JP4351117B2 - レオメーター・モーターのドラッグ・カップの温度検知のための装置、システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度検知のための装置、システムおよび方法に関する。本発明は、より詳細には、レオメーターのモーター内にあるドラッグ・カップの温度検知に関する。

回転式のレオメーター、粘度計（ｖｉｓｃｏｍｅｔｅｒ）またはビスコシメータ（ｖｉｓｃｏｓｉｍｅｔｅｒ）は、一般に、測定対象となる材料を回転させたり、撓ませたり、振動させることにより、それらの粘性、コンプライアンスおよび弾性率などの、その材料の流体としての性質、または他の性質を測定するために用いられる。その測定に際しては、トルクを与えることによって生じる速度または変位を測定するか、速度または変位の付与によって生じるトルクを測定することが行われる。材料の性質を測定するために、トルクおよび速度／変位が、測定対象の幾何学的因子と共に用いられる。

本明細書中で使用される「レオメーター」という用語には、流体または類似の材料（下記段落を参照）の性質の測定に用いるレオメーター、粘度計、ビスコシメータ、および、これらに類似する機器が含まれる。

本明細書中で使用される「材料」という用語には、液体、油、分散液、懸濁液、乳濁液、接着剤、生体液、ポリマー、ゲル、ペースト、スラリー、融成物、樹脂、粉体、またはこれらの混合物が含まれる。このような材料は、本願明細書において「流体」とも呼ばれる。材料の具体例として、アスファルト、チョコレート、血液、掘削泥水、滑沢剤、油、グリース、フォトレジスト、液状セメント、エラストマー、熱可塑性プラスチック、熱硬化性プラスチックおよび塗料がある。

レオメーターは一般に、材料の流体性の測定に用いられる。一つの方法として、材料の入ったドラッグ・カップに、ドラッグ・カップ・モーターによって発生させたトルクを与え、その結果生じる速度または変位を測定する方法がある。材料の性質を決定する要因として、トルクおよび速度／変位が、測定対象の変形と共に用いられる。ドラッグ・カップ・モーターが発生するトルクは、ドラッグ・カップの温度に左右されることが公知となっている。そのため、材料の物理的性質を測定するために用いられる、ドラッグ・カップ・モーターが発生するトルクの測定が正確なものであることを保証するため、レオメーターに用いられているドラッグ・カップの温度を知ることが重要になる。ドラッグ・カップの温度を考慮しないと、材料の性質に関する測定結果の精度と妥当性が低下することになる。このため、ドラッグ・カップの温度を測定して、この温度がトルクに及ぼす影響を特定することが望まれている。

レオメーターが備えるドラッグ・カップ・モーターのドラッグ・カップの温度を一定かつ均一に維持しようとしても、作動時にドラッグ・カップの温度が変動し、そのためドラッグ・カップ・モーターが発生させるトルクに変化が起きることがある。そのため、ドラッグ・カップのその時点における温度（実温）をできる限り正確に測定する技術が所望されている。しかし、ドラッグ・カップの実温の測定には困難が伴う。例えば、従来技術による方法に、モーターの固定子巻線に温度検知用プローブを取付ける方法があるが、ドラッグ・カップと巻線との間のエア・ギャップが大きいため、得られた測定結果が正しくないことが多い。

したがって、レオメーターのドラッグ・カップ・モーター内のドラッグ・カップの温度を測定するための有効かつ精度の高い装置、システムおよび方法を開発することが望まれている。さらに、さまざまな温度変動を明らかにすると共に、この温度変動が、試験対象の材料に実際に与えられているトルクに及ぼす影響を解明するために、試験時にモーター内のドラッグ・カップの実温を測定することが所望されている。また、ドラッグ・カップに直接接触することなく、あるいはモーター内でのドラッグ・カップの運動を妨害することなく、レオメーターのドラッグ・カップ・モーター内のドラッグ・カップの温度を測定できる、柔軟でありながら経済性の高い方法も求められている。

本発明は、ここに提示する代表的な実施形態に記載するように、レオメーターのドラッグ・カップ・モーター内でドラッグ・カップの温度を測定する際によくみられる、効率および精度の低さを解消するものである。本発明の代表的な実施形態は、ドラッグ・カップの温度の算出に用いる温度検知部品がモーター内部のモーター部品の近くに保持されており、モーターの運動が妨げられない装置、システムおよび方法を提供する。

本発明は、本質的に、ドラッグ・カップ・モーターのドラッグ・カップの温度を検知する技術を含む。所定の材料を試験する際に、この温度が正しく測定されて、モーターの実際のトルクの調整／補正に使用される。このトルクから、材料の物理的性質が直接求められる。このように、本発明は、作動中にドラッグ・カップ・モーター内のドラッグ・カップが発熱し、その熱がドラッグ・カップ・モーターが発生させるトルクに影響することを考慮に入れることにより、所定の材料の物理的性質の測定を微調整すると共に改善するために用いられる。
好ましい実施例においては、ドラッグ・カップ・モーターが、電流源と接続されるコイルを備えるように変更される。コイルの電気的活動の変動によってコイルがドラッグ・カップの温度を検知できるように、コイルはドラッグ・カップの十分近くに配置される。
本発明の別の代表的な実施形態として、レオメーターのドラッグ・カップ・モーター内にあるドラッグ・カップの温度を求めるための装置が開示される。この装置は温度検知手段を備えているとともに、同温度検知手段は、電流源と接触し、且つ電気的活動の変動によって温度検知手段がドラッグ・カップの温度を検知可能なようにドラッグ・カップの十分近くに設けられる。

