JP4389059B2 - 直接駆動モータを用いた回転粘度計 - Google Patents

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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、高い角度分解能で振動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。
本発明に係る直接駆動モータを用いた回転粘度計は、前記課題を解決するため、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、ステッピングモータに流す各相の電流のうち、1相を除く他の相については、所定のロータ回転角度が得られるよう予め定められた電流を流し、前記1相については電流を振動させることにより、モータに回転変位振動を発生させることを特徴とする。
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、前記ステッピングモータが2相ステッピングモータであり、前記1相を除く他の1相については最大電流を流し、前記1相については電流を振動させるようにしたことを特徴とし、さらに他の直接駆動モータを用いた回転粘度計は、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ことを特徴とする。
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。
更に、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り、例えば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。それにより、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となる。
小型で構造を単純化し、正確な振動を与えることができる直接駆動モータを用いた回転粘度計とするため、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、ステッピングモータに流す電流の内、1相のみの電流を振動させて、モータに回転変位振動を発生させることにより実現した。
以下に本発明の実施例を述べるが、最初の本発明による直接駆動モータを用いた回転粘度計において円滑な回転作動を含め、基本的な作動を説明する。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。
特に本発明においては、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、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、低速で正確な振動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
21 DAアンプ
22 電流アンプ

Claims (3)

  1. 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、ステッピングモータに流す各相の電流のうち、1相を除く他の相については、所定のロータ回転角度が得られるよう予め定められた電流を流し、前記1相については電流を振動させることにより、モータに回転変位振動を発生させ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。
  2. 前記ステッピングモータが2相ステッピングモータであり、前記1相を除く他の1相については最大電流を流し、前記1相については電流を振動させるようにした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。
  3. 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または2記載の直接駆動モータを用いた回転粘度計。
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