JP2005515740A - 可変電磁減衰装置 - Google Patents

Abstract

本発明は素子（１２）を運動させる変位装置（１０）において減衰を提供するための方法及び装置に関する。この変位装置（１０）は第１の磁場を発生させる永久磁石（１４）と、素子（１２）と一緒に運動できる第１のコイル（１６）とを有する。第１のコイル（１６）は第２の磁場を発生させるために外部の源（１３）から選択された電流を受け取る。減衰方法は第２のコイル（１８）内に電流を発生させるために少なくとも１つの磁場内で第２のコイル（１８）を運動させる工程を有する。この方法は変位装置（１０）における減衰を変更させるために第２のコイル（１８）内の電流を変更する工程を有する。

Description

本発明は素子を運動させる変位装置において減衰（ダンピング）を提供する方法及び装置に関する。

米国特許第４,８４８，１４１号明細書（下記特許文献１）に記載された圧こん装置の如き高精度負荷制御応用は装置へ振動を付加する環境上の又は内部のノイズ源により悪影響を受けることがある。
装置の減衰を増大させることは装置上のノイズのマイナスの効果を軽減するのに有益となることがある。しかし、相殺されるものが存在する。特に、装置の動的特性が増大した減衰により変化するので、所望の方法で圧こん装置を制御する能力はある場合には影響を受けることがある。
米国特許第４,８４８，１４１号明細書

装置の動的特性に悪影響を及ぼすことなく高精度負荷制御装置における内部及び外部のノイズを減衰する問題を処理する進行中の要求が存在する。

本発明は素子を運動させる変位装置において減衰を提供する方法及び装置に関する。変位装置は第１の磁場を発生させる永久磁石と、素子と一緒に運動できる第１のコイルとを有する。第１のコイルは第２の磁場を発生させるために外部の源から選択された電流を受け取る。減衰方法は第２のコイル内に電流を発生させるために少なくとも１つの磁場内で第２のコイルを運動させる工程を含む。方法は変位装置における減衰を変更するために第２のコイル内の電流を変更する工程を含む。

別の態様としては、上述の変位装置は試験試片の機械的又は物理的特性を試験するために使用される材料試験機として具体化でき、可動な素子は試験試片に係合（例えば接触又は支持）するようになっている。

電磁減衰（ダンピング）はファラデーの法則及びレンツの法則の原理で作動する。ファラデーの法則では、変化する磁場により回路内に誘起された起電力（Ｅｍｆ）が回路をリンクする磁束の変化量の負数に等しいとしている。ファラデーの法則はまた電磁誘導の法則として知られている。レンツの法則はファラデーの法則の結果であり、導体内に誘起されたＥｍｆがあるときはいつも、起電力が常に、それが誘起した電流が、誘起されたＥｍｆを生じさせた変化に対抗するような方向に向いていることを示している。換言すれば、誘起された電流は磁束内の元の動揺即ち変化に対抗する磁場を有する。

一定でない磁場内で運動する導電性の物体の特殊な場合においては、物体の運動は物体に入射する磁束の総計的変化を生じさせる。磁束のこの変化は磁束の変化に対応する電流を物体内に発生させる。次いで、電流は対応する磁場を発生させ、その方向は磁束の変化に対抗する。従って、磁場内で物体に適用された任意の動的力は起振力の効果を打ち消すように作用する対応する減衰力を生じさせる。この効果は物体の起振を減衰するのに役立つ。

図１には、ここではその長手軸線に沿って、素子１２を運動させる変位装置１０において減衰を提供する方法及び装置が全体的に示されている。変位装置１０はその全体を参照として組み込む上記米国特許第４,８４８，１４１号明細書に示され記載された圧こん器とすることができる。そのような装置は商業的に入手できる。例えば、共にミネソタ州、エデン・プレーリー(Eden Prairie) のＭＴＳシステムズ社(MTS Systems Corporation)により製造されたＮａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ（登録商標名）又は動的接触モジュールの商品名で売られている圧こん装置は本発明に適用することができる。しかし、他の形式の変位装置、特に試験試片の機械的又は物理的特性を試験するために使用される（上述した圧こん器及びモジュールの如き）材料試験機は本発明から利益を得ることができることを理解すべきである。

