JP2011007749A - 慣性モーメント測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定した測定条件下において、測定対象単体の慣性モーメントを簡単に精度良く測定すること。
【解決手段】アクチュエータ100では、測定対象物20に接続される可動体110が、シャフト180を介して回動自在であり、固定体120に取り付けられた弾性体130によってシャフト180をねじる方向に可動自在に支持されている。アクチュエータ100は、可動体110の共振周波数に略等しい周波数の交流が供給されることによって、電磁力により可動体110をシャフト180の回転方向に往復振動する。FFTアナライザ200はアクチュエータ100に周波数可変で交流を供給し、LDV400とともに振動する可動体110及び測定対象物20の共振周波数を検出する。FFTアナライザ200は、検出した共振周波数を用いて測定対象物20の慣性モーメントを算出する。
【選択図】図2
【解決手段】アクチュエータ100では、測定対象物20に接続される可動体110が、シャフト180を介して回動自在であり、固定体120に取り付けられた弾性体130によってシャフト180をねじる方向に可動自在に支持されている。アクチュエータ100は、可動体110の共振周波数に略等しい周波数の交流が供給されることによって、電磁力により可動体110をシャフト180の回転方向に往復振動する。FFTアナライザ200はアクチュエータ100に周波数可変で交流を供給し、LDV400とともに振動する可動体110及び測定対象物20の共振周波数を検出する。FFTアナライザ200は、検出した共振周波数を用いて測定対象物20の慣性モーメントを算出する。
【選択図】図2
Description
本発明は、測定対象物の慣性モーメントを測定する慣性モーメント測定装置に関する。
従来、慣性モーメントを測定する装置としては、例えば、特許文献1に示すように、ステッピングモータと負荷が結合された状態における系の慣性モーメントを測定する装置が知られている。
この装置では、まず、測定対象となるステッピングモータを駆動するとき、任意の相に流入する駆動電流の波形の特徴と、既知のトルクを与えたときにおける駆動電流の波形の特徴とを比較してトルクを測定する。そして、ステッピングモータを一定周波数で回転させたときの負荷トルクと、一定加速度で回転させたときの負荷トルクの差分から慣性モーメントを測定する。また、系全体の慣性モーメントから、モータのロータ慣性モーメントを差し引くことにより、負荷慣性モーメントを知ることができる。
ところで、特許文献1に示す従来の慣性モーメントを測定する装置は、モータとモータの負荷とが結合された状態の系を有するシステムにおいて、モータとモータの負荷に関する慣性モーメントを評価するものである。
したがって、慣性モーメントを測定する際に駆動源となるモータ自体がシステム毎に異なるため、一定の条件下において、ステッピングモータと負荷が結合された状態の系の慣性モーメントを評価する場合、一定の条件下とはならず、正確な評価を行うことができないという問題がある。
また、評価する際にはステッピングモータと負荷が結合された状態における系を組上げる必要があり、ステッピングモータ単体や負荷単体の慣性モーメントを評価する場合、組み上げることなく簡単に評価することが望まれている。
また、従来の測定装置では、ステッピングモータを駆動した際に、ステッピングモータへの電流を測定することによって、モータとモータの負荷とが結合された状態の系の慣性モーメントを評価している。このため、モータ駆動によってジュール熱を伴い、発熱して温度条件によっては電流値が変化して測定精度が悪化する恐れがある。
本発明の目的は、安定した測定条件下において、測定対象単体の慣性モーメントを簡単に精度良く測定する慣性モーメント測定装置を提供することである。
本発明の慣性モーメント測定装置は、測定対象に接続される可動体と、前記可動体を、回転軸を介して回動自在に軸支する固定体とを有し、前記可動体は、前記固定体に取り付けられた弾性支持部によって前記回転軸をねじる方向に可動自在に支持されてなり、前記可動体の共振周波数に略等しい周波数の交流が供給されることによって、電磁力により前記可動体を前記回転軸の回転方向に往復振動するアクチュエータと、前記アクチュエータに周波数可変で交流を供給する交流供給手段と、振動する前記可動体及び前記測定対象の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、前記共振周波数から前記測定対象の慣性モーメントを算出する算出手段とを備える構成を採る。
