JP4394918B2 - 高精度超音波材料特性解析装置及びその温度制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、モータを使用した機械操作部を備えた高精度超音波材料特性解析装置及びその高安定な測定温度環境を作ることが可能な温度制御方法に関するものである。
モータを使用した機械操作部を備えた超音波材料特性解析装置は、新しい物質・材料特性の解析・評価技術として開発され、測定においては平面超音波と集束超音波を用いることができる。集束超音波を用いた定量計測法の一つにV(z)曲線解析法がある。この手法では水を負荷した試料表面に励起される漏洩弾性表面波（LSAW）の伝搬特性（位相速度・伝搬減衰）が計測される。この計測のためには、点集束超音波ビーム(PFB)と直線集束超音波ビーム(LFB)が使用できる。ここでは、LFB超音波材料特性解析装置をとりあげて説明を進める（[非特許文献１]、[非特許文献２]、[特許文献１]参照）。
LFB超音波材料特性解析装置は、LFB超音波デバイスと試料間の相対距離zを変化させたときに得られるV(z)曲線を解析することにより、水／試料境界を伝搬するLSAWの伝搬特性を求めることができる。図１は、超音波トランスジューサ１とLFB音響レンズ２とから成る超音波デバイスと試料４系の断面図であり、計測の原理を示すものである。また、図２にLFB超音波材料特性解析装置の構成を示す。水中における焦点を原点として座標軸を図１に示すようにとる。超音波トランスジューサ１により励振した平面超音波を、LFB音響レンズ２によりくさび状に集束し、水カプラ３を介して試料４の表面に照射する。試料４が焦点面５より超音波デバイス側に近づいている場合、試料４からの反射波のうち、超音波トランスジューサ１の出力に支配的に寄与する成分は、LFB音響レンズ２の開口面の効果により近似的に図１に示す＃０及び＃１の経路をとる成分のみとなる。＃０の成分は試料からの直接反射成分であり、＃１の成分はLSAWの励振臨界角θLSAWで試料４に入射し、試料４表面をLSAWとして伝搬する成分である。超音波デバイスが取り付けられた垂直方向zステージ６をステッピングモータ７(以下、zモータ７)を用いて移動させることで、超音波デバイスと試料間の距離zを変化させる。このとき、上記２つの成分の干渉出力として、図３に示すようなV(z)曲線が得られる。非特許文献１に示されているV(z)曲線解析法に従ってV(z)曲線の干渉周期Δzを求め、水中の縦波速度VWと超音波周波数fから式(１) よりLSAW速度VLSAWが求まる。
実際の測定において水中の縦波速度VWは、熱電対８によりデジタルボルトメータ９を介して測定される水カプラ温度から非特許文献３に示されている方法により求めることができる。これより、VLSAWの測定精度はVWを決める水カプラ温度の測定精度に依存することがわかる。例えば、0.001％のLSAW速度の測定分解能を得るためには0.01℃以内の水カプラ温度の測定精度が要求される[非特許文献２]。実際の装置においては、熱電対８は音波の伝搬領域に直接挿入することはできず、その近傍に設置している。通常、水の蒸発に伴う気化熱のために水カプラ表面温度は低下し、水カプラ内には温度勾配が生じる[特許文献２、非特許文献２]。また、この水カプラおよび温度勾配は周辺の温度環境によっても変化する。そのため、周辺温度が安定でない場合、水カプラ内の温度分布が変化し、水カプラ温度の測定誤差が生じる。したがって、VWの値に誤差が生じ、それが式(１) から得られるVLSAWの誤差となる。
このような測定原理上の問題から、LFB超音波材料特性解析装置においては、図２に示すように超音波デバイス、水カプラ３、試料４、およびzステージ６を含む機械操作部１０をアクリル製の恒温チャンバー１１内に設置している[特許文献１]。即ち、恒温チャンバー１１内には被測定試料４をx, y方向（水平面内方向）に移動制御する機械操作部１０と、試料４の上方に配置されたＬＦＢ音響レンズ２とトランスジューサ１からなる超音波デバイスが設置されたｚ方向（垂直方向）に移動可能なｚステージ６と、ｚステージ６を垂直方向に移動させるｚモータ７が設けられている。ｚモータ７はステージコントローラ１９の制御に従ってｚモータドライバ１８により駆動制御される。
恒温チャンバー１１の天井には、図２に示すよう高性能フィルタ１２が設置されている。空調機１３によって温度制御された空気が、循環ファンにより送風ダクト１４および高性能フィルタ１２を介して恒温チャンバー１１の上部から供給される。また、恒温チャンバー１１の下部より排出された空気は排気ダクト１５を通って空調機１３へ戻る。温度制御は、白金測温抵抗体を用いた第１温度センサー１６および第２温度センサー１７のいずれか選択した方により測定される温度が、予め設定した温度となるように送風温度(ヒーターの出力)をPID制御することで行なう。ここでは、第１温度センサー１６を制御点として選択しており、温度の制御性をよくするために、上方から流れる空気温度の変化を敏感に検知できる位置に設置している。また、装置全体は空調の効いた室内に設置されており、実際に測定を行なう場合は、LFB超音波材料特性解析装置を起動した状態で室内の温度を安定化し、さらに、空調機１３によりチャンバー内の温度を充分に安定化してから測定を開始する。これにより、水カプラ３の温度を±0.01℃程度で安定化でき、VLSAWにおける200回程度の繰り返し測定(約１時間)の再現性は±2σ＝±0.0013％(σ：標準偏差)を達成した。
ところが、測定回数が増え、測定時間が長期的になるにしたがい、安定したVLSAW測定値が得られない場合があった。ただし、短期的な測定時間中の測定再現性は前述のように±0.0013％程度で変わらないが、長期的に見るとその平均的な測定値が緩やかに最大で0.01％変動するような現象があった。これまでは、式(１)から測定値に直接的に影響を与えると考えられる、水カプラ温度およびその近傍の空気温度のみをモニタしていただけで、恒温チャンバー内部の温度がどのように変化しているかは把握されていなかった。特に、温度環境の擾乱の主因子となりうるzモータ７からの発熱の影響については不明であった。そのため、上記のような測定値の変動の原因が明らかになっていなかった。
特許第3392041号公報
特開2002-131295号公報
J. Kushibiki and N. Chubachi, "Material characterization by line-focus-beam acoustic microscope," IEEE Trans. Sonics and Ultrason., Vol. SU-32, pp. 189-212 (1985).
