JP4484198B2

JP4484198B2 - 磁気ベクトル測定装置

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Publication number: JP4484198B2
Application number: JP2003433866A
Authority: JP
Inventors: 裕吉野; 隆之吉野
Original assignee: 株式会社アイエムエス
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005189200A

Description

本発明は、磁力を利用する機器の各部における磁気ベクトルを測定するための磁気ベクトル測定装置に関する。

モータの界磁や回転子に永久磁石を使用する場合に、その着磁パタンは、モータの回転特性を決める重要なパラメータになる。また、モータの界磁や回転子に電磁石を使用する場合に、磁心の形状やコイルの巻付け形状は、モータの回転特性を決める重要なパラメータになる。これらのパラメータの最適値を見つけ、回転むらの無いモータ設計をするために、モータの各部で発生磁界を精密に測定し、その解析処理をすることが行われている。（特許文献１）

例えば、永久磁石を使用したモータの界磁の着磁パタンの測定は、次のように行う。始めに、界磁の内周面に対向するように、ホール素子等からなる磁気センサを位置決めする。その後、ターンテーブル上で、磁気センサとの位置関係を保持しながら、界磁を回転子の回転軸位置を中心に少しずつ回転させる。界磁を、回転軸を中心に１回転させながら、順次、磁気センサの出力する信号をプロットする。これにより、界磁の全内周面に沿った磁束分布が測定できる。界磁の代わりに回転子を回転させれば、回転子の外周面に沿った磁束分布も同様に測定をすることができる。モータに限らず、磁力を利用する各種の装置において、その特性を検証するために、同様の磁気測定が行われている。
特開平９−２４３７２３号特開平５−３２２９３６号特開２００２−１９６０５５号

ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
モータの界磁と回転子の間には、回転子の回転に伴って複雑な磁界が発生する。その磁気ベクトルの分布が、モータのゴギングトルクに大きな関連性があるとされている。この磁気ベクトルは、必ずしも回転子の軸に垂直な平面上でのみ変化するものではなく、複雑な方向に変化する。従って、３次元方向の磁気ベクトルを高い精度で測定する必要がある。しかしながら、従来は、磁界の３次元測定のために、Ｘ軸方向の磁界を測定するセンサで測定処理を行った後に、Ｙ軸方向の磁界を測定するセンサに交換をして、同じ測定をし、その後、Ｚ軸方向の磁界を測定するセンサに交換をして、再度同じ測定を繰り返す様にしていた。このように、３回の測定でそれぞれ磁気検出方向を別方向に向けたセンサの測定条件を正確に一致させることは容易でなく、測定精度に限界があった。

例えば、磁界中で機械的電気的に歪みを生じる物は３次元的に歪み量を測定することで、一挙に周辺磁界の３軸方向成分の測定ができる。この測定信号を光学的に取り出す方法も開発されている。（特許文献２）例えば、磁界中で分極する材料からなる物では、その電荷分布を測定すれば、一挙に周辺磁界の３軸方向成分の測定ができる。（特許文献３）。こうした原理で、微小なセンサを用いて周辺磁界の３軸方向成分の同時測定ができる磁気センサが実用化されている。以下、こうしたセンサのことを多軸磁気センサと呼ぶことにする。
本発明は、この多軸磁気センサを使用した新たな磁界測定装置と磁界測定方法を提供することを目的とする。

本発明は次の構成により上記の課題を解決する。
〈構成１〉
測定対象物の近傍磁界の動的な変化を測定するものであって、周辺磁界の３軸方向成分の同時測定ができる多軸磁気センサと、この多軸磁気センサを支持する支持体と、測定対象物を支持する支持体と、上記センサの支持体に所定の運動をさせる動力装置と、上記測定対象物の支持体に所定の運動をさせる動力装置と、測定条件を設定して記憶装置に記憶する測定条件設定手段と、上記測定条件に応じた所定の動作モードで上記センサ用の動力装置と上記測定対象物用の動力装置とを同期させて駆動制御する制御手段と、上記動力装置の動作と同期させて、上記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値を一括して読み取って、記憶装置に記憶させるセンサ出力取得手段と、上記記憶装置に記憶された上記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値から求められた磁気ベクトルと、上記制御手段から、当該測定値を取得したときの上記測定対象物と多軸磁気センサとの相対位置データを取得して、イメージデータにより、上記測定対象物の近傍に上記磁気ベクトルを描画する処理を連続的に実行する、磁気ベクトル描画手段と、描画した結果を表示出力する表示手段とを備えたことを特徴とする磁気測定装置。

測定対象物の近傍で、多軸磁気センサを動かしながら磁気ベクトルを求めて、その結果を連続的に描画し、ディスプレイやプリンタ上に表示することができる。予め任意の動作モードを設定しておいて、測定対象物の近傍の複雑な形状の平面や曲面上の磁気ベクトルを連続的に測定することが可能である。

〈構成２〉
構成１に記載の磁界測定装置において、上記測定対象物に励磁電流を供給する電源装置と、上記測定条件に応じた所定の電流パタンで上記測定対象物に上記励磁電流を供給するように上記電源装置を制御する制御手段と、上記励磁電流パタンによる磁気ベクトルの時間的な変化を、上記測定対象物と多軸磁気センサとの相対位置ごとに求めた結果を出力する磁界データ演算手段を備えたことを特徴とする磁界測定装置。

