JP2005331406A

JP2005331406A - 遠心式加速度試験装置

Info

Publication number: JP2005331406A
Application number: JP2004150761A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Hirose; 克則広瀬; Toshiyuki Baba; 敏之馬場; Hiroyuki Tsunematsu; 裕之恒松
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】この発明の目的は、広範囲な遠心加速度を付加しても被試験体の諸特性を高精度に測定できる遠心式加速度試験装置を提供するものである。
【解決手段】この発明の１の実施態様は、被試験体に遠心加速度を付加して被試験体の諸特性を評価する試験機であって、回転軸を備え、前記被試験体が回転軸の軸心から偏心した位置に取り付けられる回転体と、前記回転体を回転させる駆動手段と、前記回転体に組み込まれ、前記軸心から偏心した位置に配設され遠心加速度を検出する加速度センサと、加速度センサの出力信号を電波に変換し送信する発信器と、発信器と加速度センサに電力を供給する電源と、前記回転体外に設置され前記電波を受信する受信器とを備える遠心加速度試験機である。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心力を利用して被試験体に所定方向および所定力の加速度を加え、被試験体の諸特性を調査するための遠心式加速度試験装置に関するものである。

遠心式加速度試験装置は、回転体の外周部に被試験体を取り付け、水平面で回転体を回転させて被試験体に遠心加速度を与え、このときの出力を測定したり特性を検定したりするものである。

そのような遠心式加速度試験装置として、例えば特許文献１に示すものがある。この試験装置は、回転駆動をするモータとしてブラシレスモータを用いることでモーターブラシの摺動ノイズをなくしている。また、ベルトやギアボックスを介さずに回転体をダイレクトドライブして、回転体の回転支持にはエアベアリングを用いることで不要な振動が回転体に伝わることを低減している。ブラシレスモータは該ブラシレスモータの回転数を測定してエンコードするエンコーダの出力信号を、パルスジェネレータのパルスを基準にして位相比較を行い、その位相差に応じて所定の設定速度になるようにモータコントローラによりその回転速度を制御されるようにしている。さらに、伝送系では、被試験体の出力信号を回転体に配置したマルチプレクサ及びコントローラ、アナログ／ディジタル変換器、パラレル・シリアル変換器、変調器等でディジタル信号に変換し、電気信号を非接触で伝送するための電気的回転継手である回転トランス（いわゆるスリップリング）で上記ディジタル信号を伝送することでノイズの影響を受け難くしている。マルチプレクサやコントローラには外部電源から回転トランスを介してレギュレータに供給された電力が供給される。
特許第２９１３５２０号（段落番号００１４）

しかし、特許文献１に記載の遠心式加速度試験装置においては、回転トランスで信号を伝送しているためにその回転中に発熱し、試験装置を加熱する。その結果、被試験体に温度依存性のある場合、試験結果の信頼性が問題になる。例えば、被試験体の出力信号が１℃当たり０．０２％変化する場合、試験装置内に配置された被試験体の温度が１０℃変化すると出力信号は０．２％変化する。短時間に試験装置内の被試験体が配置される部位の温度が１０℃変化することはほとんど無いが、複数の被試験体を次々に測定する場合、間欠的ではあるが長時間にわたり温度上昇するため無視できなくなる。例えば間欠的に５時間使用する場合、１時間当たり２℃の温度変化でも、最初と最後の被試験体では出力信号には０．２％の変化を生じてしまう。この問題は、個々の被試験体の温度を測定して出力データを補正するとか、温度変化を生じないように試験装置に冷却装置を組み込めば解決するが、試験装置が複雑になるという問題が生じる。

遠心加速度を制御するためにブラシレスモータの実回転速度をエンコーダで測定し、その測定値をエンコードしてモータコントローラに伝送している。モータコントローラはパルスジェネレータから伝送されるパルスと上記エンコーダ出力の位相差に応じてブラシレスモータに制御信号を伝送している。この方法だと電気信号伝送における遅延時間の揺らぎであるジッタを生じてしまい、さらに、このジッタは回転数が小さいほど大きくなる傾向を示す。回転数が３００ｒｐｍでのジッタはおよそ０．００４％であり、回転数が約２０００ｒｐｍでのジッタはおよそ０．０００５％である。従って、高回転数から低回転数まで一貫して同じ精度の回転数測定および制御は難しい。また、このジッタはパルスの時間的な偏差に起因するため被試験体の動特性測定など測定時間が重要な場合に誤差が大きくなる。

