トルク計測技術を応用した重力と電磁力の同等性に関する研究

Research Project

Project/Area Number	23K03891
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 21030:Measurement engineering-related
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	西野敦洋国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (40415724)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	濱地望早来国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究員 (60849991)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000) Fiscal Year 2025: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Keywords	力学量計測 / 超精密計測 / トルク / 電磁力 / 重力 / 精密計測
Outline of Research at the Start	重力と電磁力の同等性の検証は、物理学における極めて困難な研究課題の1つとされている。従来、両者の同等性は、主に力計測技術に基づいて検証されてきた。一方、重力と電磁力のそれぞれから定義される物理量として、力のほかにトルクが挙げられる。本研究では、1 N mまでの精密なトルクを発生することができる独自設計の磁気回路とコイルで構成された新しい電磁力式トルク発生装置を開発し、それを申請者等が先行研究で開発した、重力による方法で精密なトルクを発生することができる実荷重式トルク発生装置に接続する。そして、それぞれの装置で発生したトルクを直接比較することにより、重力と電磁力の同等性に関する実験的検証を行う。
Outline of Annual Research Achievements	重力と電磁力の同等性に関する検証は、主に力の計測技術に基づいて実施されてきた。一方、重力による方法と電磁力による方法の両方からトルクを精密に実現できる技術を有する研究機関が無かったため、トルク計測技術に基づいた両者の同等性を検証したという報告はない。本研究では、独自設計の磁気回路とコイルで構成される新しい電磁力式トルク発生装置を開発し、それを申請者等が先行研究で開発した重力による方法で精密なトルクを実現できる実荷重式トルク発生装置に接続することで、トルク計測技術に基づいた重力と電磁力の同等性を実験的に検証することが目的である。初年度は、リング型永久磁石を用いた異極対向型磁気回路の設計、モータやロータリーエンコーダ等による計測制御システムの構築、最適なコイルの巻き線パターンの検討及び設計が目標である。リング型永久磁石を用いた異極対向型磁気回路の設計では、メーカとの打ち合わせをすすめ、磁石の選定や固定治具などの形状を決定した。コイルについては、プリント基板上に形成するために、最適なパターンなどの検討を進めた。モータについては、既存装置からの流用が可能となったため、移設作業を行った。さらに、新たに導入した産業用PCからモータの制御や、先行研究で導入したPCI eXtensions for Instrumentation（PXI）による電圧やカウンタ等の計測をするための計測制御システムを構築中である。また、より精密な角度位置の測定を行うため、自己校正型ロータリーエンコーダの導入を検討するなど、装置全体の構成や要素技術に関する評価を進めた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 該当年度は、リング型永久磁石を用いた異極対向型磁気回路の設計、モータやロータリーエンコーダ等による計測制御システムの構築、最適なコイルの巻き線パターンの検討及び設計が目標である。異極対向型磁気回路については、リング型の永久磁石を選定し、製造メーカとの打ち合わせを進めた。モータについては、当初新規に導入する予定であったが、別の装置から流用することが可能となったため移設作業を行い、新たに導入した産業用PCに接続するなど制御システムの構築を行った。ロータリーエンコーダについては、より精密な角度位置測定を実現するために、自己校正型ロータリーエンコーダの導入を検討中である。コイルの設計については、対応可能なメーカと仕様の検討を行った。
Strategy for Future Research Activity	初年度に設計を行った、リング型永久磁石を用いた異極対向型磁気回路など、発注手続きを進める。検討段階であるコイルや自己校正型ロータリーエンコーダについても仕様を決定し、その他構成要素とともに発注手続きを進め、電磁力式トルク発生装置の組み立てと、評価を実施する。電磁力式トルク発生装置の評価では、磁気回路が一定の角速度で回転する際にコイルに生じる誘導起電力と角度位置について、先行研究で導入したPCI eXtensions for Instrumentation（PXI）を用いて測定し、コイルを貫く全磁束といった装置固有の定数を決定する。また、重力により精密なトルクを発生させることが可能な、実荷重式トルク発生装置については、電磁力式トルク発生装置を設置するための治具の設計と製作を行う。