(57)【要約】  回転式レオメータは、駆動軸と、駆動軸の角度変位または角速度を測定するように構成されたデュアル読み取りヘッド光学エンコーダとを含む。
2014524570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸と、
駆動軸の角度変位または角速度を測定するように構成されたデュアル読み取りヘッド光学エンコーダと
を備える、回転式レオメータ。
【請求項２】
デュアル読み取りヘッド光学エンコーダが、
一緒に回転するために駆動軸に接続されたエンコーダディスクと、
エンコーダディスクの相対位置を検出する第１の読み取りヘッドと、
エンコーダディスクの相対位置を検出する第２の読み取りヘッドと
を備える、請求項１に記載の回転式レオメータ。
【請求項３】
第１および第２の読み取りヘッドが、駆動軸の両側に設けられている、請求項２に記載の回転式レオメータ。
【請求項４】
第１のおよび第２の読み取りヘッドが、第１および第２の読み取りヘッドからのそれぞれの信号におけるドリフトが２つの信号の平均値を取ることによって除去可能なように構成されている、請求項２に記載の回転式レオメータ。
【請求項５】
デュアル読み取りヘッド光学エンコーダを用いて回転式レオメータの駆動軸の角度変位または角速度を測定するステップを含む、方法。
【請求項６】
デュアル読み取りヘッド光学エンコーダが、１対の読み取りヘッドを備え、駆動軸の角度変位または角速度を測定するステップは、読み取りヘッドからそれぞれの信号を受信するステップと、信号中のドリフトを除去するために２つの信号の平均値を取るステップとを含む、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１１年８月１２日に出願された米国特許仮出願第６１／５２２，８６４号の優先権を主張する。米国特許仮出願第６１／５２２，８６４号の全内容は、参照により本願に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、回転式レオメータ内のデュアル読み取りヘッド光学エンコーダの使用法に関する。
【背景技術】
【０００３】
回転式レオメータ、粘度計、または粘性計は、物質中の測定対象物を回転、偏向、または振動させることによって、ならびにたとえば物質中の対象物を回転または偏向または振動させるために必要とされるトルクを測定することによって、流体、またはその粘度などのその他の物質の特性を測定するために使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は部分的に、拡大された角度変位分解能、変位ドリフトの除去、および／または改善された位相角分解能のためのデュアル読み取りヘッド光学エンコーダがレオメータに設けられてもよいという認識に起因する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様において、本発明は、駆動軸と、駆動軸の角度変位または角速度を測定するように構成されたデュアル読み取りヘッド光学エンコーダとを含む、回転式レオメータを提供する。
【０００６】
本発明の別の態様は、デュアル読み取りヘッド光学エンコーダを用いて回転式レオメータの駆動軸の角度変位または角速度を測定するステップを含む方法を特徴とする。
【０００７】
諸実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。
【０００８】
いくつかの実施形態において、デュアル読み取りヘッド光学エンコーダは、エンコーダディスク、第１の読み取りヘッド、および第２の読み取りヘッドを含む。エンコーダディスクは、一緒に回転するために駆動軸に接続されている。第１の読み取りヘッドは、エンコーダディスクの相対位置を検出するように構成されている。第２の読み取りヘッドもまた、エンコーダディスクの相対位置を検出するように構成されている。
【０００９】
特定の実施形態において、第１および第２の読み取りヘッドは、駆動軸の両側に設けられている。
【００１０】
いくつかの実施形態において、第１のおよび第２の読み取りヘッドは、第１のおよび第２の読み取りヘッドからのそれぞれの信号におけるドリフトが２つの信号の平均を取ることによって除去され得るように、構成されている。
【００１１】
特定の実施形態において、駆動軸の角度変位または角速度を測定するステップは、読み取りヘッドからそれぞれの信号を受信するステップと、信号中のドリフトを除去するために２つの信号の平均値を取るステップとを含む。
【００１２】
本明細書において使用される際に、「レオメータ」という用語は、レオメータ、粘度計、粘性計、および流体または類似の物質の特性を測定するために使用される類似の計測器を意味するものとする。
【００１３】
