JP2002122493A - 微小トルクとエネルギーの測定方法および測定装置 - Google Patents

微小トルクとエネルギーの測定方法および測定装置

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JP2002122493A
JP2002122493A JP00141597A JP141597A JP2002122493A JP 2002122493 A JP2002122493 A JP 2002122493A JP 00141597 A JP00141597 A JP 00141597A JP 141597 A JP141597 A JP 141597A JP 2002122493 A JP2002122493 A JP 2002122493A
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torque
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Takanori Minamitani
孝典 南谷
Tadayasu Machida
任康 町田
Kazuo Suzuki
一男 鈴木
Takeaki Shimauchi
岳明 島内
Hideki Shimizu
清水　　秀樹
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    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小さな発生トルク、エネルギーを正確に計測
すること。 【解決手段】 被検査体としての回転体軸上に微小な光
反射部を形成し、光放射源からの放射光を光反射部を経
て設置位置が既知の複数の光検出部材にて検出すること
により、非接触方式による被検査体の回転角の時間情報
データを得、これを基に被検査体の運動に伴う発生トル
ク値。および消費エネルギー値を正確に計測する方法お
よび装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被検査体が回転時
に発生する微小トルクおよびエネルギーを非接触で測定
するための測定方法および測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のトルク測定方法としては、被検査
体に基準負荷トルク発生器を接触させることにより被検
査体の発生トルクを推定するという方法を採用してい
た。このため被検査体の発生トルクが基準負荷に対して
十分大きな時はほぼ正確に発生トルクを推定することが
できるが、被検査体の発生トルクが小さな場合には基準
負荷を接触させることによる誤差が大きくなり、極端な
場合には基準負荷の接触の有無によって被検査体の挙動
が異なったり究極的には回転できなくなってしまった。
【０００３】このため、マイクロモーターなどの性能評
価を行いたいというニーズは多くありながら、従来方法
によっては発生トルクの小さな被検査体に対する正確な
トルク測定はできなかった。また、同様にして微小エネ
ルギーを精度良く測定することも困難であった。
【０００４】上記問題点に鑑みて、非接触方法により何
とか小さな発生トルクを正確に測定しようという試みも
始まっているようであるが、残念ながら未だ信頼しうる
に足る方法は確立されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のような状況の
中、いかにして小さな発生トルクおよびエネルギーを正
確に測定するかが大きな課題である。
【０００６】上記課題に対して、本発明においては非接
触方法を用いて被検査体の発生トルクおよびエネルギー
を正確に測定する方法を確立し、さらにはその原理を基
にした測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明においては、被検
査体としての回転体軸上方から照射された光が、回転体
軸上に傾斜を有して形成された光反射部により反射さ
れ、回転体周辺の回転面上に配置された複数の光検出部
材で時間差を有して検出されることによって回転体の回
転情報を回転角の時間情報データとして検出し、このデ
ータを基に角加速度を得、さらにこの値に回転体のイナ
ーシャを乗ずることにより、ある時刻での回転体の発生
トルクを非接触法で正確に計測することを特徴としてい
る。
