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門脇義次

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Academic year: 2021

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(1)

静電容量による変位測定の精度について

(変位量の大きい場合のキャリブレーション曲線)

門脇義次 後藤美千男

F 直流増巾器 DA‑l

G横河電機製 電磁オシログラフ

EMO‑121

使用振動子G・ 1,000 なお微少変位計の,回路の概略を第2図に示す。

1 .

本測定法は,測定物の変位を静電容量の変化に変換検 ll│する方法で, 出力をシンクロスコープ,電磁オシログ ラフ等に接続することによって動的状態も容易に観察出 来る。

又測定物に非接触で測定出来ることから,回転体の観 察に適しており,工作機械主軸の心振れ測定などに用い られ, 成果を上げている(l,。 しかし比較的変位量が小 さい範囲での測定であるため,電極と測定物との平衡間 隙を狭くとって,高感度の測定をおこなっているが,変 位量の大きい場合には,測定範囲の延長を計るために平 衡間隙を大きくとらなければならない。

平衡間隙を大きくした場合,感度が著しく低下するた め,精密測定の目的が達せられない。 これを補うため,

出力を高倍率に増巾しなければならないが,増巾するこ とによって,測定条件や,機器系統の微細な因子に影響 されて, ドリフトや雑音レベルの増加が考えられる。

本実験では,測定機器の綜合的な特性を求めるため,

増巾された出力をオシログラフに接続して,オシロク.ラ ブ上で安定した振れを示す範囲内での特性を求めた。

リンク変洲回路

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〒︲︲ ろ波回路 記録器へ

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2. 2電極の測定物測定物が平面である場合には問 題ないが, 円筒面の場合,対向面積が一定であっても,

電極の対向面に対し,測定物が平行に変位した場合,有 効な対向面積が変化し, これが測定精度に影響すること が考えられる。

このことから,第3図に示す電極を自作して,その特 性を求めた。

一方,測定物が円筒の場合,直径の違いにより,有効 な対向面積が変ると考えられるので,測定物の直径を,

2. 実験装置

2. 1 使用機器, 本実験に用いた機器を第1図に示

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十一十測定物

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…幹

1

図において D岩崎通信機製

E

芦ロ

微少変位計 MD‑31

同上プロ= MDG‑643 第3図 電極形状

(2)

40

ス)と定めた。 4)平衡位置より, 測定物を片側測定範 囲に相当する距離だけ接近し, この距離を近ずく方向の 最大変位とし,光点が記録紙上で, マイナス方向に最大 振り巾を示すように, 増巾率を調整した。5)平衡位置 からの変位を,縦軸(y)とし,記録紙上の光点の振れを 横軸(%)として, キャリブレーション曲線を求めた。

3. 3実験の組分け次に示す三種の測定条件に組分 けした。

l 平衡間隙及び片側測定範囲を一定とし,測定物が 円筒の場合の直径, 材質,及び電極形状の各因子につい て,各々4水準をラテン方格に配置し, これらの因子が キャリブレ lションllll線に及ぼす影響を調べた。なお測 定条件を第1表に示す。

第1表 実験lの測定条件 平衡間隙 4.00mm 片側測定範図 0.33mm 自作電極寸法表(第図)

電極 │ 。(mm) │ b(mm) I NC | ヨ8 13 1 848

l

No.2 1 4704 6.12

N・3 | 00# | 76 1

M

NQ4 1 20山

材質 黄銅

48mm, 30mm, 20mm, 12.5mm, として測定した。

又,材質の違いによる特性についても,黄銅, アルミ ニウム,軟鋼及び鋳鉄について検討した。

3. 実験方法

3. 1 測定方式,測定物の変位量を,静電容量の変化 に変換するため,次の二つの方式が主として用いられて いる。すなわち, a)対向距離を変化する方式, b)対向 面積を変化する方式,である。本実験では,回転体の変 位測定に適しているa)の方式によった。

3. 2測定方法,第4図に示す如く, マグネットスタ ンドに取付けた電極を, 定盤上に固定し, 一方測定物

測定物直径mm

l 」25 1 20 1 30 1 ・§

│No 31Nq21No」│NC 4

アルミ ニウム 黄銅

測定物材質

│N・ 4 1No3 Nq2 1No. 11

鋳鉄│No」│NC 4INq31No2

"│No21No」│No 4匹う

|軟

・表中No.は電極形状を示す。 (第3図参照)