「測定対象物」という用語は、たとえば円錐、円盤、羽根、平行板、同心円筒、および二重同心円筒を含む、いくつかの形状のうちのいずれか１つを有する物体を意味するものとする。
【００１４】
諸実施形態は、以下の利点のうちの１つ以上を提供することができる。
【００１５】
いくつかの実施形態において、拡大された角度変位分解能を有する回転式レオメータが提供される。
【００１６】
いくつかの実施形態において、回転式レオメータの駆動軸の変位を表す信号のドリフトが除去される。
【００１７】
いくつかの実施形態において、改善された位相分解能を有する回転式レオメータが提供される。
【００１８】
その他の態様、特徴、および利点は、明細書、図面、および請求項に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】回転式レオメータの概略斜視図である。
【図２】図１の回転式レオメータからのデュアル読み取りヘッド光学エンコーダの概略斜視図である。
【図３】従来型シングル読み取りヘッド光学エンコーダの概略斜視図である。
【図４Ａ】図３の従来型シングル読み取りヘッド光学エンコーダを用いるレオメータと比較した、図２のデュアル読み取りヘッド光学エンコーダを用いるレオメータの性能の改善を示すテストデータである。
【図４Ｂ】図３の従来型シングル読み取りヘッド光学エンコーダを用いるレオメータと比較した、図２のデュアル読み取りヘッド光学エンコーダを用いるレオメータの性能の改善を示すテストデータである。
【図４Ｃ】図３の従来型シングル読み取りヘッド光学エンコーダを用いるレオメータと比較した、図２のデュアル読み取りヘッド光学エンコーダを用いるレオメータの性能の改善を示すテストデータである。
【図４Ｄ】図３の従来型シングル読み取りヘッド光学エンコーダを用いるレオメータと比較した、図２のデュアル読み取りヘッド光学エンコーダを用いるレオメータの性能の改善を示すテストデータである。
【図４Ｅ】図３の従来型シングル読み取りヘッド光学エンコーダを用いるレオメータと比較した、図２のデュアル読み取りヘッド光学エンコーダを用いるレオメータの性能の改善を示すテストデータである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
類似の参照番号は類似要素を示す。
【００２１】
図１は回転式レオメータ１００の概略斜視図であり、延伸ロッド１０２、空気軸受１０３、磁気スラスト軸受１０４、ドラッグカップモータ１０５、駆動軸１０６、第１の測定対象物１０７、第２の測定対象物１０８、垂直力トランスデューサ１０９、ならびに処理電子回路および制御電子回路１１０を示している。ドラッグカップモータ１０５は、トルクを発生して駆動軸１０６に印加するための電流をそのコイル内に含む。駆動軸１０６のトルクは、第１の測定対象物１０７にトルクを印加する。印加されるトルクの量はドラッグカップモータに印加される電流に依存するので、レオメータ１００は、ドラッグカップモータ１０５に入力されるエネルギーからモータトルクを測定する。
【００２２】
処理電子回路および制御電子回路１１０は、ドラッグカップモータ１０５と連絡しており、ドラッグカップモータ１０５に印加された電流を監視することによってトルクを監視するように構成されている。処理電子回路および制御電子回路１１０は、プログラム可能であるか、あるいは入力データを受信すること、データを記憶すること、計算を実行すること、またはデータを表示することが可能な、少なくとも１種類の装置のアセンブリを含むことができる。処理電子回路および制御電子回路１１０は、粘度などの様々なレオロジー特性を計算するためのアルゴリズムを備えてもよい。処理電子回路および制御電子回路１１０はまた、たとえばドラッグカップモータ１０５を制御するための、運動制御電子回路も含んでよい。
【００２３】
とりわけ、レオメータ１００にはデュアル読み取りヘッド光学エンコーダ１２０が設けられている。デュアル読み取りヘッド光学エンコーダ１２０は、処理電子回路および制御電子回路１１０と連絡しており、駆動軸１０６の角度変位または角速度を測定することができる。
【００２４】
図２を参照すると、デュアル読み取りヘッド光学エンコーダ１２０は、駆動軸１０６に接続されてこれとともに回転する、エンコーダディスク１２２を含む。デュアル読み取りヘッド光学エンコーダ１２０はまた、第１および第２の読み取りヘッド１２４Ａ、１２４Ｂも含み、これらは駆動軸１０６を中心に互いの反対側に設けられている。この点に関して、読み取りヘッド１２４Ａ、１２４Ｂは、スラスト軸受１０４を包囲するケーシング１２６（図１）、および／またはドラッグカップモータ１０５および軸受１０３、１０４を包囲する外部筐体１２８など、駆動軸１０６を包囲する構造体に実装されることが可能である。読み取りヘッド１２４Ａ、１２４Ｂは各々、読み取りヘッド１２４Ａ、１２４Ｂに対するエンコーダディスク１２２の位置に対応する光学パターンを読み取るための、光源および光検出器アレイを含む。デュアル読み取りヘッドの使用は、（たとえば２ナノラジアンより良好な）分解能の改善、位相分解能の増大、ドリフトの減少、および／または雑音の減少を提供することができる。
