JPH0545204A - Mass measuring device - Google Patents
Mass measuring deviceInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、宇宙空間等の微小重力
状態下で物体の質量を測定する質量測定装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mass measuring device for measuring the mass of an object under a microgravity condition such as outer space.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、新材料の開発を無重力環境の下で
行うことが注目されている。無重力下では、溶液や融液
等の対流は起こらず、生成する結晶の沈降等も起こらな
いので、地上では得られない物理現象を容易に起こすこ
とができ、新規材料を創製する可能性が高いからであ
る。2. Description of the Related Art In recent years, attention has been paid to the development of new materials under a zero-gravity environment. Under zero gravity, no convection of solution, melt, etc. will occur, and the settling of generated crystals will not occur, so physical phenomena that cannot be obtained on the ground can easily occur, and there is a high possibility of creating new materials. Because.
【0003】無重力環境を得るには宇宙空間が最も理想
的である。米国航空宇宙局(NASA)のプロジェクト
であるスペースシャトル計画や、スペースシャトルを使
用して行われる日本の第一次材料実験計画(FMP
T)、さらに米、日、独、仏、欧、加が参加する微小重
力実験室計画(IML)等により、宇宙環境下での実験
が精力的に進められている。Outer space is the most ideal for obtaining a weightless environment. The Space Aeronautical Space Agency (NASA) project Space Shuttle Project and Japan's First Material Experiment Program (FMP) conducted using the Space Shuttle.
T), and the Microgravity Laboratory Project (IML), in which the US, Japan, Germany, France, Europe, and Canada participate, etc., and experiments in the space environment are being energetically advanced.
【0004】比較的簡便に行うことのできる無重力実験
としては、航空機の弾道飛行による無重力場の提供や、
高い塔、又は深い垂直坑に設けた実験系で、自由落下に
より生じる短時間の無重力状態の利用が代表的である。
上記の実験系、特に材料実験やライフサイエンス実験等
においては、試料や物体の質量を高精度で測定すること
が求められる。質量測定は、定量的な実験を遂行する上
で必須の測定項目であり、質量測定の精度が実験結果の
価値を左右する場合も少なくない。As a weightlessness experiment which can be performed relatively easily, provision of a weightless field by ballistic flight of an aircraft,
It is typical to use the gravity-free state for a short time caused by free fall in an experimental system installed in a high tower or a deep vertical shaft.
In the above-mentioned experimental system, particularly in material experiments and life science experiments, it is required to measure the mass of a sample or an object with high accuracy. Mass measurement is an essential measurement item for performing quantitative experiments, and the accuracy of mass measurement often influences the value of experimental results.
【0005】質量測定を地上で行う質量測定装置は、天
秤、又はバネの歪み量を測定する原理に基づいたものが
ほとんどである。天秤の原理は、同一質量の物体の地球
との間に働く万有引力が同一であることを利用して、基
準質量(分銅)に働く引力と物体に働く引力との比較を
行うことに基づいており、高精度の質量測定が可能であ
る。Most mass measuring devices for measuring mass on the ground are based on the principle of measuring the balance or the strain amount of a spring. The principle of the balance is based on the fact that the attractive force acting on the reference mass (weight) and the attractive force acting on the object are compared by utilizing the fact that the universal gravitational force acting on the earth of an object of the same mass is the same. Highly accurate mass measurement is possible.
【0006】また、歪み測定による質量測定装置として
最も原理的なものがバネ秤である。バネ秤は、物体にか
かる引力をバネのフックの力とバランスさせ、バネの歪
み量から物体の重力を測定して質量を求める。歪みの測
定は、バネに限らず、歪みゲージや圧力計など、さまざ
まな原理のものが用いられている。これらの質量測定装
置は、共通して、物体と地球の間に作用する万有引力を
利用しており、従って、宇宙空間等の無重力状態の下で
は使用できない。本格的な宇宙利用をひかえて、無重力
状態下でも、地上と同様に物質の質量測定が高精度で簡
便に行える質量測定装置が望まれている。A spring balance is the most basic mass measuring device for strain measurement. The spring balance balances the attractive force applied to the object with the force of the hook of the spring, and measures the gravity of the object from the amount of strain of the spring to determine the mass. Strain measurement is not limited to springs, and various principles such as strain gauges and pressure gauges are used. These mass measuring devices commonly use the universal gravitational force acting between the object and the earth, and therefore cannot be used under the condition of weightlessness such as outer space. In view of full-scale space utilization, there is a demand for a mass measuring device that can measure the mass of a substance with high accuracy and easily, even under weightless conditions, as in the case of the ground.
