JP4362593B2

JP4362593B2 - 磁力支持天秤装置を用いた衝撃力および力積の非接触計測

Info

Publication number: JP4362593B2
Application number: JP2006146043A
Authority: JP
Inventors: 信一須田; 秀夫澤田
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP2007315924A

Description

本発明は磁気浮上技術と、該技術を用いて非接触で衝撃力や力積を計測する技術に関する。

風洞用磁力支持天秤装置(ＭＳＢＳ: Magnetic Suspension and Balance System)は、風洞模型を磁気力で支持することによって支持干渉の問題を避けるために考案された装置である。模型を非接触で支持するため、模型に作用する空気力などの測定結果は理想的な状態での結果に非常に近く高精度になることが期待される。一方で、レーザーエネルギーによって誘起される現象についての研究が進められているが、その現象の解析、理解は充分とは言えない状況にある。例えば物体へのレーザー照射により発生する衝撃力や力積の計測では、その物体を支持している機構の影響が含まれてしまい精度の高い計測ができない。正確な計測のために非接触での試験が望まれているところである。非特許文献１には、非常に小さな力積を計測できる装置が紹介されている。力積は最大振幅に比例するという特徴を利用して、衝撃力を受けて発生した振動を計測して力積を検知する手法がとられている。ところが、機械的振動を利用する場合真空中においては振動が減衰しないという現象を伴う。そこで、振動を減衰させるため、オイルを介在させたり、磁気力を作用させるなどの方法が考えられるが、磁気力であれば、真空環境を汚染することもなく、制御パラメータの変更により、容易に減衰率を可変調整することができるため、磁気力を利用する方が有望と考えられる。

宇宙航空研究開発機構（JAXA）で開発したＭＳＢＳについて、まず簡単に紹介しておく。本発明の研究過程の試験で使用したＭＳＢＳは測定部断面が１０ｃｍ角のＭＳＢＳである。このＭＳＢＳのコイル配置、およびＭＳＢＳ座標系を図７に示す。ここに示される磁力支持天秤装置（ＭＳＢＳ）は、模型支持に伴う支持装置と気流との干渉を避けるため風洞模型１０を磁気の力で気流中に支持する装置であり、支持干渉のない風洞試験を実現することができる。風洞模型１０には磁化された物質、超伝導コイルのような電流を流し続けているコイル、或いは永久磁石等から成る磁石体が搭載される。風洞模型１０の磁石体には、風洞の測定部の周りに配置したコイルに電流を通じることにより生じた外部磁場との磁気作用によって磁気力が生じ、風洞模型１０を磁気的に浮上支持させることができる。外部磁場は、コイル１〜４と、コイル５〜８から成る二つの磁気回路と、その外側の空芯コイル０，９とによって発生され、磁気回路の各コイルに流れる電流を調節することにより、磁気回路内のｙ−ｚ面内での磁場の強さと方向及びそれらのｘ軸方向の変化率を連続的に変化させることができる。また、空芯コイル０，９に流れる電流を調節することによりｘ軸方向磁場の強さのｘ軸方向で見た変化率を制御でき、軸対称な浮揚模型に対して５自由度の運動制御ができる。即ち、磁気回路は、風洞模型１０に働く揚力と縦揺れモーメントとに対抗する磁気力を与える揚力コイルとして機能し、空芯コイル０，９は風洞模型１０に働く抗力に対抗する磁気力を与える抗力コイルとして機能している。ＭＳＢＳはフィードバック制御を行わなければ不安定になってしまうシステムであるが、この１０ｃｍＭＳＢＳではサンプリング周波数４７８.３ [Ｈz]（およそ２ [ｍsec]）でフィードバック制御を行い安定化している。

本発明者らは先に特許文献１を提示している。この発明は磁力支持天秤装置において、風洞模型に作用する動的力をリアルタイムで計算し、天秤機能を効率的に利用することが可能な磁力支持天秤装置における動的力評価システムを提供することを目的としたもので、磁力支持天秤装置において、指令電流値と計測される風洞模型の位置又は姿勢角との間における制御対象の伝達関数を数学モデルとして同定し、風洞模型に働く動的力を、同定された伝達関数に基づいて模型の位置又は姿勢角、及び指令電流の少なくとも一方に対応した値として求める。数学モデルとしての同定は、一度の試験のデータに基づいて求められる。本システムにおいては、動的力（空気力、モーメント）を求める計算途中に磁場と磁石との相互作用による力を計算しないので、計算が短時間で済み、リアルタイムで風洞模型に働く動的力を評価することができるというものであった。