本発明によれば、安定した測定条件下において、測定対象単体の慣性モーメントを簡単に精度良く測定する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る慣性モーメント測定装置の概観図、図2は、同慣性モーメント測定装置10の模式図である。また、図3は、本発明の実施の形態1に係る慣性モーメント測定装置10のアクチュエータ100を示す斜視図である。図4は、同アクチュエータの要部分解斜視図である。図5は、アクチュエータ100における可動体110及び固定体120の構成を示す概略断面図である。
図1は、本発明の実施の形態1に係る慣性モーメント測定装置の概観図、図2は、同慣性モーメント測定装置10の模式図である。また、図3は、本発明の実施の形態1に係る慣性モーメント測定装置10のアクチュエータ100を示す斜視図である。図4は、同アクチュエータの要部分解斜視図である。図5は、アクチュエータ100における可動体110及び固定体120の構成を示す概略断面図である。
図1に示す慣性モーメント測定装置10は、測定対象物20の慣性モーメントを測定するものであり、回転往復振動するアクチュエータ100と、アクチュエータ100と測定対象物20とを接続するカップリング300と、アクチュエータ100に交流を供給するFFTアナライザ200と、レーザードップラー振動計(Laser Doppler Vibrometer、以下「LDV」ともいう)400とを有する。
慣性モーメント測定装置10は、アクチュエータ100の回転軸(シャフト180)にカップリング300を介して測定対象物20を接合し、FFTアナライザ200からアクチュエータ100のコイル128に、周波数可変で交流を供給(所定の帯域範囲で周波数を可変しつつ交流を供給)する。これにより、FFTアナライザ200は、アクチュエータ100において回転往復振動する可動体110の共振周波数を検出し、検出した共振周波数を用いて、測定対象物20の慣性モーメントを算出する。
FFTアナライザ200は、アクチュエータ100に交流を供給し、且つ、アクチュエータ100に供給する交流の周波数を設定する交流電源供給部(図4〜図6ではFFTアナライザ200をシンボルマークで示す)として機能する。また、FFTアナライザ200は、LDV400とともに、共振周波数検出部を構成し、入力される情報に基づいてアクチュエータ100の共振周波数を検出し、検出するアクチュエータ100の共振周波数に基づいて測定対象物20の慣性モーメントを算出する算出部としても機能する。
具体的には、FFTアナライザ200は、アクチュエータ100のコイル128に周波数が可変できる交流を供給する。
LDV400は、共振周波数測定部として用いられる非接触型の変位測定器であり、非接触により駆動するアクチュエータの可動部分(具体的には、回転方向に往復振動する可動体110或いはカップリング300、可動体110に接続される測定対象物20)の一定距離の変位量を測定する。すなわち、LDV400は、アクチュエータ100の可動部分(回転方向に往復振動する可動体110或いはカップリング300、可動体110に接続される測定対象物20)における一定距離の変位量を、非接触で測定する変位量測定部として機能する。
具体的には、LDV400は、駆動するアクチュエータ100の可動部分にレーザを照射して、その反射光を受光して、可動部分の振幅を測定する。測定した振幅と、回転中心と測定点との間の距離を用いてLDV400は可動部分の回転角度(ある一定距離の変位量)を算出して、FFTアナライザ200に出力する。なお、非接触型の変位測定器としては、ヘテロダイン式変位計等を用いてもよい。
アクチュエータ100は、図3に示すように、可動体110と、固定体120と、固定体120に可動体110を可動自在に支持する弾性体(弾性支持部)130とを有し、可動体110に設けられた軸部(回転往復振動伝達シャフト180及び支持軸部172a)によって、可動体110は固定体120に回動自在に軸支されている。
可動体110は、アウターヨーク150と、マグネット160と、弾性体接続部172、174と、支持軸部172aと、回転往復振動伝達シャフト(以下、「シャフト」という)180と、を有する。
固定体120は、基台122と、支持壁部124、126と、コイル128(図4参照)とを有する。固定体120では、シャフト180の延在方向に沿って長い矩形板状をなす基台122の表面中央部にコイル128が配置されている。また、基台122の長手方向で離間する端辺部から支持壁部124、126が立設されている。なお、コイル128に、例えば、FFTアナライザ200から交流電源が供給されることによって、可動体110は、シャフト180及び支持軸部172aを中心に回転往復振動する。