【０００８】同様にして、回転体の発生トルクを回転角
範囲で積分することにより、回転体が運動を行う際のエ
ネルギーを非接触で正確に計測することを特徴としてい
る。
【０００９】また、被検査体としての回転体の発生トル
クおよびエネルギー計測装置が、回転体の軸上に傾斜し
て形成された光反射部と、回転体の軸上方に設置された
光放射源と、回転体周辺の回転面上に配置された複数の
光検出部材とを有し、光放射源からの放射光が回転体上
に形成された光反射部により反射され複数の光検出部材
で時間差を有して検出されることによる回転角の時間情
報測定手段と、得られたアナログデータをパルスデータ
に変換する変換手段と、複数データを一時記憶する記憶
手段と、発生するトルクおよびエネルギーを算出するた
めの演算手段と、結果を表示する表示手段とを有してな
ることを特徴としている。
【００１０】（作用）本発明においては回転体の発生ト
ルクおよびエネルギーを非接触で計測することを骨子と
している。まず、被検査体としての回転体の軸上に光反
射部を傾斜を有して形成する。光反射部としては回転体
軸部の一部に光反射機能を持たせてもよいし、回転体軸
上に光反射部材を設置しても良い。光反射部材を用いる
場合には回転体の挙動に影響を与えないという意味から
できるだけ小さいことが望ましい。光反射部材の設置位
置が回転体軸上であることを考慮すると現実的には光反
射部材の質量は回転体質量の１％未満であればほとんど
影響はない。
【００１１】回転体上方に位置する光放射源からの放射
光は回転体軸上に斜めに形成された光反射部に入射、反
射したのち回転体の回転面上に配置された複数の光検出
部材に入る。光反射部を回転体軸に対して概ね４５°に
形成することにより反射光は平面内に反射される。回転
体が回転を始めるとその上部にある光反射部も一緒に回
転するため入射光は回転角度情報を有して反射される。
この反射光を設置位置が既知の複数の光検出部材で検出
することにより、回転体の回転情報を回転角の時間情報
として得ることができる。
【００１２】上記のようにして得られた回転角の時間情
報を基に、時間で微分することにより角速度が、さらに
時間微分することから角加速度が得られる。ついでこの
角加速度の値と回転体イナーシャ値を乗ずることで回転
体が運動しているある時刻における発生トルク値を非接
触法で正確に計測することが可能となる。
【００１３】ここで得られた発生トルク値と時間との関
係を、発生トルク値と回転角との関係に書き直すことに
より、回転体が運動を行う際の消費エネルギー量の見積
もりも可能となる。
【００１４】本発明による非接触式での発生トルク計測
方法を用い、回転体の回転情報を回転角の時間情報デー
タとして計測する手段と、アナログデータをパルスデー
タに変換する変換手段と、複数データを一時記憶する記
憶手段と、これらのデータを基に発生トルクを算出する
演算手段と、得られた結果の表示手段とを少なくとも有
することで非接触方式によるトルク計測装置が構成され
る。もちろん発生トルク値と回転角との関係を演算手段
に入れることによりエネルギー量計測装置としても使用
できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下に図面を用いて本発明の第１
の実施の形態を説明する。本発明の原理に基づいて時計
用アクチュエータとして使われている２極ステップモー
タにおけるロータの回転情報データを計測することによ
り、運動時のトルク値および消費エネルギー量を計測し
た。図１はロータの回転角測定システムを説明するため
の側面模式図であり、図２は図１の丸部Ａの拡大図であ
る。図３は同じく上面模式図である。図４は発生トルク
およびエネルギーを見積もるための図１，２、３の回転
角測定システムと駆動回路、任意波形発生器とを組み合
わせることよりなる回転角の時間情報測定手段と、上記
で得られたアナログデータをパルスデータに変換する変
換手段と、複数データを一時記憶する記憶手段と、上記
データから発生トルク値およびエネルギー量を算出する
ための演算手段と、その結果を表示する表示手段とを説
明するダイヤグラムである。
【００１６】回転体１としての時計ロータの軸上を斜め
に鏡面加工することにより軸に対しておよそ４５°の角
度に光反射部２を形成した。ロータ軸上方に設置される
光放射源３としては近赤外域の９００ｎｍ付近にピーク
を有する半導体レーザを用いた。光放射源３からの放射