特開２００４−４０２５号公報「磁力支持天秤装置における動的力評価システム」平成１６年１月８日公開 Manuel Gamero-Castano," A torsional balance for the characterization of micro Newton thrusters,"Review of Scientific Instruments, Vol.74, No.10, pp4509-4514. October 2003

本発明の課題は、磁力支持天秤装置を利用して、被試験体に作用した衝撃力および力積を非接触で計測できるようにする技術を提示することにある。

本発明の磁力支持天秤装置を用いた衝撃力および力積等の計測手法は、磁力支持天秤装置により磁気浮上された状態で支持された物体を打撃装置に衝突させ、その際の前記磁力支持天秤装置のコイル電流の値と前記打撃装置の検出値とを対応させて、磁力支持された物体に作用する力と前記コイル電流値との関係を定め、該物体に作用する衝撃力および力積を前記磁力支持天秤装置にかかる反作用として生じるコイル電流の変化から、非接触で計測するようにした。
本発明の磁力支持天秤装置を用いた衝撃力および力積等の計測装置は、永久磁石に取り付けられた被試験体を磁気浮上形態で支持する磁力支持天秤装置と、該磁力支持天秤装置の測定部にＴ字型振子の先端に力センサーを取り付けた打撃装置を設け、磁力支持された物体に作用する力と前記磁力支持天秤装置のコイル電流との関係を記憶したデータ部とを備えたものであって、前記物体を前記打撃装置に衝突させた際の前記磁力支持天秤装置のコイル電流の値と前記力センサーの検出値とを対応させて磁力支持された物体に用する力と前記コイル電流値との関係を定め前記磁力支持天秤装置にかかる反作用として生じるコイル電流の値から被試験体に作用する衝撃力および力積を計測することを特徴とする。
また、本発明において衝撃力は式（２）によって、力積は式（３）によって求められるものとした。

ここで、ｍは該被試験体の質量、ｘは被試験体の位置変位、Ｆmagは磁気力、Ｆextは外力である。

本発明の磁力支持天秤装置を用いた衝撃力および力積等の計測手法は、被試験体を非接触形態の磁力支持するものであり、該被試験体に作用する衝撃力および力積を前記磁力支持天秤装置にかかる反作用として生じるコイル電流の変化から非接触で計測するものであるから、支持機構による干渉を一切受けることが無く、精度の高い計測を行うことができる。
また、本発明における磁力支持された物体に作用する衝撃力および力積とコイル電流の変化との対応関係は、磁力支持された物体を磁力支持機構によって運動させて力センサに衝突させ、その際の前記磁力支持機構のコイル電流の値と前記力センサの検出値とを対応させて校正するようにしたものであるから、力センサを固定した振子と模型の質量が大きく異なることに起因して、振子を操作し模型に衝突させた場合と異なり単発の衝突を得ることができる。

本発明の磁力支持天秤装置を用いた衝撃力および力積等の計測手法を説明する準備として、磁力支持天秤装置によって磁気浮上された状態で支持された物体に作用する力と前記磁力支持天秤装置のコイルに流れる電流との関係を考察しておく。
図１に概略図で示すような抗力較正試験装置において、内蔵若しくは固定するなどして部分的に永久磁石１０ａを含んだ被試験体１０をＭＳＢＳで浮揚支持した状態で、該被試験体に外力Ｆextが加わったときの運動方程式は式（１）で表される。

ここで、ｍは該被試験体の質量、ｘは被試験体の位置変位、Ｆmagは磁気力である。従って、被試験体に作用する衝撃力は式（２）で表される。

ここで、被試験体に作用する磁気力はコイル電流の関数として表され、被試験体の位置変位が充分小さい範囲ではコイル電流にほぼ比例すると見なすことができる。
力積は、式（３）となる。

したがって力積は、式（２）を積分することにより、あるいは物体の位置情報から運動量を求めコイル電流から磁気力の積分値を求めこれらの差をとることにより、求めることができる。
上記の運動方程式（１）をＭＳＢＳのコイル電流Ｊxを用いて表すと式（４）となる。

ここで、Ｍｘは被試験体に内挿された永久磁石の長軸方向の磁気モーメントの大きさ、ｈxx＝∂(Ｈｘ／Ｊｘ)/∂ｘは単位電流あたりの磁場勾配である。ただし、Ｈｘ被試験体周りの磁場の強さベクトルである。実際の試験においては式(４)の右辺第１項の磁気力は、抗力較正試験の結果を適用する。抗力較正試験は被試験体におもりを懸垂し、荷重に対応するコイル電流を求めることによる。以下磁気力はコイル電流の関数としてＦmag(Ｊｘ)と表す。抗力較正試験の結果、磁気力はコイル電流に対して２次関数となった。

