JP2017090047A

JP2017090047A - 推力測定装置及び測定手法

Info

Publication number: JP2017090047A
Application number: JP2014057992A
Authority: JP
Inventors: 義浩細川; Yoshihiro Hosokawa; 斉藤　浩二; Koji Saito; 浩二斉藤; 政博横井; Masahiro Yokoi; 伊藤　昇; Noboru Ito; 昇伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2017-05-25
Also published as: WO2015141378A1

Abstract

【課題】従来、発熱や振動が発生する推力発生器の推力測定においては、推力発生器を板や線材などを用いて空間中に保持し測定を行っていた。しかし、この従来の推力測定手法では、測定対象の推力発生器を空間中に保持する必要があるため、推力発生器ごとに推力伝達器を製作する必要がある。また、測定装置が大型となる問題点があった。
【解決手段】板ばねや線材などを利用し空間中に保持した推力検出器を推力発生器に対向して設置する。推力伝達器と推力発生器は、磁気力、原子間力、静電気力などを用いて同一の動作をするように設計されている。推力伝達器に生じる力や加速度を測定することで、推力発生器により生じた推力を測定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、推力発生器の推力を測定すると共に、発生した推力から推力発生器の特性を測定する測定装置及び測定手法に関わるものである。

従来、推力を測定する装置では次の２つの方法が存在する。従来手法（１）は、推力発生器をリニアガイドなど水平に移動するステージの上に設置し、力センサーを用いて推力を検出するものである。従来手法（２）は、推力発生器を板や線材などで空間中に保持し、力センサーを用いて推力を検出するものである。特に、従来手法（２）は、推力発生器と力センサーが離れているため、推力発生器が発熱する場合や振動する場合、これらが雑音として力センサーの測定に影響を及ぼさないといった利点がある。また、推力測定のゼロ点調整が容易であることも特徴である。一例としてジェットエンジンを板ばねで吊下げて推力測定を実施しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−５０８４９号公報（図１）

しかしながら、従来手法（２）は、測定対象の推力発生器を板または線材にて空間中に保持する必要があるため、推力発生器ごとに推力測定器（推力伝達器）を製作する必要がある。また、測定対象の推力発生器を空間中に保持するため、測定装置が大型となる問題点があった。

この発明に係る推力測定装置は、
移動機構に設置され推力を発生する推力発生器と、
板ばねもしくは線材のいずれか一方または両方を介して構造体に支持され、前記推力発生器と所定間隔離間して配置された推力伝達器と、
前記推力伝達器に取付けられ、前記推力発生器と前記推力伝達器の間に発生する推力を検出する力センサーと、を備え、
前記推力伝達器に発生した推力を前記力センサーにより測定するものである。

この発明によれば、推力発生器を板ばねや線材で空間中に保持する必要がなく、推力発生器を空間中に保持して推力測定を行うのと同じく、推力発生器と力センサーが離れているため、推力発生器が発熱や振動を生じる場合でも、これらが雑音として力センサーに影響を及ぼさないという効果が発揮出来る。そのため、推力伝達器の小型化や汎用化といった従来にない顕著な効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１による推力測定装置を示す断面図である。本発明の実施の形態２による推力測定装置を示す断面図である。本発明の実施の形態３による推力測定装置を示す断面図である。本発明の実施の形態４による推力測定装置を示す断面図である。本発明の実施の形態５による推力測定装置を示す断面図である。本発明の実施の形態６による推力測定装置を示す断面図である。本発明の実施の形態７による推力測定装置を示す断面図である。本発明の実施の形態８による推力測定装置を示す断面図である。本発明の実施の形態９による推力測定装置を示す断面図である。本発明の実施の形態１０による推力測定装置を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による推力測定装置を示す断面図である。構造体２（代表的な物に天井や壁があるが、本装置を設置できる物であれば、これらに限定されない）に板ばね、もしくは線材１を用いて、推力伝達器３を空間中に保持する。図１において推力伝達器３は、板ばね、もしくは線材１により２カ所で保持されているが、保持数は２未満もしくは２以上でもかまわない。また、推力伝達器３は、板ばね、もしくは線材１のみにより保持される必要はなく、補助的な保持機構（たとえば、移動機構）を有してもかまわない。推力伝達器３に対向して推力発生器４を設置し、推力伝達器３に磁石５を、推力発生器４に磁性体６を取り付ける。磁石５および磁性体６は、お互いが磁気力により吸引されるよう設置する。

