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【発明の名称】 磁気制動角度レゾルバ
【発明者】 【氏名】マイケル・ジー・スミス

【氏名】ジェームス・ハワード・ターヒューン

【氏名】ロイ・クラーク・メイ

【氏名】ジョージ・エー・ロマノ

【氏名】バラサブラマニアン・エス・コウドリー
【要約】 【課題】遠隔超音波検査走査機構の一部分として使われる動的応答及び精度を改善した低摩擦回転装置の方位レゾルバを提供する。

【解決手段】低摩擦方位レゾルバを制動する手段としてレゾルバの軸に取り付けられた金属の振子４に作用する小さな磁石１４の配列を使う。磁界が振子の動きに作用して、動きによる起電力及び関連した電流を誘起し、それが動きに対抗する力を発生し、こうしてレゾルバの軸に対する非接触式ダンパとして作用する。レゾルバの軸が静止している時、「渦電流」は静磁界内で発生されず、制動力は存在しない。典型的には、振子は鉛又は銅のような反磁性材料で作られ、こうして誘起される力が動きだけから生じるように保証する。磁界は、レゾルバの動きの３６０°全体に亘って一様な制動を行うまとまりの良いパッケージ内に納められた小さいが強力なサマリウム・コバルト磁石の配列によって発生される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】レゾルバ・ハウジングと、該レゾルバ・ハウジングに対して軸線の周りに回転するように前記レゾルバ・ハウジングに回転自在に装着された軸と、導電材料で作られていて、前記軸に固定されていてそれと一緒に回転する導電性振子と、導電材料で作られていて、前記軸線に対して略垂直な向きを持ち、前記軸に固定されていてそれと一緒に回転する導電性円板と、第１の磁石と、該第１の磁石を前記導電性円板に接近して支持する磁石支持構造とを有し、該磁石支持構造は前記レゾルバ・ハウジングに接続され、前記第１の磁石は、前記軸及び前記レゾルバ・ハウジングが相対的に回転する間、前記導電性円板に渦電流を誘起して、該渦電流が前記相対的な回転に対抗するトルクを発生するようにした磁気制動角度レゾルバ。
【請求項２】前記磁石支持構造に接続された端蓋を有する請求項１記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項３】更に、前記導電性円板をその間に置いて、前記第１の磁石に対して隔てて前記端蓋によって支持された磁極片を有する請求項２記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項４】前記磁極片が鉄合金で作られている請求項３記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項５】前記第１の磁石がサマリウム・コバルト合金で作られている請求項１記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項６】更に、前記磁石支持構造によって支持された第２の磁石を有する請求項１記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項７】前記第１及び第２の磁石が、前記軸の軸線に対して垂直な平面内にある請求項６記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項８】前記導電性円板が銅合金で作られている請求項１記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項９】前記導電性円板がアルミニウム合金で作られている請求項１記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項１０】前記導電性円板が銀めっきされている請求項１記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項１１】レゾルバ・ハウジングと、前記レゾルバ・ハウジングに対して軸線の周りに回転するように前記レゾルバ・ハウジング内に回転自在に装着された軸と、導電材料で作られていて、前記軸に固定されてそれと一緒に回転する導電性振子と、導電材料で作られていて、前記軸線に対して略垂直な向きを持ち、前記軸に固定されてそれと一緒に回転する導電性円板と、複数個の磁石と、該複数個の磁石を前記軸の回転軸線に対して垂直な平面内で、前記導電性円板に接近して支持する磁石支持構造とを有し、該磁石支持構造が前記レゾルバ・ハウジングに接続され、前記複数個の磁石が、前記軸及び前記レゾルバ・ハウジングの相対的な回転の間、前記導電性円板及び導電性振子に渦電流を誘起して、該渦電流が前記相対的な回転に対抗するトルクを発生するようにした磁気制動角度レゾルバ。
【請求項１２】前記磁石支持構造に接続された端蓋を有する請求項１１記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項１３】更に、前記導電性円板をその間に置いて、前記複数個の磁石に対して隔てて前記端蓋によって支持された磁極片を有する請求項１２記載に磁気制動角度レゾルバ。
【請求項１４】前記複数個の磁石の各々が磁気材料の円形の円板である請求項１１記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項１５】前記磁石支持構造が、前記複数個の磁石を受け入れる複数個の孔を持つリングで構成される請求項１１記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項１６】前記振子が鉛で作られており、前記導電性円板が銅合金で作られている請求項１１記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項１７】導電材料で作られた素子を含む振子集成体、及び磁界を発生する少なくとも１つの磁石を持つ磁気制動角度レゾルバを設計する方法に於て、Iを振子集成体の慣性モーメント、Ｌを回転軸線から振子集成体の質量の中心までの距離、ｍを振子集成体の質量、ｇ0 を重力加速度、σを導電材料の導電度、βを振子集成体の極半角、ｈを振子の深さ、Ｂ0を磁力源の強度、Ｒを振子集成体の傾斜高さ、ｘ＝ｒ／Ｒ、ｙ＝ｚ／ｈ、そしてＢ02（ｘ，ｚ）＝｜Ｂ02｜ｆ（ｘ，ｚ）として、振子集成体の質量、材料及び形と、磁界の強度及び形を下記の式、【数１】