光は光反射部２で平面内に反射され、図３にみられるよ
うに回転体を中心とした円周上の既知の位置に設置され
た複数の光検出部材４に入射する。第１の実施の形態に
おいては、ロータ静止時に放射光が到達する地点を起点
として６°間隔で計３８個の光検出部材４を配置した。
光検出部材としてはＮＥＣ製のフォトダイオードＰＨー
３０２を用いることによりレーザ波長とのマッチングを
図り高速応答を達成した。
【００１７】ついで図４にみられるように、この回転角
測定システム１００と、駆動回路１１０，任意波形発生
器１２０とを組み合わせることにより回転角の時間情報
測定手段１０を構成した。これによりステップモータは
任意の駆動条件で駆動され、入力エネルギー投入後、既
知の位置にある光検出部材が放射光を検出した時間タイ
ミングを計測することにより、運動を始めたロータの回
転角の時間情報が精度良く得られる。コンピュータを用
いてシステム全体の時間管理を行うことにより１μｓ程
度の精度を有するロータ回転角の時間情報は比較的容易
に得られる。
【００１８】得られた回転角のアナログ時間情報データ
は変換手段２０によりパルスデータに書き換えられる。
複数チャネルで得られたパルスデータは記憶手段３０に
より一時記憶された後、演算手段４０により知りたい物
理量に変換され、表示手段５０により表示される。具体
的には変換手段としてコンパレータ、記憶手段としてロ
ジックアナライザーを用いることにより回転角、角速
度、角加速度（トルク）、エネルギーの物理量を得た。
【００１９】上記のようにして演算処理された結果は表
示手段５０により表示される。２極ステップモータにお
ける一例を図５に示す。回転角の時間情報測定手段１０
により回転角の時間特性５１が、これを時間で微分する
ことにより角速度の時間特性５２が、さらに時間で微分
することにより角加速度の時間特性５３が得られる。こ
こで角加速度の値に回転体のイナーシャを乗ずることに
よりトルクの時間特性が得られる。さらに、トルクの回
転角特性５４からは消費エネルギー量の見積もりが可能
である。これら一連の手段を用いることによりロータの
実際の回転状況がロータ自身に負荷を与えることなく正
確に把握できる。
【００２０】第１の実施の形態においては、ロータの動
きに合わせて光検出部材を６°間隔で設置したが、回転
体の運動に合わせて光検出部材を配置することにより多
方面での応用が可能であり、たとえば時計の針の運針状
況を把握することも可能である。ステップ運針を行う秒
針に注目すると、１秒間に６°の非定常回転を１０ミリ
秒以下と早い時間内に行うために従来は運針状況を正確
に把握できなかったが、本発明の原理および装置を用い
ることにより実際に動いている状態での運針状況把握が
可能である。
【００２１】（第２の実施形態）第２の実施の形態にお
いては秒針軸先端部に光反射部を形成する代わりに光反
射部材として微小ミラーを設置した。具体的には、厚さ
１００ミクロンのＳｉウエハー面上にＡｕ蒸着したのち
縦、横１００ミクロンの大きさに切り出したものを微小
ミラーとした。この時の微小ミラーの重量はおよそ２．
３μｇであり四番車と秒針を合わせた重量がおよそ８ｍ
ｇであるのに対してその比は高々０．１％未満であるた
め微小ミラー付加による影響は無視しうる。
【００２２】第２の実施の形態においては、第１の実施
の形態において回転体を中心とした円周上に配置された
光検出部材を単体のフォトダイオードからフォトダイオ
ードアレイに置き換えることで６°の狭い範囲内にも多
数の光検出部材を配置でき結果的に狭い領域の運針状況
も十分精度良く把握することが可能となる。
【００２３】計測したトルク値およびエネルギー値の精
度については回転体のイナーシャ精度に依存するところ
が大きい。部品公差および回転時の偏心などを考慮する
と計測値±５％以内程度の精度は有していると思われ
る。発生トルクおよびエネルギー測定システムについて
も本発明の実施の形態に限定されることなくいろいろな
組み合わせが考えられる。図４に示すようにそれぞれの
手段が達成される構成であれば有効である。
【００２４】上記のようにして従来は正確な把握ができ
なかった運動状況が定量的に計測できることにより回転
体の性能評価が可能となる。ステップモータに関して言
えば入力エネルギー値は電流、電圧から算出できるた
め、今回得られた消費エネルギー値との比較からモータ
として実際に運動している時の効率が判り、設計値との
誤差、特性バラツキなどが今後の開発指針として確認で