J. Kushibiki, Y. Ono, Y. Ohashi, and M. Arakawa, "Development of the line-focus-beam ultrasonic material characterization system," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 49, pp. 99-113 (2002).
W. Kroebel and K.-H. Mahrt, "Recent results of absolute sound velocity measurements in pure water and sea water at atmospheric pressure," Acustica, Vol. 35, pp. 154-164 (1976).
上述のように、従来の装置においては温度環境を安定化するための恒温チャンバーを導入したものの、VLSAW測定値の短期的な安定性しか達成されておらず、長期的な測定値の安定性にはまだ問題があった。特に、今日の電子デバイス材料として用いられているような、均質性の高い単結晶材料基板などのわずかな弾性特性の変化を捉えるための測定精度としては不十分であった。また、測定においては、水カプラ温度やその近傍の空気温度しかモニタしていないため、zモータを含む恒温チャンバー内の温度がどのように変化しているか把握されておらず、測定値の変動が何に起因するものか明らかにされていなかった。
本発明は、従来の問題点を解決するために、長期的測定におけるzモータおよび恒温チャンバー内の温度変化とその影響を明らかにし、短期的・長期的な測定によらず、いつでも高精度にLSAW速度を測定できる高精度超音波材料解析装置及びその温度制御方法を提供することを目的とする。
この発明の第１の観点による高精度超音波材料特性解析装置は、
恒温チャンバーと、
上記恒温チャンバー内の温度環境を一定に制御する空調機と、
上記恒温チャンバー内で被測定試料に超音波を入射させ、その反射波を検出する超音波デバイスと、
上記恒温チャンバー内に配置され、上記超音波デバイスを上記被測定試料に対し垂直方向に相対的に移動させるステッピングモータと、
上記ステッピングモータに励磁電流を与えると共に停止／駆動信号に従って停止／駆動するｚモータドライバと、
上記停止／駆動信号に応じて上記ｚモータドライバが発生する励磁電流の大きさを制御する励磁電流制御部と、
上記ｚモータドライバと上記励磁電流制御部に上記停止／駆動信号を与えるステージコントローラ、
とを含み、上記励磁電流制御部は上記停止／駆動信号に応答し、上記ｚモータドライバに対し上記ステッピングモータの停止期間には駆動期間より大きい励磁電流を発生させるよう制御することを特徴とする高精度超音波材料特性解析装置。
恒温チャンバーと、
上記恒温チャンバー内の温度環境を一定に制御する空調機と、
上記恒温チャンバー内で被測定試料に超音波を入射させ、その反射波を検出する超音波デバイスと、
上記恒温チャンバー内に配置され、上記超音波デバイスを上記被測定試料に対し垂直方向に相対的に移動させるステッピングモータと、
上記ステッピングモータに励磁電流を与えると共に停止／駆動信号に従って停止／駆動するｚモータドライバと、
上記停止／駆動信号に応じて上記ｚモータドライバが発生する励磁電流の大きさを制御する励磁電流制御部と、
上記ｚモータドライバと上記励磁電流制御部に上記停止／駆動信号を与えるステージコントローラ、
とを含み、上記励磁電流制御部は上記停止／駆動信号に応答し、上記ｚモータドライバに対し上記ステッピングモータの停止期間には駆動期間より大きい励磁電流を発生させるよう制御することを特徴とする高精度超音波材料特性解析装置。
この発明の第２の観点による高精度超音波材料特性解析装置は、
恒温チャンバーと、
上記恒温チャンバー内の温度環境を一定に制御する空調機と、
上記恒温チャンバー内で被測定試料に超音波を入射させ、その反射波を検出する超音波デバイスと、
上記恒温チャンバー内に配置され、上記超音波デバイスを上記被測定試料に対し垂直方向に相対に移動させるステッピングモータと、
上記ステッピングモータに励磁電流を与えると共に、停止／駆動信号に従って停止／駆動するモータドライバと、
上記ステッピングモータに接触又は近接して設けられた発熱体と、
上記停止／駆動信号に従って上記発熱体に電流を供給して発熱させる電流制御部と、
上記ｚモータドライバと上記電流制御部に上記停止／駆動信号を与えるステージコントローラ、
とを含み、上記電流制御部は駆動期間における上記ステッピングモータと上記発熱体の発生する熱量の和が停止期間の和と等しくなるよう上記発熱体に電流を与えることを特徴とする高精度超音波材料特性解析装置。
恒温チャンバーと、
上記恒温チャンバー内の温度環境を一定に制御する空調機と、
上記恒温チャンバー内で被測定試料に超音波を入射させ、その反射波を検出する超音波デバイスと、
上記恒温チャンバー内に配置され、上記超音波デバイスを上記被測定試料に対し垂直方向に相対に移動させるステッピングモータと、
上記ステッピングモータに励磁電流を与えると共に、停止／駆動信号に従って停止／駆動するモータドライバと、
上記ステッピングモータに接触又は近接して設けられた発熱体と、
上記停止／駆動信号に従って上記発熱体に電流を供給して発熱させる電流制御部と、
上記ｚモータドライバと上記電流制御部に上記停止／駆動信号を与えるステージコントローラ、