ここで、磁石５および磁性体６はお互いが逆でもかまわない。また、磁性体６の代わりに磁石を利用してもかまわない。また、ここで述べる磁石は磁気力を発生できる物一般を示し、外部エネルギー（たとえば電気）の必要性の有無は問わない。また、ここで述べる推力発生器４とは、推力を発生しうる装置を全て含み、その作用形態を問わない。また、結果として推力が発生すれば、推力発生を目的としない装置も含む。推力発生器４の代表的なものに、ジェットエンジン（化学反応によって推力を発生する）、イオンエンジン（電気反応によって推力を発生する）、プロペラ（周囲の流体を移動させることで、推力を発生する）、直線駆動型モータ（電磁気力によって推力を発生する）、ファン（周囲の流体を移動させることで、結果的に推力が発生する）、ボールネジ機構と回転型モータ（回転運動を直線運動に変換する機構を用いて推力を発生する）、慣性駆動モータ（慣性力を用いて推力を発生する）がある。推力発生器４は移動機構８にて移動できるようになっている。移動機構８の代表例として、リニアガイド、キャスター、タイヤ、油圧ガイド、空気圧ガイドなどがある。推力伝達器３には力センサー７を取り付ける。力センサー７は、構造体２の基準点もしくは面（例えば横壁や穴、ボルトなど）と推力伝達器３の間に発生した力を測定する。推力発生器４で推力が推力発生方向９の矢印方向に発生したとき、磁性体６と磁石５の間に働く吸引力により、推力伝達器３に力が働き、力センサー７により推力の測定が可能となる。

このような構成によれば、推力発生器４を直接空間中に保持することなく、推力測定が可能となる。そのため、測定対象の推力発生器を取り替える場合でも、磁性体６を取り付けた推力発生器４を移動機構８に設置するだけで、測定対象の変更が可能となる。また、推力伝達器３の大きさは推力発生器４によらない為、推力測定装置の小型化が可能となる。

さらに、このような構成によれば、推力発生器４が発熱する場合、ねじれ力を発生する場合、もしくは振動を発生する場合、これらが力センサー７へ及ぼす影響を排除でき、精密な推力測定が可能となる。

実施の形態２．
また、図２に示すように、電磁気力の代わりに原子間力もしくは静電気力１０のいずれかもしくは両方を用いても良い。静電気力を利用する場合は、外部より電荷を印加する装置として、電圧発生器１１を接続してもよい。推力伝達器３と推力発生器４がすでに電荷
を蓄えているか、もしくはお互いの真空準位に差がある場合は、推力伝達器３と推力発生器４を近接すると、推力伝達器３と推力発生器４の間に、静電気力が発生するため、電圧発生器１１を接続しなくても良い。電圧発生器１１にて発生させる電圧は直流、交流を問わない。また、電圧発生器１１にて発生される信号は、原子間力もしくは静電気力１０を変調することを目的としてもよい。原子間力は推力伝達器３と推力発生器４を近づける事により生じる力であり、代表的なものにファンデルワールス力や原子間引力、原子間斥力、分子間引力、分子間斥力がある。ただし、推力伝達器３と推力発生器４を近づけると、静電気力も同時に生じる。電圧発生器１１により静電気力のみを変調しその変調信号を検出することで、原子間力もしくは静電気力１０から静電気力のみを利用することができる。また、電圧発生器１１により静電気力のみを変調しその変調信号を含まない成分を検出することで、原子間力もしくは静電気力１０から原子間力のみを利用することができる。

図２においては、構造体２の一部として片持ち梁を利用しているが、板ばね、もしくは線材を利用してもよい。さらに、図２において、推力発生器４自身が移動機構と一体としているが、外部の移動機構８上に設置しても良い。ここで、推力発生器４に推力が発生した際、原子間力もしくは静電気力１０を介して推力伝達器３に生じた力を力センサー７で検出する。ここで、力センサー７の代表例に圧電素子や抵抗変化素子を利用したセンサーがあるが、これらに限定されない。このような構成によれば、非常に微小な推力の検出が可能となる。