例えば、ステッピングモータではロータあるいはステータに所定の波形の駆動パルスが断続的に供給される。このとき、モータ各部の磁気ベクトルの動的な変化を、この装置で連続的に測定できる。

〈構成３〉
構成１に記載の磁界測定装置において、上記測定対象物が、複数の部品を組み合わせて成り、それぞれの部品を支持する支持体と、各支持体に別個に所定の運動をさせる動力装置を備えたことを特徴とする磁界測定装置。

複数の測定対象物がそれぞれ複雑な運動をするとき、その過程で変化する磁気ベクトルを測定することができる。各支持体の動作モードも、独立に自由に設定できる。

〈構成４〉
構成１に記載の磁界測定装置において、上記測定対象物はモータのロータとステータであって、上記ロータとステータのいずれか一方を支持する支持体を、所定の回転軸を中心に連続回転させる一方，他方を支持する支持体を、回転角２π以内に制限をして回転運動をさせる動力装置を備えたことを特徴とする磁界測定装置。

測定対象物がモータの場合には、モータのロータとステータのうちの一方は電磁石を備え、リード線が接続されている。回転角２π以内に制限をしてその支持体を回転させれば、リード線が制御の妨げにならない。また、モータはその軸対称性から、２極の場合２π、３極の場合には２π／３の角度だけ回転させれば、全体の測定をしたことになる。動力装置の制御モードに回転角の制限を含めれば、このような制御が可能になる。

〈構成５〉
構成１に記載の磁界測定装置において、上記測定対象物はモータのロータとステータであって、上記モータのロータとステータの間のギャップに沿って、上記モータのロータの外周近傍を公転するように、多軸磁気センサの支持体を運動させる動力装置を備えたことを特徴とする磁界測定装置。

モータのロータとステータの間のギャップに沿って、ロータの外周近傍を公転するように多軸磁気センサを移動させるような支持体と動力装置を設ければ、ギャップ内の磁気ベクトルが直接連続的に測定できる。

〈構成６〉
構成１に記載の磁界測定装置において、２以上の測定対象物を別々の支持体で支持して、各支持体に別個に所定の運動をさせる動力装置を備え、上記多軸磁気センサを支持する支持体は，上記測定対象物のいずれか一方に上記多軸磁気センサを直接またはスペーサを介して接触させて、当該測定対象物と多軸磁気センサとを一体に運動させる動力装置を備えたことを特徴とする磁界測定装置。

２以上の測定対象物と多軸磁気センサとがそれぞれ別々に運動するように制御されてもよいが、多軸磁気センサをいずれかの測定対象物と一体にして運動させると、多軸磁気センサが他の測定対象物に衝突して損傷するのを防止できる。

〈構成７〉
測定対象物の近傍磁界の動的な変化を測定するものであって、周辺磁界の３軸方向成分の同時測定ができる多軸磁気センサと、この多軸磁気センサを支持する支持体と、測定対象物を支持する支持体と、上記センサの支持体に所定の運動をさせる動力装置と、上記測定対象物の支持体に所定の運動をさせる動力装置と、測定条件を設定して記憶装置に記憶する測定条件設定手段と、上記測定条件に応じた所定の動作モードで上記センサ用の動力装置と上記測定対象物用の動力装置とを同期させて駆動制御する制御手段と、上記動力装置の動作と同期させて、上記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値を一括して読み取って、記憶装置に記憶させるセンサ出力取得手段と、上記記憶装置に記憶された、上記多軸磁気センサの所定の運動範囲における、磁界の３軸方向成分のベクトル和を計算するベクトル和演算手段と、上記ベクトル和を出力表示する表示手段とを備えたことを特徴とする磁界測定装置。

上記の装置により、測定対象物の近傍の磁気ベクトル分布が測定できる。一方、その測定対象物全体として、外部に対して所定の磁界を及ぼす。多軸磁気センサの所定の運動範囲というのは、例えば、測定対象物の周辺の磁界測定可能な範囲である。この範囲における、磁界の３軸方向成分のベクトル和を計算すれば、外部に及ぼす磁界が求められる。

〈構成８〉
測定対象物の近傍磁界の動的な変化を測定するものであって、周辺磁界の３軸方向成分の同時測定ができる多軸磁気センサと、この多軸磁気センサを支持する支持体と、測定対象物を支持する支持体と、上記測定対象物の支持体に所定の運動をさせる動力装置と、上記測定対象物の磁気的環境を動的に変化させる環境変更手段と、測定条件を設定して記憶装置に記憶する測定条件設定手段と、上記測定条件に応じた所定の動作モードで上記環境変更手段と上記測定対象物用の動力装置とを同期させて駆動制御する制御手段と、上記動力装置の動作と同期させて、上記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値を一括して読み取って、記憶装置に記憶させるセンサ出力取得手段と、上記記憶装置に記憶された上記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値から求められた磁気ベクトルと、上記制御手段から、当該測定値を取得したときの上記測定対象物と多軸磁気センサとの相対位置データを取得して、表示出力する表示手段とを備えたことを特徴とする磁気測定装置。

センサは固定式でも可動式でも構わない。測定対象物の磁気的環境を動的に変化させる環境変更手段を設ける。時期的環境は、電気的に変化させても、機械的に変化させても構わない。磁気的環境を動的に変化させながら、３軸方向成分の同時測定をすることで、測定対象物の周辺磁界の複雑な現象解析ができる。表示出力方法は任意である。