きる。また、針の動きに関しても人の目に美しく写る運
針状況と現状との差異が明確になるため今後の開発指針
が得られる。
【００２５】本発明による方法および装置は、従来計測
できなかったような小さな発生トルクやエネルギー計測
および非定常的な動きをする回転体に対して特に有効で
ある。時計以外の実施形態としてはアブソリュートエン
コーダ、ワウフラッタやジッタ測定器などにも適用可能
である。
【００２６】
【発明の効果】本発明の測定方法によれば、従来は正確
な計測が不可能であったような小さな被検査体の微小な
発生トルクおよびエネルギーを負荷をかけずに計測で
き、特に被検査体が非定常的な動きをする際に有効であ
る。また、本発明の測定装置によれば、実際に運動して
いる状況下での計測が可能で、かつその結果として多く
の情報が定量的に得られるために設計値と現実とのズレ
が容易にわかり今後の開発指針が明確になるなど従来に
ない多くの利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における回転角の測定
システムを示す側面模式図。
【図２】図１の丸部Ａの拡大図。
【図３】本発明の第１の実施形態における回転角の測定
システムを示す上面模式図。
【図４】本発明の第１の実施形態における回転角の時間
情報測定手段、変換手段、記憶手段、演算手段、表示手
段を説明するためのダイヤグラム。
【図５】本発明の第１の実施形態における演算結果を示
す表示例。
【符号の説明】
１ 回転体 ２ 光反射部 ３ 光放射源 ４ 光検出部材 １０ 回転角の時間情報測定手段 ２０ 変換手段 ３０ 記憶手段 ４０ 演算手段 ５０ 表示手段 ５１ 回転角の時間特性 ５２ 角速度の時間特性 ５３ 角加速度の時間特性 ５４ トルクの回転角特性 １００ 回転角測定システム １１０ 駆動回路 １２０ 任意波形発生器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島内 岳明 埼玉県所沢市大字下富字武野840番地 シ チズン時計株式会社技術研究所内 (72)発明者 清水 秀樹 埼玉県所沢市大字下富字武野840番地 シ チズン時計株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H611 AA01 AA05 PP07 QQ08 RR06 TT02

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被検査体としての回転体軸上方から照射
    された光が、前記回転体軸上に傾斜を有して形成された
    光反射部により反射され、前記回転体周辺の回転面上に
    設置された複数の光検出部材で時間差を有して検出され
    ることにより、前記回転体の回転情報を回転角の時間情
    報として検出する方法であって、前記回転角の時間情報
    から角速度、角加速度を得、前記角加速度の値に回転体
    のイナーシャを乗ずることにより、ある時刻での前記回
    転体の発生トルクを非接触で計測することを特徴とする
    微小トルクの測定方法。
  2. 【請求項２】請求項１により計測された発生トルクを回
    転角範囲で積分することにより、回転体が運動を行う際
    のエネルギーを非接触で計測することを特徴とする微小
    エネルギーの測定方法。
  3. 【請求項３】 被検査体としての回転体と、前記回転体
    の軸上に傾斜を有して形成された光反射部と、前記回転
    体の軸上方に設置された光放射源と、前記回転体周辺の
    回転面上に配置された複数の光検出部材と、前記光放射
    源から放出された光が前記回転体上に形成された光反射
    部により反射され複数の光検出部材で時間差を有して検
    出されることにより前記回転体の回転情報を回転角の時
    間情報として測定する手段と、上記により得られたアナ
    ログデータをパルスデータに変換する変換手段と、前記
    複数データを一時記憶する記憶手段と、上記により得ら
    れた回転角の時間変化から発生するトルクもしくはエネ
    ルギーを算出するための演算手段と、その結果を表示す
    る表示手段とを有してなることを特徴とする微小トルク
    とエネルギーの測定装置。
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