とを含み、上記電流制御部は駆動期間における上記ステッピングモータと上記発熱体の発生する熱量の和が停止期間の和と等しくなるよう上記発熱体に電流を与えることを特徴とする高精度超音波材料特性解析装置。
この発明の第３の観点による温度制御方法は、空調機により内部温度環境が一定に制御された恒温チャンバー内で超音波デバイスにより被測定試料に超音波を入射させ、その反射波を検出し、ステッピングモータにより上記超音波デバイスを上記被測定試料に対し垂直方向に相対的に移動して上記超音波デバイスにより検出した信号に基いて上記被測定試料の超音波特性を測定する高精度超音波材料特性解析装置において、上記ステッピングモータの駆動時に発生する熱量を停止時に発生する熱量が同じになるよう上記ステッピングモータへの駆動時の励磁電流より停止時の励磁電流を大きくして上記ステッピングモータを制御する。
この発明の第４の観点による温度制御方法は、空調機により内部温度環境が一定に制御された恒温チャンバー内で超音波デバイスにより被測定試料に超音波を入射させ、その反射波を検出し、ステッピングモータにより上記超音波デバイスを上記被測定試料に対し垂直方向に相対的に移動して上記超音波デバイスにより検出した信号に基いて上記被測定試料の超音波特性を測定する高精度超音波材料特性解析装置において、上記ステッピングモータの駆動時に発生する熱量を停止時に発生する熱量が同じになるよう上記ステッピングモータに接触又は近接して設けられた発熱体に対し電流を流して発熱させる。
このように、超音波材料特性解析装置を用いたLSAW伝搬特性の精密測定を行なう場合に、zモータ７からの発熱量の変化が温度環境の擾乱の主因子であることを見出し、この発明はこのｚモータの発熱量が一定となるよう制御することにより、又は隣接した発熱体とｚモータのによる発熱量の和が一定となるよう制御することにより安定した測定温度環境を実現している。
zモータの駆動時と停止時の発熱量は、通常は変化するため、その発熱量の変動を抑えて恒温チャンバー内部の温度環境を安定化させるために、モータ停止時の励磁電流を駆動時よりも増大させることによって、モータ停止時に不足する熱量を補償し、モータの停止時と駆動時の発熱量を等しくする。
zモータの駆動時と停止時の発熱量は、通常は変化するため、その発熱量の変動を抑えて恒温チャンバー内部の温度環境を安定化させるために、モータ停止時の励磁電流を駆動時よりも増大させることによって、モータ停止時に不足する熱量を補償し、モータの停止時と駆動時の発熱量を等しくする。
温度環境の擾乱因子となりうるzモータ７について、V(z)曲線測定を行なう場合の温度変化を把握するための手順を示す。V(z)曲線を測定するためには、zステージ６を予め決めた固定範囲において上下方向に往復運動させる。 例えば、開口半径１mmのLFB超音波デバイスを用いた測定の場合、zステージ６の１往復の動作は図４のように表される。まず、焦点位置(z＝0)よりz＝+60 μmの位置までzステージを上昇させる(ステップＳ１)。次に、z＝+60 μmの位置からz＝-560 μmの位置までzステージを下降させながら、V(z)曲線を測定する(ステップＳ２)。最後に、z＝-560 μmの位置からもとの焦点位置(z＝0)までzステージを上昇させる(ステップＳ３)。図４の全動作は現在の測定条件においては約17秒で完了する。zステージ６を１往復させる間、zモータ７は回転方向の転換時に合計約３秒間停止し、モータの駆動率は約82％である。その他、zモータ７が停止するのは、試料交換時、カプラ交換時、試料面内分布測定を行なう場合の試料台(機械操作部１０)の水平方向移動時、次の測定に対するコマンド入力待機時などである。
ステッピングモータ（ｚモータ）７は駆動信号が与えられている期間発生したパルス数と同じ回数だけ励磁電流の相を予め決めた量だけ指定された方向に進めることにより回転子が回転される。停止時においても回転子が回動しないよう励磁電流を与えておく。一般には消費電力を減らすため、停止時の励磁電流は駆動時の励磁電流より小さく設定するのが普通であり、これをCurrent Down機能と呼んでいる。
図４に示したようなzステージの往復運動を連続的に繰り返したときの、zモータ７の外被中央部の温度の時間変化を熱電対により測定する。モータ駆動中に充分にzモータ温度が安定したら、次に、zモータ７を停止しその時のzモータ温度の時間変化を測定する。このとき、zモータ７の励磁電流を定格電流(最大電流)、zモータ７が脱調しないで駆動可能な最小電流、およびその中間の電流値のそれぞれの電流値で行なう。
図４に示したようなzステージの往復運動を連続的に繰り返したときの、zモータ７の外被中央部の温度の時間変化を熱電対により測定する。モータ駆動中に充分にzモータ温度が安定したら、次に、zモータ７を停止しその時のzモータ温度の時間変化を測定する。このとき、zモータ７の励磁電流を定格電流(最大電流)、zモータ７が脱調しないで駆動可能な最小電流、およびその中間の電流値のそれぞれの電流値で行なう。
また、各電流値において、zモータ駆動状態および停止状態の安定温度をそれぞれ求め、電流値とzモータ温度の関係を得る。
〔第１実施例〕
〔第１実施例〕