実施の形態３．
また、図３のように、推力伝達器３及び力センサー７として外部検出を利用した方式でもよい。光発生器１２（レーザー、ＬＥＤ（light emitting diode）など）および分割フォトダイオード１３を利用し、推力伝達器３のたわみを検出する。推力伝達器３である片持ち梁のばね定数が既知であれば、そのたわみ量から推力を算出する事が可能である。また、推力伝達器３である片持ち梁を共振周波数で励振させれば、原子間力もしくは静電気力１０により推力伝達器３の振動が変調される。この変調成分を検出することで、推力を計算することが可能である。このような構成によれば、たわみ量を高感度で検出できるため、推力を高感度に検出する事が可能となる。

実施の形態４．
また、推力が変調可能な推力発生器４において、図４のように外部から推力を変調する構成としてもよい。推力変調信号１４を推力変調器１７にて出力し、推力発生器４により発生する推力を変調する。推力発生器４の推力を変調する方式の代表例として、電気的手法の他、機械的手法、化学反応を利用した手法、生体反応を利用した方法があるが、これらに限定されない。また、変調方式の代表例として振幅変調方式、周波数変調方式、位相変調方式やこれらを組み合わせた方式があるが、これらに限定されない。力検出信号１６のうち、変調同期信号１５に同期する成分を変調同期検出器１８にて検出する。変調同期検出器１８は復調器とも呼ばれ、代表的なものにロックインアンプ、包絡線検出器、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）検出器などがあるが、これらに限定されない。また、ここで、同期する成分は、1倍波に限定されず、高調波成分および低調波成分への同期でも実施できる。このような構成によれば、検出感度を向上する事が可能となる。

実施の形態５．
また、図５に示すように、力センサーとして、加速度センサー１９を利用した構成としてもよい。加速度センサーの値を演算（例えば、時間積分）することで、力の値を算出することが出来る。このような構成によれば、構造体２に基準となる点（例えば、横壁や穴、ボルト）が存在せず、一般的な力センサーが利用できない場合においても、推力を検出する事が可能となる。

実施の形態６．
また、図６に示すように、板ばね、もしくは線材１に働く力を検出する力センサー２０を利用する構成としてもよい。本構成において、力センサー７は必須では無い。このような構成によれば、推力伝達器３と推力発生器４の間に働く力(引力もしくは斥力)の検出が可能となる。また、推力発生器４が発生する力によって推力伝達器３の３次元動作を検出することが可能となり、発生推力を３次元的に検出する事が可能となる。

実施の形態７．
また、図７に示すように、板ばね、もしくは線材１のねじれをねじれ検出器２１にて検出する構成としても良い。図７では、ねじれ検出器として、圧電素子や抵抗変化素子などを利用した自己検出型を示しているが、光てこやレーザー干渉などを利用した外部検出方式でもよい。つまり、本構成においては自己検出型センサーは必須では無い。このような構成によれば、推力発生器４が発生する力によって推力伝達器３の３次元動作を検出することが可能となり、発生推力を３次元的に検出する事が可能となる。

実施の形態８．
また、図８に示すように、力発生および力検出器２２を取り付ける構成としてもよい。力発生および力検出器２２は、推力伝達器３に力を印加する事ができるとともに、印加した力を計測する事ができる装置である。このような構成によれば、推力測定における装置の校正が可能となる。すなわち、推力発生器４が無い状態で、力発生および力検出器２２を利用して力を推力伝達器３に印加する。このとき、理想状態では、力発生および力検出器２２で印加した力と力センサー７で検出される力は同一となる。一方、誤差要因（例えば、板ばね、もしくは線材１による反力や推力伝達器が測定中に移動する事に起因する誤差）が存在すれば、力発生および力検出器２２で印加した力と力センサー７で検出される力には差が生じる。この差を事前に計測しておくことで、推力発生器４の推力測定時に、装置による影響を校正する事が可能となる。

実施の形態９．
また、図９に示すように、推力伝達器として直線駆動型モータの一次側２３を利用し、推力発生器として直線駆動型モータの二次側２４を利用する構成としても良い。直線駆動型モータの一次側２３と二次側２４はお互いが逆の構成でも良い。このような構成によれば、直線駆動型モータの一次側２３と二次側２４の間に働く引力の影響を排除した、推力及び推力変動の測定が可能となる。

