ３０４等の非磁性ステンレスは、鉄より８倍ほど電気抵抗率が大きく、強度、加工性、入手性、コストなどのメリットと合わせて好適である。本参考形態の摩耗検出センサによれば、発振回路の発振周波数ｆを十分低く、具体的には５００Ｈｚ以下に設定しており、また、非磁性金属３２として電気抵抗率が大きいものを採用することにより、コイル３８の検出面側を覆う非磁性金属３２に発生する渦電流の効果を最小限にして磁路を妨げないようにすることができる。また、非磁性金属３２としては、さらに硬度の高いオーステナイト系非磁性鋼、例えばＨＰＭ７５等を用いることにより、上述の条件１及び条件２を満たした上で、さらに強度を高めることが可能である。このため、本参考形態の摩耗検出センサによれば、非磁性金属３２の材料としてオーステナイト系非磁性鋼を使用することにより、検出面３１の硬度を高めることができ、しかも、非磁性鋼であるため、コイル３８の検出面側から前方に形成される空間の磁路を乱さないため、ローラーカッターディスク２１の回転状態や交換時期を的確に判断できる。
【0084】
コントローラ部４０は、次の信号処理１～信号処理４を行う。
【0085】
［信号処理1：摩耗値演算］
図１１で示すように発振周期Ｔは被検出対象７０の距離ｄに対して指数関数的なカーブを描く。発振周期Ｔに対して対数計算を行うと計算結果が直線的になり（図１２参照）、この算出値に対して更にスケーリング係数のかけ算とオフセット値の加算を行うと実際の摩耗値(ローラーカッターディスク２１の刃先との距離)と対応させることができる。数式で示すと次の式（２）のような演算を行う。摩耗値(ｗ)、発振周期(Ｔmes)、発振周期オフセット(Ｔofs)、スケーリング係数(Ｗsca)、オフセット値(Ｗofs)とすると。
図１１で示すように発振周期Ｔは被検出対象７０の距離ｄに対して指数関数的なカーブを描く。発振周期Ｔに対して対数計算を行うと計算結果が直線的になり（図１２参照）、この算出値に対して更にスケーリング係数のかけ算とオフセット値の加算を行うと実際の摩耗値(ローラーカッターディスク２１の刃先との距離)と対応させることができる。数式で示すと次の式（２）のような演算を行う。摩耗値(ｗ)、発振周期(Ｔmes)、発振周期オフセット(Ｔofs)、スケーリング係数(Ｗsca)、オフセット値(Ｗofs)とすると。
【0086】
対数演算の分解能を上げるため発振周期オフセット(Ｔofs)を導入した。計測した発振周期(Ｔmes)と発振周期オフセット(Ｔofs)との差分に対して対数演算を行う。発振周期オフセット(Ｔofs)は、被検出対象７０が想定する最大距離まで遠ざかった位置または被検出対象７０が存在しないときの発振周期を設定する。対数の底は１０(常用対数)あるいはｅ(自然対数)等の任意であるが、プログラムによる数値演算を考慮すると対数の底は２が好適である。スケーリング係数(Ｗsca)とオフセット値(Ｗofs)はローラーカッターディスク２１の刃先の材質や形状に合わせて設定する。オフセット値(Ｗofs)は、図１２のように右肩下がりのグラフを、右肩上がりのグラフに変換するためのオフセット値である。本参考形態の摩耗検出センサによれば、コントローラ部４０は、計測値を対数演算して、ローラーカッターディスク２１外周の刃先と検出面３１との距離に対して直線的に対応する摩耗値ｗを得ることができるため、例えば摩耗値ｗをしきい値と比較しやすいので、ローラーカッターディスク２１の回転状態や交換時期を的確に判断できる。
【0087】
［信号処理２：摩耗検出］
摩耗値ｗはローラーカッターディスク２１の回転と共に変動するため平均処理をする。平均化した摩耗値ｗが設定した摩耗しきい値を超えた場合は、スイッチ出力回路６３の特定の出力をＯＮにして、端子４４から外部に報知する。したがって、本参考形態の摩耗検出センサによれば、摩耗値ｗの平均値を摩耗しきい値と比較することにより、ローラーカッターディスク２１が摩耗していることを報知する摩耗報知信号を出力することができる。
