JPS595842B2 - 相対位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は振動片を対象物と接触させることによりその
対象物に対する検出器の相対位置を検出する装置、特に
振動片の構造に関する。

発明者はさきに振動片を用いて対象物との相対位置を検
出する装置を提案しているが、まずその構造を図面によ
り説明する。

検出器の一部材たる固定ブロック１には振動系に振動を
与える振動付与装置例えば直流モータ２が固定される。
この直流モータ２には交流電源３から交流電圧が印加さ
れその周波数に応じてモータ軸４は往復回動する。この
モータ軸４により振動される振動系は中心設定用振動片
５、前記モータ軸４に固定される締付治具６、振動片７
よりなる。振動片Ｔはその形状、材料、寸法に応じて第
３図に示す１次共振モード又は第４図に示す２次共振モ
ードで共振し、共振する振動片７の自由端が一の対象物
Ｂａに近づきすぎるとこの該対象物のみに接触し、他の
対象物８ｂに近づきすぎるとこの対象物のみに接触し、
二つの対象物の中央にあると両者に均等に接触すること
による電気信号でその相対位置を検出し、前記開先面又
はその中心線に、対する直流モータの軸の中心ひいては
固定ブロック１、これに接続する溶接トーチの相対位置
を検出するものである。この振動片の接触は電路９、１
０により電気的に検出され、その信号により母材８の開
先中心線１３に検出器ひいては溶接トーチを倣い誘導変
位させることを可能とするものである。この発明は、前
記のような装置を使用し厚板の狭開先に使用できる長さ
の長い振動片の構造を提案することを目的とする。

要するにこの発明は振動片の支点について振動片を慣性
モーメントの小さい構造にして振動片の長さの長いもの
としかつ振動モードも好ましいものとすることを特徴と
する。

ここで、この発明にかかる装置の作動原理について考察
してみる。

この装置においてセンサとして機能する振動片は、片持
で共振状態にある。この共振状態とは、振動に寄与する
外力を加振エネルギーとして振動片に加える場合におい
て、振動、片の持つ固有振動数Ｆ。と同一の振動数で加
振エネルギーを加えることにより振動している状態をい
う。この状態ではごく微量の加振エネルギーであつても
、その全てが振動エネルギーに変換されるため、時間と
共に振幅は増加し、無限大となる。

しかし実際の装置においては振動時の空気抵抗、振動片
の変形歪み等によるエネルギーのロスが存在するため、
第９図に示すごとく或る一定の最大振幅Ｗで正常状態と
なり、以後振幅Ｗで振動することとなる。片持ちの振動
片の共振周波数Ｆは下に示すｋ値の平方根に比例する。

ｌ＝振動片の長さ（第７図Ａ，Ｂ参照） 片持ちの振動片が共振するときは振動片の受ける振動エ
ネルギーは小さいものであつても、その自由端は大きく
振れるが共振周波数から振動数が僅かでもずれると急速
に振幅はＯに近づいてしまう。

例えば約２０ｍ１の共振振幅をもつていたものが共振周
波数からずれると僅か２１１程度のものとなつてしまう
。極く微少時間ではあるが、加振し始めてから最大振幅
Ｗの定常状態に至るまでの過渡的現象をみると、第９図
のようになつている。いま振動の中心を原点０とし、更
に或る時刻ｔ１における振動片の位置は−Ｘ１（速度υ
＝０）であつたとする。振動の周期をＴ（Ｓｅｃ）とし
た場合、１／ＦＯ＝Ｔであるから、時刻ｔより時間１／
２×１／ＦＯ即ち、半周期後の振動片はｘ１＋ｆ（ｘ）
＝Ｘ２の位置に来る。ここでｆ（ｘ）は振動エネルギー
に変換される、加振エネルギーによる振動片の振幅増加
量である。

前記の如く加振エネルギーは一定であつても空気抵抗等
が存在するため、ｆ（ｘ）は減少関数となつている。更
に１／２Ｆ後の振動片は−Ｘ８−一（Ｘ２＋ｆ（Ｘ２）
〕の位置に来る。

同様にして振動片の振幅は、１周期につき往復分の加振
エネルギを振動エネルギとして受け２ｆ（Ｘｎ）の振幅
を増しつつ最大振幅Ｗに至る。共振時における振動片は
モータ等より受ける加振エネルギーと空気抵抗等のエネ
ルギーロスとのバランスにより、その自由端は最大振幅
Ｗで振動するが、第１０図に示すようにその振幅を制限
する位置（−ｘ１）に制限面（例えば左側開先面８ａ）
があるときは、これに軽く接触しながらＷ，の振幅を保
持しつつ共振様の振動をする。