モータ駆動時の駆動電流による銅損と鉄損による発熱量に比べ、モータ停止時の発熱量は通常、鉄損分だけ小さくなるが、この不足分を補償して、駆動時と停止時の発熱量を一定にするこの発明による方法を説明する。その方法には、図５Ａ及び５Ｂに示すような２つの実施例が挙げられる。図５Ａは、この発明の第１実施例におけるｚモータ停止時の励磁電流を駆動時よりも増大させて補償する方法（ここではCurrent Up機能と呼ぶ）を図２の高精度超音波材料解析装置で実施する場合の構成を示している。ｚモータドライバ１８は、外部からの入力電圧に比例した励磁電流を発生する。励磁電流制御部２３は、ステージコントローラ１９よりｚモータ７の停止／駆動信号を受けて、ｚモータ停止時・駆動に応じて予めプログラムされた電圧をｚモータドライバ１８に与える。ｚモータドライバ１８は励磁電流制御部２３からの入力電圧に比例した励磁電流をｚモータ７に与える。以下に、励磁電流の決め方の詳細を示す。ただし、以下の方法はいずれも空調機１３で温度制御した状態で行なう。また、図５Ｂの第２実施例については後述する。
まず、図５Ａに示すようなCurrent Up機能を用いる方法により熱補償する場合の、モータ励磁電流の決定方法を説明する。zモータ７の停止時のモータ温度を、複数の励磁電流について測定する。このときの電流値は、例えばzモータ７が脱調することなくzステージ６を駆動できる最小電流Iminと、zモータ７に流すことができる最大電流Imaxとする。次に、zモータ７を一定駆動率で駆動した場合のモータ温度を、励磁電流IminとImaxにおいて測定する。ただし、zモータ駆動開始後しばらくはモータ温度が変動するので、充分に安定した時点の温度をモータ温度とする。上記のようにして得られた電流値とモータ温度の関係において、Imin〜Imaxの間でzモータ停止時と駆動時で温度が一致する電流値IS、IDをそれぞれ求める。zモータ７の停止時にIS、駆動時にIDの電流値で、制御することにより、zモータ７の温度は一定値となる。ここで、Imin≦ID＜IS≦Imaxの関係を満足する。
まず、zモータ７の定格電流0.75 Aにおいて、zモータ７を停止した状態で充分にzモータ温度が安定した後、図４に示したzステージ６の往復運動を連続600回(時間に換算して約３時間)行ない、その後zモータ７を停止した。このときのzモータ温度の時間変化を図６Ａに示す。図６Ａの結果は、zモータ駆動開始直後から急激にzモータ温度が上昇し、駆動開始から安定するまで約17℃の温度上昇が見られた。zモータ７の停止後は逆に、急激に温度低下している。図６Ｂ、図６Ｃは、図６Ａの駆動中、停止中の温度平衡時Ｂ，Ｃのzモータ温度を一部拡大して示したものである。図６Ｃの停止時に比べ図６Ｂの駆動時の温度変化は大きい。図６Ｂの結果は、周期的な温度変化を繰り返している。この周期はちょうど、図４で述べたzステージ６の１往復する周期と一致し、zステージ下降時にzモータ温度が低下し、上昇時にzモータ温度が上昇することに対応している。すなわち、zステージ６の上昇時と下降時の負荷の違いを反映した温度変化を捉えたものと考えられる。いずれにしても、ここでは、この微小時間中の周期的な温度変動よりは、その平均的な温度変化(図６Ｂの点線で示すような移動平均値)に着目する。
図６と同様の測定を、zモータ７の励磁電流0.22 A、0.29 A、0.53 Aに対しても行ない、各電流値における駆動状態と停止状態のそれぞれの安定時のzモータ温度をプロットした結果を図７に示す。zモータ温度は電流の二乗に比例していることがわかる。また、zモータ停止時よりも駆動時の方がその比例係数が大きく、温度上昇量が大きい。
モータの発熱源には、大きく分けて次の２つが挙げられる。一つは銅損Wc、もう一つは鉄損でヒステリシス損Whとうず電流損Weに分けられ(単位は[W])、それぞれ以下の式で表される。
モータの発熱源には、大きく分けて次の２つが挙げられる。一つは銅損Wc、もう一つは鉄損でヒステリシス損Whとうず電流損Weに分けられ(単位は[W])、それぞれ以下の式で表される。
Wc = I 2 ・ R (2)
Wh = a ・ f ・ B2 (3)
We = b ・ f 2 ・ B2 (4)
ここで、Iは入力電流[Ａ]、Rは巻線抵抗[Ω]、a, bは定数、fはパルス周波数[Ｈｚ]、Bは磁束密度[Ｔ]である。銅損は、巻線抵抗からの発熱で、モータ停止時、駆動時、どちらの場合も発生する。ヒステリシス損とうず電流損は、モータ駆動時のみ発生する。図６Ａに見られたような駆動時のzモータ温度の上昇は、この鉄損に相当する発熱の影響と言える。
Wh = a ・ f ・ B2 (3)
We = b ・ f 2 ・ B2 (4)
ここで、Iは入力電流[Ａ]、Rは巻線抵抗[Ω]、a, bは定数、fはパルス周波数[Ｈｚ]、Bは磁束密度[Ｔ]である。銅損は、巻線抵抗からの発熱で、モータ停止時、駆動時、どちらの場合も発生する。ヒステリシス損とうず電流損は、モータ駆動時のみ発生する。図６Ａに見られたような駆動時のzモータ温度の上昇は、この鉄損に相当する発熱の影響と言える。
通常、モータ温度の上昇を抑えるための方法として、励磁電流を小さくする方法や、ドライバが有するCurrent Down機能(モータ停止時に自動的に電流を減少させる)を利用する方法、または、モータに放熱板を取付ける方法などがある。励磁電流を小さくする場合トルクも低下するため、ハーモニックギアを用いるなどして、より小さな電流で駆動できるような工夫が必要になる。さらに、モータの駆動スピードを駆動開始時に徐々に加速する(スローアップ)、逆に駆動終了時に徐々に減速する (スローダウン)ことにより、より小さい励磁電流での駆動が可能になる。LFB超音波材料特性解析装置で使用しているzモータ７は、例えば減速比1:100のハーモニックギアの付いたステッピングモータである。モータ駆動時はスローアップ・スローダウンを採用しており、駆動パルス(１パルスで１ステップ分の0.36°回転する)の周波数は、低速時50 Hz、高速時9000 Hz、加減速時間1000パルス分としている。これにより、定格電流0.75 Aより小さい0.22 Aまで励磁電流を減少させても脱調しないで駆動が可能である。