打撃装置はＴ字型の振子１１の先端に力センサー１２を取り付けたものである力センサー１２の出力はＦＦＴアナライザで１２.８[kHz]で計測し、これにより得られた力積を真値と仮定する。被試験体１０は長さ９０ｍｍ，直径８ｍｍの円柱状のAlnico５磁石１０ａの前後に一辺が８ｍｍのアルミの角柱１０ｂを取り付けたものである。アルミの角柱１０ｂは力センサー１２が磁性を有していたため、被試験体磁石１０ａと距離をとるために取り付けた。打撃装置の振子１１とＭＳＢＳで支持する被試験体１０は、衝突がｘ軸方向に沿って発生するように位置を調整した。はじめに、打撃装置を振子のように振り静止した被試験体１０に衝突させたところ、衝突が複数回発生した。これは被試験体１０に作用する磁気力の剛性が小さいために打撃装置を押し返すことができないためである。単発の衝突を発生させるためには、打撃装置の振子の高さがもっとも高くなる位置、すなわち振子１１の速度が０近くになる点において磁力支持された被試験体１０と衝突するようにすればよい。しかしこのような手法では衝撃力の大きさを変化させることは非常に困難になる。これとは逆に、磁力支持物体を運動させ静止した打撃装置に衝突させる手法も考えられる。例として静止→等速運動→逆方向に等速運動→静止という順序で磁力支持された被試験体１０を運動させたときの位置の時間履歴を図２に示す。衝突が起こらなければ図２中の破線のように磁力支持物体は運動するが、打撃装置と衝突すると、実線のようになる。そして速度や最高到達点を変化させることで、大きさの異なる単発の衝突を発生させることが可能となる。そこで、本発明者らは被試験体１０の方を等速運動させて振子１１に衝突させるようにした。
衝撃力のような非定常な力が作用した場合でも運動方程式(４)は成立すると考えられる。したがって、式(４)から求めた衝撃力を積分することで力積の時間変化が得られる。すなわち、式（５）となる。

本発明者らが実施した抗力較正試験の結果例、力センサー出力およびそれを積分することによって得た力積を図３に示す。衝突はおよそ１.５ [ｍsec]で終了しており、これはＭＳＢＳのサンプリング時間より短い。また、図４にＭＳＢＳの式(４)から求めた外力及び式(５)から求めた力積を示す。外力が発生してから０付近に収束するまでおよそ２０[ｍsec]要しており、その大きさは力センサー１２で計測した値の１／１０程度にしかならない。なお力センサー１２とＭＳＢＳは同期を取っていなかったため図３と図４の時間軸は揃っていない。試験の結果、力センサー１２の出力から求めた力積とＭＳＢＳの出力から求めた力積を比較すると図５のようになる。ＭＳＢＳの出力は変動が大きいため、外力が発生した時刻付近および収束した時刻付近から大小２つの力積変化量を求めこれを誤差棒とし、さらにその平均値を図５中の丸印に示している。この試験では、最大０.７２[ｍＮs]までの力積を０.０８±０.１５ [ｍＮs]以下の誤差で計測することができた。

力積の式(５)の右辺第１項は被試験体の運動量を表すため、計算手順として力積を求めるために被試験体の運動量を利用することもできる。しかし式(５)のように積分することによって、平均が０となるノイズであれば積分値が０となり、力積に対する影響を小さくできる。今回の試験結果の解析においても、被試験体の運動量を用いるよりも式(５)のように積分した方がノイズの影響を抑えられたため、式(５)の形式を採用した。
このようなノイズ以外に力積計測誤差の要因として模型の質量誤差及び磁気力誤差が挙げられる。特に磁気力誤差については、抗力較正試験のデータから同一の荷重でも０.１ [Ａ]の相違があることが確認された。これはおよそ１ [ｍＮ]の力に相当し、この誤差を磁気力以外の外力の作用が見られる最大２０ [ｍsec]の間積分することによって０.０２０[ｍＮs]の力積誤差になる。図５を見るといくつかの計測データ誤差（丸印）がこの値と近くなっている。したがって、磁気力評価誤差を小さくするすることはより高精度な力積計測のため有効であると考えられる。そのためにコイル電流ではなくホール素子出力から磁気力を評価する手法が考えられる。
ＭＳＢＳにより力積の計測可能性について実験的に調査した結果、衝突はＭＳＢＳのサンプリング時間より短い時間内に終了するにもかかわらず、０.７２ [ｍＮs]までの力積を０.０８±０.１５ [ｍＮs]以下の誤差で計測することができた。これは衝突によって模型に与えられたエネルギーをほとんど損失なく磁場が受け止めたためと考えられる。これによりＭＳＢＳは非接触での力積計測にも利用できることが確認できた。