〈構成９〉
測定対象物の近傍磁界の動的な変化を測定するものであって、周辺磁界の３軸方向成分の同時測定ができる多軸磁気センサと、この多軸磁気センサを支持する支持体と、複数の測定対象物をそれぞれ支持する複数の支持体と、上記各センサの支持体にそれぞれ独立して所定の運動をさせる動力装置と、測定条件を設定して記憶装置に記憶する測定条件設定手段と、上記測定条件に応じた所定の動作モードで上記複数の動力装置を同期させて駆動制御する制御手段と、上記動力装置の動作と同期させて、上記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値を一括して読み取って、記憶装置に記憶させるセンサ出力取得手段と、上記記憶装置に記憶された上記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値から求められた磁気ベクトルと、上記制御手段から、当該測定値を取得したときの上記測定対象物と多軸磁気センサとの相対位置データを取得して、表示出力する表示手段とを備えたことを特徴とする磁気測定装置。

測定対象物が複数あって、それぞれ独自に所定の運動をする場合に、その任意の場所で、周辺磁界の３軸方向成分の同時測定ができる。表示出力方法は任意である。

〈構成１０〉
測定対象物の近傍磁界の動的な変化を測定するものであって、周辺磁界の３軸方向成分の同時測定ができる多軸磁気センサと、この多軸磁気センサを支持する支持体と、モータのロータとステータの相対的な位置関係を変化させる動力装置と、上記動力装置の動作と同期させて、上記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値を一括して読み取って、記憶装置に記憶させるセンサ出力取得手段と、上記記憶装置に記憶された上記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値を表示出力する手段と、上記モータのロータとステータの相対的な位置関係の変化に伴う、磁束ベクトルの絶対値と方向の変化を、上記３軸方向成分の測定値と合わせて表示出力する手段とを備えたことを特徴とする磁気測定装置。

多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値とともに、モータのロータとステータの相対的な位置関係の変化に伴う、磁束ベクトルの絶対値と方向の変化を、合わせて表示出力するので、モータのロータとステータ間に加わる磁力の動的な変化を解析するために有効なデータが得られる。

本発明では、多軸磁気センサにより磁界の３軸方向成分の測定ができる多軸磁気センサを使用することにより、高度な３次元精密磁界測定を可能とする磁界測定装置等を紹介する。多軸磁気センサによれば、一挙に周辺磁界の３軸方向成分の測定ができるから、３軸方向の測定位置や条件が完全に一致する。しかも、一挙に周辺磁界の３軸方向成分の測定ができるから、測定対象物の移動等による磁気ベクトルの時間的な変化を高い精度で測定することができる。従って、モータ、継電器、偏向ヨーク、加速器、核磁気共鳴装置、超伝導磁石等、磁気を利用した様々な機器の各部に発生する磁界を測定するために使用できる。

また、永久磁石、電磁石、磁性体、磁気回路の近傍磁界であって、例えば、静止状態ではなく動いている状態でのある一点の磁界測定も可能である。また、電磁石の場合には、励磁電流が変化している状態で発生する磁気ベクトルの測定が可能である。測定結果は、３次元あるいは多次元グラフを描画して表現したり、測定対象各部の磁気ベクトルの時間変化を動画を用いて表現することができる。さらに、モータの磁極であれば、磁極の部分縦断面図を示して、そこに磁気ベクトルを示す矢印を表示することもできる。本発明では、こうした磁界測定に適する装置を提供する。以下、本発明の実施の形態を具体例を用いて説明する。

図１は、本発明の磁界測定装置を示すブロック図である。
この装置は、測定対象物の近傍磁界の動的な変化を測定して解析することができる機能を持つ。この図の例では、測定対象物は、モータのロータ３２とステータ３１である。近傍磁界の動的な変化を測定するために、多軸磁気センサ１と、測定対象物、即ち、ロータ３２とステータ３１とをそれぞれ独立に位置制御する。このために、それぞれを支持する支持体と、支持体に回転運動その他の運動をさせる動力装置と、この動力装置を駆動制御する制御手段とを備える。図の例では、多軸磁気センサ１の支持体はアーム２１とクランプ２２と支持棒２３である。この支持棒２３の下端に多軸磁気センサ１のチップが支持されている。ロータ３２の支持体は、ロータ３２の回転軸３３を掴むチャック２５である。ステータ３１の支持体はステータ３１を乗せるターンテーブル２４である。

なお、支持体は、多軸磁気センサ１の支持方法、測定対象物の形状や種類により多様に変化させるとよい。いずれの支持体も、磁気測定中に、それぞれ独立に設定されたモードで運動をすることができる状態に組み立てられる。動力装置は、この図の例では全てステッピングモータ２６、２７、２８である。この他には、リニアモータや油圧、空気圧を使用した任意の動力装置を使用できる。ステッピングモータ２６は、多軸磁気センサ１を支持するアーム２１を、ロータ３２の外周面に沿って公転させるように回転駆動する。アーム２１の伸縮により、公転半径が調節できる。クランプ２２により、支持棒２３の支持高さが調節できる。ステッピングモータ２８は、ロータ３２の回転軸３３を掴んで回転駆動する。ステッピングモータ２７は、ステータ３１を乗せるターンテーブル２４を回転駆動する。