【0007】従来より、宇宙用として使用されてきた質
量測定装置は、被測定物体の両側にバネを接続して振動
させ、振動の加速度及び変位を求めて次式に代入し、被
測定物の質量を算出していた。 m・(d2 x1 /dt2 )+kx=m′・(d2 x2 /dt2 ) ここで、m :被測定物の質量 x1 :被測定物の慣性座標系における変位 m′:測定系全体の等価質量 x2 :測定系全体の慣性座標系における変位 k :バネ定数 x :バネの歪み である。Conventionally, a mass measuring device used for space has a spring connected to both sides of an object to be measured to vibrate, and the acceleration and displacement of the vibration are obtained and substituted into the following equation to obtain the object to be measured. The mass was calculated. m · (d 2 x 1 / dt 2 ) + kx = m ′ · (d 2 x 2 / dt 2 ), where m: mass of the measured object x 1 : displacement of the measured object in the inertial coordinate system m ′: Equivalent mass of the entire measurement system x 2 : Displacement of the entire measurement system in the inertial coordinate system k: Spring constant x: Spring strain.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の質量測
定装置では、振動の加速度や変位の測定精度に限界があ
ること、バネを含む機械的な部分の摩擦によるエネルギ
ー損失が生じること等が原因となり、高精度の質量測定
は困難であるという問題があった。即ち、バネを利用し
た質量測定装置では、バネの性能で装置の測定精度が決
定されてしまうということになる。However, in the conventional mass measuring device, there are limits to the accuracy of measurement of vibration acceleration and displacement, and energy loss occurs due to friction of mechanical parts including springs. Therefore, there is a problem that it is difficult to measure the mass with high accuracy. That is, in a mass measuring device using a spring, the performance of the spring determines the measuring accuracy of the device.
【0009】本発明の目的は、無重力状態の環境下で簡
便に使用でき、高精度に物体の質量測定を行うことがで
きる質量測定装置を提供することにある。An object of the present invention is to provide a mass measuring device which can be simply used in a weightless environment and can measure the mass of an object with high accuracy.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】上記目的は、質量を測定
するための被測定物を定常回転させる回転運動付与機構
と、前記被測定物に生じた遠心力を電気信号に変換する
力トランスデューサと、前記電気信号を前記被測定物の
質量を表す質量情報に換算する信号処理回路を備え、前
記被測定物の質量を測定することを特徴とする質量測定
装置によって達成される。The above object is to provide a rotary motion imparting mechanism for steadily rotating an object to be measured for measuring mass, and a force transducer for converting a centrifugal force generated in the object to be measured into an electric signal. And a signal processing circuit for converting the electric signal into mass information representing the mass of the object to be measured, and measuring the mass of the object to be measured.
【0011】[0011]
【作用】本発明によれば、無重力状態の環境下でも簡便
に使用でき、測定精度を向上させて物体の質量測定を行
うことができる。According to the present invention, the object can be easily used even in a weightless environment, and the measurement accuracy can be improved to measure the mass of an object.
【0012】[0012]
【実施例】本発明の一実施例による質量測定装置を図1
及び図2を用いて説明する。図1(a)は無重力環境下
での質量測定装置の平面図であり、同図(b)は側面図
である。図2は質量測定装置の斜視図である。本実施例
の質量測定装置の構造を説明する。FIG. 1 shows a mass measuring device according to an embodiment of the present invention.