摩耗値ｗはローラーカッターディスク２１の回転と共に変動するため平均処理をする。平均化した摩耗値ｗが設定した摩耗しきい値を超えた場合は、スイッチ出力回路６３の特定の出力をＯＮにして、端子４４から外部に報知する。したがって、本参考形態の摩耗検出センサによれば、摩耗値ｗの平均値を摩耗しきい値と比較することにより、ローラーカッターディスク２１が摩耗していることを報知する摩耗報知信号を出力することができる。
【0088】
［信号処理３：ローラーカッターディスク２１の固着検出］
回転するカッターヘッド１０に取り付けられたローラーカッターディスク２１は地盤の掘削に伴い自身も回転する。切削ズリの挟み込みや回転軸の破損などによって、ローラーカッターディスク２１が固着するとローラーカッターディスク２１が著しく損耗して機能を果たせなくなる。この状態は早期に発見してローラーカッターディスク２１を速やかに交換することが重要である。ローラーカッターディスク２１の磁気的性質は均一では無く、また回転軸のブレなどがあるため正常に稼働中はローラーカッターディスク２１の回転に伴い摩耗値ｗが一定周期かつ一定振幅で変動する。
回転するカッターヘッド１０に取り付けられたローラーカッターディスク２１は地盤の掘削に伴い自身も回転する。切削ズリの挟み込みや回転軸の破損などによって、ローラーカッターディスク２１が固着するとローラーカッターディスク２１が著しく損耗して機能を果たせなくなる。この状態は早期に発見してローラーカッターディスク２１を速やかに交換することが重要である。ローラーカッターディスク２１の磁気的性質は均一では無く、また回転軸のブレなどがあるため正常に稼働中はローラーカッターディスク２１の回転に伴い摩耗値ｗが一定周期かつ一定振幅で変動する。
【0089】
もしもローラーカッターディスク２１が固着した場合は、摩耗値ｗの振幅の変動幅が著しく小さくなる。そこで、摩耗値ｗの最大値と最小値から振幅の幅を計算して、この値が設定したカッター固着しきい値を下回った場合に、ローラーカッターディスク２１が固着したと判断し、判断結果はスイッチ出力回路６３の特定の出力をＯＮにして、端子４４から外部に報知する。したがって、本参考形態の摩耗検出センサによれば、摩耗値ｗを用いて摩耗値ｗの最大値と最小値の差を求め、摩耗値ｗの最大値と最小値の差と、カッター固着しきい値とを比較することにより、ローラーカッターディスク２１が固着したことを報知するカッター固着報知信号を出力することができる。
【0090】
［信号処理４：ローラーカッターディスク２１の異常摩耗検出］
信号処理４では、ローラーカッターディスク２１の刃先が部分的に破損した状態を検出する。ローラーカッターディスク２１は地盤の掘削に伴い回転するため欠損した部分がある場合は、摩耗値ｗが大きく変動する現象が周期的に観測できる。摩耗値ｗの最大値と最小値から振幅の幅を計算して、この値が部分破壊しきい値を上回った場合にローラーカッターディスク２１が部分的に破損したと判断し、判断結果はスイッチ出力回路６３の特定の出力をＯＮにして、端子４４から外部に報知する。
信号処理４では、ローラーカッターディスク２１の刃先が部分的に破損した状態を検出する。ローラーカッターディスク２１は地盤の掘削に伴い回転するため欠損した部分がある場合は、摩耗値ｗが大きく変動する現象が周期的に観測できる。摩耗値ｗの最大値と最小値から振幅の幅を計算して、この値が部分破壊しきい値を上回った場合にローラーカッターディスク２１が部分的に破損したと判断し、判断結果はスイッチ出力回路６３の特定の出力をＯＮにして、端子４４から外部に報知する。
【0091】