図4及び図5に示すように、アウターヨーク150は、ここでは、断面略U字状をなし、板状の磁性体を折曲することで形成されている。アウターヨーク150は、矩形板状のヨーク中央部151と、ヨーク中央部151の両側辺部からそれぞれ垂下され、互いに対向する側壁部152、153とを有する。
アウターヨーク150は、図3及び図4に示すように、アウターヨーク150の長手方向(シャフト180の延在方向に相当)で離間する端部(両側辺部の延在方向で離間する端部)に、弾性体130を介して支持壁部124、126に接続される弾性体接続部172、174が取り付けられている。
弾性体接続部174にはアウターヨーク150の延在方向と同方向で突出するシャフト180が取り付けられている。すなわち、シャフト180は、アウターヨーク150に取り付けられた弾性体接続部174から、マグネット160と側壁部152、153とが対向する方向と略直交する方向に突出して設けられている。
このシャフト180は、支持壁部126の軸受126bに挿通され、シャフト180において支持壁部126から突出する部位にはブッシュ126cが外嵌されている。シャフト180は、軸受126bを介して支持壁部126によって回動自在に支持されている。
また、弾性体接続部172には、シャフト180と同軸心上に配置される支持軸部172aが、シャフト180の突出方向とは逆方向に突設されている。
この支持軸部172aはシャフトと略同一の外径を有し、固定体120の支持壁部124に取り付けられた軸受124aに挿通され、支持壁部124の裏面側に突出した支持軸部172aの端部には、ブッシュ124bが外嵌されている。支持軸部172aは、軸受124aを介して支持壁部124によって、シャフト180と同一軸心で、回動自在に軸支されている。なお、弾性体接続部172、174は非磁性体にすることが望ましい。
支持軸部172a及びシャフト180は、弾性体接続部172、174を介してアウターヨーク150に固定されることによって、可動体110の重心を通る軸線上に位置するように可動体110に回動自在に取り付けられた状態となっている。
アクチュエータ100では、可動体110は、支持軸部172a及びシャフト180を介して、固定体120の支持壁部124、126に回動自在に軸支されている。
マグネット160は、図5に示すように、アウターヨーク150のヨーク中央部151における裏面の中央部分に、アウターヨーク150の対向する側壁部152、153間にエアギャップが形成されるように、非磁性体170を介して取り付けられている。なお、マグネット160は、アウターヨーク150に、非磁性体170を介さずにアクチュエータ150の対向する側壁部152、153間にエアギャップが形成されるように設けても良い。
マグネット160は、ヨーク中央部151から垂下するように設けられ、側壁部152、153のそれぞれの内壁面に対して、互いに異なる磁極を対向させている。
ここでは、マグネット160のN極側が、アウターヨーク150の側壁部152の内壁面に対向し、S極側が、アウターヨーク150の側壁部153の内壁面に対向している。
また、マグネット160は、アウターヨーク150の延在方向の長さに対応した長さを有する直方体であり、外形が同形状の非磁性体170を介してヨーク中央部151に、当該ヨーク中央部151の延在方向に沿って取り付けられている。
これにより、マグネット160は、アウターヨーク150の長手方向の長さと同様の長さを有し、対向する側壁部152、153の内壁面の全面に対して、異なる磁極の面をそれぞれ対向させている。
マグネット160とアウターヨーク150の側壁部152、153との間のエアギャップには、マグネット160の両側壁面(磁極面)160a、160b、側壁部152、153の内壁面及びヨーク中央部151の裏面とのそれぞれから離間して、マグネット160を周回するコイル128が配置されている。
コイル128は、ここでは、ボイスコイルであり、マグネット160の周囲を囲むように巻回されている。具体的には、コイル128は、エアギャップ内で、マグネット160と側壁部152、153との対向方向と直交する方向に巻回されている。
このコイル128が設けられる基台122に立設される支持壁部124、126は、図3及び図4に示すように、基台122の長手方向で離間する両端辺部から立ち上がるリブ122a、122b上に配設されている。支持壁部124には、可動体110の支持軸部172aが挿通する開口部が形成され、この開口部に軸受124aが嵌め込まれている。