連続200回(約１時間)のV(z)曲線測定および30分間のモータ停止を１セットとして、10セット行なった場合の測定値の変化を調べる。zモータ７の励磁電流は、0.3 A、0.53 Aを取り上げ、Current Down機能によりzモータ停止時の励磁電流を駆動時の27％に減少させる。LSAW速度、水カプラ温度、試料周辺温度、zモータ温度および高性能フィルタ１２の吹出口温度の結果を図８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ，８Ｅにそれぞれ示す。吹出口温度は、第２温度センサー１７により測定された温度を抽出したものである。それ以外の各所の温度は、３つの熱電対を用いて測定しており、特にzモータ温度は、モータ外被中央部を測定している。試料は予め試料台に設置して、試料とLFB超音波デバイスの間のアライメントを行なっている。測定開始前は、Current Downした励磁電流でzモータ７から発熱させた状態でチャンバー内の温度を充分に安定化している。全測定時間は約15時間と長いためカプラの蒸発によってカプラ量が変化してしまう。そのため、各セットの始めにカプラを排水し、新たに一定量(１cc)付け直している。カプラを付け直した後は、V(z)曲線測定時と同じzステージ往復運動(ウォームアップ)を10回分行なってカプラ温度が安定するのを待ってから、続きの測定を行なっている。ただし、ウォームアップ中やカプラ交換中の温度は図８に示していない。
発熱源であるzモータ温度(図８Ｄ)は、各セットで測定開始直後に急激に上昇し、zモータ停止と同時に急激に低下している。また、励磁電流が大きい方が、zモータ温度の変化は大きく（図８Ｄ）、水カプラ温度や試料周辺温度の変動も大きい（図８Ｂ，８Ｃ）。LSAW速度の結果（図８Ａ）においては、各セットの200回の連続測定中は±0.0015％程度のばらつきしか見られないが、各セットの平均値は時間の経過とともにゆっくり変動している。励磁電流0.53 Aで駆動した場合では、LSAW速度が単調に増加しているように見えるが、励磁電流0.3 Aの場合は、単調増加ではなく測定値が安定していない。励磁電流0.3 Aの結果の方が各セットのLSAW速度平均値の変動量は小さいが、最大で約0.1 m/s変動しており、充分安定しているとは言えない。
図８において、zモータ温度は上昇・下降を繰り返しているのに対し、カプラ温度や試料周辺温度は単調に低下している。この理由は、zモータ７からの発熱を、第１温度センサー１６が検知し、空調機１３が冷却方向に動作したためと考えられる。実際に、図８Eの励磁電流0.53 Aでの測定において、吹出口温度は測定開始時には22.90℃であったのが、測定の終盤では約22.56℃となり、約0.34℃の温度低下を示した。高性能フィルタ１２の吹出口からの冷気は、チャンバー内全体に広がるため、温度センサーA１６の極近傍は設定温度で安定するが、第１温度センサー１６から離れた場所では測定開始時より温度が下がる。その温度低下は、機械操作部１０を含む試料台周辺全体に対して生じる。そのため、図８のカプラ温度や試料周辺温度が、測定開始時より低下している。特に、試料台付近の温度低下は、カプラ内の温度分布を変化させる要因となり、得られるVLSAW値の誤差として生じることになる。
以上のように、zモータ温度および吹出口温度の変化をモニタすることにより、zモータ７の発熱とLSAW速度測定値の変動の関係が明らかになった。図８の結果が示すように、zモータ駆動時には励磁電流をできる限り小さくし、zモータ停止時にはCurrent Down機能を用いて発熱量を減少させて、測定値の変動をある程度小さくすることは可能であるが、それでも長時間にわたるzモータ駆動を行なう場合には、zモータ７からの発熱量の変動の影響は無視できないものとなる。また、放熱板によりzモータ温度を低下させる場合でも、発生する熱量が駆動時と停止時で一定ではないので、根本的な解決策であるとは言えない。すなわち、既存の技術だけではzモータ温度および周辺の温度環境を一定に制御することができず、温度環境に敏感に影響を受ける測定を高精度に行なうことが困難であった。
ここでは、図５Ａに示したCurrent Up機能を用いた熱補償を行なう場合の実施例を示す。図７は、zモータ７の励磁電流を変えて、zモータ停止時と連続駆動時(駆動率82％)の安定点におけるzモータ７の温度をプロットした結果である。ただし、ここでは確認のため、ImaxとIminの間の電流値でも測定を行なった。図７に示した２つの直線は、停止時と駆動時の結果それぞれに対する最小二乗近似による近似直線を表している。また、図７のMax.とMin.の点線は、それぞれ、巻線に流せる最大電流値Imaxとzモータ７が脱調しないでzステージ６を駆動できる電流の最小値Iminに対応している。式(２)〜式(４)から予想されるように、図７の結果は、zモータ７の停止時、駆動時どちらも電流の２乗に比例してzモータ温度が変化している。図７の２つの近似直線間の温度差は、主に鉄損に相当する発熱に起因した温度差と考えることができる。図７の結果から、ImaxとIminの電流値の間で、zモータ停止時と駆動時のzモータ温度が一致する電流値を選択する。zステージ６を安定して駆動させるために、zモータ駆動時の電流値をIminの電流値より大きくするように決めると、駆動時0.29 A、停止時0.75 Aとすることでzモータ温度は約29.5℃で安定することになる。すなわち、従来のようにCurrent Downさせるのではなく、Current Upさせることになる。市販のモータドライバにはCurrent Upの機能はないため、市販品を改造することにより上述のように決定したモータ電流による駆動を実現した。