本発明のさらに別の代表的な実施形態においては、材料の性質を求めるためのシステムが開示される。このシステムは、ドラッグ・カップ・モーターを有するレオメーターと、電流源と連通しているコイルとを有する。ドラッグ・カップは、コイルがコイルの電気的活動の変動を検知可能なようにコイルの十分近くにある。

本発明は、例えば、ドラッグ・カップ・モーターであって、モーター芯ホルダーと、前記モーター芯ホルダーの周りに配置されたモーター巻線と、前記モーター芯ホルダーを取り囲み、かつ前記モーター芯ホルダーを中心に回転可能なドラッグ・カップと、前記モーター芯ホルダーの周りに設けられ、かつ電流源と接続されているコイルと、を有し、前記コイルにおける電気的活動の変動によって前記コイルが前記ドラッグ・カップの温度を検知できる程度に、前記コイルは前記ドラッグ・カップの十分近くに設けられている、ドラッグ・カップ・モーターとして具現化されうる。
前記電気的活動は電圧を含む場合があり、電流を含む場合がある。
前記ドラッグ・カップは円筒形状であり、かつ内側部分を有する場合がある。
前記コイルは前記ドラッグ・カップの前記内側部分内にある場合がある。
前記コイルは取り外し可能なコイル・ホルダーに巻回されている場合がある。
前記コイルは銅ワイヤを有している、或いは銅ワイヤでできている場合がある。
本発明は、また、レオメーター内にあるドラッグ・カップ・モーターであって、モーター芯ホルダーと、前記モーター芯ホルダーの周りに配置されたモーター巻線と、前記モーター芯ホルダーを取り囲み、かつ前記モーター芯ホルダーを中心に回転可能なドラッグ・カップと、前記モーター芯ホルダーに載置されるコイル受けに巻回されるコイルと、を有し、前記コイルは電流源と接続されており、前記コイルにおける電気的活動の変動によって前記コイルが前記ドラッグ・カップの温度を検知できる程度に、前記コイルは前記ドラッグ・カップの十分近くに設けられている、ドラッグ・カップ・モーターとして具現化されうる。
前記電気的活動は電圧を含む場合があり、電流を含む場合がある。
前記ドラッグ・カップは円筒形状であり、かつ内側部分を有する場合がある。
前記コイルは前記ドラッグ・カップの前記内側部分内にある場合がある。
前記コイルは取り外し可能なコイル・ホルダーに巻回されている場合がある。
前記コイルは銅ワイヤを有している、或いは銅ワイヤでできている場合がある。
本発明は、また、レオメーターのドラッグ・カップ・モーターが有するドラッグ・カップの温度を検知するための装置であって、電流源と接続されている温度検知手段を有しており、前記温度検知手段は、当該温度検知手段における電気的活動の変動によって前記ドラッグ・カップの温度を検出できる程度に、前記ドラッグ・カップの十分近くに設けられている、装置として具現化されうる。
前記電気的活動は電圧を含む場合があり、電流を含む場合がある。
前記ドラッグ・カップは円筒形状であり、かつ内側部分を有する場合がある。
前記温度検知手段は前記ドラッグ・カップの前記内側部分内にある場合がある。
前記温度検知手段は着脱可能とされている場合がある。
前記温度検知手段は前記ドラッグ・カップの端部にある場合がある。
前記温度検知手段の電圧の変化がモニタされるようになっている場合がある。

本発明は、また、ドラッグ・カップの温度の変化によって生じるトルクの変化を補償するために、前記ドラッグ・カップに与えるトルクを発生させるドラッグ・カップ・モーターの巻線電流に流す電流を調整する方法であって、前記ドラッグ・カップ・モーターを作動させるステップと、前記ドラッグ・カップの内部の近くに巻回されたコイルに電流を供給するステップと、前記ドラッグ・カップの温度の変化によって生じる前記コイルにおける電圧の変動を検知するステップと、検知された前記電圧の変動に基づいて、ドラッグ・カップの温度変化によって生じるドラッグ・カップ・モーターが発生させるトルクの変化を補償するように、巻線電流を調整するステップと、を含む方法として具現化されうる。
この場合、前記ドラッグ・カップを円筒形状であり、かつ内側部分を有するものとすることができる。
前記コイルをコイル受けに巻回したものとすることができる。
前記コイルを前記ドラッグ・カップの一方の端の近くに配置することができる。
前記コイルを銅ワイヤを含むものとすることができる。
検知された前記電圧の変動に基づいて、ドラッグ・カップの温度変化によって生じるドラッグ・カップ・モーターが発生させるトルクの変化を補償するように、巻線電流を調整する場合、前記ドラッグ・カップの温度の変化によって生じる前記コイルにおける電圧の変動を検知するステップで、検知した前記コイルにおける電圧の変動に基づいてドラッグ・カップの温度変化によるトルクの変化を決定し、そのトルクの変化を打ち消すように上述の巻線電流を調整することができる。