支持壁部126は、可動体110のシャフト180が挿通する開口部126aを有し、この開口部126aに軸受126bが嵌め込まれている。
支持壁部124、126は、弾性体接続部172、174との間に架設される弾性体130を介して、可動体110を、通常状態では、略水平方向(基台122と略平行)に保持し、且つ、可動体110を、支持軸部172a及び180を中心に回動自在に軸支している。
弾性体130は、支持壁部124、126の対向領域において、可動体110を、左右前後方向に変位自在に支持して、可動体110を、マグネット160及びシャフト180のねじり方向に支持している。ここでは、弾性体130は、支持壁部124、126どうしで対向する面の上下端部において略水平に、対向方向に突出して設けられた板状のジグザグバネからなる。つまり、弾性体130は、一端部から他端部側に向かって細帯状の金属板が一方の幅方向に延びて他方の幅方向に折り返すことを繰り返してジグザグに配置され、弾性体130自体は一端部と他端部とを固定するとねじり方向に伸縮する。
このように構成された弾性体130を介して、可動体110は、側辺部と直交する端部の上下辺部分で、固定体120の支持壁部124、126のそれぞれに、ねじり方向に可動自在に支持されている。これにより、慣性モーメント測定装置10は、アクチュエータ100において、弾性体130(ここでは金属バネとしてのジグザグバネ)によって可動体110を拘束した状態から、共振をみていくことになる。
可動体110及び固定体120では、アウターヨーク150、マグネット160及びコイル128が、磁気回路を形成する。
図5に示すように、アクチュエータ100では、マグネット160から発生した磁束(白抜き矢印で示す)は、コイル128が配置されるエアギャップ、アウターヨーク150の側壁部152、ヨーク中央部151、側壁部153、反対側のエアギャップを順に通る磁気回路となっている。
アクチュエータ100では、コイル128に、交流供給部の機能を有するFFTアナライザ200から交流が供給されると、固定体120に対してシャフト180の軸心を中心に安定して回転往復振動することとなる。これによりシャフト180は、その振動を外部に伝達する。
これにより、アクチュエータ100では、回転及び軸方向のみ自由度を持ち、アクチュエータ100自体の耐衝撃性を向上させるとともに可動体110を安定して回転往復振動させることができる。
すなわち、アクチュエータ100は、測定対象物20に接続される可動体110と、可動体110を、シャフト180を介して回動自在に軸支する固定体120とを有する。可動体110は、固定体120に取り付けられた弾性体130によってシャフト180をねじる方向に可動自在に支持されている。アクチュエータ100は、可動体110の共振周波数に略等しい周波数の交流が供給されることによって、電磁力により可動体110をシャフト180の回転方向に往復振動する。
アクチュエータ100では、可動体110の慣性モーメントJ、シャフト180の慣性モーメントJ1、カップリング300の慣性モーメントJ2、測定対象物20の慣性モーメントJ3、ねじり方向のバネ定数kspとした場合、可動体110は、固定体120に対して、下記式(1)によって算出される共振周波数f0で振動する。
本アクチュエータ100における可動体110は、弾性体130を介して固定体120により支持されるバネマス系構造であり、コイル128に可動体110の共振周波数f0に等しい周波数の交流が供給されると、可動体110は共振状態で駆動される。このとき発生する回転往復振動が、可動体110のシャフト180に伝達される。
アクチュエータ100は、下記式(2)で示す運動方程式及び下記式(3)で示す回路方程式に基づいて駆動する。
次に、アクチュエータ100の具体的な動作を説明する。
図6は、本実施の形態1に係る慣性モーメント測定装置におけるアクチュエータの動作を説明するための模式図である。なお、図6(a)では白抜き矢印でマグネットによる磁気回路の磁束の流れを示しているが、図6(b)〜図6(d)では同様の流れであるため、図示省略している。
コイル128に交流供給部(FFTアナライザ200)から交流が供給されると、フレミングの左手の法則に従い、コイル128には、図中矢印F1、F2、F3、F4で示す推力が発生する。これにより、コイル128を有する基台122及び支持壁部124、126に弾性体130を介して取り付けられている可動体110には、回転重心を軸中心とした回転力が発生する。