を満たすように調節する工程を含む方法。
【請求項１８】導電材料で作られた素子を含む振子集成体、及び磁界を発生する少なくとも１つの磁石を持ち、Iを振子集成体の慣性モーメント、Ｌを回転軸線から振子集成体の質量の中心までの距離、ｍを振子集成体の質量、ｇ0 を重力加速度、σを導電材料の導電度、βを振子集成体の極半角、ｈを振子の深さ、Ｂ0を磁力源の強度、Ｒを振子集成体の傾斜高さ、ｘ＝ｒ／Ｒ、ｙ＝ｚ／ｈ、そしてＢ02（ｘ，ｚ）＝｜Ｂ02｜ｆ（ｘ，ｚ）として、振子集成体の質量、材料及び形と、磁界の強度及び形を下記の式、【数２】

を満たすようにした磁気制動角度レゾルバ。
【請求項１９】前記導電材料が銅である請求項１８記載の磁気制動角度レゾルバ。
【請求項２０】少なくとも１つの磁石がサマリウム・コバルト合金で作られている請求項１８記載の磁気制動角度レゾルバ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の分野】この発明は全般的に低摩擦回転装置の動的応答及び精度を改善することに関する。特にこの発明は、遠隔超音波検査走査機構の一部分として使われる方位レゾルバの動的応答及び精度を改善することに関する。
【０００２】
【発明の背景】方位レゾルバは、円形で円柱形の原子炉部品の非破壊検査のための遠隔操作の超音波検査走査機構の一部分として使われてきた。スキャナを検査を受けるパイプ、ノズル、容器又はその他の構造の周りに動かすと、レゾルバの軸に取り付けられた振子状の質量が、その質量の中心で重力の作用を受けて、レゾルバ機構を回転させ、移動した方位距離に比例する電気信号を発生する。読出しの精度及び感度を達成する為に、軸は非常に摩擦の小さい軸受にのっかっているが、これは運動の制動不足の原因になる。制動不足は、レゾルバ機構及び関連する位置信号のオーバシュート及び振動の原因になり、これは非常に望ましくない誤差源である。別の制動手段が必要であるが、これはレゾルバの回転素子に接触せず、「粘性」でもあることが好ましい。この明細書で云う「粘性」という言葉は、制動効果が全般的に角速度に比例することを意味する。
【０００３】圧力容器、パイプ、ノズル及びその他の溶接された部品の溶着部の超音波検査では、計算機式の運動制御装置が計算機式のデータ収集装置と共に作用する。超音波データを首尾よく収集し、走査装置を正しく動作させるためには、正確な位置情報がきめ手である。方位情報を得るために使われた角度レゾルバでは、振子−重量に基づく基準を与えるのに必要である−がスキャナの動きの後振動する傾向がある事により、主に問題が起こる。こういう装置に伴う関連した問題は、ノズル及びパイプの周りの小さな増分的な動きに対する感度がないことである。こういう両面の問題により、重大なデータ誤差、不規則な割出し及び時たまの計算機の故障が起こる。多くの場合、運動計算機は、レゾルバ・データに問題があるということを検出する手段を全く持っていないが、これは試験データの信憑性の点で重大な問題である。スキャナの割出し中に振動が大きすぎるか或いは長く続きすぎると、精密な制御がきめ手になる場合には、位置情報が使いものにならなくなるので、振子の振動はシステムの性能にとって大きな欠点であった。
【０００４】こういう問題を解決しようとする従来の方式は、振動の影響を軽減しようとするソフトウェアや、摩擦ダンパ、並びに閉ループ式の動きの制御のために測距ホイールに頼る振子動きフィードバック制御装置の種々の試みがあった。振子の質量、形並びに形式の機械的な設計には種々のものがあったが、いずれも限界的な改善にしかならなかった。流体制動も試みられたが、小形のレゾルバで利用し得るよりも更に大きなスペースを必要とした。流体の質量を増加する試みは、角感度の低下の為に失敗した。ある電子式制動装置は非常に小型で感度がよいが、３６０°全体の方位測定能力が要求される場合が多いのに、そういう能力が得られない。この従来技術から、こういう問題の基本的な原因、即ち、振子の制動不足の角運動を取り上げるには、振子の速度に比例する非接触式の負帰還方法が必要である事が明らかになった。
【０００５】