本発明の特徴および効果は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解できるであろう。

本発明の装置、システムおよび方法は、レオメーターによく使用されるドラッグ・カップ・モーター内でドラッグ・カップの温度を容易に測定できるようにするものである。この実施形態では、評価用電子回路と、組み込み式の温度検知部品とを使用して、局所的な渦電流を解析することにより、ドラッグ・カップの温度を容易かつ正確に測定できるようにする。この温度検知部品は、測定対象のモーターに及ぼす影響を最小限度に抑えつつ、ドラッグ・カップにできる限り近づけて配置される。

各種レオメーターが、本発明の教示から利益を得ることができる。代表的なレオメーターとして、２００２年３月２９日に出願されたピーター・フォスター（Peter Foster）およびナイジェル・ドゥー（Nigel Doe）による米国特許出願第１０／１０８，３５１号「回転式レオメーター（Rotary Rheometer）」や、２００３年３月７日に出願されたナイジェル・ドゥーおよびピーター・フォスターによる米国特許出願第１０／３８２，５８９号「機器用の取り外し可能な部品の自動識別のためのシステムおよび方法（System and Method for Automatic Identification of a Detachable Component of an Instrument）」に記載されているものがある。上記の特許出願は、その全てを本明細書に援用する。これらの代表的なレオメーターや、その他のレオメーターは、本発明の代表的な実施形態を取り入れるか、その配置（geometry）を変更することによって、本発明の利益を得ることができる。これらは、本発明の新しい温度検知部品および関連する電子回路を利用して、モーター内のドラッグ・カップの温度を測定し、これに基づいて実際に発生させられるトルクの精度を向上させることができる。

本発明に係るシステムの代表的な実施形態は、図１に、ドラッグ・カップ・モーター１００として示される。図１には、形状および配置の特定されたレオメーター・モーター１００が示されているが、本発明はこの代表的な形状および配置を有するものに限定されない。当業者にとって自明なように、本発明の範囲内で他の形状および配置を採用することが可能である。

モーター１００は、モーター１００と駆動用電子回路とを接続する電気コネクタ１４０を有する。モーター１００の主駆動軸１３０は、モーター１００から下方に突出する下部突出端１３０ａと、上方に突出する上部突出端１３０ｂの２つの端部を有する。モーター１００はハウジング１０を有し、そのハウジング１２０内にあるエア・ベアリングは、試験対象の材料の粘性を測定する内部部品の適切な回転運動を補助する。モーター１００の外側にはアウター・ハウジング１１０がある。アウター・ハウジング１１０は、モーター１００の内部部品を保護して、モーターの繊細な内部部品を保護しているほか、その内部に収容しているモーター部品の入れ物としての機能と、運搬装置としての機能を果たす。

図１ｂ〜１ｅは、ドラッグ・カップ・モーターの内部センサ・アセンブリの構造を示す図である。例えば、図１ａは、アウター・ハウジング１１０を取り外した状態のモーター１００を示す。また、図１ｂは、本発明の代表的な実施形態によるドラッグ・カップ・モーターの構成を概略で示す断面図、図１ｃは、図１ｂで示したドラッグ・カップ・モーターの端部を概略で示す図、図１ｄは、図１ｂで示したドラッグ・カップ・モーターの円Ａで示した範囲を概略で示す拡大図、図１ｅは、図１ｂで示したドラッグ・カップ・モーターの円Ｂで示した範囲を概略で示す拡大図である。
なお、これらの図で示された内部構造は例に過ぎず、本発明を限定することを意図するものではない。
この内部構造には、ドラッグ・カップ１７０がある。ドラッグ・カップ１７０は、モーター本体内で回転運動できるように配置されている。材料（図示せず）の試験は、モーター芯ホルダー１５０に対して、ドラッグ・カップ１７０と主駆動軸１３０とを移動させるために必要なトルクを測定することによって行われる。さらに、モーター芯ホルダー１５０は温度検知部品１８０を収容している。この温度検知部品１８０は、評価用電子回路と連携してドラッグ・カップ１７０の温度を測定する。ドラッグ・カップ１７０、モーター芯ホルダー１５０、温度検知部品１８０および評価用電子回路に関する説明および詳細については下記に記載する。

ドラッグ・カップ１７０の外側部分には、それを囲む固定子巻線１６０が設けられており、固定子巻線１６０は、レオメーター・モーター１００を作動させるために必要な駆動力を発生させるようになっている。例えば、この巻線１６０は、鉄製の磁極片にワイヤを巻回させたコイル等から構成され得る。