この発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は広範囲な遠心加速度を付加しても被試験体の諸特性を高精度に測定できる遠心式加速度試験装置を提供するものである。

この発明の１の実施態様は、被試験体に遠心加速度を付加して被試験体の諸特性を評価する試験機であって、回転軸を備え、前記被試験体が回転軸の軸心から偏心した位置に取り付けられる回転体と、前記回転体を回転させる駆動手段と、前記回転体に組み込まれ、前記軸心から偏心した位置に配設され遠心加速度を検出する加速度センサと、加速度センサの出力信号を電波に変換し送信する発信器と、発信器と加速度センサに電力を供給する電源と、前記回転体外に設置され前記電波を受信する受信器とを備える遠心加速度試験機である。

第１に、加速度センサの出力信号を伝達するのに無線を用いるため、回転トランスと比して発熱が小さく、回転体や試験装置の加熱を抑制することができ、温度変化に敏感な被試験体あるいは加速度センサに対して良好な測定環境を維持できる。第２に、回転体を回転させることで生じる遠心加速度を検知する手段として、加速度センサを採用しているので、エンコーダとパルスジェネレータそれぞれの出力信号の位相差を用いた遠心加速度の測定と異なり、回転数に依存したジッタの変化がなく、広範囲な加速度を一貫して同じ精度で測定することができる。

本発明について、その一実施態様の遠心式加速度試験装置（以下、試験装置と称す）に基づき図１を参照して説明する。

本態様の試験装置２には、例えば被試験体として信号を発生する電子部品（図示せず）をセットする保持具１を有しており、電子部品は保持具１にセットされた状態で試験装置２に取り付けられる。この保持具１は電子部品の出力信号を伝送するケーブルで試験装置２に接続するために、電子部品を交換する時に取り外すためのコネクタ１１を有している。なお、ケーブルはノイズ対策のためシールドを有しているものを使用すればよい。

試験装置２は、回転して遠心加速度を発生する回転部２２と、電子部品と、加速度センサの出力信号を増幅し電波に変換する送信部２１と、送信部２１からの電波を受信する受信部２３と、受信部２３からの信号を受け取りデータ収集や整理、保存などをするデータ処理部２４と、回転部２２に運転信号を与えるコントローラ２５で構成されている。

回転部２２は、回転体２２１および回転軸２２３、モータ２２４、電源である電池２２５、電池ホルダー２２６、及び加速度センサＣを有している。モータ２２４は回転軸２２３を介してその上部にある回転体２２１と連結している。電池２２５を乗せた電池ホルダー２２６は回転部２２の回転中心近傍に配置する。これは電池２２５を配置した状態での電池ホルダー２２６の重心が回転軸２２３の回転中心とずれるほど回転時に不要な振動を生じ、また、電池２２５や電池ホルダー２２６に不要な遠心加速度が付加されるからである。電池が複数必要な場合は、回転軸中心にバランスよく配置して重心を回転中心に合わせる。図１では電池が４個必要な場合を示しており、４個の電池を正四角形の頂点に配置し、この正四角形の重心が回転中心に一致するように配置している。

保持具１は保持具装着孔２２２に収納される。保持具装着孔２２２は保持具１が回転中に動かないように、保持具１の形状にその形状を合わせ、できるだけ保持具１の大きさに近い大きさにする。保持具装着孔２２２は電子部品を保持した保持具１の電子部品に遠心加速度が付加されるように回転軸２２３の回転中心に対して偏心した位置に配置されている。加速度センサＣの位置は、電子部品と同一の回転半径上にあることが望ましく、さらに好ましくは電子部品の直上あるいは直下であるが、図１では１８０度隔てた電子部品の回転半径上に配置している。電気的接続について、電池２２５を有する電池ホルダー２２６は送信部２１と接続し、加速度センサＣ送信部２１に接続する。モータ２２４はブラシレスモータを用いてブラシ摺動時のノイズを排する。また、モータ２２４はエンコーダつきのモータであり、このエンコーダの出力をモータ回転数制御に用いている。

