JP4096099B2

JP4096099B2 - 直接駆動モータを用いた回転粘度計

Info

Publication number: JP4096099B2
Application number: JP2003281333A
Authority: JP
Inventors: 健司菜嶋
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2005049214A

Description

本発明は、回転の生成と発生トルクの測定、或いは、その逆の組み合わせで試料の粘性等を測定する回転粘度計に関し、特に、ステップモータ等の直接駆動モータを用いることにより、高分解能でかつ構成が簡単な回転粘度計とした直接駆動モータを用いた回転粘度計に関するものである。

回転粘度計は従来より種々のものが用いられており、更に各種のものが提案されているが、例えば特開平４−３０９８４０号公報に示され、図３に示すような恒温ジャケットを使用した外筒回転形粘度計が使用されている。図示する回転粘度計３１においては、昇降台３２の上に恒温ジャケット３３を載置し、その恒温ジャケット３３の中に回転粘度計３１の二重円筒３５を入れ、恒温ジャケット３３により二重円筒３５の外筒３６とその中で共軸に保持されている内筒３７との間に被計測流体３８を入れ、恒温ジャケット３３内の恒温液体４０によって被計測流体３８を所定温度に維持している。

二重円筒３５のうち前記外筒３６は、把持装置４１によって回転粘度計３１の本体に支持され、且つＡＣサーボモータ４２によって回転可能としている。また、このときのＡＣサーボモータ４２の回転は、ロータリーエンコーダ５１によってその回転状態を検出し、制御装置５０はこれを入力してＡＣサーボモータ４２の回転を所定回転数に維持している。二重円筒３５の内筒３７は回転粘度計本体に対してエアベアリング等の軸受４３によって回転自在に支持されたロッド４４の下端に固定されており、この軸受４３の上部にはロッド４４の回転位置を検出する回転位置検出器４５を備え、更にその上部にはロッドに固定したボビン４６に対して主として軸線と平行方向に巻回したコイル４７を取り付け、このコイルには制御装置５０で制御された所定の電流が供給される。コイル４７の外周には軸線に対して放射方向に磁束を形成する磁石４８、４８を配置している。

上記のような装置において、ＡＣサーボモータ４２を回転させると外筒３６が回転し、このような外筒３６の回転によりその内部の被計測流体３８が回転すると、その粘性に応じて内筒３７に対して回転トルクを与える。そのトルクによりロッド４４が回転するため、ロッド４４に固定したアーム５３先端のスリット板５４を回転させる。それにより、スリット板５４を挟んで配置した発光体５５と受光体５６によって、定常状態においては発光体５５からスリット板５４のスリット５７を通過した光が受光体５６の所定位置で受光できるのに対して、上記ロッドの回転によりスリット５７が回転するため、受光体５５での受光位置が変化する。制御装置５０はその変化信号を入力し、その変化分をなくす方向にトルク付与手段６０のコイル４６への電流量を制御する。その結果、ロッド５４にトルクが付与され、もとの定常位置に戻る。このときの電流量によって内筒３７に係るトルクが検出され、それにより被計測流体４０の粘度を計測することができる。

このような回転粘度計の最大回転数は通常５００ｒｐｍ程度であまり高速でなくても良い。一方、回転数の低い領域は、特に、レオメータとしての機能が必要な領域では非常に遅い滑らかな回転や、微小な回転振動を生成させる必要がある。また、従来の高度な回転粘度計においては、粘度計測に際して振動付与しているが、その際には、駆動系統にカムを用いていた。更に近年では、モータを回転振動するように制御する方法も実用化されている。また、上記のような駆動装置には、直接駆動のサーボモータを使うことも可能である。

上記のような従来の回転粘度計においては、その性能向上は当然のこととして、これを取り扱い易くすること、及び安価に提供することために、装置の小型化と構造の単純化が求められており、この点が技術開発の鍵となっている。そのため、駆動装置で発生した振動を何らかの伝達機構で回転粘度計の回転部に伝える場合は、伝達ロス等があるためモータを強力にする必要があり、装置を小型化するための障害になる。サーボ機構が必要なサーボモータも同様の理由により適切ではない。
特開平４−３０９８４０号公報