代表的な実施形態においては、端部１３０ａ，１３０ｂを有する円筒形状の主駆動軸１３０とキャップ部分１５２とは一体構造をなしており、ドラッグ・カップ１７０がこの一体構造に取付けられて、ユニット全体が形成される。このユニット全体は、全体で、作動時に回転するモーターの一部分を構成している。主駆動軸１３０は、端部１３０ａ，１３０ｂを有しており、モーター芯ホルダー１５０内に嵌合されている。その際、円筒形状の主駆動軸１３０のキャップ部分１５２が、モーター芯ホルダー１５０を連通すると共に、エア・ベアリングにより支持されてモーター芯ホルダー１５０内に保持されるようになる。

評価用電子回路と共に使用される本発明の好ましい実施形態による温度検知部品は、コイル受け１８０として示されている。この実施形態が示す代表例なコイル受け１８０は、モーター芯ホルダー１５０に取付けられており、評価用電子回路と接続されてモーター１００内のドラッグ・カップ１７０の温度を検知するワイヤのコイル（図示せず）を受け入れられるような形状にされている。コイル受け１８０に設けられた切欠部１８５は、ワイヤの引き出し用溝として使用され得る。コイル受け１８０は、好ましくは、他の金属製の部品に生ずる渦電流からコイルを絶縁するために、耐熱ゴムやプラスチックなどの電気絶縁材料から形成される。図１ｂ〜１ｅに示すように、コイル受け１８０は、ほぼドラッグ・カップ１７０の温度のみを検知可能なように、ドラッグ・カップ１７０の方向にその溝を向けた、例えばＵ字状の断面を有する。もっとも、溝の断面形状を、半円または三角形などの別の断面形状とすることによって上記の目的を達成してもよい。

図２は、モーター芯ホルダーを取り外した状態のドラッグ・カップ・モーター２００の上部を示す。ハウジング２１０内に内部巻線２６０がある。下部突出部１３０ａと嵌合する突出部収容構造２１１がモーター２００の底部に設けられている。この底部は、センサ・アセンブリをその内部に収容すると共に、回転中に構造を安定させる。

本発明の利点の１つは、ドラッグ・カップの温度測定の精度を最大限に向上させるうえで、モーター自体のこの内部構造を採用することにある。従来のドラッグ・カップ・モーターでは、固定子の巻線２６０に温度センサを組み込み、このセンサからの出力を用いて巻線２６０に流す電流を補正し、ドラッグ・カップ・モーターのトルクを補正していた。この従来法には、固定子とドラッグ・カップの間にエア・ギャップが存在するため、この補正はせいぜい２次的なものに留まるという欠点がある。本発明の装置、システムおよび方法は、ドラッグ・カップ温度を高い精度で直接測定するため、このエア・ギャップによって生じる誤差および誤りを低減させ、レオメーターの出力トルクの測定精度を向上させる。

モーター芯ホルダー３００は、図３ａ〜３ｂに示すように、モーターの他の内部部品に対するドラッグ・カップ３７０の回転を滑らかにさせるためのエア・ベアリング・ハウジング３２０を有する。モーター芯ホルダー３００は、エア・ベアリング・ハウジング３２０に空気を供給する各種エアコネクタ３４０を有する。アウター・キャップ３５０は、例えば図１ａに示すように、モーター・ハウジング１１０の最上部の開口部に対して、モーター芯ホルダー３００を堅固に固定している。

ドラッグ・カップ・モーターの内部部品の回転運動は、当業者に公知となっている。手短に記載すると、磁界を回転させると、金属製のドラッグ・カップ内に渦電流が有機され、金属性のドラッグ・カップに力が生ずる。この渦電流が今度は磁界を生じさせる。レンツの法則により、こうして生じる２つの磁界の向きは逆向きとなる。この「カップ」に生じる磁場は、回転磁界に追従させられる。このため、カップは回転磁界と共に「ドラッグされ（引かれ）」、これによってトルクが生じ、カップの移動が起こることもある。磁界の回転速度は、駆動周波数および磁極数により決定され、各極の組を通る電流を変化させて、磁場の強度を変化させることによりトルクを変えることができる。通常、例えば２極モーターには独立した２組の巻線の組がある。この場合のトルクは、各相の電流の積により決まる。

回転磁界は、作動時に例えば数千回／分（ｒｍｐ）の回転数で回転する。しかし、この磁界は非常に広範囲に変えることができる。ドラッグ・カップ・モーターは、一般的に、極めて弱い磁界を高速回転させることにより、比較的円滑なトルクを低速かつ低トルクで生成させる。

ドラッグ・カップ３７０をモーター芯ホルダー３００から取り外すと、温度検知部品３９０が外部に露出する。このように、本願明細書に示す代表的な実施形態においては、温度検知部品３９０はドラッグ・カップ３７０の下に配置される。しかし、他の配置も可能であり、当業者にとって自明である。例えば、温度検知部品３９０をドラッグ・カップ３７０の外に設けてもよい。また、本例においては、温度検知部品３９０は、モーター軸の円筒形状本体３３５の芯の比較的高い位置に配置される。しかし、温度検知部品３９０の位置はこのような比較的高い位置に限られることはなく、ドラッグ・カップ温度を効率的に測定できるような位置であればどこに配置してもよい。例えば、図３ｂの例に示すように、温度検知部品３９０を、最上部の近傍ではなく、モーター芯ホルダー３８０の中央部に配置してもよい。