また、ローラーカッターディスク２１として図２Ｄに示したチップインサートタイプカッターを用いる場合には、上述のとおり、掘削工程が進むと、例えるならばシャンク２６が歯槽膿漏のように摩耗して、チップ２５の保持力が弱まり、そのまま摩耗が進んでいくと、凹凸がさらに大きくなり、さらには、チップ２５が抜け落ちるに至る場合がある。この場合、例えば、チップ２５の先端部では後述の摩耗値ｗが小さく、シャンク２６では摩耗値ｗが大きくなるので、摩耗値ｗの最大値と最小値から振幅の幅を計算して、この値が設定した部分破壊しきい値を上回った場合にシャンク２６が異常摩耗を来したと判断できる。したがって、本参考形態の摩耗検出センサによれば、摩耗値ｗを用いて摩耗値ｗの最大値と最小値の差を求め、摩耗値ｗの最大値と最小値の差と、部分破壊しきい値とを比較することにより、ローラーカッターディスク２１が部分的に破損した等のローラーカッターディスク２１が異常摩耗したことを報知するカッター部分破壊報知信号を出力することができる。
【0092】
［第２参考形態］
本発明をよりよく理解する第２参考形態に係る摩耗検出センサ及び摩耗検出センサを備えたローラーカッター２０について説明する。第１参考形態では、発振回路として、例えばフランクリンＬＣ発振回路等のＬＣ発振回路５０を用いることを説明したが、本参考形態では、別の発振回路を用いる例を説明する。
本発明をよりよく理解する第２参考形態に係る摩耗検出センサ及び摩耗検出センサを備えたローラーカッター２０について説明する。第１参考形態では、発振回路として、例えばフランクリンＬＣ発振回路等のＬＣ発振回路５０を用いることを説明したが、本参考形態では、別の発振回路を用いる例を説明する。
【0093】
本参考形態ではインダクタンスＬを用いた発振周波数ｆから、インダクタンスＬを計算するため、発振回路にインダクタンスＬが含まれていれば、いかなる発振回路であってもかまわない。図５では、ＬＣ並列発振回路を例示したが、本参考形態では、ＬＣ直列発振回路等の発振回路からインダクタンスＬを求めることができる。また、別の発振回路としては、抵抗Ｒを含めたＲＬＣ直列発振回路またはないしＲＬＣ並列発振回路を用いることもできる。さらには、コンデンサ５２を含まない発振回路として、例えばインダクタンスＬ発振回路等を用いて、インダクタンスＬを求めることができる。また、例えば、コイルとインバーターＩＣ等で構成した矩形波発振回路を用いて、インダクタンスＬを求めることもできる。
【0094】
［第１実施形態］
次に、図１４乃至図１７Ｂに基づいて、本発明の第１実施形態に係る摩耗検出センサ及びこの摩耗検出センサを備えたローラーカッター２０について説明する。
図１４は第１実施形態の摩耗検出センサの断面図であり、図１５は図１４の部分拡大図であり、図１６は図１４に示す静電シールド板の平面図であり、図１７Ａおよび図１７Ｂは図１４に示す静電シールド板の変形例の平面図である。
次に、図１４乃至図１７Ｂに基づいて、本発明の第１実施形態に係る摩耗検出センサ及びこの摩耗検出センサを備えたローラーカッター２０について説明する。
図１４は第１実施形態の摩耗検出センサの断面図であり、図１５は図１４の部分拡大図であり、図１６は図１４に示す静電シールド板の平面図であり、図１７Ａおよび図１７Ｂは図１４に示す静電シールド板の変形例の平面図である。
【0095】
第１実施形態に係るローラーカッター２０は、第１参考形態に示す摩耗検出センサのセンサ本体部３０（摩耗検出センサ）の構造を変化したのみであり、ローラーカッターディスク２１およびカッター支持枠２２、摩耗検出センサのコントローラ部４０は第１参考形態および第２参考形態と同様である。
【0096】
本実施形態におけるセンサ本体部１３０も、第１参考形態および第２参考形態に示す摩耗検出センサと同様に、磁気抵抗の変化に基づいて強磁性体であるローラーカッターディスク２１の刃先の摩耗を検出する。
そして、このセンサ本体部１３０は、図１４に示すように、防水構造の筐体１３１と、この筐体１３１の内部に収容される強磁性体コア１３２と、この強磁性体コア１３２に巻回されて強磁性体コア１３２と一体化したコイル１３３と、筐体１３１の内部に収容されて筐体１３１と絶縁されたセンサ基板１３４と、筐体１３１の内部に収容される強磁性金属製の磁気シールドカバー１３５と、センサ基板１３４と磁気シールドカバー１３５とを導通する金属製の支柱１３６と、強磁性体コア１３２の底面１３２ａと磁気シールドカバー１３５とを離間させるスペーサー１３７と、筐体１３１の内部で磁気シールドカバー１３５を位置決めするカバー押さえ１３８と、筐体１３１の内部に収容されて筐体１３１と強磁性体コア１３２との間に配置される静電シールド板１３９とを備えている。