慣性モーメント測定装置10におけるアクチュエータ100の1周期分の動作について説明する。
図6(a)に示す向きでコイル128に電流が流れる(この方向を順方向電流と呼ぶ)と、マグネット160のN極面160aに対向するコイル128の部分128aには、上向き(アウターヨーク150側の方向)に推力F1が発生し、マグネット160のS極面160bに対向するコイル128の部分128bには、下向き(基台122側の方向)に推力F2が発生する。
これにより、コイル128を有する基台122から立ち上がる支持壁部124、126(図3及び図4参照)に弾性体130を介して支持された可動体110に相対的に回転する力が発生し、可動体110は、図6(b)に示す位置となるように可動する。
図6(b)に示す状態のアクチュエータ100では、弾性体130の復元力により矢印R1、R2の反力が発生する。図6(b)に示す状態から図6(d)に示す状態までは、コイル128に図6(a)とは逆方向の電流が供給される。これにより、可動体110は、図6(b)の状態から図6(c)の状態までは、矢印R1、R2で示す反力と、矢印F3、F4で示す推力とによって、固定体120に対して時計回りに回転する。また、可動体110は、図6(c)の状態から図6(d)の状態までは、矢印F3、F4で示す推力によって、固定体120に対して時計回りに回転する。
図6(d)に示す状態のアクチュエータ100では、弾性体130の復元力により矢印R3、R4の反力が発生する。図6(d)に示す状態から図6(a)に示す状態を経て図6(b)に示す状態までは、コイル128に順方向電流が供給される。これにより、可動体110は、図6(d)の状態から図6(a)の状態までは、矢印R3、R4で示す反力と、矢印F1、F2で示す推力とによって、固定体120に対して反時計回りに回転する。また、可動体110は、図6(a)の状態から図6(b)の状態までは、矢印F1、F2で示す推力によって、固定体120に対して反時計回りに回転する。
次に、図6の各状態で供給される交流電流について簡単に説明する。
コイルに流れる交流は、図7に示すように周波数f0の正弦波が望ましい。
図6(a)の状態では、図7に示す時点t1の順方向の電流が供給され、図6(b)の状態では図7の時点t2で示すように電流の向きが切り替えられ、図6(c)の状態では、図7に示す時点t3の逆方向の電流が供給される。また、図6(d)の状態では、図7の時点t4で示すように電流の向きが切り替えられて、図6(d)の状態では、図7に示す時点t5順方向の電流が供給される。
図6(a)〜(d)で示す状態が1周期分の動作であり、このような動作が繰り返されることで、可動体110が回転往復振動される。可動体110は、回転往復運動つまり回転往復振動を行うことによって、シャフト180を介して外部に出力される。
このようにアクチュエータ100は、式(2)、(3)を満たし、式(1)で示す共振周波数を用いた共振現象により駆動する。これにより、アクチュエータ100では、定常状態において消費される電力は摩擦などによる損失だけとなり、低消費電力で駆動、つまり、可動体110を低消費電力で回転往復振動させることができる。
このように構成されたアクチュエータ100のシャフト180に、カップリング300を介して測定対象物20を接合して、アクチュエータ100の可動体110を回転往復振動させることによって、測定対象物20の慣性モーメントを測定する。
具体的には慣性モーメント測定装置10では、測定対象物20に接合されたアクチュエータ100の可動体110の共振周波数を用いて、測定対象物20の慣性モーメントを測定する。
測定対象物20は、図1に示すように、対象物本体21の中心に取りつけられた回転中心軸22を、アクチュエータ100のシャフト180と同一軸心上に位置するように、カップリング300を介して、シャフト180に取り付ける。
そして、FFTアナライザ200は、測定対象に入力する所定範囲の周波数の交流電圧をアクチュエータ100に供給し駆動する。詳細には、FFTアナライザ200は、交流をアクチュエータ100のコイル128に供給する。
LDV400は、測定対象となるアクチュエータ100の可動体110にレーザ光を照射し、その反射光を受光して回転角度をFFTアナライザ200に出力する。なお、LDV400では、レーザ光を可動体110に照射して、受光する反射光から、回転振動する可動体110の振幅が測定されるが、この振幅を用いて算出した回転角度を共振周波数情報としてFFTアナライザ200に出力する。
FFTアナライザ200では、アクチュエータ100に供給する交流の周波数を順次変更して、LDV400から入力される共振周波数情報(供給する周波数に対応する回転角度)の変化を測定する。