図面に示す本実施例の代表的な実施形態においては、温度検知部品（例えば部品３９０）は、ドラッグ・カップ（例えば図３ａ，３ｂのドラッグ・カップ３７０）の近くにある。この配置により、作動中のモーターのドラッグ・カップ３７０の温度変化を、より容易かつより正確に検知できるようになる。ドラッグ・カップ・モーターが生じさせるトルクは、固定子の駆動電流の大きさ及び周波数と、ドラッグ・カップ３７０の抵抗に基づいて決まる。しかし、ドラッグ・カップ・モーターは、効率が低く、作動中に熱を帯びる。これは望ましくない。ドラッグ・カップ３７０の温度が上昇すると抵抗が上昇し、所定の電流に対して生じるトルクが変化してしまう。ドラッグ・カップ３７０の温度を正確に検知することにより、電流を補正してトルクを所定値に維持することができる。詳細に記載すると、本発明によれば、ドラッグ・カップ・モーターの作動中に、ドラッグ・カップ３７０の内周の近くに巻回されたコイルに、定電流または定電圧が（例えば電線３９５を介して）供給される。ドラッグ・カップの温度変化によって生じるトルクの変化は、ドラッグ・カップの温度変化によって生じるコイルの電気的活動（例えば、電流を印加したときは電圧、または電圧を印加したときは電流）の変動を検知することにより求めることができる。そして、その検知した電気的活動に基づいて、巻線電流または巻線電圧を調整することにより、トルクの意図しない変動を補償することができる。

図４ａ〜４ｄに、代表的なドラッグ・カップ４００を示す。これら図面には、形状および寸法が特定されたドラッグ・カップ４００が示されるが、本例は本発明を限定するものではない。本願明細書に記載する機能と同様の機能を実行可能であれば、他の形状および寸法のドラッグ・カップを使用し得ることは当業者にとって自明である。通常、ドラッグ・カップ４００は、断面略円形の円筒形状を有するが、形状が異なっていてもよい。さらに、ドラッグ・カップ４００は、外殻４１０と、外殻４１０から延在する円筒形状の延長部４２０とを有している。延長部４２０は、取付用ハブ４３０として機能し、軸への取付けを可能にする。延長部４２０は取付用ポート４４０を１つ以上有しており、ドラッグ・カップ４００を軸または他の部品に容易に取付けられるようにする。

外殻４１０は、取付け用の円筒形状の延長部４２０と比べ比較的薄いことが多い。ドラッグ・カップ４００は、慣性を低く抑えるため、比較的薄くされることが多い。本発明の好ましい実施形態では、外殻４１０の内面４５０は、図面に示すように温度検知部品に接近している。円筒形状の延長部４２０の内面４３０は温度検知部品から離れているので、温度検知部品が延長部４２０の近くに配置されない限り、延長部４２０の内面４３０の温度が温度検知部品の計測値に影響することはほとんどない。このように、温度検知部品との距離に応じて、異種の材料によって壁を形成しても、この２種類の内面の各々に内面に内張をしても、或いはこの両方を行ってもよい。

図５ａ〜５ｃに、モーター芯ホルダー５００の代表的な実施形態を示す。モーター芯ホルダー５００はアウター・キャップ５２０を有している。アウター・キャップ５２０は、アウター・ハウジング１１０の最上部の受容領域（図示せず）に入るような形状を有する。これは、例えば図１ａに示されるほか、図２により詳細に示されている。本体部５１０は、アウター・キャップ５２０の縦軸と直交する向きに延びており、モーターの巻線（例えば図２のモーター２００の巻線２６０）内に嵌合するようされている。モーター芯ホルダー５００の上部の内面５３０は、図１ａ、図３ａおよび図３ｂに示すように、ラジアル・エア・ベアリングの一部をその内部に収容するように形成されている。モーター芯ホルダー５００の底部の内面５４０は、図３ｂに示す円筒形状の本体３３５など、円筒形状の本体を収容するように形成されている。

コイル受け収容領域５５０は、アウター・キャップ５２０と、本体部分５１０との間の繋ぎ目部分に設けられる。この収容領域５５０は、本発明の代表的な実施形態において使用する温度検知部品を収容する。図５ａ〜５ｃには、収容領域５５０が特定の位置に示されているが、本発明はこの位置に限定されることはなく、当業者は、ドラッグ・カップ温度を適切に検知できる限り、ドラッグ・カップからみてどのような位置にでも収容領域を配置するであろう。

上記したように、本発明の温度検知部品を組み込んだドラッグ・カップ・モーターは、例えばモーターに流す電流を調整することによって、実際のトルクをより正確に供給して、トルクを予定された一定のレベルに維持する。