【発明の要約】この発明は、レゾルバの軸に取り付けられた金属の振子に作用する小さな磁石の配列を使う事により、低摩擦方位レゾルバを制動する手段を提供する。磁界が振子の動きに作用して、動きによる起電力及び関連する電流を誘起し、これが動きに対抗する力を発生し、こうしてレゾルバの軸に対して非接触式のダンパとして作用する。レゾルバの軸が静止している時、「渦電流」は静磁界内で発生されず、制動力は存在しない。軸が動くと、取り付けられた振子が磁束線を切り、軸の角速度に比例する抗力を発生する。振子は鉛又は銅（この明細書で云う「銅」は銅合金又は銅金属を含む）のような反磁性材料で作って、誘起される力が動きだけから生じる用に保証することが好ましい。レゾルバの動きの３６０°全体に亘って一様な制動を行わせるこじんまりしたパッケージに入っている小型であるが強力なサマリウム・コバルト磁石の配列によって、磁界が発生される。この装置は、標準的なレゾルバの変形として設計され、構成されていて、従来は隙間がきついことが制約であった用途にも使える。
【０００６】この発明の磁気制動角度レゾルバは、感度を犠牲にする事なく、角度を読み出す時に好ましくない振動を抑圧する手段になる。これは振子材料の磁性と幾何学的な特性、磁界及び質量特性との相乗効果を利用して、制動応答を最適にする。この発明の別の一面は、磁性材料及び非磁性材料を組み合わせて用いて、磁界強度並びに形を強め、制動が有利に強められるようにする事である。この発明の磁気制動角度レゾルバは、従来普通であったかさばる、信頼性のない、そして効果のうすい制動装置又はソフトウェアを必要とせずに、まとまりの良い頑丈な信頼性のある設計を有する。この発明は、故障モードがほとんど無く、３６０°の向きに亘って敏速に正確に方位を読み出す事の出来る本質的に信頼性のある装置である。
【０００７】この発明の磁気制動角度レゾルバは、構造部材並びに複雑な形を持つ部品の非破壊検査に用途を持っている。その寸法が小さく、感度及び信頼性が高い為、この装置は、向きが問題になる遠隔操作の乗り物の用途、並びに小さな角変位に対する感度が高い精度で直ちに要求されるあらゆる用途に適している。向きの読出しは、停電及び電力の回復の影響を受けない。即ち、装置に電力が回復した時、向きが直ちに分かる。雑音に対する免疫性を持つ為、この装置は遠隔の溶接作業の用途、並びに広い範囲の種々のこの他の遠隔制御の装置に用いる事が出来る。
【０００８】
【好ましい実施例の詳しい説明】磁気制動の基本的な原理は従来公知であるが、かさばる大型の磁石並びに密度の高い磁気材料で作った重い振子を必要とするのが普通である。こういう方式は、小型レゾルバなどには実用的でない。方位感度には、摩擦が非常に小さい軸受並びに軸に対する末端荷重が小さい小型の振子が必要である。即ち、始動トルクが小さくなり、レゾルバは小さな角度変化に対して非常に敏感になる。しかし、外部ダンパが無いと、振動が著しくなり、長く続くことが起こった。
【０００９】この発明では、適正な長さ及び形の静磁界を使う事により、非接触式で「粘性」の外部ダンパを設ける。動作の原理が更に良く理解されるように、利用する物理的な現象を簡単に説明する。導電材料が静磁界の中で動くと、その面が磁束を切り、こうして材料の中に起電力を誘起する（ファラデーの法則）。材料の導電性の為に電流が流れ（オームの法則）、これによって電流と加えられた磁束密度とのベクトル積に等しい力（ローレンツの力）が発生される。導電度が比較的高いと、誘起された電流は動く材料の表面に局限される。いずれにせよ、動く導体の容積本体に加わる力は次の通りである。
【００１０】
【数３】

【００１１】ｊは誘起された電流の密度、Ｂは磁束密度、Ｆは材料の単位容積当たりの力である。式（１）のベクトル積は、Ｆ、ｊ及びＢが互いに直交している事を示している。Ｆの向き又は方向もベクトル積によって定められ、常に、ｊを発生する動きと反対である（レンツの法則）。今の場合、これは減速させる力である。ローレンツの力は、導電容積がＢ磁力線と交差する時の速度に比例する可変の本体に加わる力である。この結果、回転運動に対抗する積分されたトルクが生じる。これが制動機構の理想的な性質であるが、制動機構の非直線性並びにベクトルとしての性質の為に、角度レゾルバのような非常に小型の回転する部材に使うには、装置をどのように構成するか又は設計するかは簡単ではない。
【００１２】制動機構を例示する為、導電度σを持つ材料の増分的な容積が、点で示した可変のＢ磁界に対し図１に示す向きに配置されている。深さｈを持つ陰影を施した増分的な容積は、回転の中心（＋）の周りの反時計回りの角速度を有する。振子は円柱の扇形部分であり、極半角がβである。傾斜高さはＲであり、これは振子の基部の半径である。
【００１３】誘起された電流の密度は下に記したベクトル式によって表される。
【００１４】
【数４】