これは以下のような理由による。振幅Ｗで振動していた
振動片が制限面８ａに当つた瞬間、（第８図、第１０図
参照）振動片の有していたエネルギーは制限面８ａを押
すエネルギー、熱エネルギー等として消費される。そし
て、振動片が制限面８ａから離れると再び加振エネルギ
ーを受け、Ｘ２＝Ｘ１＋ｆ（Ｘ１）の位置に来る。即ち
定常状態として振幅Ｗで共振していた振動片は制限面８
ａに当つた瞬間から、共振に至るまでの過渡的状態に移
るのである。ところが一周期の後には再度制限面８ａに
当り、一往復分の加振エネルギーは再び熱エネルギー等
として消費され、以下同様な運動を繰り返すこととなる
。この状態は、振幅Ｗ，＝Ｘ，＋Ｘ２なる共振状態と同
様な振動をいうことができる。この様な共振様の振動に
おいては、数学的な正確さで振幅Ｗ１の中心に原点０が
存在せず加振エネルギー分（即ちＸ２−Ｘ１）だけ移動
しこれが測定誤差として表われるが、加振エネルギー自
体が極く微少量であるため、この誤差は測定上無視でき
る程度の微少量である。

また、面８ａと振動片の接触も、一往復分の加振エネル
ギーを消費するだけの接触であるため、ほとんど無接触
に近い状態での接触となつている。

なお振動片自体については、前記（２）式よりも判るよ
うに共振周波数Ｆは振動片の剛性が大であるほど換言す
れば固いほど、また前記２値（長さ）が短いほど大とな
る。つぎに第８図、第１０図を用いて相対向する面間の
中心例えば開先を例にとりその中心線の検出の仕方を具
体的に説明する。

第８図のごとく自由端が左側開先面８ａに接触して共振
しているとき図示他の自由端位置７０は右側開先面（他
の対象物）８ｂに接触することはない。

従つて左側開先面８ａのみに接触しているということを
検知して電気的信号として取り出すことができる。同様
にして右側開先面８ｂに固定ということを電気信号とし
て取り出すことができる。固定点が開先の中央面（ＣＬ
面）に復帰するとその自由端７０の振幅は共振している
ことからＷと大きいものとなり両開先面８ａ，８ｂにそ
の共振する振動数で交互に接触し、これを電気信号とし
て取り出し固定点４が常に開先の中央面内にあることを
検知できる。

このことを第１表としてまとめて表示する。このような
共振する振動片の特性を利用することによりこの振動片
をセンサとして使用し開先面の中心線に対する直流モー
タの軸の中心ひいては固定プロツク１、これに接続する
溶接トーチの相対位置を検出するものである。

この振動片の接触は電路９，１０により電気的に検出さ
れ、その信号により母材８の開先中心線１３に検出器ひ
いては溶接トーチを倣い誘導立位させることを可能とす
るものである。また振動片は５０サイクル（又は６０サ
イクル）で振動しているので振動片の振動状態を通して
の溶接ノズル又はアークの視認が容易にできるものとな
る。以上のような装置に対し、発明者は本出願前におい
て、単純な長方形の弾性のある材料を振動片として使用
していた。

しかしこれでは長さを長くすると支点に対する慣性モー
メントは大きいものとなりおのずからその長さも制限を
受けることとなる。この発明にかかる振動片の構造を図
面により説明する。

第５図は支点部たるモータ軸４に対し、それから先端に
ゆくにつれその幅が狭くなる先細状の振動片７ａを示す
ものである。第５図に示す様に直線状に幅を狭くするほ
か、同図に破線１４で示す曲線状の縁をもつものであつ
てもよい。また第６図はモータ軸４に対する慣性モーメ
ントを小さなものにするため複数個の肉抜き孔１５を設
けた場合の振動片７ｂを示すものである。この発明を実
施することにより支点たるモータ軸に対する慣性モーメ
ントを小さいものとすることができ好ましい振動モード
をもつ長さの長い振動片が得られ支点と対象物との相対
位置を精度良く検出ができるという効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は検出器の正面図、第２図はその側面図、第３図
は振動片の１次共振モード振動を示す図面、第４図は振
動片の２次共振モード振動を示す図面、第５図はこの発
明にかかる一実施例を示す先細のτ振動片の側面図、第
６図は他の実施例を示す複数個の肉抜き孔をもつ振動片
の側面図、第７図Ａは片持梁の側面図、第７図Ｂは第７
図ＡＯ）Ｉ−１断面図、第８図は振動片の制限面のある
ときの振幅Ｗ１の関係を示す図面、第９図及び第１０図
は本ノ 発明にかかる装置の作動原理について説明する
図面である。 １・・・・・・固定プロツク、２・・・・・・直流モー
タ、４・・・・・・モータ軸（支点）、７・・・・・・
振動片、１５・・・・・・肉抜き孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 最大共振振幅が、相対向する対象物間隔より大とな
   る振動片を備なえた検出装置を二つの対象物間に配置し
   、前記振動片を共振周波数で加振し、前記振動片の自由
   端が前記二つの対象物のいずれた又は双方と接触するこ
   とによる信号により前記振動片と前記対象物との相対位
   置を検出する検出装置において、前記振動片の支点につ
   いて慣性モーメントが小さくなるような構造にしたこと
   を特徴とする相対位置検出装置。 ２ 支点部より先端にゆくにつれてその幅が狭くなる先
   細構造の振動片を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の相対位置検出装置。 ３ 抜き孔を複数個設け支点についての慣性モーメント
   が小さくなるようにした振動片を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の相対位置検出装置。