評価用電子回路と共に使用される、本発明の好ましい実施形態による代表的な温度検知部品を、図６ａ，６ｂにコイル受け６００として示す。代表的なコイル受け６００は２つの外縁６１０を有し、この外縁６１０によって内部コイル収容領域６２０が形成される。コイル（図示せず）は、銅ワイヤから形成され得、コイルの３面がコイル受け６００の一部に囲まれ、残りの１面がドラッグ・カップの近くでドラッグ・カップに露出されるように、内部コイル収容領域６２０に巻回され得る。このコイル受け６００は、好ましくは耐熱ゴムまたは耐熱プラスチックからなる。図５ａ〜５ｃに示すように、コイル受け６００の内面６３０は、コイル受け収容領域５５０に連結されるか、固着されるか、あるいはその他の方法によってコイル受け収容領域５５０にぴったりと嵌目困れる。

以上の説明で、代表的なコイル受け６００の特定の形状を示したが、本発明はこの形状に限定されない。例えば、内部コイル収容領域６２０の断面は、図６ａに示した矩形ではなく、半円形や三角形の断面であってもよい。さらに、円筒形状のドラッグ・カップの周縁部の近くに配置するコイルを、ドラッグ・カップの内部に配置しても、外部に配置してもよい。コイルがドラッグ・カップに接近しているが、コイルがモーターの運動に干渉しないように、コイルがドラッグ・カップに接触しないようにする必要がある。

図７に、本発明の代表的な実施形態によるモーター７００の内部と、各種部品の相対位置とを示す。図７に示す部品の相対位置は、図１ｅの例に対応しており、本図にはこのほかに渦電流密度も示される。本図に示すように、渦電流密度はドラッグ・カップ７６０内にほぼ集中しており、モーターの他の部分には分布していない。

図７に示すように、温度検知部品７４０は、例えば検知用コイル・ボビンまたはコイル受けである。温度検知部品７４０は、モーター芯ホルダー７２０のドラッグ・カップ７６０内面との間隔が比較的狭くなるような位置に配置される。温度検知部品７４０は、コイル７５０を収容するコイル収容領域７４５を有する。温度検知部品７４０は、例えば、耐熱ゴムまたは耐熱プラスチックからなる。コイル７５０は、例えば、銅線、又はアルミニウム線からなる。領域７８０は、通常は空気で満たされている。

ドラッグ・カップ・モーターの使用時に、駆動軸７１０が、ドラッグ・カップ７６０と共に、他の部品に対して回転する場合には、交流電流がコイル７５０に印加され、これにより電流が誘導されてドラッグ・カップ７６０に流れる。ドラッグ・カップ７６０の抵抗によりこの誘導電流はエネルギーを失わせ、このエネルギーはコイル７５０を駆動する回路によって供給される。ドラッグ・カップ７６０の温度が変化するとその抵抗も変化するために、誘導電流によって失われるエネルギーも変化する。このため、コイル７５０に供給される電力をモニタすることによって、巻線７７０内に温度センサを取付けなくても、巻線コイル７５０の近くでドラッグ・カップ７６０の温度を正確に測定できる。それが可能なほど接近してドラッグ・カップ７６０の温度を測定することにより、ドラッグ・カップ７６０に直接接触せずに（これはドラッグ・カップ７６０の動作を妨害するおそれがある）、温度検知能を最大限に向上させることができ、ドラッグ・カップ７６０の機能を損なうこともない。また、これとは別の方法によって渦電流を測定することも可能である。このように、図面に示した代表的な実施形態を使用すれば、ドラッグ・カップで発生する渦電流によって生じる電気的活動を測定することにより、コイルを定電圧で駆動して電流の変動を検知することも、コイルを定電流で駆動して電圧の変動を検知することもできる。

ワイヤのコイル７５０自体や、モーター・アセンブリのその他の金属部品もエネルギーを失わせ、この損失量も温度の変動によって変わるため、このシステムの設計および較正には注意を払う必要がある。例えば、アセンブリのその他の金属部品の誘導電流が最小となるような設計が必要であり、また、ワイヤのコイル７５０で失われるエネルギーの量を正確に考慮に入れる必要がある。

トルクを段階的に変化させたときのドラッグ・カップの温度およびコイルの温度を示すグラフの例を図８に示す。本例では、横軸で示された時間の６０秒の時点で５０％のトルクを与え（６０秒より前は、与えられたトルクは０）、３６０秒の時点でトルクを与えるのを止めた。本発明の代表的な実施形態の利点は、コイルでの損失を求めることができることにあり、全損失からコイルでの損失を引くと、ドラッグ・カップの温度変動によって生じた損失が得られる。この損失を温度に変換する。図８を参照してこの点を更に詳細に説明する。

コイルの温度のオーダー（order）は、固定子巻線の温度のオーダーと同じであると考えられる点が注目される。このことは、コイルの温度のプロットの形状が、相殺（offset）の有無を問わずドラッグ・カップの温度にさほど正確に追従しないため、コイルの温度変化を使用してドラッグ・カップ温度を求めることが好ましくないことを意味する。図８のグラフは例に過ぎず、本発明の代表的な実施形態の機能および能力を限定するものではない。異なる配置および電気特性を有するモーターではプロットの形状が変わる。

