(57)【要約】【課題】リニアアクチュエータの可動子をはじめとする運動体に作用する動推力を正確に測定することができる力の測定方法を提供する。【解決手段】試験用リニアアクチュエータ１の可動子３と負荷用リニアアクチュエータ２の可動子４との間に力センサ５を装着する。試験用リニアアクチュエータ1の可動子３の加速度を加速度センサ６によって測定する。試験用リニアアクチュエータ１の可動子３の変位を変位センサ７によって測定する。そして、力センサ５の出力と加速度センサ６の出力とに基づいて、または、力センサ５の出力と加速度センサの出力と変位センサ７の出力とに基づいて試験用リニアアクチュエータ１が発生する動推力（電磁力）を推定する。【選択図】図１
2009100486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験用の運動体に負荷を与える負荷用の運動体と、
上記試験用の運動体と上記負荷用の運動体との間に設けられた力センサと、
上記二つの運動体の少なくともいずれか一方の加速度を検出するための加速度センサと、
上記力センサの出力と上記加速度センサの出力とに基づいて上記試験用の運動体に作用する動推力を演算する演算手段と
を備えていることを特徴とする運動体に作用する動推力の測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の運動体に作用する動推力の測定装置であって、
上記二つの運動体の少なくともいずれか一方の位置を検出するための変位センサを備え、
上記演算手段は、
上記力センサの出力と上記加速度センサの出力と上記変位センサの出力とに基づいて上記試験用の運動体に作用する動推力を演算することを特徴とする運動体に作用する動推力の測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の運動体に作用する動推力の測定装置であって、
上記試験用の運動体又は上記負荷用の運動体に結合されたばねをさらに備えていることを特徴とする運動体に作用する動推力の測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の運動体に作用する動推力の測定装置であって、
上記演算手段は、
上記力センサと上記加速度センサと上記変位センサとの力学モデルに基づいて、上記試験用運動体に作用する動推力を演算することを特徴とする運動体に作用する動推力の測定装置。
【請求項５】
試験用の運動体に負荷を与える負荷用の運動体と、上記試験用の運動体と上記負荷用の運動体との間に設けられた力センサと、上記二つの運動体の少なくともいずれか一方の加速度を検出するための加速度センサとを備える測定装置における運動体に作用する動推力の測定方法であって、
上記力センサの出力と上記加速度センサの出力とを入力する入力工程と、
上記入力工程によって入力された力センサの出力と加速度センサの出力とに基づいて、上記試験用の運動体に作用する動推力を演算する演算工程とを含むことを特徴とする運動体に作用する動推力の測定方法。
【請求項６】
電磁駆動装置の可動子に作用する電磁力を測定する測定装置であって、
試験用の電磁駆動装置の可動子に負荷を与える負荷用の可動子と、
上記試験用の可動子と上記負荷用の可動子との間に設けられた力センサと、
上記二つの可動子の少なくとも一方の加速度を測定するための加速度センサと、
上記力センサの出力と上記加速度センサの出力とに基づいて上記試験用の可動子に作用する上記電磁力を演算する演算手段と
を備えていることを特徴とする電磁力の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動体に作用する力の測定を行うための装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、リニアアクチュエータは、可動子とばねなどを併用して、少ない損失で往復駆動できるので、コンプレッサなどのピストン駆動用に利用されている。さらに、共振を利用した駆動では、小さな入力電力で大きな駆動振幅を得ることができる。また、上記のようなリニアアクチュエータを用いたコンプレッサシステムは高効率を実現する。
これら用途のリニアアクチュエータやシステムを開発する上で、リニアアクチュエータの消費電力や効率を正確に評価する必要性が高まっている。
【０００３】
リニアアクチュエータの効率測定においては、リニアアクチュエータの出力（アクチュエータ発生推力とアクチュエータ速度の積）を測定する必要がある。