また、筐体１３１の内部の隙間には、図１４に示すように、ウレタン樹脂Ｕが充填されている。
そして、このセンサ本体部１３０は、図１４に示すように、防水構造の筐体１３１と、この筐体１３１の内部に収容される強磁性体コア１３２と、この強磁性体コア１３２に巻回されて強磁性体コア１３２と一体化したコイル１３３と、筐体１３１の内部に収容されて筐体１３１と絶縁されたセンサ基板１３４と、筐体１３１の内部に収容される強磁性金属製の磁気シールドカバー１３５と、センサ基板１３４と磁気シールドカバー１３５とを導通する金属製の支柱１３６と、強磁性体コア１３２の底面１３２ａと磁気シールドカバー１３５とを離間させるスペーサー１３７と、筐体１３１の内部で磁気シールドカバー１３５を位置決めするカバー押さえ１３８と、筐体１３１の内部に収容されて筐体１３１と強磁性体コア１３２との間に配置される静電シールド板１３９とを備えている。
また、筐体１３１の内部の隙間には、図１４に示すように、ウレタン樹脂Ｕが充填されている。
【0097】
筐体１３１は、図１４に示すように、有底円筒状の非磁性金属ケース１３１ａと、この非磁性金属ケース１３１ａの開口を覆う蓋板１３１ｂとからなる。
非磁性金属ケース１３１ａは、ローラーカッターディスク２１の回転軸に略平行でローラーカッターディスク２１の刃先に近接対向して検出面となる外底面１３１ａ１を有している。
なお、本実施形態において、非磁性金属ケース１３１ａは、ローラーカッターディスク２１側が蓋板１３１ｂ側に比べて大径となっているが、蓋板１３１ｂ側がローラーカッターディスク２１側に比べて大径になっていてもよい。
非磁性金属ケース１３１ａは、ローラーカッターディスク２１の回転軸に略平行でローラーカッターディスク２１の刃先に近接対向して検出面となる外底面１３１ａ１を有している。
なお、本実施形態において、非磁性金属ケース１３１ａは、ローラーカッターディスク２１側が蓋板１３１ｂ側に比べて大径となっているが、蓋板１３１ｂ側がローラーカッターディスク２１側に比べて大径になっていてもよい。
【0098】
強磁性体コア１３２は、中央部分に貫通孔１３２ｂが設けられていることを除き、第１参考形態および第２参考形態の強磁性体コア３７と同材質および同形状である。
したがって、強磁性体コア１３２は、筐体１３１の外底面１３１ａ１と略平行な開放面１３２ｃで磁束Ｂによる磁路が開放される。
したがって、強磁性体コア１３２は、筐体１３１の外底面１３１ａ１と略平行な開放面１３２ｃで磁束Ｂによる磁路が開放される。
【0099】
コイル１３３は、図１４に示すように、両端がセンサ基板１３４に接続されて導通している。
【0100】
センサ基板１３４は、図１４に示すように、筐体１３１の非磁性金属ケース１３１ａと離間していると共に電気的に絶縁されている。
そして、このセンサ基板１３４は、第１参考形態および第２参考形態のセンサ基板３６と同様に、ローラーカッターディスク２１の刃先と筐体１３１の外底面１３１ａ１との間の距離の変化に基づく磁気抵抗の変化に対応したコイル１３３のインダクタンス変化を発振周波数変化に変換する発振回路と、この発振回路の発振周期を計数して計測値を求める計数回路と、この計数回路から得た計数値をシリアル信号に変換して伝送するインターフェイス回路とを設けている。
さらに、センサ基板１３４からは、不図示のコントローラ部（第１実施形態および第２実施形態のコントローラ部４０と同様）に接続されて導通する信号ケーブル１３４ａが延びている。