上記の装置は、コンピュータにより制御される。コンピュータには、記憶装置５１と演算処理装置５２とが設けられている。コンピュータは、測定条件を設定し、各動力装置の動作モードを決定して、多軸磁気センサ１と、測定対象物、即ち、ロータ３２とステータ３１の位置制御をする。このコンピュータには、ディスプレイ５３、キーボード５４、マウス５５等が接続されている。コンピュータの入出力ポート５７には、多軸磁気センサ１と、ロータ３２とステータ３１の位置制御のためのステッピングモータ２６、２７、２８が接続されている。

演算処理装置５２には、センサ位置制御手段６１と、ステータ回転制御手段６２とロータ回転制御手段６３とが設けられている。これらが、各動力装置の支持位置制御をする制御手段である。測定条件は、ディスプレイ５３に表示された図示しない条件設定画面により、キーボード５４やマウス５５を用いて入力される。測定条件設定手段６７は、条件設定画面等の表示制御をして測定条件情報を取得する制御を行なう機能を持つ。こうして取得された測定条件は、記憶装置５１に一時記憶される。この測定条件は位置データ演算手段６４が読み取って、各動力装置の支持位置制御データ７１を生成する。この支持位置制御データ７１は記憶装置５１に一時記憶される。支持位置制御データは、例えば、多軸磁気センサ１の初期状態の位置と、測定開始からタイムテーブルに従ってステッピングモータに供給する駆動パルスの数と供給タイミングとを決めるデータから成る。ロータ３２とステータ３１の支持位置制御データも同様である。

磁界データ演算手段６６は、センサ出力取得手段６５が入出力ポート５７を介して取得した多軸磁気センサ１による測定データ７２から磁気ベクトルを演算処理する機能を持つ。磁気ベクトルの方向を示すデータは図２（ｂ）に示した値をそのまま使用した３次元座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表すとよい。磁気ベクトルの絶対値は、既知の三角関数演算で求める。磁気ベクトル描画手段６８は、上記磁気ベクトルと、上記測定対象物と多軸磁気センサとの相対位置データを取得して、イメージデータにより、測定対象物の近傍に磁気ベクトルを描画する処理を連続的に実行する機能を持つ。描画された図は、例えば、図２（ｃ）に示したようなものでよい。ディスプレイやプリンタは演算処理の結果を表示出力する手段である。ベクトル和演算手段６９は、演算処理された磁気ベクトル群のなかから、指定された範囲の磁気ベクトルをとり出してその総和を求める機能を持つ。これは、実施例５で利用される。

演算処理装置５２に設けられている各手段は、いずれも、コンピュータに所定の動作を実行させるコンピュータプログラムから成る。記憶装置５１には、支持位置制御データ７１のほかに、センサ出力取得手段６５が入出力ポート５７を介して取得した多軸磁気センサ１による測定データ７２が記録されている。なお、記憶装置には、その他演算テーブルデータや制御に必要なパラメータ等が記憶されているが、本発明の説明には直接関係が無いので図示を省略した。

図２は、多軸磁気センサと従来の磁気センサの測定方法を比較する説明図である。
図２（ａ）は、多軸磁気センサの測定動作を示す。多軸磁気センサ１は、図に示すように、Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸方向の磁界成分を同時に測定する。これらの磁界成分から、図に示すような磁気ベクトルＨを演算することができる。図２（ｂ）は、例えば従来の磁気センサで磁界を測定した場合の説明図である。測定対象となる磁石２の正面に、図に示すように、まず、Ｙ軸方向の磁界を測定する磁気センサ３を配置する。そして、その測定出力からＹ軸方向の磁界成分Ｄｙを得る。これを測定装置のメモリに記憶させておく。次に、同じ磁石２の正面に、磁気センサ３の代わりに、Ｚ軸方向の磁界を測定する磁気センサ４を配置する。これにより、Ｚ軸方向の磁界成分Ｄｚを得る。これもメモリに記憶させておく。さらに、同じ位置に、今度は、Ｘ軸方向の磁界を測定する磁気センサ５を配置する。これによってＸ軸方向の磁界成分Ｄｘを得る。これらのデータをコンピュータのメモリに記憶した後、演算処理によって磁気ベクトルＨを求める。

磁気ベクトルＨは、矢印の向きが磁界の方向（磁束の方向）で、矢印の長さが磁界の強さを示す。（ａ）に示した多軸磁気センサを使用した場合には磁界成分Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｚを同時に取得できる。磁気ベクトルの演算処理方法は（ｂ）の場合と同じである。しかしながら、従来の方法では、磁気センサ３、４、５を入れ替えるときに、位置決め誤差が発生する。また、測定タイミングが異なるから、厳密には測定条件が同一ではない。磁石２の前方の磁気ベクトルは、測定場所により複雑に変化する。しかも、例えば、図２（ｃ）に示すように、磁石２の前方に、磁石やその他の磁性体６を近づけると、磁気ベクトル７の方向が時間的にもさらに複雑に変化する。モータの界磁（以下ステータと呼ぶ）中で回転子（以下ロータと呼ぶ）が回転する時には、ステータあるいはロータの磁石が発生する磁束や磁路が時々刻々と変化し、さらに電磁誘導作用が伴って、各部に静止状態とは異なる複雑な磁界が発生する。このモータ各部の磁界の動的な変化を精密測定することにより、モータ設計の最適化が可能になる。本発明の装置では、図２（ａ）に示したような多軸磁気センサを使用して、この目的を達成する。