圧こん装置９として具体化されたものにおいて、材料５のサンプルは、試験すべき表面を上に向けて、コンピュータで制御されるＸ−Ｙテーブル７上の既知の位置に置かれる。電磁的に駆動される圧こん装置９が提供され、サンプル５上に位置決めされる。圧こん装置９はサンプル５と係合するように素子１２の先端を下方へ運動させるためにコンピュータ制御の可変電流源１３からの電流の適用により作動される電流駆動子即ち第１のコイル１６を有する。先端がサンプルに接触すると、第１のコイル１６に適用された電流のプログラムされた変化により、所定の力パターンが圧こん器に適用される。素子１２は約５００Åの端半径を持った典型的な三角形ピラミッドダイアモンドプローブの先端を有することができる。

電流源１３はＸ−Ｙテーブル７をも制御するシステムコンピュータ１９により制御される。素子１２の変位は変位ゲージ２１により測定され、その出力は直流変位検出器２３に接続される。検出器２３は直流変位信号をデジタル化し、デジタル電圧計２５を介してコンピュータ１９の入力部へ供給する。電圧計２５は試験手順中のプローブの変位の較正された読み出し値をオペレータに提供する。容量性変位ゲージとして示したが、光のパラメータ（例えば干渉計）、抵抗等を使用して変位を測定するゲージの如き、ただしこれに限定されない、他の形のゲージを使用できることを理解すべきである。

素子１２を介してサンプルに適用された力は第１のコイル１６に適用された直流駆動電流を感知する直流電流検出器２７により監視される。直流負荷電流は検出器２７によりデジタル化され、第２のデジタル電圧計２９を介してコンピュータ１９の別の入力部へ供給される。コンピュータはデータ及びシステム作動パラメータを記憶した多量記憶装置３１に接続することができる。

上述のような装置を使用する場合、サンプル５はＸ−Ｙテーブル７上の既知の位置に位置決めされ、プログラムされたコンピュータ１９は試験手順を開始するように信号付勢される。コンピュータはサンプル上の指定された位置に単一又は複数の圧こんを形成する所定の圧こん試験を自動的に遂行するようにプログラムされる。プローブは、サンプルと接触するまで、極めて遅い速度で下降される。次いで、コンピュータは源１３からのプログラムされた増大する直流電流を圧こん器の第１のコイル１６に適用し、予め選択された接合負荷即ち変位レベルに達するまで、圧こん器をサンプル５に対して押圧し、次いで接合の負荷を解除するように力が同じ速度で取り除かれる。この負荷及び負荷解除のサイクル中、コンピュータは直流電流（負荷）検出器２７から得られる接合負荷及び直流変位検出器２３から得られるプローブ変位を記録する。これらの値はサンプルの種々の機械的特性を決定する際に引き続いて使用するために多量記憶ユニット３１内に記憶させることができる。

装置９は、負荷及び負荷解除のサイクル中、素子１２の先端及びサンプル５の如き２つの物体間の接触の剛性を連続的に測定することができる。詳しくは、装置９は圧こんプローブとサンプルとの接合部に小さな機械的な振動力を適用し、２つの物体間の剛性の度合いとして、適用された力に関する結果としての変位を監視する手段を有する。力は駆動コイル１１に適用された直流駆動電流に交流電流を畳重することにより、典型的には約１０^−８Ｎ（ニュートン）の振動力（交流力）の形として適用することができる。適用される交流力の周波数は典型的には図１に示す装置に対しては０．５ないし２００Ｈｚの範囲である。しかし、含まれるプローブ装着組立体のデザインに応じて、約０．５Ｈｚないし１ＭＨｚで作動させることもできる。振動力の大きさは、接触領域に応じて、約１０^−１０ないし１Ｎの範囲内とすることができる。