2 and FIG. 2. FIG. 1A is a plan view of the mass measuring device in a zero-gravity environment, and FIG. 1B is a side view. FIG. 2 is a perspective view of the mass measuring device. The structure of the mass measuring device according to the present embodiment will be described.
【0013】モータ9の回転軸にターンテーブル2が固
定され、回転運動付与機構1を構成している。モータ9
の駆動によりターンテーブル2を回転させ、ターンテー
ブル2上の被測定物5等に強制的な定常回転運動を行わ
せることができる。本実施例で使用したモータ9は、イ
ンダクションモーター(オリエンタルモーター株式会社
製US540−401)である。The turntable 2 is fixed to the rotary shaft of the motor 9 to form a rotary motion imparting mechanism 1. Motor 9
It is possible to rotate the turntable 2 by driving, and to make the DUT 5 and the like on the turntable 2 perform a compulsory steady rotation motion. The motor 9 used in this embodiment is an induction motor (US540-401 manufactured by Oriental Motor Co., Ltd.).
【0014】ターンテーブル2上に、ガイドレール3を
介して測定箱4が載置されている。ガイドレール3は、
ターンテーブル2の回転中心から半径方向に、ターンテ
ーブル2の外縁まで設けられている。測定箱4は、測定
中にはほとんど移動することはないが、ガイドレール3
に支持されて、ターンテーブル2上を半径方向に滑らか
に移動することができるようになっている。A measuring box 4 is mounted on the turntable 2 via a guide rail 3. The guide rail 3
It is provided from the center of rotation of the turntable 2 in the radial direction to the outer edge of the turntable 2. The measurement box 4 hardly moves during the measurement, but the guide rail 3
The turntable 2 can be smoothly moved in the radial direction.
【0015】被測定物5は、測定箱4内に固定され、測
定箱4と一緒にガイドレール3上を移動することができ
るようになっている。ターンテーブル2の回転中心と測
定箱4とを結ぶ空間に、力トランスデューサ6が力伝達
糸7によりターンテーブル2の回転中心及び測定箱4と
接続されている。力トランスデューサ6は、ターンテー
ブル2の回転により被測定物5を内蔵した測定箱4に生
じた遠心力を計測するセンサである。力トランスデュー
サ6は、加えられた力に応じて電圧を発生する。The object to be measured 5 is fixed in the measuring box 4 and can move on the guide rail 3 together with the measuring box 4. A force transducer 6 is connected to the rotation center of the turntable 2 and the measurement box 4 by a force transmission thread 7 in a space connecting the rotation center of the turntable 2 and the measurement box 4. The force transducer 6 is a sensor that measures the centrifugal force generated in the measurement box 4 containing the DUT 5 by the rotation of the turntable 2. The force transducer 6 generates a voltage according to the applied force.
【0016】力トランスデューサ6を最適レンジで使用
するため、測定箱4で生じる遠心力の大きさの調節を測
定箱4の回転半径の調整及びモータ9の回転速度の調整
で行うことができる。力トランスデューサ6で発生した
電圧は、信号線を介してターンテーブル2上で測定箱4
のほぼ反対側に設けられた信号処理回路8に接続され信
号処理される。信号処理回路8は、ターンテーブル2の
回転中心と重心とを一致させるバランスウエイトとして
も利用している。信号処理回路8で処理された結果は直
列信号に変換して近赤外発光ダイオードで空間電送し、
被測定物5の質量として表示装置10により実験者に表
示される。Since the force transducer 6 is used in the optimum range, the magnitude of the centrifugal force generated in the measurement box 4 can be adjusted by adjusting the rotation radius of the measurement box 4 and the rotation speed of the motor 9. The voltage generated by the force transducer 6 is transferred to the measurement box 4 on the turntable 2 via the signal line.
Is connected to a signal processing circuit 8 provided on the opposite side to perform signal processing. The signal processing circuit 8 is also used as a balance weight for matching the center of rotation of the turntable 2 with the center of gravity. The result processed by the signal processing circuit 8 is converted into a serial signal and spatially transmitted by the near infrared light emitting diode,
The mass of the DUT 5 is displayed to the experimenter by the display device 10.