図8は、本発明の実施の形態1に係る慣性モーメント測定装置における共振周波数の測定結果を示す図である。
図8に示すように、回転角度の変化を測定する測定範囲に共振周波数がある場合、その周波数において回転角度が著しく大きくなる。これにより、FFTアナライザ200は回転角度が著しく大きくなった周波数f1を共振周波数として算定する。
ところで、アクチュエータ100は、バネマス系構造において、上記式(1)で示す共振周波数f0によって可動体110がねじり回転往復振動駆動するものであり、共振状態においては、大きな変位出力を得ている。
これにより、上記式(1)を用いて、アクチュエータ100のシャフト180の慣性モーメントJ1とカップリングの慣性モーメントJ2及びバネ定数Kspをあらかじめ既知の値としておけば、測定対象の慣性モーメントJ3を算出できる。
測定対象の慣性モーメントJ3は、式(1)を変形して下記式(4)で示される。
FFTアナライザ200によって、式(4)における共振周波数f0に周波数f1を代入して、測定対象物20の慣性モーメントJ3を算出してもよい。
ここでは、アクチュエータ100における弾性体130は、その材料により決定される減衰力を持つ。このため、厳密には共振周波数は弾性体の減衰比をζとした場合、アクチュエータ100に供給される共振周波数f0は下記式(5)で表される。
すなわち、本実施の形態の慣性モーメント測定装置10では、FFTアナライザ200は、式(6)において弾性体の減衰比をζに0.01を、共振周波数f0に周波数f1を代入することによって、測定対象物20の慣性モーメントJ3を算出する。慣性モーメント測定装置10は、測定対象物20の慣性モーメントJ3を測定する。
本実施の形態の慣性モーメント測定装置10によれば、慣性モーメントの一定条件下での測定評価を容易に行うことが可能となる。また、測定対象物の慣性モーメントの測定を、測定対象物が属するシステムとしてではなく、測定対象物単体での慣性モーメントの測定が可能となる。
従来の測定装置を用いて、駆動するモータへの電流を測定することによって慣性モーメントを評価する場合、モータ駆動時に伴うジュール熱によって発熱し、この発熱は電流値測定の温度条件に影響を与える。これにより、電流値の測定精度への悪影響が懸念される。また、従来の測定装置では、ジュール熱により回路中の抵抗値の変化が発生することによって、モータ駆動の立上り(モータが回転開始するまでの速さ)が変化する可能性がある。
しかしながら、本実施の形態1の慣性モーメント測定装置10は、アクチュエータ100の機械共振を用いて、つまり、アクチュエータ100の共振周波数を用いて、アクチュエータ100に接続される測定対象の慣性モーメントを測定する。慣性モーメント測定装置10において、アクチュエータ100に入力される電力は0.2mW以下と軽微であり、発熱を伴うことはない。また、本実施の形態1における共振型アクチュエータ100では。電流値の変化によって振幅は変化するが、回路中の抵抗値が変化によって共振周波数は変化せず、安定した共振振動を行うことができる。このように慣性モーメント測定装置10では、発生するジュール熱は軽微であり、機械的構造及び電気的構造の点からも共振周波数が外部環境に影響することなく、安定して正確な測定を行うことができる。
慣性モーメント測定装置10では、アクチュエータ100の駆動による電気回路の影響は無く、電流の変動などによる影響を受けることなく共振周波数を検出でき、測定対象物20の慣性モーメントを高精度に測定できる。
(実施の形態2)
図9は、本発明の実施の形態2に係る慣性モーメント測定装置10Aの模式図である。
図9は、本発明の実施の形態2に係る慣性モーメント測定装置10Aの模式図である。
図9に示す慣性モーメント測定装置10Aは、図1〜図2に示す実施の形態1に対応する慣性モーメント測定装置10と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図9に示す慣性モーメント測定装置10Aは、実施の形態1における慣性モーメント測定装置10の構成において、測定対象物20の慣性モーメントを算出するための共振周波数測定部としてのLDV400に代えて、電流測定部500を備えたものである。
慣性モーメント測定装置10Aでは、アクチュエータ100の回転軸(シャフト180)にカップリング300を介して測定対象物20を接合し、FFTアナライザ200からアクチュエータ100のコイル128に、所定の帯域範囲で周波数を可変しつつ交流が供給される。