本発明は、小型で構造が単純であって安価であると共に、回転運動の伝達効率が良く、高い角度分解能で駆動することができるようにした回転粘度計を提供することを主たる目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、回転粘度計の駆動モータにオープンループ制御で駆動するステッピングモータを用いて装置を小型化する。また、直接駆動方式にすることにより、モータを高い角度分解能で駆動する。またステッピングモータを用いることにより特有の振動の発生が考えられるが、この振動はモータの動きの直線性を悪化させるので、ステッピングモータを使うときのマイクロステップの技術を高度化し、駆動分解能を向上させるとともに、ステップ駆動の誤差を修正することを可能とする。

即ち、一般的なマイクロステップの技術を使用する、市販のマイクロステップ搭載のステッピングモータを採用するだけで、ある程度の高分解能を達成することが可能である。しかし、高度なレオメータに使用するためには分解能がまだ不足していること、直線性誤差を解消するのが困難である問題が残る。このためには、モータに流す電流を直接制御ことで対処する。モータ各相の電流をそれぞれ制御すればモータを１ステップの間の任意の位置に止めることが出来るので、理論的には、電流の精度とモータの機械精度の許す範囲でモータ駆動の分解能をいくらでも向上できる。電流を１６ビットのＤＡコンバータを用いると、１μラジアンオーダーの回転の角度分解能が達成できる。

理想的な、即ち、各相に例えば２相ステッピングモータであればπ／２位相のずれた正弦波を入力することでモータの回転が入力波の位相の進みと一致する場合に対し、実際のモータの回転はかなりずれている。この直線性からのずれに対しては、各相に流す電流を使用するモータそれぞれの特性に合わせて個別に制御することで、このずれを修正する。直線性からのずれは周期的であるため、基本となる正弦波に対して高次の正弦波を加えること、或いは、高調波で時間軸の伸縮を行うことで補正する。

より具体的には、本発明に係る直接駆動モータを用いた回転粘度計は、回転粘度計の回転軸の軸線と駆動用モータの駆動軸線を一致させ、前記回転軸を直接駆動する駆動用モータを備えた回転粘度計であって、前記駆動用モータはオープンループによる回転制御を行うステッピングモータであり、前記ステッピングモータの各相の電流を制御する制御手段を備え、前記制御手段はxを制御位置とするとき、次の式により補正量w(x)を求めてステッピングモータを駆動することを特徴とする。
w(x)＝f(x)／（１＋f'(x)）但し、f(x)：誤差を含んだ実駆動位置を与える関数、f'(x)：f(x)の微分した関数

また、本発明に係る他の直接駆動モータを用いた回転粘度計は、前記直接駆動モータを用いた回転粘度計において、前記制御手段が前記ステッピングモータの各相の電流をソフトウェア制御が可能なＤＡ変換器を用いて制御するものである。

本発明は上記構成により、小型で構造を単純化することができ、安価な回転粘度計とすることができる。また、直接駆動方式としたので回転運動の伝達効率が良く、高い角度分解能で駆動することができ、上記課題を解決することができる。

特に、オープンループ制御が可能なモータを使用することにより、モータを粘度計の外筒の回転軸上に配置することができ、外筒の直接駆動と装置の小型化が可能となる。また、直接駆動方式を採用することにより、上記のように部品数が少なくなり価格低減に貢献できることに加え、より確実に外筒を駆動できる効果を奏する。また、モータを小さくすることができるので、回転系の慣性モーメントが小さくなり、より高度なレオメータに必須の測定手法である高速な振動駆動が可能となる。

また、従来の高分解能モータでは高速回転ができないと言う難点があったが、それに対しステッピングモータを使用すると、通常の駆動方法に近づけてゆけば、通常のステッピングモータの最高回転数まで回転させることができる。共軸二重円筒型のレオメータの最高回転数は５００ｒｐｍ程度を確保することが望ましいが、本発明によってこれが可能となる。また、分解能の点においても、前記従来のモータが６０万分の１回転であるのに対し、１００万分の１回転が充分実現で、より高性能となる。

小型で構造を単純化するため、回転粘度計をステッピングモータで回転或いは振動させ、直接駆動方式とし、このステッピングモータの各相の電流をＤＡ変換器で制御し、また各相の電流の基本となる正弦波にその高調波を加え、また、正弦波の位相進行を調整してステップモータの回転を滑らかにする。