【0017】本実施例で使用した力トランスデューサ6
はロードセル(ミネベア株式会社製U3C1)であり、
信号処理回路8は、8ビットマイクロプロセッサ(富士
通株式会社製MB6809)から構成される回路であ
る。次に本実施例の質量測定装置の動作を説明する。ま
ず、被測定物5をターンテーブル2上のガードレール3
に支持された測定箱4にセットする。Force transducer 6 used in this embodiment
Is a load cell (U3C1 manufactured by Minebea Co., Ltd.),
The signal processing circuit 8 is a circuit including an 8-bit microprocessor (MB6809 manufactured by Fujitsu Limited). Next, the operation of the mass measuring device of this embodiment will be described. First, place the DUT 5 on the guardrail 3 on the turntable 2.
It is set in the measurement box 4 supported by.
【0018】モータ9を駆動させターンテーブル2を回
転させる。モータ9は、測定中は一定の回転速度が得ら
れるようにコントロールされている。回転力が与えられ
たターンテーブル2上の測定箱4と被測定物5は、その
回転速度ωと、ターンテーブル中心と被測定物の距離r
によってきまる加速度が与えられ、遠心力が生ずる。生
ずる遠心力の大きさをFとすると、 F=rω2 (m+m′) …(1) である。ここで、mは被測定物の質量、m′は測定箱の
質量である。m′は、測定分解能の面から、理想的には
0であることが望ましく、現実にはmに比して重すぎな
いようにすることが重要である。The motor 9 is driven to rotate the turntable 2. The motor 9 is controlled so that a constant rotation speed is obtained during measurement. The measuring box 4 and the object to be measured 5 on the turntable 2 to which the rotational force is applied have their rotational speed ω and the distance r between the center of the turntable and the object to be measured.
The acceleration is given by and the centrifugal force is generated. If the magnitude of the centrifugal force generated is F, then F = rω 2 (m + m ′) (1) Here, m is the mass of the object to be measured, and m'is the mass of the measurement box. From the viewpoint of measurement resolution, m'is ideally 0, and in reality it is important that it is not too heavy compared to m.
【0019】この遠心力Fは、力伝達糸7を介して力ト
ランスデューサ6に伝達され、電気信号に変換される。
この電気信号は信号処理回路8に導かれ、上記(1)式
により被測定物5の質量に換算され、表示装置10によ
り実験者に対して表示される。ターンテーブル2に回転
運動を与えるモータ9の動力は、(1)式によればその
測定範囲と測定精度を決定する。従って、DCサーボモ
ータ、ACサーボモータ、ACインダクションモータ
ー、ステッピングモーター、シンクロナスモーター等、
回転数の設定・変更が容易で、安定した回転が保証され
るモータを使用する必要がある。なお、これらのモータ
ーは、被測定物質の質量に比べ、十分に大きい質量の物
体、例えば宇宙船本体等に固定されるべきである。The centrifugal force F is transmitted to the force transducer 6 via the force transmission thread 7 and converted into an electric signal.
This electric signal is guided to the signal processing circuit 8, converted into the mass of the DUT 5 by the above formula (1), and displayed on the experimenter by the display device 10. The power of the motor 9 that gives the rotary motion to the turntable 2 determines the measurement range and measurement accuracy according to the equation (1). Therefore, DC servo motor, AC servo motor, AC induction motor, stepping motor, synchronous motor, etc.
It is necessary to use a motor that can easily set / change the rotation speed and guarantee stable rotation. It should be noted that these motors should be fixed to an object having a mass that is sufficiently larger than the mass of the substance to be measured, such as the spacecraft body.