リニアアクチュエータの推力測定装置として、図１１に示す装置がある。すなわち、一方に試験用のリニアアクチュエータ、もう一方に模擬負荷用のリニアアクチュエータを用意して、それぞれの可動部を連結する力センサにより推力を測定している。
具体的には、試験用リニアアクチュエータ１の可動子３と、負荷用リニアアクチュエータ２の可動子４とを力センサ５を介して連結したものであり、可動子３、４に作用する力が力センサ５によって測定される（特許文献１参照）。
なお、符号６は、変位センサを示している。
上記従来の測定装置では、可動子３、４の両者が静止又は一定の速度で移動している場合には、可動子３、４に作用する力を力センサ５によって正確に測定することができる。
【特許文献１】特開２０００−２７０５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような構成では、可動子３、４の運動量が変化している場合（可動子３、４の質量が不変であるとすると、それらが加速又は減速している場合）には、可動子３、４に作用する動推力を正確に測定することができないという問題がある。ここでの動推力とは、リニアアクチュエータ１が発生する電磁力のことである。これは、可動子３、４及び力センサ５全体が一体となって移動するため、それら全体に作用する力を力センサ５が検出することになり、可動子３又は４にのみ作用する動推力を測定することができないからであり、時間変化（周波数変化）により、二つのリニアアクチュエータ１、２が発生する力に位相ずれが生じるからである。
【０００５】
また、リニアアクチュエータの出力である動推力を正確に測定することができないという問題もある。
特に、共振点付近での推力測定においては、模擬負荷側の力も力センサに作用するために、実際に測定したいリニアアクチュエータの推力よりも大きな力を測定してしまう。そのために、リニアアクチュエータシステムの効率測定が正確に行えないので、省エネ効果などの評価を難しくしている。
そして、模擬負荷ではなく、実際の負荷（コンプレッサ、成形機、プレスマシン）をリニアアクチュエータで駆動し、その間に力センサを設けた場合にも、上記の理由により正確な測定が行えない。すなわち、特許文献１において、力センサ５によって測定された力は、リニアアクチュエータ１が発生する動推力（電磁力）と慣性力とばね力及び減衰力との和（ばねが取り付けられたリニアアクチュエータ１が外部に対して出す力）であり、リニアアクチュエータ１が発生する動推力（電磁力）を測定できない。
【０００６】
本発明は、上記従来の事情に鑑みて案出されたものであり、運動体の運動量が変化している場合であっても、その運動体に作用する動推力を正確に測定することができる運動体に作用する動推力の測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。すなわち、本発明は力センサで測定された力から、慣性力とばね力及び減衰力を差し引くことによって、リニアアクチュエータの動推力（電磁力）を測定する方法を提供する。
また、本発明は、電磁駆動装置の可動子の運動量が変化している場合であっても、その可動子に作用する電磁力を正確に測定することができる電磁力の測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
この発明に係る運動体に作用する動推力の測定装置は、試験用の運動体に負荷を与える負荷用の運動体と、上記試験用の運動体と上記負荷用の運動体との間に設けられた力センサと、上記二つの運動体の少なくともいずれか一方の加速度を検出するための加速度センサと、上記力センサの出力と上記加速度センサの出力とに基づいて上記試験用の運動体に作用する動推力を演算する演算手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、力センサの出力と加速度センサの出力とに基づいて、運動体に作用する動推力を演算しているので、運動体にのみ作用する動推力を測定することができる。
そのため、運動体の加速時又は減速時のように、運動体の運動量が変化している場合であっても、運動体に作用する動推力を正確に測定することができる。
【０００９】
また、この発明に係る運動体に作用する動推力の測定装置は、上記二つの運動体の少なくともいずれか一方の位置を検出するための変位センサを備え、上記演算手段は、上記力センサの出力と上記加速度センサの出力と上記変位センサの出力とに基づいて上記試験用の運動体に作用する動推力を演算することを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、力センサの出力と加速度センサの出力と変位センサの出力とに基づいて、運動体に作用する動推力を演算することから、運動体に作用する動推力をより正確に測定することができる。