本発明に係る物体に作用する衝撃力および力積を計測する計測装置の基本構成は、図６に示すようなものとなる。永久磁石１０ａを一体的に組み込んだ被試験体１０を磁気浮上形態で支持するＭＳＢＳ２０と、磁力支持された被試験体１０に作用する力と前記磁力支持天秤装置のコイル電流との関係を記憶したデータ部２１と、計測値を表示する演算表示部２２を備えたものである。このＭＳＢＳ２０は通常のＭＳＢＳと同様、図７に示されるようなコイル配置の測定部２０ａと、コイル電流を制御するフィードバック制御部２０ｂと、コイル電流検出部２０ｃとを備えている。
このＭＳＢＳの測定部２０ａに図１に示した抗力較正試験装置をセットし、被試験体１０を等速運動させて振子１１に衝突させたときの力センサー１２の出力をＦＦＴアナライザで計測して得られた衝撃力または力積とその際のコイル電流値との対応データを多数の異なる速度でとり、図５に示すような特性を記憶部２１に蓄積する。この特性データが記憶部２１に蓄積されて本発明に係る物体に作用する衝撃力および力積を計測する計測装置は使用可能な状態となる。すなわち、被試験体をＭＳＢＳの測定部２０ａにおいて磁気浮上させた状態で外力を加え、その際の反作用としてのコイル電流値を検出回路２０ｃによって検出する。この値を演算表示部２２でデータ部２１に蓄積された衝撃力または力積とその際のコイル電流値との特性を参照し、求める外力が及ぼす衝撃力または力積を表示する。

本発明の計測法における抗力較正試験用の装置を説明する図である。被試験体に外力を作用させたときの位置の時間履歴を示すグラフである。抗力較正試験で得た力センサー出力およびそれを積分して得た力積を示すグラフである。ＭＳＢＳの式(４)から求めた外力及び式(５)から求めた力積を示すグラフである。試験により力センサーの出力から求めた力積とＭＳＢＳの出力から求めた力積を比較するグラフである。本発明に係る計測装置の基本構成を示すブロック図である。通常のＭＳＢＳにおけるコイル配置構成を示す図である。

符号の説明

０，９空芯コイル１〜４１つの磁気回路構成するコイル群
５〜８他の磁気回路構成するコイル群１０被試験体（風洞模型）
１０ａアルニコ磁石１０ｂアルミ角柱
１１振子１２力センサー
２０磁力支持天秤装置（ＭＳＢＳ）２０ａＭＳＢＳ測定部
２０ｂ制御部２０ｃコイル電流検出部
２１データ部２２演算表示部

Claims

磁力支持天秤装置により磁気浮上された状態で支持された物体を打撃装置に衝突させ、その際の前記磁力支持天秤装置のコイル電流の値と前記打撃装置の検出値とを対応させて、磁力支持された物体に作用する力と前記コイル電流値との関係を定め、該物体に作用する衝撃力および力積を前記磁力支持天秤装置にかかる反作用として生じるコイル電流の変化から、非接触で計測するようにしたことを特徴とする磁力支持天秤装置を用いた衝撃力および力積等の計測手法。
永久磁石に取り付けられた被試験体を磁気浮上形態で支持する磁力支持天秤装置と、該磁力支持天秤装置の測定部にＴ字型振子の先端に力センサーを取り付けた打撃装置を設け、磁力支持された物体に作用する力と前記磁力支持天秤装置のコイル電流との関係を記憶したデータ部とを備えたものであって、前記物体を前記打撃装置に衝突させた際の前記磁力支持天秤装置のコイル電流の値と前記力センサーの検出値とを対応させて磁力支持された物体に用する力と前記コイル電流値との関係を定め前記磁力支持天秤装置にかかる反作用として生じるコイル電流の値から被試験体に作用する衝撃力および力積を計測することを特徴とする計測装置。
衝撃力は式（２）で求められるものである請求項２に記載の衝撃力計測装置。

ここで、ｍは該被試験体の質量、ｘは被試験体の位置変位、Ｆmagは磁気力、Ｆextは外力である。
力積は式（３）で求められるものである請求項２に記載の力積計測装置。

ここで、ｍは該被試験体の質量、ｘは被試験体の位置変位、Ｆmagは磁気力、Ｆextは外力である。