【0020】このように、本実施例の質量測定装置は、
被測定物体に強制的な定常回転運動を行わせて遠心力を
生じさせ、同一円周上を被測定物が定常回転運動する場
合に発生する遠心力が質量に比例するという関係を利用
して、無重力環境下でもバネ等による応力発生手段を用
いずに質量を測定するものである。力トランスデューサ
は、単純なバネと異なり、測定軸方向にほとんど変位を
せずに力を測定することができるので、簡便かつ高精度
で質量の測定をすることができる。As described above, the mass measuring apparatus of this embodiment is
Using the relationship that the centrifugal force generated when the measured object makes a steady rotational motion to generate a centrifugal force and the measured object makes a stationary rotational motion on the same circumference, is proportional to the mass. Even under a zero-gravity environment, the mass is measured without using a stress generating means such as a spring. Unlike a simple spring, the force transducer can measure the force with almost no displacement in the measurement axis direction, so that the mass can be measured easily and with high accuracy.
【0021】本実施例の質量測定装置をNASAの弾道
飛行専用航空機・KC−135による微小重力実験にお
いて使用した。回転半径を25cm、回転速度を60rp
mとしたところ、測定箱4の質量が100g、被測定物
5の質量が10g〜1kgの範囲で、誤差1%の精度で
測定することができた。本発明は、上記実施例に限らず
種々の変形が可能である。The mass measuring device of this embodiment was used in a microgravity experiment by NASA's KC-135 ballistic flight aircraft. Rotation radius is 25 cm, rotation speed is 60 rp
When m is set, the measurement box 4 has a mass of 100 g, and the measured object 5 has a mass of 10 g to 1 kg. The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
【0022】例えば、上記実施例では、被測定物を回転
させるためにターンテーブル2を用いたが、被測定物に
遠心力を与えられる物であれば他のもの、例えば剛体の
アームの中心を回転中心として、その一端に被測定物を
搭載して回転させるようにしてもよい。また、上記実施
例での測定した質量の表示方法として、信号処理回路8
で処理された測定結果を近赤外発光ダイオードで空間電
送して表示装置10により表示したが、他の方法、例え
ば集電ブラシをターンテーブル2に接触させて信号伝達
を図る接触法、コイル同士で信号伝達をする電磁的結合
による方法等を用いてもよい。For example, in the above embodiment, the turntable 2 is used to rotate the object to be measured, but any other object such as a center of a rigid arm can be used as long as it can apply a centrifugal force to the object to be measured. The object to be measured may be mounted on one end of the center of rotation and rotated. In addition, as a method of displaying the measured mass in the above embodiment, the signal processing circuit 8
Although the measurement result processed by the method is spatially transmitted by the near-infrared light emitting diode and displayed on the display device 10, another method, for example, a contact method in which a current collecting brush is brought into contact with the turntable 2 for signal transmission, coils are connected to each other. It is also possible to use a method using electromagnetic coupling for transmitting a signal in.
【0023】また、力トランスデューサ6にロードセル
を用いたが、他のセンサ、例えば抵抗線歪みゲージ、半
導体歪みゲージ等の歪みゲージを用いてもよい。さら
に、上記実施例ではターンテーブル2のバランスをとる
ために、信号処理回路8をバランスウェイトとして利用
したが、ターンテーブル2自体を被測定物5に対して十
分重くするようにしてもよい。Although the load cell is used as the force transducer 6, another sensor, for example, a strain gauge such as a resistance wire strain gauge or a semiconductor strain gauge may be used. Further, although the signal processing circuit 8 is used as a balance weight in order to balance the turntable 2 in the above embodiment, the turntable 2 itself may be sufficiently heavier than the DUT 5.
【0024】[0024]
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、無重力環
境下での物質の質量測定において、測定精度の向上の妨
げになるバネ等の弾性体を使用することなく、被測定物
の質量を高精度で自動的に測定することができ、従来に
比べ信頼性の高いデータを収集できることから、無重力
実験における実験精度の向上、ひいては科学的、技術的
進歩に大いに寄与する。As described above, according to the present invention, in the mass measurement of a substance in a weightless environment, the mass of the object to be measured can be measured without using an elastic body such as a spring which hinders the improvement of the measurement accuracy. Can be automatically measured with high accuracy, and more reliable data than before can be collected, which greatly contributes to improvement of experimental accuracy in weightlessness experiments, and further to scientific and technological progress.