図３は、多軸磁気サンサを用いた磁界測定のための回路と回路動作を説明する説明図である。
図３（ａ）は、多軸磁気センサ１の出力信号を取り入れる入出力ポート部分のブロック図である。多軸磁気センサ１は、Ｘ成分Ｙ成分Ｚ成分の磁界を測定して出力する。これらの信号は、入出力ポートのサンプリング回路７３に入力する。サンプリング回路７３には、取得したデータを一時的に記憶するレジスタ７４が接続されている。サンプリング回路の動作は、センサ出力取得手段６５から出力されるサンプリングパルス７５により制御される。

このサンプリングパルス７５は、位置データ演算手段６４の出力する駆動パルス７６に同期するようにして生成される。駆動パルス７６は、ステッピングモータ２６、２７、２８を回転駆動するパルスである。即ち、図１に示したモータのステータ３１やロータ３２が所定角度回転するごとに、サンプリングパルス７５がサンプリング回路７３に入力して、多軸磁気センサ１のＸ成分Ｙ成分Ｚ成分の磁界測定データが取得される。（ｂ）は、サンプリング回路７３のデータ取得タイミングの説明図である。図に示すように、ステッピングモータの駆動パルス７６の各立下りのタイミングで、サンプリングパルス７５が３個ずつ生成される。この３個のサンプリングパルス７５は、それぞれＸ軸成分の磁界データを読み出すタイミング、Ｙ軸成分の磁界データを読み出すタイミング、Ｚ軸成分の磁界データを読み出すタイミングを指定する。このサンプリング周波数はモータのロータの回転速度に比較して極めて高いので、実質的には同一時間同一位置での測定とみなすことができる。

図３（ｃ）は、図１の記憶装置５１に記憶された測定データ１０の内容説明図である。図３（ｃ）の位置データ１１は、例えば、モータの場合には、ロータ３２とステータ３１の相対的な位置関係、あるいはロータ３２のみを回転する場合にはロータ３２の特定の箇所の絶対的な位置（設定した始点からの回転角）である。また、多軸磁気センサ１を回転する場合には、多軸磁気センサの絶対的な位置（設定した始点からの回転角）である。磁界については、Ｘ軸成分の磁界データ１２、Ｙ軸成分の磁界データ１３、Ｚ軸成分の磁界データ１４が記録される。

以上の構成により、測定対象物を支持体で支持して、任意の動作モードで所定の運動をさせながら、任意の場所で、多軸磁気センサによる３次元磁界の一括測定が可能になる。そして、多軸磁気センサの出力を演算処理して、イメージデータにより、前記測定対象物の近傍に前記磁気ベクトルを描画する処理を連続的に実行することができる。描画処理の結果は、例えば、図３（ｃ）のように、測定対象物と磁気ベクトルの斜視図をディスプレイに表示したり、プリンタにより印刷出力するとよい。描画出力方法は任意であるが、コンピュータグラフィック技術を利用して、見やすい磁気ベクトルのイメージやグラフを出力することが好ましい。

図４は、モータの各部の磁界測定を行う動作の説明図である。モータの構成は任意であるが、図の例では３極モータを例示した。
図の（ａ）に示すハウジング３０の中には、ステータ３１が一対固定されている。そして、その内部にロータ３２が軸３３を中心に回転するよう支持されている。このモータの回転動作中の磁気ベクトルを測定するために次のような操作を行う。

図４（ｂ）は、ステータの近傍の磁気ベクトルを連続的に測定する操作の説明図である。この図に示すステータ３１は、その回転軸３３を通る破線の直線３５に対して、上下に対称な構造をしている。従って、例えば、多軸磁気センサ１を静止させた状態で、ステータ３１をπ（１８０度）回転させれば、ステータ３１の近傍の全ての位置における磁界を測定したことになる。図４（ｃ）は、ロータ３２の近傍の磁気ベクトル測定方法を示す。図に示すように、多軸磁気センサ１を静止させた状態で、ロータ３２を軸３３を中心に２π／３（１２０度）回転させる。ロータ３２は、その回転軸３３を中心に２π／３だけ回転させると、元の状態に戻るような対称形をしている。これで、ロータ３２の近傍の全ての位置における磁界を測定したことになる。

いずれの場合においても、ステータ３１やロータ３２を回転軸３３の周りで１回転（２π分の回転）をさせないでよいから、例えば、励磁コイルが測定動作の妨げにならない。図の例では、ロータ３２に励磁コイル３４を巻いた例を示したが、どこに巻かれていても、同様である。この制御のために、例えば、図のように、ロータ３２の回転角α、ステータ３１の回転角β、多軸磁気センサとロータとステータの始動位置といった情報を含む動作モードデータ８１（図４（ｄ））が生成されて使用される。