図１は本発明による回転粘度計の概要を示し、前記図３とほぼ同様の概略構成をなす例を示している。図示する回転粘度計１においては、昇降台２の上に恒温ジャケット３を載置し、その恒温ジャケット３の中に回転粘度計１の二重円筒５を入れ、恒温ジャケット３により二重円筒５の外筒６とその中で共軸に保持されている内筒７との間に被計測流体８を入れ、恒温ジャケット３内の恒温液体１０によって被計測流体８を所定温度に維持している。

二重円筒５のうち前記外筒６は、把持装置１１によって回転粘度計１の本体に支持され、且つ後述するようなステッピングモータ１２によって回転可能としている。また、このときのステッピングモータ１２の回転は、制御装置２０からの制御信号をＤＡアンプ２１、電流アンプ２２を介してステッピングモータ１２に出力し、所定の回転、或いは振動に制御を行っている。この回路構成におけるＤＡコンバータのチャンネル数及び電流増幅アンプは、ステッピングモータの相の数だけ必要となり、同数の任意に波形発生器をＤＡコンバータの代わりに用いても、同様の機能を実現することができる。

二重円筒５の内筒７は回転粘度計本体に対してエアベアリング等の軸受１３によって回転自在に支持されたロッド１４の下端に固定されており、この軸受１３の上部にはロッド１４の回転位置を検出する回転位置検出器１５を備え、更にその上部には前記図３に示したものと同様の、或いは他の形式のトルクセンサー１６を配置している。

上記のような装置において、ステッピングモータ１２を回転させると外筒６が回転し、このような外筒６の回転によりその内部の被計測流体８が回転すると、その粘性に応じて内筒７に対して回転トルクを与える。そのトルクによりロッド１４は内部のねじりバネ部の保持力に抗して回転するためこの回転を回転位置検出器１５により検出し、トルク検出器においてその回転を元に戻す力をコイルに通電することにより発生させ、そのときのコイルへの通電量を検出することによりトルクを検出する。また、そのときのトルクにより被計測流体１０の粘度を知ることができる。

２相ステッピングモータを９０度位相差の２つの正弦波で駆動すると、リニアな回転からのずれが例えば図２に示すグラフのように生じる。グラフのf(x)は観測された誤差関数であり、これを微分し、上記式２を用いて、正弦波の進みを調整するための補正関数w(x)を求める。

上記のように、この実施例においては外筒を回転する駆動装置として、外筒を直接駆動するステッピングモータを使用している。内外筒の位置の精度を高めるために軸長は短い程良い。そのため、この構成にするために必要な中空軸のステッピングモータは丈の短いものを用意した。

ステッピングモータは、基本的には各相に流す電流を順次切り替えて行くことにより、ロータがステップ角度ずつ動くものである。電流を切り替える前後の間に設定するとステップ角度の範囲内でロータを動かすことができる。電流を任意の値に設定できれば、ロータの回転角度を任意に決めることが可能である。ステッピングモータのドライバで、マイクロステップが可能な物が市販されていおり、それらは基本ステップ角の２５０分の1程度のステップ角である。基本ステップ角は、５相ステッピングモータで通常０．７２度であるので、これを利用すれば単位ステップ角は約５０μラジアンになる。

アナログアンプによる駆動を行う構成にすると、さらに高分解能の（μラジアンオーダー）モータ制御を行うことができる。例えば、１６ビットのＤＡコンバータを使用してモータに流す電流を制御すると、２相ステッピングモータの場合、理想的な場合を仮定すると約０．６μラジアンの分解能となる。ここで「理想的」とするのは、上記の如く正弦波入力によりロータの回転角度が入力波の位相角に比例するもののことである。

しかし、ステッピングモータのロータの回転角度は、非理想的である他、ロータ・ステータの形状や加工精度の影響を受け、個々のモータ間で差がある。従って、回転角度の分解能は、ＤＡコンバータのビットエラーもあるため、上記より悪くなるが、それでもμラジアンオーダになると予想できる。