I 測定物の材質及び電極形状を一定とし,測定物が 平面の場合について,平衡間隙及び片側測定範囲を第2 表に示す様に変え, 安定な測定が出来る範囲で実験し た。

第2表 実験Iの測定条件 測定面 1E102mm高さ41mm

測定物材質

No.3(第3図参照)

第5

は.工具顕微鏡の微動敷物台に戴せて移動した移動し た量は,戴物台移動用のマイクロメーター (感度0.002 mm)によって測定した。

測定の手順は次によった。 すなわち, 1)電極と測定 物を密着し, 隙見によって,間隙Oの点を求めた。 2)

電極と測定物の間隙を平衡間隙とし,微小変位計の平衡 を行った。3)オシログラフの振動子による光点 (以後 光点と呼ぶ)を,入力オフの状態で,記録紙巾の中央に 来る様調節し, オンの状態では,平衡位置より,近ずく 方向の振れを(マイナス),遠のく方向の振れを (プラ

平衡間隙 m、

│ ,5 1 1 ○

1|

Lo 1

1

lIIIIIIIIIIIIII画F1ⅡIIIIII﹄ⅡI■1101■lf

1.0 25 1 4

○ | /

0 ○○○○

片側測定範囲目日 0.05 叫司司一訓 o」31 /

0331 / 0831 / 2 '01 /

○○|/|/ ○一○|/

表中,斜線はドリフトその他の理由により測定 不能の条件を示す

(3)

第5表 実験Iの場合の回帰直線 y=CYx+βにおけるβ

Ⅲ測定物が円筒の場合について, Iと同様に実験し

ノ. .:

た。なお測定条件を第3表に示す。

第3表実験Ⅲの測定条件

測定物 3

軟鋼

No.3 (第3図参照)

測定物直径mm

12.ぅ │ 20。3""8:0 Qo,291do645##QO4i」l ク4,.回

アノレミ ニウム

測定物材質

黄銅IM4921 QO4361 0062Ol OU'

平衡間隙 mm

l o, , ,、 ' 1 , ,, ' , '

鋳鉄 dO2311 '0:046010P3521"420 軟銅│ QO2ううIM4801QO3661叩妨 0肪' ○ ○ | /| / |/| /

片側測定範囲︑/

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面│oIoIoIoIoIo

0831/ ○ ○ ○ ○ ○

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斜線は, ドリフトその他の原因により測定不能

の条件を示す

0

0 ユ0 20 30 40 50

鋒…癖駁蕊苓塗診 測定物直径皿 3. 4実験のまとめ平衡位置からの変位(xi)と,

光点の振れ(yi)との関係から,最小二乗法により回帰 直線, y=cYx+βを求め,次にこの直線のまわりの偏

I

巨員

0。04

淵曜

差,/2(yo‑yi//nを求めた。ただし, yO=α郭i+6, nは測定点の数である。

4. 実験結果と考察

Iについてα及びβの値を第4表及び第5表に示 す。

第4表 実験Iの場合の回帰直線 y=α免十βにおけるa

I I

0.02

0

Nq4 NO.1

−−−(B) "=

No.2 Np、3

電極

A 0

測定物直径、

旨0.04 一一一一一

11

30.0

12.5 20.0

曜0.02

Z蕊│"0831 Qoo841 Qoqgd

測定物材質

黄銅│ QOO8'│ QOO851 QOO''│

鋳鉄│ Q00811万00871 dOO801

軟鋼「丘凧│ qOO791000841 0 Cu・ AI FC SC

(C) 測定物材質

第5図 測定物直径・電極形状測定物材質 と偏差

対向面積に対し,電極巾bの大なるほど,有効な対向面 積が大であることから,直径と偏差との関係についての 考察と矛盾する。しかし偏差が大となる原因としては,

前述の場合の他,増巾率が大きいために,拡大された,

次に第5図に測定物直径,材質,及び電極形状と偏差 との関係を示す。第5図(A)によれば,直径と共に偏 差が大きくなっている。この理由として,直径が大とな れば,有効な対向面積が増すため,一定の測定範囲に対 し,平衡間隙が狭過ぎるためと考えられる。一方第5図 (B)によれば, 電極No.4の場合に偏差が最小であ ヌり,No.3において最大となっているb しかるに一定の

/r I

一一

l

O

l

l

O I

(4)

42

| も

ドリフトや雑音によるものが考えられる。すなわち,電 極No.3においては,有効な対向面積が最小となり,従 って増巾率が最大であって,後者の理由によって,偏差 が最大となったものと考えられる。