なお、ステータに励磁コイルが巻かれ、ロータに多極磁石が使用されているステッピングモータの場合には、次のようにする。まず、ロータを一定の速度で連続回転させる。一方、ステータをロータの回転速度よりも十分に遅い速度で、所定の角度だけロータの回転軸を回転中心にして回転させることができるように、ステータを支持する。ステータの磁極数を４極とすれば、ステータを９０度だけ回転させられるようにする。ステータの磁極数をＮとした時、ステータを２π／Ｎだけ回転可能に支持する。ステータが初期状態から１単位角度だけ、回転するごとに、ロータを初期状態から１回転（２π）だけ回転させる。ステータが１単位角度回転するたびに、多軸磁気センサの出力を取得する。ステータをｋ単位角度回転させたときにステータが２π／Ｎだけ回転するとすれば、ｋ回の磁界測定ができる。

また、モータの回転動作中の各部の磁気ベクトル測定の場合には、図４（ｃ）に示すように、電源装置８２を接続する。そして、励磁コイル３４に駆動電流３７を供給する。磁界データ演算手段６６は、この励磁電流パタンによる磁気ベクトルの時間的な変化を、測定対象物と多軸磁気センサとの相対位置ごとに求める。この方法により、測定途中で動作を中断させることなく、モータ各部の磁気ベクトルの一括連続測定ができる。また、図のように、ロータ３２に巻き付けられたコイル３４に、駆動電流３７のような所定の規則で変化する励磁電流を供給することで、モータの磁気ベクトルの時間変化を高い精度で測定できる。即ち、磁気ベクトルに影響を及ぼす測定対象物の部品の相対位置の変化や、測定対象物の励磁電流の変化、測定対象物と多軸磁気センサとの相対位置の変化等のパラメータをコンピュータにより自動的に切り替えながら、一挙に連続的に磁界測定が可能になり、様々な機器の設計に有効なデータを取得できる。

図５（ａ）は、ロータとステータとの間のギャップに形成される磁気ベクトル測定方法の説明図である。
図５（ａ）に示すように、ステータ３１とロータ３２の間のギャップに形成される磁界は、上記のように、多軸磁気センサを静止させて、ステータとロータとを回転させることにより測定できる。しかし、図１に示すような装置を使用すると、ステータ３１を静止させて、ロータ３２を矢印８３方向に回転させ、同時に多軸磁気センサ１を図の破線８４に沿って移動させることで測定が可能である。具体的には、ステータ３１を静止させた状態でロータ３２を時計方向に角速度ω１で回転させて、ロータとステータの間の、ギャップ各部での磁気ベクトルの時間的変化を測定する。ロータが一回転した時に多軸磁気センサがロータの円周方向に沿って時計方向に単位角θだけ移動するように、多軸磁気センサの位置制御を行う。多軸磁気センサが測定希望範囲だけ移動した時に測定を終了する。このような方法によって、モータの内部でロータ３２が回転中のギャップに生じる磁気ベクトルを、直接、高精度で測定することができる。

例えば、小型モータにおいて、ロータとステータの間のギャップが、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍというものがある。このギャップに図１に示した支持棒２３の先端に固定された多軸磁気センサを挿入して位置決めをする。その後ロータ３２を回転させてロータ３２の回転角と測定された磁界との関係をグラフにまとめる。これで、ロータ回転時のモータのロータとステータの間の、ギャップの特定位置について、磁気ベクトルの時間変化を精密測定できる。このギャップの形状はロータの円周方向に見て均一ではないから、上記の測定をギャップ各部で繰り返し行う必要がある。そこで、図５（ｂ）の実施例では、ロータの回転時にロータとステータの間のギャップ中を、ロータの円周方向に沿って、多軸磁気センサを移動させ、同時に、ステータ３１もロータ３２の反対方向に回転させている。これにより、ロータがある回転速度で回転した時、ロータとステータの間の全てのギャップでの磁気ベクトルの時間的変化を連続的に一挙に測定することができる。

これまで説明した実施例のように、本発明の装置によれば、多軸磁気センサを支持する支持体に所定の運動をさせたり、測定対象物を支持する支持体に所定の運動をさせたり、測定対象物の磁気的環境を動的に変化させたりする手段を、測定条件に応じた所定の動作モードで互いに同期させて駆動制御することにより、測定対象物の近傍磁界の３軸方向成分の動的な変化を測定することが可能である。多軸磁気センサを支持する支持体は固定したままでもよい。また、複数の測定対象物をそれぞれ独立に支持する支持体に、それぞれ所定の運動をさせるようにしてもよい。モータの場合には、ロータが内側にあるものも外側にあるものもある。また、リニアモータのように、回転運動でなく往復運動をするものもある。複雑な装置の場合には、磁気センサを３次元方向に所定の経路で移動させながら磁界測定を行うように制御プログラムをプログラミングしてもよい。

図６は、磁気センサをロータやステータの側壁に固定する方法の説明図である。
（ａ）の実施例では、ロータ３２を静止させ、ステータ３１を回転させて測定をする。このとき多軸磁気センサ１を、静止しているロータ３２の側壁に、直接あるいは図示しないスペーサを介して密着させる。ロータ３２とステータ３１の間のギャップは非常に狭いから、多軸磁気センサの位置決めに狂いがあると、なんらかの原因で回転体が多軸磁気センサに接触し多軸磁気センサを破損するおそれがある。また、多軸磁気センサが振動したりしても同様のことがおきる。そこで、多軸磁気センサ１を、ロータ３２の側壁に密着させて位置決め精度を高め、センサの振動を防止して、破損を防いだ。もちろん、この状態で、ステータ３１を静止させ、ロータ３２と多軸磁気センサ１とを回転させて測定をしても構わない。図の（ｂ）は、ステータ３１を静止させ、ロータ３２を回転させて測定をする例を示す。このとき多軸磁気センサ１を、静止しているステータ３１の側壁に、直接あるいはスペーサを介して密着させる。動作は（ａ）の場合とまったく同様である。