そして、このセンサ基板１３４は、第１参考形態および第２参考形態のセンサ基板３６と同様に、ローラーカッターディスク２１の刃先と筐体１３１の外底面１３１ａ１との間の距離の変化に基づく磁気抵抗の変化に対応したコイル１３３のインダクタンス変化を発振周波数変化に変換する発振回路と、この発振回路の発振周期を計数して計測値を求める計数回路と、この計数回路から得た計数値をシリアル信号に変換して伝送するインターフェイス回路とを設けている。
さらに、センサ基板１３４からは、不図示のコントローラ部（第１実施形態および第２実施形態のコントローラ部４０と同様）に接続されて導通する信号ケーブル１３４ａが延びている。
【0101】
磁気シールドカバー１３５は、有底円筒状であり、図１４に示すように、強磁性体コア１３２の底面１３２ａと側面１３２ｄとを覆っている。
この磁気シールドカバー１３５は例えばパーマロイ製であり、比透磁率が例えば１００，０００である。
したがって、本実施形態における磁気シールドカバー１３５の比透磁率は、筐体１３１の比透磁率および強磁性体コア１３２の比透磁率（例えば、３０００程度）よりも大きくなっている。
よって、本実施形態において、強磁性体コア１３２の開放面１３２ｃから発生する主磁束の総和はほぼゼロになり、磁気シールドカバー１３５の側面には主磁束に起因する渦電流はほぼ流れない一方、強磁性体コア１３２の側面から漏れ出る漏れ磁束による渦電流は磁気シールドカバー１３５の中を流れる。
すなわち、本実施形態では、強磁性体コア１３２の側面から漏れ出る漏れ磁束は磁気シールドカバー１３５の内部を流れる渦電流によって反射されて磁気シールドカバー１３５の側方から漏洩しにくくなっている。
この磁気シールドカバー１３５は例えばパーマロイ製であり、比透磁率が例えば１００，０００である。
したがって、本実施形態における磁気シールドカバー１３５の比透磁率は、筐体１３１の比透磁率および強磁性体コア１３２の比透磁率（例えば、３０００程度）よりも大きくなっている。
よって、本実施形態において、強磁性体コア１３２の開放面１３２ｃから発生する主磁束の総和はほぼゼロになり、磁気シールドカバー１３５の側面には主磁束に起因する渦電流はほぼ流れない一方、強磁性体コア１３２の側面から漏れ出る漏れ磁束による渦電流は磁気シールドカバー１３５の中を流れる。
すなわち、本実施形態では、強磁性体コア１３２の側面から漏れ出る漏れ磁束は磁気シールドカバー１３５の内部を流れる渦電流によって反射されて磁気シールドカバー１３５の側方から漏洩しにくくなっている。
【0102】
支柱１３６は、センサ基板１３４と磁気シールドカバー１３５との間に設けられた円筒状の部材である。
この支柱１３６の内面には、止めねじＳと螺合する雌ネジが形成されている。
したがって、センサ基板１３４の貫通孔および磁気シールドカバー１３５の貫通孔に止めねじＳを挿入して支柱１３６に螺合させることで、センサ基板１３４と磁気シールドカバー１３５とを一体化させることができる。
止めねじＳによりセンサ基板１３４と磁気シールドカバー１３５とを一体化させた際、支柱１３６が止めねじＳによりセンサ基板１３４の裏面１３４ｂおよび磁気シールドカバー１３５の外底面１３５ａと当接し、センサ基板１３４と磁気シールドカバー１３５とが等電位となる。
この支柱１３６の内面には、止めねじＳと螺合する雌ネジが形成されている。
したがって、センサ基板１３４の貫通孔および磁気シールドカバー１３５の貫通孔に止めねじＳを挿入して支柱１３６に螺合させることで、センサ基板１３４と磁気シールドカバー１３５とを一体化させることができる。
止めねじＳによりセンサ基板１３４と磁気シールドカバー１３５とを一体化させた際、支柱１３６が止めねじＳによりセンサ基板１３４の裏面１３４ｂおよび磁気シールドカバー１３５の外底面１３５ａと当接し、センサ基板１３４と磁気シールドカバー１３５とが等電位となる。
【0103】
静電シールド板１３９は、地盤切削時の振動による位置ずれを防ぐために筐体１３１の非磁性金属ケース１３１ａの内底面１３１ａ２に固定（例えば、接着）されて、図１４および図１５に示すように、筐体１３１の非磁性金属ケース１３１ａの内底面１３１ａ２と強磁性体コア１３２の開放面１３２ｃとの間に配置されている。