電流測定部500は、FFTアナライザ200からアクチュエータ100に所定範囲の周波数の交流を供給する際に、アクチュエータ100に流れる電流値を測定し、測定した電流値をFTTアナライザ200に出力する。
そして、FFTアナライザ200は、電流測定部500から入力される電流値に基づいて、アクチュエータ100において回転往復振動する可動体110の共振周波数を検出し、算出した共振周波数を用いて測定対象物20の慣性モーメントを算出する。
このFFTアナライザ200は、アクチュエータ100に周波数可変で交流を供給する交流供給部として機能する。また、FFTアナライザ200は、電流測定部500とともに振動するアクチュエータ100の可動体110及び測定対象物20の共振周波数を検出する共振周波数検出部として機能する。さらに、FFTアナライザ200は、共振周波数から測定対象物20の慣性モーメントを算出する算出部として機能する。
具体的に、FFTアナライザ200は、測定対象物の慣性モーメントを算出する際に用いられる共振周波数情報として、アクチュエータ100に流れる電流(具体的には、FFアナライザ200に入力される電流値)を用いる。すなわち、慣性モーメント測定装置10Aでは、FFTアナライザ200からアクチュエータ100に、周波数を可変して入力していき、そのときに流れる電流をみる。つまり、FFTアナライザ200は、アクチュエータ100に対して、周波数スイープで周波数毎の電流値がどうなるかを見て、共振周波数を検出する。すなわち、FFTアナライザ200は、電流測定部500により測定した電流値のうち、最小の電流値に対応する周波数を共振周波数として検出する検出部として機能する。
アクチュエータ100の回路方程式は、式(4)を変形して下記式(7)となる。
よって、FFTアナライザ200では、電流測定部500を用いて、アクチュエータ100に流れる電流の周波数特性の測定を行い、測定した電流の極小値に対応する周波数を共振周波数として測定する。
図10は、本発明の実施の形態2に係る慣性モーメント測定装置における共振周波数の測定結果を示す図である。
図10に示すように、FFTアナライザ200は、測定した電流値において、極小値となる周波数f2を共振周波数として測定する。なお、図10では、横軸が周波数、縦軸が電流を示し、100Hz〜1000Hzまでの周波数毎の電流値を、周波数100Hzにおける電流値を1とした比で示している。
なお、より高精度に測定を行うためには、コイル128のインダクタンスの影響による電流位相のずれを軽微なものとすることが望ましい。本実施の形態では、コイル巻数や形状は任意に設定することが出来るため、精度良く共振周波数の測定を行うことができる。
測定した周波数f2を、共振周波数f0以外全て既知である上記式(6)或いは上記式(4)に用いて、測定対象物20の慣性モーメントJ3を算出する。
この実施の形態2の慣性モーメント測定装置10Aによれば、実施の形態1における慣性モーメント測定装置10と同様の作用効果を得ることができる。
また、実施の形態2によれば、従来と異なり、アクチュエータ100に流れる電流を用いて、測定結果に影響を与えることなしで共振周波数を検出でき、この検出した共振周波数を用いて測定対象物20の慣性モーメントを高精度に測定することができる。
さらに、実施の形態2の慣性モーメント測定装置10Aでは、実施の形態1の慣性モーメント測定装置10と異なり、変位測定を必要としないため、LDV400等の測定設備が不要となる。これにより、慣性モーメント測定装置10Aは、慣性モーメント測定装置10よりも安価に構築できる。
また、各実施の形態における慣性モーメント測定装置10、10Aの利点として、アクチュエータ100を用いて、電磁力駆動としたことにより、例えば、圧電アクチュエータを用いた高電圧駆動システムなどの他の駆動システムと比較して、単純な交流供給源で駆動することができ、容易に測定環境の構築が可能となる。
なお、上記各実施の形態におけるアウターヨーク150は、マグネット160の異なる磁極でそれぞれ対向する内壁面を有し、コイル128と、マグネット160とで磁気回路を形成すれば、どのように構成してもよく、アウターヨーク150全体を断面円弧状に形成してもよいし、ヨーク本体部を円弧状に形成してもよい。