この手順は、電流源１７の出力電流信号内へ交流信号を射出するようにコンピュータ１９の制御の下に交流信号発生器３３を付加し、交流変位検出器３５により結果として生じる交流変位を検出することにより、達成することができる。検出器３５は適用された周波数での適用された信号に関する変位信号の位相と一緒に交流変位の振幅を測定するように調整されたロックイン増幅器とすることができる。振幅及び位相信号は検出器３５によりデジタル化され、負荷及び負荷解除のサイクル中直流力及び変位の情報と一緒に分析又は記憶するためにコンピュータ１９の個別の入力部へ供給される。交流力（Ｆ）、位相（φ）及び交流変位ｈ（ω）の情報を使用して、上記米国特許第４,８４８，１４１号明細書に記載されたように、試験試片の剛性（Ｓ）及び他のパラメータを決定することができる。

図１、２に概略的に示すように、変位装置１０は第１の磁場を発生させる永久磁石１４と、素子１２と一緒に運動できる第１のコイル１６とを有する。第１のコイル１６は第２の磁場を発生させるために外部の電流源１３から電流を受け取る。装置及び方法は、その中に電流を発生させるために磁場内で素子１２に結合された第２のコイル１８を運動させる工程と；変位装置１０の減衰を変更するために第２のコイル１８内の電流を変更する工程と；を含む。可動の素子１２の減衰運動を調整する手段は変位装置１０の減衰を変更するために第２のコイル１８内の電流を変更する工程を含む。

１つの実施の形態は第２のコイル１８内の電流を変更する方法を利用し、可変磁束減衰器と呼ばれる。この実施の形態においては、可動の素子１２の減衰運動を調整する手段はそこを通って第２のコイル１８が運動する磁束を変化させる工程を含む。例えば、第１の実施の形態においては、磁束を変化させる工程は第２のコイル１８が体験する磁束の量を変化させるように永久磁石１４を再位置決めする工程を含む。永久磁石１４に結合された位置決め器２０は磁束を変化させるために永久磁石１４を変位させる。位置決め器２０は磁束を変化させるために任意の方向に永久磁石１４を運動させることができる。例えば、位置決め器２０は可動の素子１２の変位の長手軸線に沿って永久磁石１４を上下に運動させることができる。同様に、位置決め器２０は長手軸線に関して鈍角に及び長手軸線に対して垂直に永久磁石１４を運動させることができる。所望なら、永久磁石１４のほんの一部を再位置決めできることに留意すべきである。位置決め器２０は手動とすることができ又はコンピュータ制御とすることができる。

位置決め器２０は多くの形をとることができる。例えば、位置決め器２０は運動を遂行するために歯車又は他の適当な駆動素子を備えた機械的な装置とすることができる。別の実施の形態においては、位置決め器２０は液圧アクチュエータ、空気式アクチュエータ、リニアモータ又は駆動スクリューの如き簡単なアクチュエータとすることができる。ここで使用されるように、可動の素子１２の減衰運動を調整する手段はまた永久磁石１４の一部を単に除去する工程、或いは、永久磁石１４を一層大きいか又は一層小さい強度のものと交換する工程を含む。これらの技術の各々も第２のコイル１８内に誘起される電流を変更する。位置決め器２０、磁石１４及びコイル１８の如き図１、２に示す素子の方位は多くの形をとることができることに留意すべきである。図１、２の概略図示は限定を意図するものではない。

別の実施の形態においては、第２のコイル１８の抵抗は可動の素子１２の減衰運動を調整するようにその中の電流を変更するために調整され、ここでは抵抗減衰器と呼ばれる。第２のコイル１８内の一層低い抵抗は一層高い誘起電流従って一層大きな減衰に関連する。逆に、一層高い抵抗は一層低い誘起電流及び一層少ない減衰に関連する。図３を参照すると、第２のコイル１８は普通に導電性材料の単一巻きの円筒状スリーブからなり、このスリーブは、例えば、外部の電流源１３（図１、２に示す）から駆動電流を受け取る第１のコイル１６と同心にその内側又は外側で可動の素子１２に固定される。図６は図２の６−６線における断面図であり、第１のコイル１６の内側又は外側の第２のコイル１８のための選択的位置を示す。第２のコイル１８は第１のコイル１６から電気的に絶縁される。