そして、この静電シールド板１３９は、図１６に示すように、樹脂製の絶縁体層１３９ａと、この絶縁体層１３９ａに積層されて強磁性体コア１３２の開放面１３２ｃと対向する非磁性金属からなる電極層１３９ｂとを有している。
このように非磁性金属からなる電極層１３９ｂが強磁性体コア１３２の開放面１３２ｃと対向していることで、静電容量を介したノイズが抑制される。
そして、この静電シールド板１３９は、図１６に示すように、樹脂製の絶縁体層１３９ａと、この絶縁体層１３９ａに積層されて強磁性体コア１３２の開放面１３２ｃと対向する非磁性金属からなる電極層１３９ｂとを有している。
このように非磁性金属からなる電極層１３９ｂが強磁性体コア１３２の開放面１３２ｃと対向していることで、静電容量を介したノイズが抑制される。
【0104】
静電シールド板１３９の電極層１３９ｂは、図１６に示すように、円環状の環状接地電極１３９ｂ１と、この環状接地電極１３９ｂ１と一端のみが導通する線状電極１３９ｂ２とから形成されている。
【0105】
環状接地電極１３９ｂ１の内径φＥｉは、図１５に示すように、強磁性体コア１３２の外径φＣｏおよび磁気シールドカバー１３５の外径φＳｏよりも大きくなっている。
また、環状接地電極１３９ｂ１は、はんだＭにより磁気シールドカバー１３５と一体化されて導通している。
したがって、環状接地電極１３９ｂ１は、磁気シールドカバー１３５および支柱１３６を介してセンサ基板１３４の接地電極と導通している。
よって、環状接地電極１３９ｂ１と磁気シールドカバー１３５とセンサ基板１３４の接地電極とが等電位になるため、コイル１３３全体が静電シールドされて、センサ基板１３４に重畳されるノイズをより一層低減することができる。
また、環状接地電極１３９ｂ１は、はんだＭにより磁気シールドカバー１３５と一体化されて導通している。
したがって、環状接地電極１３９ｂ１は、磁気シールドカバー１３５および支柱１３６を介してセンサ基板１３４の接地電極と導通している。
よって、環状接地電極１３９ｂ１と磁気シールドカバー１３５とセンサ基板１３４の接地電極とが等電位になるため、コイル１３３全体が静電シールドされて、センサ基板１３４に重畳されるノイズをより一層低減することができる。
【0106】
線状電極１３９ｂ２は、図１６に示すように、環状接地電極１３９ｂ１から等間隔に多数互い違いに突出して全体として櫛歯状になっている。
なお、線状電極１３９ｂ２は、図１７Ａに示すように環状接地電極１３９ｂ１の中心に向かって放射状に形成されてもよいし、図１７Ｂに示すように渦巻き状に形成されてもよい。
なお、線状電極１３９ｂ２は、図１７Ａに示すように環状接地電極１３９ｂ１の中心に向かって放射状に形成されてもよいし、図１７Ｂに示すように渦巻き状に形成されてもよい。
【0107】
したがって、静電シールド板１３９において、環状接地電極１３９ｂ１の内側に金属の閉ループが形成されないため、渦電流が発生しなくなっている。
【0108】
以上説明した本実施形態の摩耗検出センサ１００によれば、筐体１３１の内部に収容されると共に強磁性体コア１３２の側面１３２ｄと底面１３２ａとを覆う強磁性金属製の磁気シールドカバー１３５を備え、磁気シールドカバー１３５の比透磁率が強磁性体コア１３２の比透磁率および筐体の比透磁率よりも大きいことにより、強磁性体コア１３２の側面１３２ｄから漏れ出る漏れ磁束が磁気シールドカバー１３５の側壁を貫きにくくなるため、強磁性体コア１３２の側面１３２ｄから漏れ出る漏れ磁束が磁気シールドカバー１３５の外部に漏れ出ることを防ぎ、強磁性体コア１３２の側面１３２ｄから開放面へ漏れ出る漏れ磁束によるコイル１３３のインダクタンス変化を抑制してローラーカッターディスク２１の刃先の摩耗検出精度を向上させることができる。
なお、筐体１３１が有底円筒状の非磁性金属ケース１３１ａを有していることにより、強磁性体コア１３２の側面から漏れ出る漏洩磁束の磁路における磁気抵抗が大きくなるため、漏洩磁束が非磁性金属ケース１３１ａを通過しにくくすることもできる。