測定物の材質に関しては,電極と同質である黄銅の場 合偏差が最少であって, アルミニューム,鉄類の順とな

る。

Iについて片側測定範囲に対する,α及びβの値を それぞれ第6図・第7図に示す。又平衡間隙と偏差との 関係を第8図に示す。第8図によれば片側測定範囲0.05 mmの場合に明らかである様に,‑ある平衡間隙において 偏差は極小値をとるdこの要素を明らかにするため,測

定値と回帰直線との関係を第9図に示す。図は片側測定

範囲一定(0:05mm)ゐ場合の,g偏差が極歩値に近い平 衡間隙のもの一例と平衡間隙がこれより狭v場合, ・及び 広い場合のそれぞれ一例を示す。̲第8図及び第9図によ って片側測定範囲が一定の場合,平衡間隙が狭過ぎると

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第8図 実験条件Iの場合の平衡間隙と偏差

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1O児1

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曲線を直線に回帰したために大きな偏差が生じ,広過ぎ ると増巾されたドリフトのために大きな偏差を生ずるこ とが明らかである。

本測定法において,測定の便宣上キャリブレーション 曲線の直線性が問題となるが,ある片側測定範囲におい て適当な平衡間隙,すなわち,偏差が最小の平衡間隙に よれば最良の直線性を得ることが知れる。

, Ⅲについて片側測定範囲に対するα及びβの値をそ れぞれ第6図及び第7図に示す。又平衡間隙と偏差との関 係を第10図に示す。第10図において,片側測定範囲0.13 mm及び0.33mmの場合に,偏差の極小値が平衡間隙 の小さな範囲に移っていることが分る。この理由は測定 物形状の差によるものと考えられる。すなわち電極に対 する対向面が円筒面である場合には平面の場合に比べ有 効な対向面積が狭くなる。従って増巾率を上げるため,

ドリフトなどによる偏差が増すものである。ゞ又第8図と 第10図との比較によって知れる如く,測定物が円筒の場 合には平面の場合と同じ程度の直線性は期待できない。

キャリプレーション曲線と回帰直線の関係を示す一例 として,片側測定範囲0.33mmの場合を第11図に示す。

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○測定物形状32平'11簡Iiliの蝿合

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第6図 回帰直線y=crx+βにおける:片

̲ . . 凸■ 一与与●=ご 。 . =画

側測定範囲と《a

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片側測定範囲麺

①測走物形状・I燗の蝿合

○測定物形状32?円筒面の堀合

第7図 回帰直線y=α力+βにおける片 側測定範囲とβ

I

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(5)

43

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第11図 片側測定範囲0.33mmの場合の測 定点と回帰直線(実験条件Ⅲ)

︒・9■4

I

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| 〃 |

J −2C

lにおける実験結果によれば 電極No64すなわち,

円板状の電極によると偏差が最小のキャリブレーション 曲線を得るが,電極の対向面と平行な方向の変位が同時 に起こる場合には 対向面積が変化し,誤差が最大とな ることが考えられ, I及びⅢにおいては電極No.3を 用いた。なお測定条件をⅢと同様にし,平衡間隙におい て,電極形状の違いによる影響を第12図に示す。

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第9図 片側測定範囲0.05mmの場合の測 定点と回帰直線(実験条件I)

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平衡間隙 8麺

第10図 測定条件Ⅲの場合の平衡間隙と偏差

1 mm

第12図

I

γ

I

̲})−

I

I I

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IR I ij

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〜(〕−‐

P症

(6)

測定物の仕上面粗さの影響を調べるため,測定物の材 質に鋳鉄を用い直径30mm,表面粗さをHmaxO.5脾及 U:Hmax20〃の2種について,電極No.3を用いキャリブ レーション曲線を求めたがほとんど差が認められずこ の程度の表面粗さの違いは無視出来る。

5.

静電容量変化による微小変位の測定において,適切な 電極形状と平衡間隙を採れば測定範囲が広い場合におい ても,直線性の良い測定が可能であり, しかも,適切な 平衡間隙は測定物形状が平面である場合と,円筒面であ

る場合とでは異なることが分った。

なお本実験をおこなうに当たり協力戴いた本校機械工 場の職員諸氏に感謝します。

引用文献

(1)後藤・渡辺機械学会誌(Vol66No.536 P1171)

0,、■J 1.す,T1

1111I

I

参照

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