なお、各実施の形態の慣性モーメント測定装置10、10Aでは、周波数特性の測定評価においてFFTアナライザ200を用いて行ったが、周波数可変に電力を供給することができる交流供給源を用いることができ、且つ、交流により駆動するアクチュエータ100の共振周波数を検出できる構成であれば、FFTアナライザ200に限らず、慣性モーメントの算出が可能となることは言うまでもない。つまり、アクチュエータ100に周波数可変で交流を供給する交流供給部と、振動する可動体110及び測定対象物20の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、共振周波数から測定対象物の慣性モーメントを算出する算出部とを有する構成であればどのように構成されてもよい。
なお、上記本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、種々の改変をなすことができ、そして本発明が該改変させたものに及ぶことは当然である。
本発明に係る慣性モーメント測定装置は、安定した測定条件下において、測定対象物の慣性モーメントを簡単に精度良く測定する効果を有し、測定対象単体の慣性モーメントを測定する慣性モーメント測定装置として有用である。
10、10A 慣性モーメント測定装置
20 測定対象
100 アクチュエータ
110 可動体物
120 固定体
130 弾性体
180 シャフト
200 FFTアナライザ
300 カップリング
400 LDV
500 電流測定部
20 測定対象
100 アクチュエータ
110 可動体物
120 固定体
130 弾性体
180 シャフト
200 FFTアナライザ
300 カップリング
400 LDV
500 電流測定部
Claims (6)
- 測定対象に接続される可動体と、前記可動体を、回転軸を介して回動自在に軸支する固定体とを有し、前記可動体は、前記固定体に取り付けられた弾性支持部によって前記回転軸をねじる方向に可動自在に支持されてなり、前記可動体の共振周波数に略等しい周波数の交流が供給されることによって、電磁力により前記可動体を前記回転軸の回転方向に往復振動するアクチュエータと、
前記アクチュエータに周波数可変で交流を供給する交流供給手段と、
振動する前記可動体及び前記測定対象の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、
前記共振周波数から前記測定対象の慣性モーメントを算出する算出手段と、
を備える、
慣性モーメント測定装置。 - 前記可動体を保持する弾性体に金属バネを用いた、
請求項1記載の慣性モーメント測定装置。 - 前記共振周波数検出手段は、
回転方向に往復振動する前記可動体或いは前記可動体に接続される前記測定対象における一定距離の変位量を、非接触で測定する変位量測定部を有し、前記変位量測定部により測定した変位量に基づいて共振周波数を検出する、
請求項1記載の慣性モーメント測定装置。 - 前記共振周波数検出手段は、前記変位測定部により測定した変位量のうち、最大変位量に対応する周波数を共振周波数として検出する、
請求項3記載の慣性モーメント測定装置。 - 前記共振周波数検出手段は、アクチュエータに流れる電流を測定する電流測定部を有し、前記電流測定部により測定した電流値に基づいて前記共振周波数を検出する、
請求項1記載の慣性モーメント測定装置。 - 前記共振周波数検出手段は、前記電流測定部により測定した電流値のうち、最小の電流値に対応する周波数を前記共振周波数として検出する、
請求項5記載の慣性モーメント測定装置。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2009154043A JP2011007749A (ja) | 2009-06-29 | 2009-06-29 | 慣性モーメント測定装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104155054A (zh) * | 2014-08-20 | 2014-11-19 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于气浮扭摆台的转动惯量的频域检测方法 |
JP2016151508A (ja) * | 2015-02-18 | 2016-08-22 | 日章電機株式会社 | 回転体の動的不釣り合いの測定方法並びにその測定装置 |
CN117030116A (zh) * | 2023-10-10 | 2023-11-10 | 北京星河动力装备科技有限公司 | 飞行器构件转动惯量测量装置及方法 |
-
2009
- 2009-06-29 JP JP2009154043A patent/JP2011007749A/ja active Pending
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