本発明の温度検知システムの一部を構成する電気回路の代表的な実施形態を図９に示す。この電気回路は、渦電流に基づいてドラッグ・カップの温度を検知するために用いられるものである。それにより検知されたドラッグ・カップの温度は、レオメーター・モーターのトルクまたは速度の調整にさらに用いられる。この代表的な実施形態において、印加電流は、大きさが「ａ」で、周波数が「ｗ」の交流分と、大きさが「ｂ」の静的直流分とを有する。これが相関関数に示す電圧をコイルに発生させる。大きさ「ｃ」および「ｄ」は、印加電流の大きさ「ａ」の交流分に基づいて変動する。静的直流分「ｅ」は、印加電流の大きさ「ｂ」の静的直流分に関係している。

交流分によりコイルに供給される総電力は、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}＝ａ・ｃ／２によって求められる。ターゲットに生ずる渦電流のために失われる電力を求めるには、総電力から、コイル抵抗のために失われる電力の交流分を減算する必要がある。コイル抵抗は、Ｒ_ｃｏｉｌ＝ｅ／ｂによって求められる。同様に、コイル抵抗によって失われる電力の交流分は、Ｐ_ｃｏｉｌ＝ａ^２／２・Ｒ_ｃｏｉｌ＝ａ^２／２・ｅ／ｂとなる。このため、ターゲットの渦電流により失われる電力は、Ｐ_ｅｄｄｙ＝ａ・ｃ／２−ａ^２／２・ｅ／ｂとなる。渦電流によって生ずるこの電力損は、レオメーターのモーターの実際に発生するトルクを調整するために用いられる。別の回路を使用してターゲットに生じる渦電流による電力損を求めてもよく、それは当業者にとって自明である。

図面に示した代表的な実施形態は、様々な形状および設計を有していてもよい。このような代表的な実施形態の寸法は、使用するレオメーターおよびドラッグ・カップ・モーターによって決まる。このように、本発明の温度検知部品の代表的な実施形態を有するレオメーターの特定の部品の寸法に関する特段の必要条件はない。本願明細書に記載した機能を実行できるのであれば、どのような構成も可能である。以下に、代表的な一実施形態の寸法を記載する。

ドラッグ・カップの外径：３５．６２ｍｍ
ドラッグ・カップの内径：３４．５０ｍｍ
ドラッグ・カップの壁厚：０．５６ｍｍ
コイル外径：３３．５０ｍｍ
コイル内径：３０．００ｍｍ
コイル巻線の厚み：１．７５ｍｍ
コイル長（コイルを巻回する長さ、すなわち２つの外縁６１０間の距離）：０．５０ｍｍ
コイルとドラッグ・カップとの間隔：０．５０ｍｍ
コイル・ワイヤの直径：０．２０ｍｍ
コイル内のターン数：約１５０
交流分の駆動周波数「ｗ」：１０００００ラジアン／秒
交流分の電流の大きさ「ａ」：１ｍＡ
静的直流分の電流の大きさ「ｂ」：２ｍＡ

上記以外の寸法を採用すること、および変更を行うことも可能であり、それらは、不要な実験を行うまでもなく当業者にとって自明である。

本願明細書に開示された本発明による例示的な装置、システムおよび方法は多くの利点を有する。そのような利点の１つに、ドラッグ・カップまたは他のモーター部品の動作を妨げることなく、ドラッグ・カップ温度を測定し、決定できることにある。ドラッグ・カップの温度を測定し、その温度に応じてモーターに流す電流を調整して、モーターの実際のトルクを比較的一定の値に維持することができる。

本発明による装置、システムおよび方法はこれ以外の利点も有し、これは当業者にとって自明である。

本発明の代表的な実施形態を記載するに当たり、本発明の方法および／またはプロセスを、ステップの特定の順序によって示した。しかし、方法またはプロセスが、ここに記載したステップの特定の順序に依存しない限り、方法またはプロセスは、記載したステップの特定の順序に限定されるべきではない。当業者が理解するように、ステップの順序を変えることも可能である。したがって、本明細書に記載されるステップの特定の順序は、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、本発明の方法および／またはプロセスを対象とした請求項は、記載したステップの順序で実行することに限定されるべきではなく、本発明の趣旨および範囲内でステップの順序を変更できることが当業者に容易に理解される。

上記の本発明の実施形態の開示は、例示および説明のために提示されたものであり、あらゆる実施形態を網羅することを意図するものでも、開示した厳密な形態に本発明を限定することを意図するものでもない。上記の開示を考慮に入れれば、本明細書に記載した実施形態の多くの変形例および変更例が当業者にとって自明となり得よう。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲ならびにその均等物によってのみ規定される。

