JP6479605B2 - 電磁力を利用したトルク校正装置及びトルク校正方法 - Google Patents
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Description
重力方式は、現在最も高度なトルクを実現できる有効な方式であり、産業技術総合研究所計量標準総合センター(NMIJ)をはじめ、ドイツ・フランス・中国・韓国など各国家計量研(NMI)で、トルクの国家標準を実現する方法として採用されている。
非特許文献1には,ドイツNMIにより開発された、1 mN・m 〜10 mN・m の微小トルクの校正を可能にした実荷重式トルク標準器について記載されており、現在、これが最も精度の高いトルク標準器とされている。
しかし、この重力による方法では、載荷するおもりの質量を小さくしたり、レバーの長さを短くすることには、製作精度上限界があり、さらに、各レバーの支点部に作用する摩擦力の影響や、空気の流れ、緯度の相違に基づく重力加速度の影響等を受ける。非特許文献1には、実荷重式によりトルク値1 mN・m 〜10 mN・m の校正を0.1%の不確かさで実現することが記載されているが、トルク標準器としては不確かさが十分ではなく、実荷重式では、1 mN・m 未満の微小トルクを正確に校正することは非常に困難である。
このため、仲介器(トルク計測機器)を使用せざるを得ず、必然的に使用した仲介器の性能に結果が大きく影響されてしまうため、仲介器の影響が及ばない、新たな校正装置及び校正方法が求められている。
(1)微小トルクを高い精度で再現できる。
(2)軽量化、コンパクト化、低コスト化が可能となる。
(3)緯度に応じた重力加速度の評価が不要である。
(4)搬送により機構的なダメージを受けにくく、仮に受けたとしても、搬送後の再評価(磁気回路の磁束密度とコイルの形状)が容易である。
(5)このため、製造現場等でも容易にトルクの一次標準を実現できる。
(6)新しいトルクのSIトレーサビリティ体系を構築することで、新たなトルク計測機器の開発を促進できる。
図1に示すように、磁束密度Bの鉛直上向きの一様な磁場内に、水平軸(O-O’)の周りに回転できる矩形のコイルC(長さL、高さh、O-O’に対して対称形状)を設置して電流Iを流すと、磁束密度と直行する2つの辺が磁場から受ける力Fは、
F=I・B・L、または、F=-I・B・L・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(1)
となる。つまり、磁束密度と直行する2つの辺に働く力は、大きさが等しくて向きが逆であるので、偶力が生じる。
T=I・B・L・h・cosθ=I・B・A・cosθ ・・・・・・・・・・・・・・・式(2)
と表すことができる。
ここでA=L・h、すなわちAをコイルの面積とし、コイルCがN巻きのときは、
T=N・I・B・A・cosθ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(3)
となる。
式(3)より、トルクTの最大値Tmaxは、cosθ=1、すなわち、コイルCの面が、磁力線に対し平行となる。θ=nπ(n=0、1、2、3・・・・)のときに発生し、
Tmax=N・A・B・I ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(4)
となる。
角度位置θや電流Iは比較的高精度に計測できるものの、コイルCの形状(巻数Nや面積A)や磁束密度Bを高い精度で計測することは極めて困難である。
そこで、磁束密度B、コイルCの面積A及び巻数Nを相殺するため、図3に示すように、同じ磁束密度Bの磁場中で、同じコイルCをモータMにより回転角速度ωで回転させた場合に生じる誘導起電力Vを予め計測しておく。
すなわち、トルクを発生する場合と同じ磁束密度Bの磁場中で、コイルCをモータMにより一定の回転角速度ω(π/s)で回転させることで、コイルCには誘導起電力Vが発生する。
コイルCの法線ベクトルが磁力線の方向と一致するときを原点(t=0)とすると、図4に示すように、t秒後、コイルCの法線が磁力線に対し角度ωtとなるとき、誘導起電力Vは、
V=N・A・B・ω・sinωt・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(5)
で表される。
Vmax=N・A・B・ω・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(6)
となる。
これは、前述のように、磁束密度Bの磁場内にあるコイルCに電流Iを流したとき、発生するトルクが最大値であるTmaxとなるときと同じ角度位置である。
そこで、予め、磁束密度Bの中でコイルCをモータMにより様々な回転速度ωiで回転させ、回転速度毎に、最大誘導起電力Vmax_iと、そのときのコイルCの角度位置p0_iを記録する。
そして、横軸にωi、縦軸にVmax_iをとり、その傾きであるN・A・Bを近似式で求める。
なお、p0_iの平均値をp0/とする。
このとき、式(4)により、