【００１１】
また、この発明に係る運動体に作用する動推力の測定装置は、請求項１に記載の運動体に作用する動推力の測定装置であって、上記試験用の運動体又は上記負荷用の運動体に結合されたばねをさらに備えていることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、試験用の運動体又は負荷用の運動体を精度よく運動させることができ、動推力をより正確に測定することができる。
【００１３】
また、この発明に係る運動体に作用する動推力の測定装置は、上記演算手段が、上記力センサと上記加速度センサと上記変位センサとの力学モデルに基づいて、上記試験用運動体に作用する動推力を演算することを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、力センサと加速度センサと変位センサとの力学モデルに基づいて、試験用運動体に作用する動推力を演算することから、運動体に作用する動推力をより正確に測定することができる。
【００１５】
また、この発明に係る運動体に作用する動推力の測定方法は、試験用の運動体に負荷を与える負荷用の運動体と、上記試験用の運動体と上記負荷用の運動体との間に設けられた力センサと、上記二つの運動体の少なくともいずれか一方の加速度を検出するための加速度センサとを備える測定装置における運動体に作用する動推力の測定方法であって、上記力センサの出力と上記加速度センサの出力とを入力する入力工程と、上記入力工程によって入力された力センサの出力と加速度センサの出力とに基づいて、上記試験用の運動体に作用する動推力を演算する演算工程とを含むことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、力センサの出力と加速度センサの出力とに基づいて、運動体に作用する動推力を演算しているので、運動体の加速時又は減速時のように、運動体の運動量が変化している場合であっても、運動体に作用する動推力を正確に測定することができる。
【００１７】
また、この発明に係る電磁力の測定装置は、電磁駆動装置の可動子に作用する電磁力を測定する測定装置であって、試験用の電磁駆動装置の可動子に負荷を与える負荷用の可動子と、上記試験用の可動子と上記負荷用の可動子との間に設けられた力センサと、上記二つの可動子の少なくとも一方の加速度を測定するための加速度センサと、上記力センサの出力と上記加速度センサの出力とに基づいて上記試験用の可動子に作用する上記電磁力を演算する演算手段とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、力センサの出力と加速度センサの出力とに基づいて、運動体に作用する動推力を演算しているので、運動体の加速時又は減速時のように、運動体の運動量が変化している場合であっても、運動体に作用する動推力を正確に測定することができる。
【発明の効果】
【００１９】
上記特徴構成を有するこの発明によれば、運動体に作用する動推力を、力センサの出力と加速度センサの出力とに基づいて演算しているので、運動体の加速時又は減速時のように、運動体の運動量が変化している場合であっても、運動体に作用する動推力を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、この発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、この発明に係る測定装置の一実施の形態を示す。
この実施の形態の測定装置は、基台に設置された負荷用リニアアクチュエータ２を備えている。負荷用リニアアクチュエータ２は、軸線方向に往復動可能に支持された可動子（負荷用の運動体）４を備えている。
この負荷用リニアアクチュエータ２に対向して、試験用リニアアクチュエータ（電磁駆動装置）１が配置されるようになっている。試験用リニアアクチュエータ１は、軸線方向に往復動可能に支持された可動子（試験用の運動体）３を備えている。
また、可動子３の外周面には、可動子３の加速度を測定する加速度センサ６が取り付けられるようになっている。
さらに、可動子３と可動子４とは、力センサ５を介して同軸上に連結されている。