可動の素子１２の減衰を調整するように第２のコイル１８の抵抗を調整するために種々の技術を使用することができる。第１の技術においては、その抵抗を変化させるために第２のコイル１８の寸法又は形状を変更することができる。例えば、種々の寸法（例えば直径）のコイルを利用することができ、この場合、コイルは第２のコイル１８の抵抗を変更するように選択的に設置される。

図４は、電子スイッチ２６が第２のコイル１８の導電性経路を完成させるような別の技術を概略的に示す。一般に、電子スイッチ２６は比較的低抵抗の状態から比較的高抵抗の状態へ切換わることができる。別の実施の形態においては、電子スイッチ２６の作動点は比較的低抵抗の状態と比較的高抵抗の状態との間の範囲内で制御される。種々の形のトランジスタはこの方法で作動することができる。

電子スイッチ２６は第２のコイル１８に対して外部のものとすることができる。しかし、第２のコイル１８の低抵抗を考慮すると、電子スイッチ２６と第２のコイル１８との間の抵抗を最小化するために第２のコイル１８の出来る限り近くに電子スイッチ２６を配置するのが好ましいことが考えられる。

図３、５は、少なくとも１つの電子スイッチ２６が第２のコイル１８の重なった部分１８Ａ、１８Ｂ間に位置するような１つの実施の形態を示す。図５は理解の目的のためにその中に位置する素子の寸法を誇張して示した概略図であることに留意すべきである。図４において、コントローラ２８から電子スイッチ２６へコマンド信号が提供される。コマンド信号のために使用される導体の長さは便利なように選択される。その理由は、コマンド信号の信号経路の抵抗が第２のコイル１８の全体の抵抗に影響を及ぼさないからである。光をコマンド信号に使用して作動する電子スイッチも使用できることに留意すべきである。同様に、当業界で周知の他の形の電子スイッチも使用できる。

別の実施の形態においては、図３に示すように並列に接続された複数３０の電子スイッチ２６を使用して、第２のコイル１８の導電性経路を完成させることができる。所望するなら、各電子スイッチ２６は別個に作動することができ、この場合、各電子スイッチ２６は比較的低抵抗の状態と比較的高抵抗の状態とを有する。同様に、各電子スイッチ２６は比較的低抵抗の状態から比較的高抵抗の状態への範囲内に作動点を有するように調整することができる。

減衰を調整する別の実施の形態も図１、２、７に示してある。図７は図２の７−７線における断面図である。この実施の形態においては、可動の素子１２及び第２のコイル１８を受け入れる開口３６を有する第３のコイル３４が設けられる。第３のコイル３４は第３の磁場を誘起するために外部の電流源１５から電流を受け取り、この場合、第３の磁場内での第２のコイル１８の運動が減衰を提供するための電流を発生させる。図示のように、第３のコイル３４は可動の素子１２の運動軸線に沿って永久磁石１４から離間することができる。この方法では、減衰の量はゼロから最大レベルまで調整することができる。その理由は、第２のコイル１８が第３の磁場内で運動するからである。換言すれば、第２のコイル１８は第３のコイル３４の磁場のみと相互作用するように素子１２上で位置決めすることができる。別の実施の形態においては、第２のコイルは磁石１４及び第３のコイル３４の磁場と相互作用するように素子１２上で位置決めすることができる。第３の磁場は外部の電流源１５から第３のコイル３４へ提供される電流を調整することにより調整可能とすることができる。

当業者なら認識できるように、所望するなら、上述の実施の形態の特徴を組み合わせることができる。
好ましい実施の形態に関連して本発明を説明したが、当業者なら、本発明の精神及び要旨から逸脱することなく、形及び詳細について変更を行うことができることを認識できよう。

電磁減衰を伴う商業的に入手できる圧こん試験装置の概略線図である。 電磁減衰を伴う変位装置の拡大断面図である。 可変抵抗を有するコイルの概略図である。 減衰コイルにおいて抵抗を変更するための装置の概略線図である。 減衰コイルの重なった部分間に位置する電子スイッチの概略図である。 図２の６−６線における断面図であって、減衰コイルの交互の位置を示す図である。 図２の７−７線における断面図である。