本発明の代表的な実施形態によるドラッグ・カップ・モーターの構成を概略で示す図である。 本発明の代表的な実施形態によるドラッグ・カップ・モーターの構成を概略で示す断面図である。 図１ｂで示したドラッグ・カップ・モーターの端部を概略で示す図である。 図１ｂで示したドラッグ・カップ・モーターの円Ａで示した範囲を概略で示す拡大図である。 図１ｂで示したドラッグ・カップ・モーターの円Ｂで示した範囲を概略で示す拡大図である。 本発明の代表的な実施形態によるドラッグ・カップ・モーターの外側本体および内部の固定子巻線を概略で示す平面図である。 本発明の代表的な実施形態による、モーター芯ホルダーに取付けられた状態のドラッグ・カップを概略で示す図である。 ドラッグ・カップを取り外した状態の図３ａのモーター芯ホルダーを概略で示す図である。 本発明の代表的な実施形態によるドラッグ・カップを概略で示す平面図である。 本発明の代表的な実施形態によるドラッグ・カップを概略で示す側面図である。 本発明の代表的な実施形態によるドラッグ・カップを概略で示す断面図である。 本発明の代表的な実施形態によるドラッグ・カップを概略で示す斜視図である。 本発明の代表的な実施形態によるモーター芯ホルダーを概略で示す断面図である。 本発明の代表的な実施形態によるモーター芯ホルダーを概略で示す平面図である。 本発明の代表的な実施形態によるモーター芯ホルダーを概略で示す側面図である。 本発明の代表的な実施形態によるコイル受けを概略で示す斜視図である。 本発明の代表的な実施形態によるコイル受けの模式上面図である。 本発明の代表的な実施形態によるドラッグ・カップ・モーターの内部部品の相対位置と、これらの部品に生じる渦電流分布を模式的に示す図である。 本発明の代表的な実施形態による、非接触式に測定したドラッグ・カップの温度とコイルの温度とを示すグラフである。 本発明の代表的な実施形態による回路のブロック図である。

符号の説明

１００，２００ ドラッグ・カップ・モーター
１５０，３００，５００，７２０ モーター芯ホルダー
１６０，２６０，７７０ 巻線
１７０，３７０，４００，７６０ ドラッグ・カップ
１８０，３９０，７４０ 温度検知部品
１８０，６００ コイル受け
３２０ エア・ベアリング・ハウジング
４３０，４５０ 内面
５５０ コイル受け収容領域
５５０ 収容領域
７００ モーター
７４０ 検知用コイル・ボビン
７５０ コイル

Claims (10)

1. レオメーター内にあるドラッグ・カップ・モーターであって、
   モーター芯ホルダーと、
   前記モーター芯ホルダーの周りに配置されたモーター巻線と、
   前記モーター芯ホルダーを取り囲み、かつ前記モーター芯ホルダーを中心に回転可能なドラッグ・カップと、
   前記モーター芯ホルダーに載置されるコイル受けに巻回されるコイルと、を有し、
   前記コイルは電流源と接続されており、前記コイルにおける電気的活動の変動によって前記コイルが前記ドラッグ・カップの温度を検知できる程度に、前記コイルは前記ドラッグ・カップの十分近くに設けられている、
   ドラッグ・カップ・モーター。
2. 前記電気的活動は電圧を含む、
   請求項１に記載のドラッグ・カップ・モーター。
3. 前記電気的活動は電流を含む、
   請求項１に記載のドラッグ・カップ・モーター。
4. 前記ドラッグ・カップは円筒形状であり、かつ内側部分を有する、
   請求項１に記載のドラッグ・カップ・モーター。
5. 前記コイルは前記ドラッグ・カップの前記内側部分内にある、
   請求項４に記載のドラッグ・カップ・モーター。
6. 前記コイルは取り外し可能なコイル・ホルダーに巻回されている、
   請求項１に記載のドラッグ・カップ・モーター。
7. レオメーター内にあるドラッグ・カップの温度の変化によって生じるトルクの変化を補償するために、前記ドラッグ・カップに与えるトルクを発生させるものであり、前記ドラッグ・カップに取り囲まれたドラッグ・カップ・モーターと接続されたモーター芯ホルダーの周りに配置されたモーター巻線に流す巻線電流を、前記モーター芯ホルダーに載置されるコイル受けに巻回されたコイルであり、それにおける電気的活動の変動によって前記ドラッグ・カップの温度を検知できる程度に前記ドラッグ・カップの十分近くに設けられているものを用いて調整する方法であって、
   前記ドラッグ・カップ・モーターを作動させるステップと、
   前記ドラッグ・カップの内部の近くに巻回されたコイルに電流を供給するステップと、
   前記ドラッグ・カップの温度の変化によって生じる前記コイルにおける電圧の変動を検知するステップと、
   検知された前記電圧の変動に基づいて、ドラッグ・カップの温度変化によって生じるドラッグ・カップ・モーターが発生させるトルクの変化を補償するように、巻線電流を調整するステップと、を備える方法。
8. 前記ドラッグ・カップを円筒形状であり、かつ内側部分を有するものとする、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記コイルを前記ドラッグ・カップの一方の端の近くに配置する、
   請求項７に記載の方法。
10. 前記コイルを銅ワイヤを含むものとする、
    請求項７に記載の方法。

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