【図1】本発明の一実施例による質量測定装置を示す図
である。FIG. 1 is a diagram showing a mass measuring device according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の一実施例による質量測定装置の斜視図
である。FIG. 2 is a perspective view of a mass measuring device according to an embodiment of the present invention.
1…回転運動付与機構 2…ターンテーブル 3…ガイドレール 4…測定箱 5…被測定物 6…力トランスデューサ 7…力伝達糸 8…信号処理回路 9…モータ 10…表示装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Rotational motion imparting mechanism 2 ... Turntable 3 ... Guide rail 4 ... Measuring box 5 ... Object to be measured 6 ... Force transducer 7 ... Force transmission thread 8 ... Signal processing circuit 9 ... Motor 10 ... Display device
Claims (5)
転させる回転運動付与機構と、 前記被測定物に生じた遠心力を電気信号に変換する力ト
ランスデューサと、 前記電気信号を前記被測定物の質量を表す質量情報に換
算する信号処理回路を備え、 前記被測定物の質量を測定することを特徴とする質量測
定装置。1. A rotary motion imparting mechanism for steadily rotating an object to be measured for measuring a mass, a force transducer for converting a centrifugal force generated in the object to be measured into an electric signal, and the electric signal to the object to be measured. A mass measuring device comprising a signal processing circuit for converting into mass information representing the mass of an object, and measuring the mass of the object to be measured.
に固定されたターンテーブルとを有し、 前記モータを駆動して前記ターンテーブルを回転させ、
前記ターンテーブル上の前記被測定物を定常回転させる
ことを特徴とする質量測定装置。2. The mass measuring device according to claim 1, wherein the rotary motion imparting mechanism includes a motor and a turntable fixed to a rotation shaft of the motor, and drives the motor to drive the turntable. Rotate,
A mass measuring device, wherein the object to be measured on the turntable is steadily rotated.
いて、 前記力トランスデューサは、前記ターンテーブルの回転
中心と前記被測定物の間に設けられた歪みゲージである
ことを特徴とする質量測定装置。3. The mass measuring device according to claim 1, wherein the force transducer is a strain gauge provided between the rotation center of the turntable and the object to be measured. apparatus.
測定装置において、 前記被測定物を前記ターンテーブルの半径方向に滑らか
に移動させることができるガイドレールを前記ターンテ
ーブル上に設けたことを特徴とする質量測定装置。4. The mass measuring device according to claim 1, further comprising a guide rail provided on the turntable, the guide rail being capable of smoothly moving the object to be measured in a radial direction of the turntable. A mass measuring device characterized by the above.
測定装置において、 前記信号処理回路で換算された前記質量情報を前記回転
運動付与機構外の静止系に伝達する伝達手段と、 前記回転運動付与機構外の静止系に設けられ、前記伝達
手段により伝達された前記質量情報に基ずいて前記被測
定物の質量を表示する表示装置とを備えたことを特徴と
する質量測定装置。5. The mass measuring device according to claim 1, wherein the mass information converted by the signal processing circuit is transmitted to a stationary system outside the rotary motion imparting mechanism, and A mass measuring device, which is provided in a stationary system outside the rotational motion imparting mechanism, and which displays a mass of the object to be measured based on the mass information transmitted by the transmitting means.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20585291A JPH0545204A (en) | 1991-08-16 | 1991-08-16 | Mass measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20585291A JPH0545204A (en) | 1991-08-16 | 1991-08-16 | Mass measuring device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0545204A true JPH0545204A (en) | 1993-02-23 |
Family
ID=16513781
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20585291A Withdrawn JPH0545204A (en) | 1991-08-16 | 1991-08-16 | Mass measuring device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0545204A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002042154A1 (en) * | 2000-11-22 | 2002-05-30 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Supporting mechanism of micro gravity rotating apparatus |
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-
1991
- 1991-08-16 JP JP20585291A patent/JPH0545204A/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19981112 |