また、試験用リニアアクチュエータ１の後方には、可動子３の変位を測定する変位センサ７が設けられている。変位センサ７としては、例えば非接触型のレーザ変位計が用いられる。
また、本実施形態の測定装置は、種々の演算を行う演算手段１０を備えている。演算手段１０は、力センサ５、加速度センサ６及び変位センサ７に接続されており、演算手段１０には、これら力センサ５、加速度センサ６及び変位センサ７の出力信号が入力されるようになっている。
なお、符号８は、可動子３を往復動可能に支持する軸受であり、この実施の形態では板ばねが用いられている。
【００２１】
図２にリニアアクチュエータ１の動推力（電磁力）測定の力学モデルを示した。
図２の力学モデルは、図１に示す測定装置を力学モデルとしてあらわしたものである。
試験用リニアアクチュエータ１は、試験用リニアアクチュエータ1の振動に関与する質量mLAと、試験用リニアアクチュエータ１のばね定数KLAと、試験用リニアアクチュエータ1の減衰定数C1とで表される。
なお、質量mLAは、可動子３の質量m1と振動に関与する板ばね８の質量mSとの和である。
また、負荷用リニアアクチュエータ２は、可動子４の質量m2と負荷用リニアアクチュエータ２の減衰定数C2とで表される。
さらに、力センサ５は、２つに分けられた質量mL1，mL2と、これら質量mL1，mL2の間に設けられた力センサ５のばね定数KLと力センサ５の減衰定数CLとで表される。
これにより、リニアアクチュエータ１の動推力を測定するための装置の運動方程式は、次式（数１、数２、数３）で表される。
【００２２】
【数１】
2009100486.tif 000003
【００２３】
【数２】
2009100486.tif 000004
【００２４】
【数３】
2009100486.tif 000005
【００２５】
各パラメータは、以下の通りである。
M1：mLAとmL1の質量の和（= mLA+mL1 = m1+ms+mL1）[kg]
x1：試験用リニアアクチュエータ１の可動子３の変位量[m]
KL：力センサ５のばね定数[N/m]
x2：負荷用リニアアクチュエータ２の可動子４の変位量[m]
KLA：試験用リニアアクチュエータ１のばね定数[N/m]
C1：試験用リニアアクチュエータ１の減衰定数[Ns/m]
FLA：試験用リニアアクチュエータ１が発生する推力[N]
M2：m2とmL2の質量の和（= m2+mL2）[kg]
m2：負荷用リニアアクチュエータ２の可動子４の質量[kg]
C2：負荷用リニアアクチュエータ２の減衰定数[Ns/m]
FLDM：負荷用リニアアクチュエータ２が発生する推力[N]
FL：力センサの出力[N]
CL：力センサの減衰定数[Ns/m]
【００２６】
上式から、図３のブロック線図が求められる。
図３は従来の動推力測定方法(従来法)のブロック線図である。
加算器１１−１の出力（質量の和M1と可動子３の加速度(・・x1)との乗算分）から、質量の和M1を除して、可動子３の加速度(・・x1)が得られる。そして、可動子３の加速度(・・x1)を1回微分して、可動子３の速度(・x1)が得られる。さらに、可動子３の速度(・x1) を1回微分して、可動子３の変位量x1が得られる。
なお、加算器１１−１には、試験用リニアアクチュエータ１が発生する推力FLAがプラスとして入力され、可動子３の速度(・x1)と試験用リニアアクチュエータ１の減衰定数C1との乗算結果がマイナスとして入力され、可動子３の変位量x1と試験用リニアアクチュエータ１のばね定数KLAとの乗算結果がマイナスとして入力され、可動子３の変位量x1から可動子４の変位量x2を減算して、力センサ５のばね定数KLを乗算した乗算結果がマイナスとして入力され、さらに、可動子３の速度(・x1)から可動子４の速度(・x2)を減算して、力センサ５の減衰定数CLを乗算した乗算結果がマイナスとして入力される。そして、加算器１１−１は、質量の和M1と可動子３の加速度(・・x1)との乗算分を出力する。
【００２７】
加算器１１−２の出力（質量の和M2と可動子４の加速度(・・x2)との乗算分）から、質量の和M2を除して、可動子４の加速度(・・x2)が得られる。そして、可動子４の加速度(・・x2)を1回微分して、可動子４の速度(・x2)が得られる。さらに、可動子４の速度(・x2) を1回微分して、可動子４の変位量x2が得られる。