図９は、駆動時0.29 A、停止時0.75 Aの電流値で図８と同様な10セット分の間欠的な測定を行なった場合の結果を示している。ただし、測定を開始する前から、zモータ７には停止時の電流0.75 Aを流した状態で、空調機１３によりzモータ７およびその周辺の温度を充分に安定化している。図９ＡのLSAW速度の結果は、全測定値を通して±2σ＝±0.0016％で安定している。また、図９Ｂのカプラ温度は±0.012℃、図９Ｃの試料近傍の空気温度は±0.027℃、図９Ｄのzモータ温度は±0.134℃、図９Eの吹出口温度は±0.030℃で安定している。
また、図１０は、図９と同じ条件で(駆動時0.29 A、停止時0.75 A)、連続200回の測定を１セットとして15セット連続で行なった結果である。ただし、各セットの始めにカプラを交換し、10回のウォームアップを行なっている。図１０ＡのLSAW速度の結果は、全測定値を通して±2σ＝±0.0016％で安定している。また、図１０Ｂのカプラ温度は±0.016℃、図１０Ｃの試料近傍の空気温度は±0.025℃、図１０Ｄのzモータ温度は±0.077℃(１セット目を除くと±0.022℃)、図１０Eの吹出口温度は±0.032℃で安定している。
〔第２実施例〕
〔第２実施例〕
前述の第１実施例では、ｚモータ７の停止時における励磁電流を駆動時の励磁電流より大きくしてｚモータの発熱量が一定となるように構成した場合について説明したが、第２実施例ではｚモータの停止時の励磁電流を増加させる代わりに、図５Ｂに示すように発熱体２２により熱補償を行なうことにより、ｚモータ自体の発熱量と、近傍に設置した（あるいはｚモータ７に巻きつけた）ヒータやランプなどの発熱体２２による発熱量を合計した発熱量が一定になるように、発熱体２２に流す電流を制御するように構成されている。ｚモータドライバ１８は、ステージコントローラ１９からのｚモータ７の停止／駆動信号を受けて、ｚモータ７に対し従来と同様の方法で予め設定された電流値で駆動、停止を行うと共に、電流制御部２３がステージコントローラ１９からｚモータ７の停止／駆動信号を受けてｚモータ７の停止／駆動に応じて予めプログラムされた電流を発熱体２２に与える。ｚモータ７及び発熱体２２の温度は温度測定素子２１により測定される。
発熱体２２にIHDの電流を流して発熱させた状態で、励磁電流IMDにてモータを一定の駆動率で駆動し、安定した時点での高性能フィルタ１２の吹出口温度TDを測定する。次に、zモータ７を停止し励磁電流IMSを流した状態で、吹出口温度がTDで安定する発熱体電流値IHSを求める（IHD＜IHS）。以上求めた収束電流値IHD, IHSを用いて、zモータ７の駆動時・停止時の発熱体２２の収束電流値をそれぞれIHD、IHSとして、zモータ７の駆動・停止時の切り替えに応じて発熱体２２の電流を制御する。
例えば、停止したzモータ７にIMS、発熱体２０にIHSの電流を流した状態で吹出し口温度をTDで安定化した後、励磁電流IMDにてzモータ７を一定駆動率で駆動し、モータ駆動開始から発熱体電流をIHSからIHDまで変化させることによって、吹出し口温度がTDで一定値となる。実際にV(z)曲線測定を行なう場合は、ステージコントローラ１９からzモータ７が駆動中か停止中かを判別する信号を電流制御部２３に入力し、電流制御を行う。また、発熱体２２の電流を制御する別の方法としては、高性能フィルタ１２の吹出し口に設置した温度測定部から読み取られる温度が一定値TDとなるよう、発熱体２２の電流値をPID制御することもできる。なお、IMD＝IMSとすると簡便であるが、一般にはIMD≠IMSである。また、ここでは吹出口温度を一定にする場合を示したが、試料付近の空気温度を一定にするように制御しても同様である。
〔第３実施例〕
例えば、停止したzモータ７にIMS、発熱体２０にIHSの電流を流した状態で吹出し口温度をTDで安定化した後、励磁電流IMDにてzモータ７を一定駆動率で駆動し、モータ駆動開始から発熱体電流をIHSからIHDまで変化させることによって、吹出し口温度がTDで一定値となる。実際にV(z)曲線測定を行なう場合は、ステージコントローラ１９からzモータ７が駆動中か停止中かを判別する信号を電流制御部２３に入力し、電流制御を行う。また、発熱体２２の電流を制御する別の方法としては、高性能フィルタ１２の吹出し口に設置した温度測定部から読み取られる温度が一定値TDとなるよう、発熱体２２の電流値をPID制御することもできる。なお、IMD＝IMSとすると簡便であるが、一般にはIMD≠IMSである。また、ここでは吹出口温度を一定にする場合を示したが、試料付近の空気温度を一定にするように制御しても同様である。
〔第３実施例〕
図９と図１０の結果を比較すると、LSAW速度を始め各所の温度のばらつきはほぼ同程度であるが、zモータ温度だけは図９Ｄの方がやや大きな温度変化を示している。そこで、zモータ温度の変化をより詳しく調べるために、駆動時と停止時のモータ温度を１秒毎に測定した。図１１Ａは、zモータ７を停止状態から連続駆動した時(左側)、連続駆動状態からzモータ７を停止した時(右側)のzモータ温度の変化である。図１１Ａの結果はどちらも、zモータ７の駆動・停止の切換え直後からzモータ温度が急激に変化しており、その後ゆっくりと元の温度に戻るような過渡応答が見られる。駆動中のzモータ温度(図１１Ａ左側)は、停止中のzモータ温度(図１１Ａ右側)よりも、微小時間中の温度ばらつきが大きいことは、図６と同様の理由である。