実施の形態１０
また、図１０に示すように、推力伝達器とし直線駆動型モータの一次側２３、推力発生器として直線駆動型モータの二次側２４を利用する構成とし、直線駆動型モータの二次側２４を外部駆動装置２５にて移動させる構成としても良い。直線駆動型モータの一次側２３と二次側２４はお互いが逆の構成でも良い。このような構成によれば、直線駆動型モータの一次側２３と二次側２４の間に働く引力の影響を排除した、直線駆動型モータの一次側２３と二次側２４の間に働く非励磁状態推力変動を計測する事が可能となる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形省略することが可能である。

１板ばねもしくは線材、２構造体（天井もしくは壁）、３推力伝達器、４推力発生器、５磁石、６磁性体、７、２０力センサー、８移動機構、９推力発生方向、１０、原子間力もしくは静電気力、１１電圧発生器、１２光発生器、１３分割フォトダイオード、１４推力変調信号、１５変調同期信号、１６力検出信号、１７推力変調器、１８変調同期検出器、１９加速度センサー、２１ねじれ検出器、２２力発生および力検出器、２３直線駆動型モータの一次側、２４直線駆動型モータの二次側、２５外部駆動装置。

Claims

移動機構に設置され推力を発生する推力発生器と、
板ばねもしくは線材のいずれか一方または両方を介して構造体に支持され、前記推力発生器と所定間隔離間して配置された推力伝達器と、
前記推力伝達器に取付けられ、前記推力発生器と前記推力伝達器の間に発生する推力を検出する力センサーと、を備え、
前記推力伝達器に発生した推力を前記力センサーにより測定することを特徴とする推力測定装置。
前記推力発生器は磁性体あるいは磁石を備え、
前記推力発生器が磁性体を設けている場合には、前記磁性体に対向する面に磁石を配置し、前記推力発生器が磁石を設けている場合には、前記磁石に対向する面に磁性体を配置して、前記力センサーが前記磁性体と前記磁石間に発生する磁気力を検出することを特徴とする請求項１に記載の推力測定装置。
原子間力もしくは静電気力のいずれか一方または両方を検出することにより、前記推力伝達器に発生した推力を測定することを特徴とする請求項１に記載の推力測定装置。
前記推力発生器により生じる推力を変調する推力変調器を備え、当該推力変調器により前記推力を変調し、変調した信号を前記力センサーによって検出して前記推力伝達器に発生した推力を測定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の推力測定装置。
前記推力伝達器に加速度センサーを設置し、加速度を検出することで推力を測定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の推力測定装置。
前記構造体に接続した、前記推力伝達器を前記推力発生器と所定間隔離間して配置するための板ばねもしくは線材、のいずれか一方または両方に加わる力を検出する力検出器を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の推力測定装置。
前記構造体に接続した、前記推力伝達器を前記推力発生器と所定間隔離間して配置するための板ばねもしくは線材、のいずれか一方または両方に加わるねじれを検出するねじれ検出器を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の推力測定装置。
前記推力伝達器に力発生器および力検出器を設置することにより推力測定における装置の校正を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の推力測定装置。
前記推力伝達器の代わりに直線駆動型モータの二次側、前記推力発生器の代わりに直線駆動型モータの一次側、あるいは二次側を設置し、前記直線駆動型モータの一次側を設置したときは前記直線駆動型モータの二次側に発生する推力を測定し、前記直線駆動型モータの二次側を設置したときは前記直線駆動型モータの一次側に発生する推力を測定することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の推力測定装置。
前記直線駆動型モータの二次側を外部駆動装置により移動することにより、非励磁状態推力変動を測定することを特徴とする請求項９に記載の推力測定装置。
移動機構に設置され推力を発生する推力発生器と、
板ばねもしくは線材のいずれか一方または両方を介して構造体に支持され、前記推力発生器と所定間隔離間して配置された推力伝達器と、
前記推力伝達器に取付けられ、前記推力発生器と前記推力伝達器の間に発生する推力を検出する力センサーと、を備えた推力測定装置を用いて前記推力発生器に発生した推力を測定する推力測定方法であって、
前記推力発生器に発生した推力を前記推力伝達器に伝達し、当該推力を前記力センサーで検出して前記推力伝達器に発生した推力を測定することを特徴とする推力測定方法。