送信部２１は支持部材２１１、送信基板２１２及びソケット２１３を有している。変換した電波を伝送するためのアンテナは支持部材２１１にパターン印刷しておくと、耐遠心力の点で良い。支持部材２２１には電気回路が形成されており、送信基板２２１と保持具１に配置された電子部品と接続するソケット２１３や上述の電池ホルダー２２６、加速度センサＣの電気的接続を行う。また、図示しないが、支持部材２１１には電子部品や加速度センサＣに電池２２５の電力を調整して安定した電力を与えるレギュレータや、電子部品や加速度センサＣからの出力信号を増幅するためのアンプ、電波に載るノイズの影響を低減するため増幅したアナログ信号をディジタルに変換するアナログ／ディジタル変換器、ディジタル信号を電波に変換して送信する無線送信モジュールなどが搭載される。さらに電池の浪費を避けるために必要に応じて電池のＯＮ／ＯＦＦスイッチ等が配置される。送信部２１は、加わる遠心力を最小にして不要な振動の発生を抑えるため、重心が回転部２２の回転中心に可能な限り一致するように配置する。

受信部２３は回転体２２１と離れて設置され、アンテナ２３１、受信基板２３２及び支持部材２３３を有している。アンテナ２３１は回転する送信部２１の回転中心上に可能な限り送信部２１に近づけて設置する。これにより回転中心付近に配置された送信部２１から送信された電波を効率良く受信することができる。

データ処理部２４は、受信部２３とコントローラ２５に電気的に接続されている。受信部２３からは電子部品並びに加速度センサＣの出力信号を受信し、コントローラ２５からはモータ２２４に設置したエンコーダの出力信号に基づいた回転数のデータを受信する。モータ２２４の回転数は、エンコーダの出力信号の代わりに、データ処理部２４で受信した加速度センサＣの出力信号に基づいてコントローラ２５に信号を送信して制御することもできる。

図１に示す試験装置２のうち、保持具１、送信部２１、回転部２２及びコントローラ２５は図２に示すように一つのフレーム３に収納する。狭い回転体２２１の中心部に送信部２１、電池ホルダー２２６などが密集するが、図２のように鉛直方向に配置すると省スペース化できる。送信部２１には保持具１と接続するソケット２１３や場合によって電池２２５のＯＮ／ＯＦＦスイッチ等、頻繁に操作するものが配置されており、また、受信感度の関係から送信部とアンテナ２３１の間に障害物を配置したくないことから電池ホルダー２２６の上に送信部２１を配置する。この際、電池交換等で送信部２１と電池２２５を取り外す必要が出る。電池ホルダー２２６と送信部支持部材２２１の再配置時の位置ズレを防止するため回転体２２１に保持具装着孔２２２同様の掘り込みを設けておき、ここに設置する。

回転部２２は、送信部２１の送信基板２１２とその支持部材２１１が回転中に分離した場合などに備えてカバーで覆っておく。図２に記載の開閉ドア３１とチャンバ３２がこのカバーを形成している。

モータ２２４やコントローラ２５が発生する熱が試験装置上部に位置する加速度センサＣ、電子部品や送信基板２１２に伝わるのを避けるため、モータ２２４とコントローラ２５が配置される空間は加速度センサＣ、電子部品や送信基板２１２が配置される空間と隔離する。図２ではチャンバ３２でこれら空間を切り離している。このようにチャンバ３２と開閉ドア３１に囲まれる空間内に発熱する機器を持ち込まないことで電子部品の温度変化を抑えることが可能となる。さらに通気口３４を設けてモータ２２４やコントローラ２５の熱がフレーム３の下部空間に篭らないようにしており、この通気口とさらにファンを利用して積極的に熱を外に換気することもできる。