図１１Ａに見られたzモータ温度の過渡応答は、zモータ内部で銅損による発熱(ステータの巻線部からの発熱)の過渡応答と鉄損による発熱の過渡応答(ステータコア部分やロータ部分からの発熱)の合成であると考えられる。そこで、銅損と鉄損によるzモータ温度変化を分離することを試みる。図１１Ｂはzモータ７を停止したまま励磁電流を0.75 Aで温度安定化後、時刻0 minにおいて電流値を0.29 Aにステップ的に減少させた場合と、逆に増大させた場合のzモータ温度の変化(モータ停止状態なので鉄損は生じてなく、銅損のみの温度変化)であり、図１１Ｃは、図１１Ａから図１１Ｂの結果を差し引いて得られた鉄損による温度変化分を示している。
より究極的な測定環境の安定化のためには、このようなわずかなzモータ温度の変化も除去することが望ましい。すなわち、この第３実施例においては、第１実施例におけるCurrent Up機能による電流値の切替えを、単純にステップ的に行なうのではなく、zモータ温度が一定になるように緩やかに行なうよう制御する。図１２Ａは、Current Up機能による電流値の切替えを単純にステップ的に行なった場合(図１２Ａ右側) のzモータ温度変化の結果(図１２Ａ左側)と、電流切換え直後は段階的に変化させて各電流収束値に近づけるよう制御した場合 (図１２Ｂ右側)のzモータ温度変化の結果(図１２Ｂ左側) の例である。ただし、駆動中(駆動率82％)のうちの18％の瞬停止期間中はモータ駆動中とみなしてCurrent Upしていない。図１２Ｂの電流制御は、図６Ａのように測定したモータ温度変化の時定数τを用いて、次式のように得られる電流変化を基にして、zモータ温度が一定になるよう実験的に微調整を行っている。
ここで、icはモータ駆動時あるいは停止時の各電流の収束値、ｘは実験的に得られる定数、τは時定数である。また、モータの駆動・停止の切換え時をt＝0とする。図１２Ａの左側のzモータ温度には±0.16℃程度の過渡応答(駆動中は移動平均値)が現れているが、図１２Ｂ左側のzモータ温度の結果は、±0.02℃以内(駆動中は移動平均値)の温度変化に抑えることができている。もちろん、駆動中の18％の瞬停止期間中にCurrent Upした場合でも、zモータ電流値を適切に制御することによって同様の効果が得られる。
いずれにしても、従来技術にはなかったCurrent Up機能を用いることでzモータ７の停止・駆動に関係なくチャンバー内の温度環境は安定するため、複数の試料を測定する場合においても効率良く精密に測定でき、長期的な測定再現性の向上が達成できる。
いずれにしても、従来技術にはなかったCurrent Up機能を用いることでzモータ７の停止・駆動に関係なくチャンバー内の温度環境は安定するため、複数の試料を測定する場合においても効率良く精密に測定でき、長期的な測定再現性の向上が達成できる。
以上説明した、実施例に基づいて、この発明によるzモータ７からの発熱を一定にするための方法を、図１３に示すフローチャートを参照して以下に説明する。
ステップＳ１：zモータが脱調することなくzステージを駆動できる最小電流Iminとzモータに流すことができる最大電流Imaxの各電流値において、zモータ駆動・停止時のzモータ温度の時間変化を測定し、温度変化の時定数tを求め、zモータの特性を把握する。
ステップＳ２：最小駆動電流Iminと、最大駆動電流Imaxで、zモータ停止状態の安定時のzモータ温度を測定し、zモータ停止時のzモータ温度と励磁電流値の関係を得る。
ステップＳ３：励磁電流IminとImaxにおいてそれぞれzモータを一定駆動率で駆動した状態で充分に安定した時点のzモータ温度を測定し、zモータ駆動時の励磁電流値とzモータ温度の関係を得る。
ステップＳ４：ステップＳ２、Ｓ３のようにして得られた電流値とzモータ温度の関係において、Imin〜Imaxの間でzモータ停止時と駆動時で温度が一致する電流値(停止時：IS, 駆動時：ID)をそれぞれ求める。
ステップＳ５−１：zモータの停止時にIS、zモータの駆動時にIDの電流値となるよう制御しLSAW速度測定を行なう（第１実施例）。
ステップＳ５−２：zモータ停止・駆動の切換え時に、ステップＳ１で求めた時定数τを参考にして緩やかにzモータの電流収束値(停止時:IS、駆動時: ID) まで電流を変化させることによってzモータ温度を一定に保ち、LSAW速度測定を行なう（第３実施例）。
ステップＳ１：zモータが脱調することなくzステージを駆動できる最小電流Iminとzモータに流すことができる最大電流Imaxの各電流値において、zモータ駆動・停止時のzモータ温度の時間変化を測定し、温度変化の時定数tを求め、zモータの特性を把握する。
ステップＳ２：最小駆動電流Iminと、最大駆動電流Imaxで、zモータ停止状態の安定時のzモータ温度を測定し、zモータ停止時のzモータ温度と励磁電流値の関係を得る。
ステップＳ３：励磁電流IminとImaxにおいてそれぞれzモータを一定駆動率で駆動した状態で充分に安定した時点のzモータ温度を測定し、zモータ駆動時の励磁電流値とzモータ温度の関係を得る。
ステップＳ４：ステップＳ２、Ｓ３のようにして得られた電流値とzモータ温度の関係において、Imin〜Imaxの間でzモータ停止時と駆動時で温度が一致する電流値(停止時：IS, 駆動時：ID)をそれぞれ求める。