なお、筐体１３１が有底円筒状の非磁性金属ケース１３１ａを有していることにより、強磁性体コア１３２の側面から漏れ出る漏洩磁束の磁路における磁気抵抗が大きくなるため、漏洩磁束が非磁性金属ケース１３１ａを通過しにくくすることもできる。
【0109】
さらに、静電シールド板１３９の電極層１３９ｂが、センサ基板１３４の接地電極と導通する環状接地電極１３９ｂ１と、この環状接地電極１３９ｂ１と一端のみが導通する線状電極１３９ｂ２とから形成されていることにより、環状接地電極１３９ｂ１の内側に金属の閉ループが形成されず環状接地電極１３９ｂ１の内側で渦電流が発生しないだけでなく静電シールド板１３９の環状接地電極１３９ｂ１の内径φＥｉが、強磁性体コア１３２の外径φＣｏよりも大きいことにより、強磁性体コア１３２から発生する磁束の大半が静電シールド板１３９の環状接地電極１３９ｂ１の内側で鎖交するため、静電シールド板１３９全体に渦電流が流れなくなり、コイル１３３のインダクタンス変化に重畳しうるノイズを低減することができる。
【0110】
また、静電シールド板１３９の環状接地電極１３９ｂ１の内径φＥｉが、磁気シールドカバー１３５の外径φＳｏよりも大きいことにより、強磁性体コア１３２から発生する磁束がすべて静電シールド板１３９の環状接地電極１３９ｂ１の内側で確実に鎖交するため、静電シールド板１３９の環状接地電極１３９ｂ１に渦電流が確実に流れなくなり、コイル１３３のインダクタンス変化に重畳しうるノイズをより確実に低減することができる。
【0111】
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態における本発明の技術思想を具体化するための摩耗検出センサ及び摩耗検出センサを例示するものであって、本発明をこれらに特定するものではなく、その他の実施形態のものにも等しく適用し得るものであり、また、これらの実施形態の一部を省略、追加、変更することや、各実施形態の態様を組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【0112】
１０・・・カッターヘッド
１１・・・カッタービット
２０・・・ローラーカッター
２１・・・ローラーカッターディスク
２２・・・カッター支持枠
２５・・・チップ
２６・・・シャンク
２７・・・回転支持部
３０・・・センサ本体部
３１・・・検出面
３２・・・非磁性金属
３３・・・金属ケース
３５・・・信号ケーブル
３６・・・センサ基板
３７・・・強磁性体コア
３７ａ・・・中央部
３７ｂ・・・外周部
３７ｃ・・・底部
３８・・・コイル
４０・・・コントローラ部
４１・・・ＬＣＤ表示器
４２・・・キースイッチ
４３・・・ＵＳＢインターフェイス
４４・・・端子
５０・・・ＬＣ発振回路（発振回路）
５２・・・コンデンサ
５３・・・計数回路
５４・・・インターフェイス回路（センサ本体部側）
５５・・・マイクロコンピュータ
６１・・・インターフェイス回路（コントローラ部側）
６２・・・マイクロコンピュータ
６３・・・スイッチ出力回路
６４・・・ＤＡＣ出力回路
７０・・・被検出対象
７５・・・非磁性金属
１３０ ・・・ センサ本体部（摩耗検出センサ）
１３１ ・・・ 筐体
１３１ａ ・・・ 非磁性金属ケース
１３１ａ１・・・ 外底面（検出面）
１３１ａ２・・・ 内底面
１３１ｂ ・・・ 蓋板
１３２ ・・・ 強磁性体コア
１３２ａ ・・・ 底面
１３２ｂ ・・・ 貫通孔
１３２ｃ ・・・ 開放面
１３２ｄ ・・・ 側面
１３３ ・・・ コイル
１３４ ・・・ センサ基板
１３４ａ ・・・ 信号ケーブル
１３４ｂ ・・・ 裏面
１３５ ・・・ 磁気シールドカバー
１３５ａ ・・・ 外底面
１３６ ・・・ 支柱
１３７ ・・・ スペーサー
１３８ ・・・ カバー押さえ
１３９ ・・・ 静電シールド板
１３９ａ ・・・ 絶縁体層
１３９ｂ ・・・ 電極層
１３９ｂ１・・・ 環状接地電極