Tmax/I=N・A・B・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(7)
そして、式(6)により、
Vmax/ω=N・A・B ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(8)
さらに、式(7)、(8)により、
Tmax・ω=Vmax・I ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(9)
となる。
例えば、電圧値、電流値については、±0.01V以下の精度を有する電圧計±0.001A以下の精度を有する電流計を採用し、回転角速度、角度位置については、分解能224counts per revolutionを有するモータ、262144カウント/1回転の分解能を有する光学式非接触型ロータリエンコーダを採用すれば、1 mN・m 未満の微小トルクに対しても、相対拡張不確かさを0.1%よりも小さくすることが可能である。この精度は、非特許文献1に記載された、現在最も高性能な実荷重式トルク標準機の不確かさを実現できることを示している。
なお、コイルCについては、アクリルで補強したボビンを使用しているため、変形等による影響は無視することができる。
実荷重式でトルクを定める場合は、現在不確かさが最も小さいドイツのNMIが開発をした実荷重式トルク標準機でも、相対値で10-5のオーダであるのに対し、本発明によれば、従来の実荷重式と比較して、不確かさを1/10にすることも可能である。
回転角速度ωiを様々に変更して、以上の測定、記録を繰り返して、ωi、Vmax_iの関係を求め、その傾きを最小二乗法等により算出することで、式(6)に示すとおり、磁束密度BとコイルCの形状(巻き数N及び面積A)を評価することができる。また、どの回転角速度においても、Vmaxとなる角度位置は厳密には変わらないはずであり、p0_iの測定結果は正規分布になると考えられるので、精度向上の観点から、p0_iの平均値p0/を誘導起電力が最大となる角度位置とする。
Tmax=I・Vmax/ω ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(10)
となる。
すなわち、あらかじめ評価されたVmax/ω(装置特有の定数)と、電流Iを計測することにより、Tmaxを特定することができ、このトルクを被校正対象に入力することで、被校正対象の校正が可能となる。
図5は、本実施例の全体構成を示すもので、(a)は側面図、(b)は正面図である。
リニアガイド1の最上部には、モータ2がL型治具により上下位置を調整可能に取り付けられており、カップリング3、空気軸受群4a〜4c、例えば、光学式非接触型ロータリエンコーダ等の高分解能のロータリエンコーダ5を介して、電流電圧計測装置本体6が連結されている。なお、空気軸受群4a〜4cもL型治具により上下位置を調整可能に取り付けられている。
図5では、モータ2の出力軸、カップリング3、そしてロータリエンコーダ5が互いに離隔した状態を示しているが、作動時は、モータ2、空気軸受群4a〜4cもL型治具のリニアガイド1上の位置を調整することにより互いに結合させる。
一方、リニアガイド1の最下方には、コの字状のヨーク8が固定されており、その内面に互い対向するように取り付けられた磁石9のN極とS極により、異極対向型磁気回路が形成され、その内部に矩形コイル7が挿入されている。なお磁石9は、永久磁石、電磁石のいずれでもよい。
制御用CPU10は、これらの検出値に基づいて、駆動回路13を介してモータ2を駆動し、矩形コイル7の回転速度、停止位置を制御する。
なお、電流電圧計測装置本体6の内部にバッテリ14を内蔵させることに代え、ロータリコネクタを介して外部電源を供給するようにしてもよい。いずれの場合でも、電流電圧計測装置本体6の回転に伴って、大きな偏心運動が発生しないよう、内蔵する機器の重量配分をバランスさせることが好ましい。
電流制御部17が矩形コイル7に供給する電流値I、電圧計測部18の計測値Vは、無線通信モジュール15により受信部12に送信される。
一方、トルク変換器の校正を行う際は、スイッチSをオンにした上で、電流制御部17を介して、矩形コイル7に供給する電流値Iを制御するとともに、インターフェース11を介して入力される非接触型ロータリエンコーダ5からの検出信号に基づいて、駆動回路13を介してモータ2による静止位置制御を行う。
これらの空気軸受群4a〜4cには、バルブ19a〜19c、スピードコントローラ20a〜20cを介して、エアマニホールド21からの圧縮空気が導入される。矩形コイル7を精密に決められた角度位置で保持するために、圧縮空気による回転力を互いに相殺して、静止状態を維持できるよう、自動又は手動によりスピードコントローラ20a〜20cにより流量を調整できるようにしている。
まず、磁束密度Bと矩形コイルCの形状(巻き数N、面積A)を評価するため、駆動回路13は制御用CPU10からの命令を受け、モータ2により、ヨーク8及び磁石9により形成される磁束密度Bの磁場内で矩形コイル7を回転させ、発生する誘導起電力Vを電流電圧計測装置本体6内部の電圧計測部18により、そして、矩形コイルCの回転角速度ω、角度位置pをロータリエンコーダ5により取得して、制御用CPU10のメモリ内に記録する。