ステップＳ５−１：zモータの停止時にIS、zモータの駆動時にIDの電流値となるよう制御しLSAW速度測定を行なう（第１実施例）。
ステップＳ５−２：zモータ停止・駆動の切換え時に、ステップＳ１で求めた時定数τを参考にして緩やかにzモータの電流収束値(停止時:IS、駆動時: ID) まで電流を変化させることによってzモータ温度を一定に保ち、LSAW速度測定を行なう（第３実施例）。
さらに究極的には、図６Ｂあるいは図１２Ｂ左側に示されたzモータ７の上下駆動時のわずかな発熱の変動差も同様な考え方で補償できる。また、Current Up機能を用いて熱補償する場合を示したが、外部発熱体により熱補償することも、Current Up機能と外部発熱体を組み合わせて熱補償することも可能である。また、ここではリダクションギア(ハーモニックギア)を用いたモータを例に取り上げているが、本発明は、リダクションギアのないモータにも適用でき、さらに、マイクロステップによる駆動を行なう、行なわないに関係なく同様に適用できる。
以上、本発明によれば、温度擾乱因子であるzモータの発熱量の変化が除去され、長時間にわたる測定においても安定した温度環境を提供でき、結果として極めて再現性の良い安定した測定値が得られるように改善される。また、本発明は、超音波材料特性解析装置に限らず、モータを有し安定な温度環境を必要とするあらゆる精密計測装置あるいは製造装置に対しても適用可能である。
１：超音波トランスジューサ、２：LFB音響レンズ、３：水カプラ、４：試料、５：焦点面、６：zステージ、７：zモータ、８：熱電対、９：デジタルボルトメータ、１０：機械操作部、１１：恒温チャンバー、１２：高性能フィルタ、１３：空調機、１４：送風ダクト、１５：排気ダクト、１６：第１温度センサー、１７：第２温度センサー、１８：zモータドライバ、１９：ステージコントローラ、２０：励磁電流制御部、２１：温度測定素子、２２：発熱体、２３：電流制御部
Claims (5)
- 高精度超音波材料特性解析装置であり、
恒温チャンバーと、
上記恒温チャンバー内の温度環境を一定に制御する空調機と、
上記恒温チャンバー内で被測定試料に超音波を入射させ、その反射波を検出する超音波デバイスと、
上記恒温チャンバー内に配置され、上記超音波デバイスを上記被測定試料に対し垂直方向に相対的に移動させるステッピングモータと、
上記ステッピングモータに励磁電流を与えると共に停止／駆動信号に従って停止／駆動するｚモータドライバと、
上記停止／駆動信号に応じて上記ｚモータドライバが発生する励磁電流の大きさを制御する励磁電流制御部と、
上記ｚモータドライバと上記励磁電流制御部に上記停止／駆動信号を与えるステージコントローラ、
とを含み、上記励磁電流制御部は上記停止／駆動信号に応答し、上記ｚモータドライバに対し上記ステッピングモータの停止期間には駆動期間より大きい励磁電流を発生させるよう制御することを特徴とする高精度超音波材料特性解析装置。 - 高精度超音波材料特性解析装置であり、
恒温チャンバーと、
上記恒温チャンバー内の温度環境を一定に制御する空調機と、
上記恒温チャンバー内で被測定試料に超音波を入射させ、その反射波を検出する超音波デバイスと、
上記恒温チャンバー内に配置され、上記超音波デバイスを上記被測定試料に対し垂直方向に相対的に移動させるステッピングモータと、
上記ステッピングモータに励磁電流を与えると共に、停止／駆動信号に従って停止／駆動するｚモータドライバと、
上記ステッピングモータに接触又は近接して設けられた発熱体と、
上記停止／駆動信号に従って上記発熱体に電流を供給して発熱させる電流制御部と、
上記ｚモータドライバと上記電流制御部に上記停止／駆動信号を与えるステージコントローラ、
とを含み、上記電流制御部は駆動期間における上記ステッピングモータと上記発熱体の発生する熱量の和が停止期間の和と等しくなるよう上記発熱体に電流を与えることを特徴とする高精度超音波材料特性解析装置。 - 空調機により内部温度環境が一定に制御された恒温チャンバー内で超音波デバイスにより被測定試料に超音波を入射させ、その反射波を検出し、上記超音波デバイスをステッピングモータにより上記被測定試料に対し垂直方向に相対的に移動して上記超音波デバイスにより検出した信号に基いて上記被測定試料の超音波特性を測定する高精度超音波材料特性解析装置の温度制御方法であり、上記ステッピングモータの駆動時に発生する熱量を停止時に発生する熱量が同じになるよう上記ステッピングモータへの駆動時の励磁電流より停止時の励磁電流を大きくして上記ステッピングモータを制御することを特徴とする温度制御方法。
- 空調機により内部温度環境が一定に制御された恒温チャンバー内で超音波デバイスにより被測定試料に超音波を入射させ、その反射波を検出し、ステッピングモータにより上記超音波デバイスを上記被測定試料に対し垂直方向に相対的に移動して上記超音波デバイスにより検出した信号に基いて上記被測定試料の超音波特性を測定する高精度超音波材料特性解析装置の温度制御方法であり、上記ステッピングモータの駆動時に発生する熱量を停止時に発生する熱量が同じになるよう上記ステッピングモータに接触又は近接して設けられた発熱体に対し電流を流して発熱させることを特徴とする温度制御方法。
- 請求項３または４記載の温度制御方法において、上記ステッピングモータの停止、駆動の切換え時に上記励磁電流に予め決めた遅延と時定数の過渡特性を与えることを特徴とする温度制御方法。
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