なお、磁気センサ１を支持する支持棒２３（図１）を、例えば、弾力によって柔軟に曲がる素材にするような方法でも、多軸磁気センサの破損を防止できる。即ち、多軸磁気センサをロータとステータの間のギャップに支持して、ロータやステータを回転させたとき、万一、ロータ、あるいはステータと多軸磁気センサ１が接触したとしても、支持棒２３が弾力によって柔軟に変形するため、衝撃が緩和されて、磁気センサ１の破損を防止できる。なお、上記のいずれの実施例も、測定結果は磁気ベクトルのイメージを含むものでもよいし、具体的な測定値を配列した数表やグラフを出力するようにしても構わない。

図７は、モータの動的な磁界変化を測定するための測定条件説明図である。
図の（ａ）は、磁界変化測定の対象となるモータの断面図である。このモータは、ステータ４１とロータ４２を備える。ロータ４２は軸４３を中心に回転する。ステータ４１には、軸４３に向かう方向に、合計１３個の、電磁石による磁極４５が設けられている。ロータ４２は、周面をＳ・Ｎ・Ｓ・Ｎ・・・・というように１６極に着磁されたマグネットからなる。このモータのロータ４２を回転させた時の、ステータ４１とロータ４２の間のギャップにおける、磁界の動的な変化を測定する。磁気センサには上記３軸磁気センサを使用し、動力装置を用いてロータを所定の速度で回転させる。

図７（ｂ）には、（ａ）の一点鎖線で示した円Ｒの部分を拡大図示した。図のように、ステータ４１の磁極４５の中央をＡ点とする。また、隣り合う二つの磁極の中間点をＢ点とする。さらに、磁極の左端の点をＣ点とする。これらの点に上記の磁気センサを配置して、ロータ４２を回転させる。着磁されたマグネットによる磁束は、その近傍にあるいずれかの磁極４５の影響を受ける。ロータ４２が回転すると、ロータ４２と磁極４５との位置関係に従って、各部の磁界が三次元的に変化する。

図８と図９と図１０は、それぞれ上記Ａ点、Ｂ点、Ｃ点における、磁界の測定結果を示す。それぞれのグラフの横軸は、ロータとステータの相対的な位置関係を示す。この例では、ロータとステータとの位置関係が回転角で１２０度変化するまでの、磁界変化を測定している。図の曲線Ｄ１は、ロータの半径方向の磁束密度。Ｄ２は、ロータの接線方向の磁束密度。Ｄ３はロータの回転軸方向の磁束密度を示す。左側の縦軸は磁束密度ｍＴ（ミリテスラ）で示す。また、図１１の（ａ）は図８の極解析数値データ、（ｂ）は、図９の極解析数値データ、（ｃ）は図１０の極解析の数値データである。

極解析数値データは、磁束密度波形を解析したものである。この例では、径方向の磁束密度（曲線Ｄ１）についての、解析データを図示した。この解析にあたっては、まず、曲線Ｄ１を、磁束密度「０」のラインとクロスするところで区切る。区切られた波形それぞれを１つの極とする。各極のデータ（曲線Ｄ１）が磁束密度「０」のラインのプラス側にあるならＮ極とし、マイナス側にあるならＳ極と定義する。極の中で一番大きい値（絶対値）をピーク値と呼ぶ。また、「０」クロスポイントから「０」クロスポイントまでの幅、即ち、区切られた極の横幅を極幅と呼ぶ。各極の曲線Ｄ１と磁束密度「０」のラインにより囲まれた部分の広さを面積と呼ぶ。図のロータを構成するマグネットの場合は、全部で１６個の磁極があり、Ｎ極８個とＳ極８個の合計１６個分の極のデータが算出される。

図中で、Ｎ−ＰＥＡＫは、Ｎ極８個のピーク値の中で最も大きい値と最も小さい値を示す。８個のピーク値の平均とバラツキを示す標準偏差値を算出して表示している。同様に、Ｎ−極幅はＮ極８個の極幅について、Ｎ−面積はＮ極８個の面積についてそれぞれの値を表示している。Ｓ−ＰＥＡＫ、Ｓ−極幅は、Ｓ極８個について解析したものである。Ｔ−ＰＥＡＫ、Ｔ−極幅は、Ｎ／Ｓ極あわせた１６個の極について解析したものである。これらの数値データは、具体的に各磁気ベクトルの精密な比較測定や、積分比較処理に有効に利用できる。例えば、ロータとステータを含むモータが、外部にどれだけの漏洩磁束をどの方向に出しているかといった計算の場合には、モータの全ての場所において発生する磁束ベクトルのベクトル和を算出する。このとき、この数値データを使用して、具体的な数値で答えを求めることができる。