符号の説明

５ …… サンプル
１０ …… 変位装置
１２ …… 可動の素子
１３ …… 電流源
１４ …… 永久磁石
１５ …… 電流源
１６ …… 第１のコイル
１８ …… 第２のコイル

Claims (38)

1. 素子を移動させる変位装置であって、第１の磁場を発生させる永久磁石と、上記素子と共に可動で、第２の磁場を発生させるために外部の電流を受け取る第１のコイルとを有する変位装置において減衰を提供する方法において、
   少なくとも１つの磁場内で第２のコイルを運動させる工程と；
   上記変位装置において減衰を変更させるように上記第２のコイル内で電流を変更する工程と；
   を有することを特徴とする方法。
2. 上記第２のコイルを運動させる工程が上記第１の磁場内で当該第２のコイルを運動させる工程を有し、該第２のコイル内で電流を変更する工程が該第２のコイルに関する上記永久磁石の位置を調整する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記第２のコイルを運動させる工程が上記第１の磁場内で当該第２のコイルを運動させる工程を有し、上記電流を変更する工程が該第２のコイルの抵抗を変更する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 上記抵抗を変更する工程が上記第２のコイルの導電性経路を完成させる電子スイッチを作動させる工程を有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 上記電子スイッチを作動させる工程が比較的低抵抗の状態から比較的高抵抗の状態へ当該スイッチを選択的に切換える工程を有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 上記電子スイッチを作動させる工程が比較的低抵抗の状態と比較的高抵抗の状態との間の範囲における位置となるように当該スイッチの作動点を選択的に制御する工程を有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 上記抵抗を変更する工程が上記第２のコイルの複数の導電性経路を完成させる複数の電子スイッチを選択的に作動させる工程を有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
8. 上記複数の電子スイッチを作動させる工程が比較的低抵抗の状態から比較的高抵抗の状態へ当該各スイッチを選択的に切換える工程を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 上記複数の電子スイッチを作動させる工程が比較的低抵抗の状態と比較的高抵抗の状態との間の範囲における位置となるように当該各スイッチの作動点を選択的に制御する工程を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 上記電流を変更する工程が第３の磁場を発生させる工程を有し、上記第２のコイルを運動させる工程が上記第３の磁場内で当該第２のコイルを運動させる工程を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 変位装置において、
    第１の磁場を発生させる永久磁石と；
    可動の素子と；
    上記可動の素子に固定され、第２の磁場を発生させるために電流を受け取る第１のコイルと；
    上記可動の素子と一緒に運動できる第２のコイルと；
    上記可動の素子の減衰運動を調整する手段と；
    を有することを特徴とする変位装置。
12. 上記減衰を調整する手段が上記第２のコイルの抵抗を調整する手段を有することを特徴とする請求項１１に記載の変位装置。
13. 上記第２のコイルが導電性材料の単一巻きの円筒状スリーブを有することを特徴とする請求項１２に記載の変位装置。
14. 上記第２のコイルが上記第１の磁場内で運動でき、上記調整する手段が当該第２のコイルの導電性経路を完成させる電子スイッチを有することを特徴とする請求項１２に記載の変位装置。
15. 上記電子スイッチが比較的低抵抗の状態から比較的高抵抗の状態へ切換わることができることを特徴とする請求項１４に記載の変位装置。
16. 上記スイッチの作動点が比較的低抵抗の状態と比較的高抵抗の状態との間の範囲において制御できることを特徴とする請求項１４に記載の変位装置。
17. 上記抵抗を調整する手段が複数のスイッチを有し、上記各スイッチが上記第２のコイルの導電性経路を選択的に完成させることを特徴とする請求項１２に記載の変位装置。