なお、加算器１１−２には、負荷用リニアアクチュエータ２が発生する推力FLDMがプラスとして入力され、可動子３の変位量x1から可動子４の変位量x2を減算して、力センサ５のばね定数KLを乗算した乗算結果がプラスとして入力され、可動子３の速度(・x1)から可動子４の速度(・x2)を減算して、力センサ５の減衰定数CLを乗算した乗算結果がプラスとして入力され、可動子４の速度(・x2)と負荷用リニアアクチュエータ２の減衰定数C2との乗算結果が減算される。これにより、質量の和M2と可動子３の加速度(・・x2)との乗算分が出力される。
従来は、力センサ５の出力FLを動推力としていた。
【００２８】
図４及び図５に、シミュレーションによって求めた、従来法での動推力（力センサ５の出力）FLの周波数特性を示した。共振周波数f = 37.7Hzにおいては、|FL / FLA| = 3.1 、|FL / FLDM| = 3.2であり、出力FLは、試験用リニアアクチュエータ１が発生する推力FLAだけでなく、負荷用リニアアクチュエータ２が発生する推力FLDMの影響も受けている。また、周波数の変化によって出力FL及び位相θが変化することから、試験用リニアアクチュエータ１の動推力FLAが正確に測定できていないことが示されている。
[発明の実施例1]
【００２９】
力センサ５と加速度センサ６を用いた試験用リニアアクチュエータ１の動推力を測定するための装置の運動方程式は、次式（数４、数５、数６）で表される。
【００３０】
【数４】
2009100486.tif 000006
【００３１】
【数５】
2009100486.tif 000007
【００３２】
【数６】
2009100486.tif 000008
【００３３】
ここに、s：ラプラス演算子である。
【００３４】
力センサ５の出力FLと加速度センサ６の出力（・・x1）を用いた試験用リニアアクチュエータ１の動推力の推定値Feは次式（数７）で表される。
【００３５】
【数７】
2009100486.tif 000009
【００３６】
上式の動推力の推定値Feは、力センサ５の出力FLと試験用リニアアクチュエータ１の可動子４にとりつけられた加速度センサ６の出力（・・x1）を用いた演算値である。
上式より、試験用リニアアクチュエータ１の動推力測定方法として図６のブロック線図が得られる。図６に示すように、FLと（・・x1）に基づいて推定値Feを演算するものが本発明の演算手段１０である。
すなわち、不図示の制御部が、可動子３と可動子４とを同一の周波数で駆動すると、演算手段１０に、力センサ５の出力FLと、加速度センサ６の出力(・・x1)とが入力される。そして、演算手段１０は、あらかじめ設定された質量の和M1と減衰定数C1とばね定数KLAとを、不図示の記憶部から読み出して、これらのパラメータから、力センサ５の出力FLと、加速度センサ６の出力(・・x1)とを利用して、数式７により、試験用リニアアクチュエータ１の動推力の推定値Feを演算する。
【００３７】
図７及び図８に、実施例１のシミュレーションによって求めた動推力の推定値Feの周波数特性を示した。すべての周波数において試験用リニアアクチュエータ１の動推力FLAと推定値Feとの比 |Fe / FLA| = 1であり、位相θ の遅れは0 °である。さらに、 |Fe / FLDM| = 0となっており、FeにFLDMの影響は見られない。これより、Fe = FLAであり、本発明によって試験用リニアアクチュエータ１の動推力FLAを正確に測定できることが理論的に実証された。
[発明の実施例2]
【００３８】
同様に、力センサ５と加速度センサ６及び変位センサ７を用いた試験用リニアアクチュエータ１の動推力を測定するための装置の運動方程式は、次式（数８、数９、数１０）で表される。
【００３９】
【数８】
2009100486.tif 000010
【００４０】
【数９】
2009100486.tif 000011
【００４１】
【数１０】
2009100486.tif 000012
【００４２】
力センサ５の出力FLと加速度センサ６の出力（・・x1）及び変位センサ７の出力x1を用いた試験用リニアアクチュエータ１の動推力の推定値Feは次式（数１１）で表される。
【００４３】
【数１１】
2009100486.tif 000013
【００４４】
上式の動推力の推定値Feは、力センサ５の出力FLと試験用リニアアクチュエータ１の可動子４の加速度（・・x1）及び試験用リニアアクチュエータ１の可動子３の変位量x1を用いた演算値である。
上式より、試験用リニアアクチュエータ１の動推力測定方法として図９のブロック線図が得られる。図９に示すように、演算手段１０は、出力FLと加速度（・・x1）及びに変位量x1基づいて推定値Feを演算している。