１３９ｂ２・・・ 線状電極
Ｂ ・・・ 磁束
Ｓ ・・・ 止めねじ
Ｍ ・・・ はんだ
φＣｏ ・・・ 強磁性体コアの外径
φＳｏ ・・・ 磁気シールドカバーの外径
φＥｉ ・・・ 円形接地電極の内径
１１・・・カッタービット
２０・・・ローラーカッター
２１・・・ローラーカッターディスク
２２・・・カッター支持枠
２５・・・チップ
２６・・・シャンク
２７・・・回転支持部
３０・・・センサ本体部
３１・・・検出面
３２・・・非磁性金属
３３・・・金属ケース
３５・・・信号ケーブル
３６・・・センサ基板
３７・・・強磁性体コア
３７ａ・・・中央部
３７ｂ・・・外周部
３７ｃ・・・底部
３８・・・コイル
４０・・・コントローラ部
４１・・・ＬＣＤ表示器
４２・・・キースイッチ
４３・・・ＵＳＢインターフェイス
４４・・・端子
５０・・・ＬＣ発振回路（発振回路）
５２・・・コンデンサ
５３・・・計数回路
５４・・・インターフェイス回路（センサ本体部側）
５５・・・マイクロコンピュータ
６１・・・インターフェイス回路（コントローラ部側）
６２・・・マイクロコンピュータ
６３・・・スイッチ出力回路
６４・・・ＤＡＣ出力回路
７０・・・被検出対象
７５・・・非磁性金属
１３０ ・・・ センサ本体部（摩耗検出センサ）
１３１ ・・・ 筐体
１３１ａ ・・・ 非磁性金属ケース
１３１ａ１・・・ 外底面（検出面）
１３１ａ２・・・ 内底面
１３１ｂ ・・・ 蓋板
１３２ ・・・ 強磁性体コア
１３２ａ ・・・ 底面
１３２ｂ ・・・ 貫通孔
１３２ｃ ・・・ 開放面
１３２ｄ ・・・ 側面
１３３ ・・・ コイル
１３４ ・・・ センサ基板
１３４ａ ・・・ 信号ケーブル
１３４ｂ ・・・ 裏面
１３５ ・・・ 磁気シールドカバー
１３５ａ ・・・ 外底面
１３６ ・・・ 支柱
１３７ ・・・ スペーサー
１３８ ・・・ カバー押さえ
１３９ ・・・ 静電シールド板
１３９ａ ・・・ 絶縁体層
１３９ｂ ・・・ 電極層
１３９ｂ１・・・ 環状接地電極
１３９ｂ２・・・ 線状電極
Ｂ ・・・ 磁束
Ｓ ・・・ 止めねじ
Ｍ ・・・ はんだ
φＣｏ ・・・ 強磁性体コアの外径
φＳｏ ・・・ 磁気シールドカバーの外径
φＥｉ ・・・ 円形接地電極の内径
【要約】
【課題】磁石を使用せず、かつ、耐久性がある構造にでき、経時的な精度低下を来さないと共に、カッターの回転状態や交換時期を的確に判断できる摩耗検出センサを提供すること。
【解決手段】磁気抵抗の変化に基づいて強磁性体であるカッターの刃先の摩耗を検出する摩耗検出センサであって、カッターの回転軸に略平行でありカッターの刃先に近接対向して検出面となる外底面を有する有底円筒状の非磁性金属ケースとこの非磁性金属ケースの開口を覆う蓋板とからなる防水構造の筐体と、この筐体の内部に収容されて検出面と略平行な開放面で磁路が開放される強磁性体コアと、この強磁性体コアに巻回されて強磁性体コアと一体のコイルと、筐体の内部に収容されると共に強磁性体コアの側面と底面とを覆い比透磁率が強磁性体コアの比透磁率および筐体の比透磁率よりも大きい強磁性金属製の磁気シールドカバーとを備えている。
【選択図】図１４
【解決手段】磁気抵抗の変化に基づいて強磁性体であるカッターの刃先の摩耗を検出する摩耗検出センサであって、カッターの回転軸に略平行でありカッターの刃先に近接対向して検出面となる外底面を有する有底円筒状の非磁性金属ケースとこの非磁性金属ケースの開口を覆う蓋板とからなる防水構造の筐体と、この筐体の内部に収容されて検出面と略平行な開放面で磁路が開放される強磁性体コアと、この強磁性体コアに巻回されて強磁性体コアと一体のコイルと、筐体の内部に収容されると共に強磁性体コアの側面と底面とを覆い比透磁率が強磁性体コアの比透磁率および筐体の比透磁率よりも大きい強磁性金属製の磁気シールドカバーとを備えている。
【選択図】図１４
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