【００２５】
比較として、図３は、エンコーダディスク２２２を読み取るためにシングル読み取りヘッド２２４のみが設けられている点を除いて、図２の光学エンコーダ１２０と類似の構造を有する、従来型シングル読み取りヘッド光学エンコーダ２２０を示す。図３に示されるように、シングル読み取りヘッド２２４は、回転式レオメータの駆動軸２０６の片側に沿って配置されている。この配置のため、矢印２３０によって示される平面に沿った駆動軸２０６の運動は、シングル読み取りヘッド２２４によって変位として観察される。無限に硬いシステムはないので、矢印２３０に沿って読み取りヘッド２２４から離れる方向の駆動軸のわずかな運動であっても、絶対的に測定可能な分解能を制限する可能性があり、位相および変位におけるさらなる雑音（誤差）を招く可能性があり、長時間にわたってドリフトを受ける可能性もある。
【００２６】
対照的に、図２のデュアル読み取りヘッド光学エンコーダ１２０を用いると、平面１３０内の水平運動は第１の読み取りヘッド１２４Ａによって変位として観察され、第２の読み取りヘッド１２４Ｂは同じ水平運動を、同じ大きさで反対方向の変位として観察する。これら２つの測定値の平均値は、水平運動を打ち消す。
【００２７】
従来型シングル読み取りヘッド回転式エンコーダ２２０を備えるレオメータと比較して、図２のデュアル読み取りヘッド光学エンコーダ１２０を備えるレオメータによって提供される改善された性能が、図４Ａから図４Ｅに示されている。図４Ａは、従来型シングル読み取りヘッド光学エンコーダ（線４０２）およびデュアル読み取りヘッド光学エンコーダ（線４０４）によって測定された、振動トルク（マイクロニュートンメートル単位）に対する変位（ラジアン単位）のグラフである。シングル読み取りヘッド光学エンコーダは２５ナノラジアンの分解能を提供し、デュアル読み取りヘッド光学エンコーダは２ナノラジアンの分解能を提供する−すなわち分解能において１０倍以上の改善である。
【００２８】
図４Ｂは、シングルエンコーダリーダおよびデュアルエンコーダリーダの、３×１０−９ラジアンでの変位信号波形を示す。見ればわかるように、シングル読み取りヘッド光学エンコーダの変位信号では波形が認められないが、その一方で、デュアル読み取りヘッド光学エンコーダでは同じことが該当しない。デュアル読み取りヘッド光学エンコーダは、はるかに小さな変形まで、振動測定を行うことができる。
【００２９】
図４Ｃは、デュアル読み取りヘッド光学エンコーダがどのようにして振動測定において増大された位相角分解能も提供するかを示す。シングル読み取りヘッド光学エンコーダでの測定位相角の信号は４１０（時間３００秒）の左側に示され、デュアル読み取りヘッド光学エンコーダでの測定位相角の信号は４１０の右側に示される。デュアル読み取りヘッド光学エンコーダは、比較すると３倍少ない雑音を提供する。
【００３０】
図４Ｄおよび図４Ｅは、それぞれシングル読み取りヘッド光学エンコーダおよびデュアル読み取りヘッド光学エンコーダによって測定された、剛性サンプルに関する変位ドリフトを示すグラフである。図４Ｄに見られるように、剛性サンプルを用いると、変位信号は時間とともにドリフトし得る。ドリフトの大きさおよび方向は、温度、変形条件、トルクおよび垂直力、サンプル、環境などを含めて、多くの要因に依存する。図４Ｅを参照すると、線４２０は第１の読み取りヘッド１２４Ａの変位信号を表し、線４２２は第２の読み取りヘッド１２４Ｂの変位信号を表し、線４２４は２つの信号４２０および４２２の平均値を表す。図４Ｅを見ればわかるように、ドリフトは、やはりデュアル読み取りヘッド光学エンコーダの各読み取りヘッドについて発生することになる。しかしながら、デュアル読み取りヘッド光学エンコーダを用いると、ドリフトは、読み取りヘッド１２４Ａ、１２４Ｂからの２つの信号の平均値を取ることによって、除去されることが可能である。
【００３１】
１つ以上の実施形態が上記で詳細に記載されたが、その他の変形例も可能である。したがって、その他の実施形態も、以下の請求項の範囲に含まれる。
【図１】
2014524570.tif 000003
【図２】
2014524570.tif 000004
【図３】
2014524570.tif 000005
【図４Ａ】
2014524570.tif 000006
【図４Ｂ】
2014524570.tif 000007
【図４Ｃ】
2014524570.tif 000008
【図４Ｄ】
2014524570.tif 000009
【図４Ｅ】
2014524570.tif 000010
【国際調査報告】
2014524570.tif 000011