さらに、このグラフには、磁束ベクトルの方向を、偏角Ａ１と伏角Ａ２とで表示した。右側の縦軸に、その角度を示す。図７（ｃ）に示したのは、偏角Ａ１と伏角Ａ２の説明図である。Ｘ−Ｙ平面は、ロータの回転軸４３の方向に垂直な面である。Ｚ軸はロータの回転軸４３の方向である。偏角Ａ１は、磁束ベクトルＨとＺ軸を含む面とＸ軸との挟む角である。伏角Ａ２は、磁束ベクトルＨとＸ−Ｙ平面の挟む角である。本発明では、同時に、曲線Ｇ１により、磁束ベクトルＨの絶対値と、ロータとステータの相対的な位置関係との、相互関係を示した。ロータとステータの相対的な位置関係の変化に伴う磁束ベクトルＨの絶対値と方向の変化を、この図のように定量的に出力することはきわめて重要な意味を持つ。

例えば、図７のＡ点では、図８に示すように、ロータの半径方向の磁束密度（曲線Ｄ１）は、略正弦波状に２２．５度ごとに周期的に変化している。ロータの接線方向の磁束密度（曲線Ｄ２）は、曲線Ｓ１と２分の１周期位相をずらせて略三角波状に２２．５度ごとに周期的に変化している。ロータの軸方向の磁束密度（曲線Ｄ３）は、略正弦波状に２２．５度ごとに曲線Ｓ１と同位相で周期的に変化している。これらの磁束密度の３軸方向成分から合成ベクトルを求めると、その絶対値は、図の曲線Ｇのように、略正弦波状に２２．５度ごとに周期的に変化する。Ｂ点やＣ点でも、図９と図１０に示したように、同様の周期で所定の変化をする。

即ち、磁気ベクトルの絶対値と方向は、ステータの磁極各部で、それぞれ同一周期で様々な変化をする。その値を精密に測定すると、微妙なばらつきがあることがわかる。この磁束ベクトルの変化は、モータの回転中にステータとロータの間に加わる磁力の動的な変化に対応する。従って、このデータを解析することによってモータの回転ムラや騒音の改善に広く役立てることができる。例えば、既に説明したように、指定された範囲の上記合成ベクトルのベクトル和を算出した出力を表示して、各種のモータの特性解析に利用することができ。

本発明の磁界測定装置を示すブロック図である。多軸磁気センサと従来の磁気センサの測定方法を比較する説明図である。多軸磁気サンサを用いた磁界測定のための回路と回路動作を説明する説明図である。モータの各部の磁界測定を行う動作の説明図である。ロータとステータとの間のギャップに形成される磁気ベクトル測定方法の説明図である。磁気センサをロータやステータの側壁に固定する方法の説明図である。モータ内部の動的な磁界変化を測定するための測定条件説明図である。Ａ点における磁界の測定結果を示すグラフである。Ｂ点における磁界の測定結果を示すグラフである。Ｃ点における、磁界の測定結果を示すグラフである。図８〜９の測定結果の主要な数値データを示す説明図である。

符号の説明

１多軸磁気センサ
２１アーム
２２クランプ
２３支持棒
２４ターンテーブル
２５チャック
２６ステッピングモータ
２７ステッピングモータ
２８ステッピングモータ
３１ロータ
３２ステータ
３３回転軸
５１記憶装置
５２演算処理装置
５３ディスプレイ
５４キーボード
５５マウス
５７入出力ポート
６１センサ位置制御手段
６２ステータ回転制御手段
６３ロータ回転制御手段
６４位置データ演算手段
６５センサ出力取得手段
６６磁界データ演算手段
６７測定条件設定手段
６８磁気ベクトル描画手段
７１支持位置制御データ
７２測定データ

Claims

測定対象物の近傍磁界の動的な変化を測定するものであって、
周辺磁界の３軸方向成分の同時測定ができる多軸磁気センサと、
この多軸磁気センサを支持する支持体と、
測定対象物を支持する支持体と、
前記センサの支持体に所定の運動をさせる動力装置と、
前記測定対象物の支持体に所定の運動をさせる動力装置と、
測定条件を設定して記憶装置に記憶する測定条件設定手段と、
前記測定条件に応じた所定の動作モードで前記センサ用の動力装置と前記測定対象物用の動力装置とを同期させて駆動制御する制御手段と、
前記測定対象物に励磁電流を供給する電源装置と、
前記測定条件に応じた所定の電流パタンで前記測定対象物に前記励磁電流を供給するように前記電源装置を制御する制御手段と、
前記動力装置の動作と同期させて、前記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値を一括して読み取って、記憶装置に記憶させるセンサ出力取得手段と、
前記記憶装置に記憶された前記多軸磁気センサの３軸方向成分の測定値から求められた磁気ベクトルと、前記制御手段から、当該測定値を取得したときの前記測定対象物と多軸磁気センサとの相対位置データを取得して、前記磁気ベクトルの時間的な変化を、前記測定対象物と多軸磁気センサとの相対位置ごとに求めた結果を出力する磁界データ演算手段と
イメージデータにより、前記測定対象物の近傍に前記磁気ベクトルを描画する処理を連続的に実行する、磁気ベクトル描画手段とを備え、
前記測定対象物はモータのロータ及びステータであって、前記多軸磁気センサは、前記モータのロータ及びステータの間に形成される近傍磁界の動的な変化を測定し、
前記描画した結果を表示出力し、かつ、前記ロータとステータの相対的な位置関係の時間的な変化に伴う磁束ベクトルの絶対値と方向の変化を表示出力する表示手段とを備えたことを特徴とする磁気測定装置。