モータは基本ステップ角を基準波長としてこれの整数倍の振動成分を持つ回転角度の誤差を伴って回転する、即ち、角度誤差はモータの極毎にほぼ同じ大きさの誤差を繰り返し発生していると考えて良く、周期的な補正で振動成分を除去できる。実施例では、２相のステッピングモータを用い、電流値の設定にはコンピュータ制御可能な１６ビットのＤＡコンバータを用いる。まず、第１次近似としてモータの２つの相に流す電流を正弦波形とし、９０度位相をずらして駆動する。すると駆動量は、理想駆動量ｘに対して誤差関数f(x)だけ多く移動する。

これを式で表すと、
y(x)＝x＋f(x) ・・・（式1）
となる。f(x)は駆動の位相角によって定まる周期関数である。一例を図２に示しておく。この角度誤差f(x)をうち消すように、位相角をwだけ戻すことにする。この時wは、
w(x)＝f(x)／（１＋f'(x)）・・・（式2）
と近似することができる。ここで、f'(x)は、f(x)をｘで微分した関数である。これによって駆動すると、第２次近似として、y(x−w(x)）に従ってモータが運動する。

別の方法として、モータの回転角は、各相の電流の相対的な大きさで定まるわけであるが、回転角度の誤差は基本の正弦波形の整数倍の高調波を成分とすると考えて良く、駆動を純粋な正弦波とするのではなく、高調波成分を加えることによっても回転角の誤差を補正できる。

コンピュータで制御するＤＡコンバータを用いて回転角度を制御していると、この補正を行うことだけでなく、レオメータとして必要な機能の回転振動、ステップ駆動、フイードバック制御駆動等、様々な回転のプロファイルを柔軟に生成することが可能である。例えば、回転振動の発生に関しては、上記で補正された値を用いて逐次回転位置を更新することによって実現できる。

さらに、ＤＡコンバータを使って発生できる振動数の上限を越えて高い振動数を必要とするときには、各種シンセサイザーを用いて発生させた信号波形を用いることが可能である。例として、２相ステッピングモータの片方には最大電流を流し、もう一方の相だけ電流を振動させると、二つの相の電流の比に応じてロータが動くためモータの振動が生成される。この方法で生成できるモータの振動の最大振幅は２相ステッピングモータの基本ステップ角の半分（π／ロータの極数×4：通常のモータで１５．７ミリラジアン）を超えることはできないが、高い振動数ではモータも追従しないので、振幅は小さくてよい。例えば、試料に１０％程度の比較的大きな変形をＩＳＯ規格準拠の共軸二重円筒システムで与える場合を想定すると、必要なロータの回転角は８．２ミリラジアンであり、この方法で生成可能である。

本発明は図１に示したような共軸形二重円筒回転粘度計以外に、例えばコーンプレートを回転させる粘度計等、種々の形式の回転粘度計に対して同様に適用することができる。また、上記のような本発明は、前記回転粘度計以外でも、低速で滑らかな回転が必要な用途に用いることができる。

本発明の実施例の概要図である。本発明で用いるステッピングモータの駆動態様を示す図である。従来の回転粘度計の概要図である。

符号の説明

１回転粘度計
２昇降台
３恒温ジャケット
５二重円筒
６外筒
７内筒
８被計測流体
１０恒温液体
１１把持装置
１２ステッピングモータ
１３軸受
１４ロッド
１５回転位置検出器
１６トルク付与手段
２０制御装置
２１ＤＡアンプ
２２電流アンプ

Claims

回転粘度計の回転軸の軸線と駆動用モータの駆動軸線を一致させ、前記回転軸を直接駆動する駆動用モータを備えた回転粘度計であって、
前記駆動用モータはオープンループによる回転制御を行うステッピングモータであり、
前記ステッピングモータの各相の電流を制御する制御手段を備え、
前記制御手段はxを制御位置とするとき、次の式により補正量w(x)を求めてステッピングモータを駆動することを特徴とする直接駆動モータを用いた回転粘度計。
w(x)＝f(x)／（１＋f'(x)）
但し、f(x)：誤差を含んだ実駆動位置を与える関数
f'(x)：f(x)の微分した関数
前記制御手段は、前記ステッピングモータの各相の電流をソフトウェア制御が可能なＤＡ変換器を用いて制御することを特徴とする請求項１に記載の直接駆動モータを用いた回転粘度計。