コントローラ２５は、発生するノイズが電波に及ぼす影響を避けるため、電磁シールドボックス３３等に収納して試験装置内に配置する。

次に上記試験装置２による試験方法について説明する。電子部品を保持具１に装着し、これを回転体２２１の保持具装着孔２２２に設置する

コネクタ１１をソケット２１３に接続して回転部２２を回転する。電子部品と加速度センサＣの出力信号が送信部２１から発信される。その電波は受信部２３で受信して信号伝達を行い、データ処理部２４に伝送される。データ処理部２４では、伝送された電子部品の出力信号と、加速度センサＣの出力信号に基づいて換算した遠心加速度のデータの相関を計算する。

上記試験装置による遠心加速度に対する電子部品の静特性と動特性の試験例について説明する。
電子部品の静特性を試験する場合には、あらかじめ電子部品に付与する遠心加速度を数段設定しておき、設定した遠心加速度における電子部品の出力信号を順次測定する。例えば、遠心加速度が５０Ｇおよび１００Ｇ、１５０Ｇ、２００Ｇ、２５０Ｇ、３００Ｇの場合の静特性を調べる場合には、この遠心加速度に対応する回転体２２の回転数を設定しておき、図３に示すように回転数を連続して変えながら回転体２２を回転させた。このようにすれば電子部品には所望の遠心加速度が付与される。

上記試験法で電子部品の静特性の試験を行った結果を図４に示す。図４の横軸は、図５に示す加速度センサＣの出力信号に基づいて算出された遠心加速度の振れが規定値以下となった部分（図において水平な部分）の平均値である。また、縦軸は、電子部品の出力信号の平均値である。

次に、遠心加速度が変化した場合の電子部品の動特性の試験をする場合における遠心加速度の測定例について図５を参照し説明する。この試験の説明では、モータ２２４のエンコーダの出力に基づいて算出した遠心加速度についても比較のため説明する。

図５は、図３において遠心加速度が１００Ｇから１５０Ｇに増加する過程における遠心加速度の変化を示した図である。遠心加速度は、目標の１５０Ｇに対して一度オーバーシュートしてその後１５０Ｇに収束するが、加速度センサＣの出力から算出した遠心加速度に対してエンコーダの出力から算出した遠心加速度は、遠心加速度の変動が大きいところで最大１５０Ｇの０．１％程度の偏差があった。また、加速度センサＣの出力から算出した遠心加速度に対してエンコーダの出力から算出した遠心加速度のピーク位置のズレは最大０．１秒であった。この差異は、エンコーダを用いた場合のジッタを起因としているものである。

なお、上記した試験装置２において、加速度センサＣの出力信号に基づいてモータ２２４の回転数を制御すればより遠心加速度を精密に制御でき有効である。また、上記本態様の試験装置では被試験体として例えば電子部品など信号を出力するものを対象としているが、本発明に係る試験装置の対象とする被試験体はこれに限定されることなく、例えば耐久試験を目的とした機械装置の部品などを対象とすることも可能である。

本発明に係る試験装置の概略構成図である。図１の試験装置をフレームに組込んだ状態を説明する図である。図１の試験装置で試験をした結果の一例を示す図である。図１の試験装置における試験方法を説明する図である。図１の試験装置で測定された遠心加速度を説明する図である。

符号の説明

１保持具
２試験装置
３フレーム
１１コネクタ
２１送信部
２２回転部
２３受信部
２４データ処理部
２５コントローラ
３１開閉ドア
３２チャンバ
３３磁気シールドボックス
３４通気口
２１１支持部材
２１２送信基板
２１３ソケット
２２１回転体
２２２保持具装着孔
２２３回転軸
２２４モータ
２２５電池
２２６電池ホルダー
２３１アンテナ
２３２受信基板
２３３支持部材
C 加速度センサ

Claims

遠心加速度を付加して被試験体の特性を評価する試験機であって、回転軸を備え、前記被試験体が回転軸の軸心から偏心した位置に取り付けられる回転体と、前記回転体を回転させる駆動手段と、前記軸心から偏心した位置において前記回転体に組み込まれ遠心加速度を検出する加速度センサと、前記加速度センサの出力信号を電波に変換し送信する発信器と、前記発信器および前記加速度センサに電力を供給する電源と、前記回転体の外に設置され前記電波を受信する受信器とを備える遠心加速度試験機。