18. 上記各スイッチが比較的低抵抗の状態から比較的高抵抗の状態へ切換わることができることを特徴とする請求項１７に記載の変位装置。
19. 上記各スイッチの作動点が比較的低抵抗の状態と比較的高抵抗の状態との間の範囲において制御できることを特徴とする請求項１７に記載の変位装置。
20. 上記減衰を調整する手段が上記可動の素子及び上記第２のコイルを受け入れる開口を備えた第３のコイルを有し、同第３のコイルが第３の磁場を発生させるために外部の電流を選択的に受け取り、上記第３の磁場内での当該第２のコイルの運動が当該素子に対する減衰を提供することを特徴とする請求項１１に記載の変位装置。
21. 上記第３のコイルが上記可動の素子の運動軸線に沿って上記永久磁石から離間することを特徴とする請求項２０に記載の変位装置。
22. 上記減衰を調整する手段が上記永久磁石に結合された位置決め器を有し、上記第２のコイルが上記第１の磁場内で運動することを特徴とする請求項１１に記載の変位装置。
23. 変位装置において、
    第１の磁場を発生させる永久磁石と；
    可動の素子と；
    上記可動の素子に固定され、第２の磁場を発生させるために電流を受け取る第１のコイルと；
    上記第１の磁場内で上記素子と一緒に運動するように当該素子に固定された第２のコイルと；
    上記第２のコイルの導電性経路を選択的に完成させる電子スイッチと；
    を有することを特徴とする変位装置。
24. 複数の電子スイッチを更に有し、上記各スイッチが上記第２のコイルの導電性経路を選択的に完成させることを特徴とする請求項２３に記載の変位装置。
25. 上記第２のコイルが単一巻きのコイルであることを特徴とする請求項２４に記載の変位装置。
26. 上記第２のコイルが導電性材料の円筒状スリーブを有することを特徴とする請求項２５に記載の変位装置。
27. 試験試片の機械的な特性を試験するための材料試験機において、
    第１の磁場を発生させる永久磁石と；
    試験試片に係合するようになった可動の素子と；
    上記可動の素子に固定され、第２の磁場を発生させるために電流を受け取る第１のコイルと；
    上記可動の素子と一緒に運動する第２のコイルと；
    上記可動の素子の減衰運動を調整する手段と；
    を有することを特徴とする材料試験機。
28. 上記減衰を調整する手段が上記第２のコイルの抵抗を調整する手段を有することを特徴とする請求項２７に記載の材料試験機。
29. 上記第２のコイルが導電性材料の単一巻きの円筒状スリーブを有することを特徴とする請求項２８に記載の材料試験機。
30. 上記第２のコイルが上記第１の磁場内で運動することができ、上記調整する手段が当該第２のコイルの導電性経路を完成させる電子スイッチを有することを特徴とする請求項２８に記載の材料試験機。
31. 上記電子スイッチが比較的低抵抗の状態から比較的高抵抗の状態へ切換わることができることを特徴とする請求項３０に記載の材料試験機。
32. 上記スイッチの作動点が比較的低抵抗の状態と比較的高抵抗の状態との間の範囲において制御できることを特徴とする請求項３０に記載の材料試験機。
33. 上記抵抗を調整する手段が複数のスイッチを有し、上記各スイッチが上記第２のコイルの導電性経路を選択的に完成させることを特徴とする請求項２８に記載の材料試験機。
34. 上記各スイッチが比較的低抵抗の状態から比較的高抵抗の状態へ切換わることができることを特徴とする請求項３３に記載の材料試験機。
35. 上記各スイッチの作動点が比較的低抵抗の状態と比較的高抵抗の状態との間の範囲において制御できることを特徴とする請求項３３に記載の材料試験機。
36. 上記減衰を調整する手段が上記可動の素子及び上記第２のコイルを受け入れる開口を備えた第３のコイルを有し、同第３のコイルが第３の磁場を発生させるために外部の電流を選択的に受け取り、上記第３の磁場内での当該第２のコイルの運動が当該素子に対する減衰を提供することを特徴とする請求項３３に記載の材料試験機。
37. 上記第３のコイルが上記可動の素子の運動軸線に沿って上記永久磁石から離間することを特徴とする請求項３６に記載の材料試験機。
38. 上記減衰を調整する手段が上記永久磁石に結合された位置決め器を有し、上記第２のコイルが上記第１の磁場内で運動することを特徴とする請求項２７に記載の材料試験機。

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