これを繰り返し、誘導起電力Vの最大値Vmax、最大値Vmaxが発生した角度位置p0を記録する。
また、角度位置p0_iの平均値p0/も求めておく。
なお、以上の操作は予め磁気回路と矩形コイルの組み合わせ毎に1度行いメモリに記録しておけば、磁束密度や矩形コイルの形状変化がない限り、トルク変換器を校正するたびに行う必要はない。ただし、搬送を行うために一度分解した場合や、測定環境条件が悪く経時変化が予想される場合は、磁束密度BとコイルCの形状の再評価を行う必要がある。
まず、図8に示すように、リニアガイド1上の位置を調整することで、カップリング3の下方に、校正対象であるトルク変換器22を介在させ、トルク変換器22と空気軸受群4a〜4cとの間を第2のカップリング23により連結する。このトルク変換器22は、トルク変換器用指示計器24を介して、制御用CPU10に接続されている。
このトルクTにより矩形コイル7が回転しようとするが、制御用CPU10は、ロータリエンコーダ5から入力される角度位置を、前述のように、磁束密度BとコイルCの形状を評価する手順により、予め求めた角度位置p0/で保持するようモータ2に指令を出す。
その際、矩形コイル7の角度位置がp0/からオーバーシュートしないように、段階的にモータ2の速度を低減できるような制御を行う。
また、2個のバッテリ14を電流電圧計測装置本体6の内部に収納したが、1個あるいは3個以上としてもよく、ロータコネクタを用いて外部電源を供給するようにしてもよい。
電流電圧計測装置本体6を円筒体としてもよいし、コイルの形状も矩形に限られるものではない。
しかも、振動や衝撃にも大きな影響を受けないので、製造現場等でも容易にトルクの一次標準を実現できるので、トルク校正装置として広く採用されることが期待できる。
3:(第一の)カップリング 4a〜4c:空気軸受群
5:ロータリエンコーダ 6:電流電圧計測装置本体
7:矩形コイル 8:ヨーク
9:磁石 10:制御用CPU
11:インターフェース 12:受信部
13:駆動回路 14:バッテリ
15:無線通信モジュール 16:電流電圧計測部
17:電流制御部 18:電圧計測部
19a〜19c:バルブ 20a〜20c:スピードコントローラ
21:エアマニホールド 22:トルク変換器
23:(第2の)カップリング 24:トルク変換器用指示計器
Claims (5)
- 磁束密度Bの磁場を形成する異極対向型磁気回路と、
前記異極対向型磁気回路の内部に挿入されたコイルと、
前記コイルを回転角速度ωで回転させるとともに、特定の角度位置で静止させるモータと、
前記コイルの回転角度位置p及び回転角速度ωを検出するロータリエンコーダと、
前記モータを回転角速度ωで回転させたとき、前記コイルに発生する誘導起電力Vを計測する電圧計測部と、
前記誘導起電力Vの最大値Vmaxとそのときの角度位置p0を記録したメモリと、
前記コイルに電流Iを流し、前記コイルに発生するトルクに抗して、前記コイルを前記角度位置p0に静止させる制御装置とを備え、
前記モータの出力トルクを校正対象のトルク変換器に入力することを特徴とするトルク校正装置。 - 前記コイルが装着されるとともに、前記ロータリエンコーダを介して、前記モータに連結される電流電圧計測装置本体を備え、この電流電圧計測装置本体の内部に前記誘導起電力を計測する電圧計測部、前記コイルに電流Iを供給する電流制御部、前記制御装置、並びに、前記電圧計測部が計測した電圧データ及び前記電流制御部が供給した電流データを無線送信する無線通信モジュールが収納されていることを特徴とする請求項1に記載のトルク校正装置。
- 前記モータと前記ロータリエンコーダを、スラスト方向及びラジアル方向の支持を行う空気軸受群により連結したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のトルク校正装置。
- 前記モータ及び前記空気軸受群をリニアガイドにより位置調整可能に取り付け、前記モータと前記ロータリエンコーダとの間に、ジョイントを介して前記トルク変換器を連結し、前記モータの出力トルクを校正対象のトルク変換器に入力するようにしたことを特徴とする請求項3に記載のトルク校正装置。
- モータを駆動し、磁束密度Bの磁場を形成する異極対向型磁気回路内部でコイルを回転角速度ωで回転させ、前記コイルに発生する誘導起電力Vの最大値Vmaxと、前記誘導起電力Vが最大値Vmaxとなる角度位置p0をメモリに記録する第一の工程と、
前記モータと前記コイルの間に校正対象のトルク計測機器を連結する第二の工程と、
前記コイルに電流Iを流し、前記モータにより、前記コイルに発生するトルクに抗して前記コイルを前記角度位置p0に静止させる第三の工程と、
前記モータの出力トルクを、前記トルク計測機器が具備するトルク変換器に入力し、このトルク変換器への指示値との対応により、前記トルク計測機器の校正を行う第四の工程とからなることを特徴とするトルク校正方法。
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