すなわち、不図示の制御部が、可動子３と可動子４とを同一の周波数で駆動すると、演算手段１０に、力センサ５の出力FLと、加速度センサ６の出力(・・x1)と、変位センサ７の出力x1とが入力される。そして、演算手段１０は、あらかじめ設定された質量の和M1と減衰定数C1とばね定数KLAとを、不図示の記憶部から読み出して、これらのパラメータから、力センサ５の出力FLと、加速度センサ６の出力(・・x1)と、変位センサ７の出力x1とを利用して、数式１１により、試験用リニアアクチュエータ１の動推力の推定値Feを演算する。
【００４５】
実施例２のシミュレーションによる動推力の推定値Feの周波数特性は、実施例１で示した動推力の推定値Feの周波数特性（図７、図８）と同一である。以上より、本発明によって試験用リニアアクチュエータ１の動推力FLAを正確に測定できることが理論的に実証された。
【００４６】
図１０に、シミュレーションによる従来法での動推力（力センサ５の出力）FLと本発明による動推力の推定値Feとの比較を示した。従来法での動推力FLは、動推力FLAよりも大きくなっている。提案法ではFLA= Feとなり、完全に一致している。
【００４７】
以上より、本実施形態における実施例１及び実施例２によれば、運動体の運動量が変化している場合であっても、その運動体に作用する動推力を正確に測定することができる。また、負荷用リニアアクチュエータ２に板ばねが取り付けられていても上述の手法によって動推力の測定することができる。
なお、本実施形態において、力の対象をリニアアクチュエータとしたが、これに限ることはなく、回転運動などの運動体であってもそれに作用する動推力を測定することができる。このとき、ばねはその運動体に適したものを用いることで作用する動推力を測定できる。
さらに、本発明によれば、ばねがなくとも運動体に作用する動推力を正確に求めることもできることは明らかである。
また、可動子３に加速度センサ６を設けるとしたが、可動子３又は可動子４の少なくともいずれか一方に加速度センサ６を設けることにより、同様に動推力が正確に求められることも明らかである。
また、力センサ５の出力と可動子３の速度センサの出力とを用いても同様に動推力が正確に求められることも明らかである。
また、可動子３を支持する板バネ８を設けるとしたが、この板バネ８を可動子４に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る力の測定装置の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す測定装置の力学的モデルである。
【図３】従来の動推力測定装置を示すブロック線図である。
【図４】シミュレーションによる従来の動推力測定での動推力-周波数特性を示す図である。
【図５】シミュレーションによる従来の動推力測定での位相-周波数特性を示す図である。
【図６】本発明の実施例１のブロック線図である。
【図７】実施例１及び実施例２のシミュレーションによる本発明の動推力測定での動推力-周波数特性を示す図である。
【図８】実施例１及び実施例２のシミュレーションによる本発明の動推力測定での位相‐周波数特性を示す図である。
【図９】本発明の実施例２のブロック線図である。
【図１０】シミュレーションによる従来の測定方法での動推力と本発明の測定方法での動推力との比較を示す図である。
【図１１】従来の運動体に作用する力の検出装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  試験用リニアアクチュエータ（電磁駆動装置）
２  負荷用リニアアクチュエータ
３  可動子(試験用の運動体)
４  可動子(負荷用の運動体)
５  力センサ
６  加速度センサ
７  変位センサ
８  軸受（板ばね）
１０  演算手段
【図１】
2009100486.tif 000014
【図２】
2009100486.tif 000015
【図３】
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【図４】
2009100486.tif 000017
【図５】
2009100486.tif 000018
【図６】
2009100486.tif 000019
【図７】
2009100486.tif 000020
【図８】
2009100486.tif 000021
【図９】
2009100486.tif 000022
【図１０】
2009100486.tif 000023
【図１１】
2009100486.tif 000024