【００１５】カラットは単位ベクトルを表す。誘起された電流は空間的に変化する半径方向及び軸方向の成分を持ち、角速度が前後に振動する時、符号が振動する。容積素子に対するトルクＴは図１では時計回りであり、やはり振動する。好ましい形式では、Ｂ磁界は方位の対称性を有する。この場合、式（１）及び（２）が動きに対抗する積分モーメントを決定し、これは次の式で表される。
【００１６】
【数５】

【００１７】Ｔの符号は、回転軸線の周りの時計回りのモーメントでは正、反時計回りのモーメントは負である。Ｂ（ｒ，ｚ）は数学的な形で表すのが困難である為、式（３）の積分は正確に決める事は出来ない。しかし無次元の形式にすると、式（３）は次のようになる。
【００１８】
【数６】

【００１９】
【数７】

【００２０】ここでｘ＝ｒ／Ｒ、ｙ＝ｚ／ｈ、及びＢ02 （ｘ，ｚ）＝｜Ｂ02｜ｆ（ｘ，ｚ）である。積分モーメントは角速度に比例し、この比例係数は、角度、次元、及び磁力源の強度Ｂ0 の複雑な関数である。式（４）を等式に換算する数値係数は、一般的には、経験的に決定しなければならない。振子の運動は、振子の質量の中心に作用する重力並びに積分トルクを含めて、回転軸線の周りのモーメントを加算する事によって記述することが出来る。その時、慣性モーメントＩに角加速度を乗じたものをモーメントの和に等しいとおいて、角運動を記述する。
【００２１】
【数８】

【００２２】振子に平衡状態から突然の変位を与えた場合、最終的には初期位置に対して変位角度θf のところで静止する。この場合式（５）は次のようになる。
【００２３】
【数９】

【００２４】ここで【００２５】
【数１０】

【００２６】ここでＣは式（４）によって与えられる比例係数、Ｌは質量の中心から回転軸線までの半径方向の距離、ｍは振子の質量である。慣性モーメントＩは、軸及びレゾルバの内部を含めた全ての回転部材を含む。ω0 は、回転部材の制動しない時の固有振動数。ξは磁界並びに機械的な摩擦（ξ0）による減衰比である。この制動装置の物理的な図が図２の端面図に示されている。Ｂ磁力線はこの図の平面に対して垂直な平面内にあり、振子の下側部分を取り囲む破線で示した円で表す小さな磁石の配列からくる。
【００２７】式（６）は強制関数（第３項）にある正弦項のために非線形である。しかし、π／４未満の角変位では、運動方程式は ｓｉｎθ≒θとおくことによって近似することが出来、これによって解析解が得られる。その結果は、ξ及びω0 の関数であって、制動不足、臨界制動及び過制動の動きの形態を表す。典型的な場合が、線形化をせずに数値解として計算されて図３に示されている。この図は制動の形態をはっきりと示している。ξ＜１では、運動は制動された振動であり、小さなξで制動するためには多数のサイクルを必要とする。ξ＞１では、運動は振動性ではないが、ξが増加するにつれて、平衡状態に達するのは遅くなる。ξ≒１（破線）では、運動が臨界制動であるが、ξ＝０．８の時、最短時間で平衡状態に達する。これがレゾルバの精度及び安定性にとって最も望ましい運動の状態である。最適の性能は、パラメータＣ、I及びω0 が次の式に示す関係になる時に起こる。
【００２８】
【数１１】

【００２９】従って、振子の質量、材料及び形と、磁界の強度及び形を調節する事により、式（７）の条件を実現する事によって、敏速な応答及び単調な動きを達成することが出来る。この発明の好ましい実施例では、小型で強力な永久磁石の配列と、その合成磁界の形及び強度を調整する外部の手段とを追加する事により、振子が動いている時だけ、磁気に起因する本体に加わる減速する力が得られる。この力の分布による積分トルクは、上に示した式（７）の助けを借りて、小さな反磁性の振子に対する最適の制動に近づくように調節する事が出来、こうして角度の感度を保ちながら、振動を減らすか又は完全になくする。減衰比は、回転する軸に固定されていて、磁石の配列の近くに配置された小さな導電性円版を使って調整する事が出来る。同時に、高い信頼性を持ち、非稼働時間並びに交換コストを最小限にして現場で使う事の出来るまとまりの良い頑丈な設計を考える事が出来る。
【００３０】図４Ａ及び図４Ｂについて説明すると、クリフトン・プレシジョン・モデル１１ＢＨＷ−３６ＴＫ−Ｆ８３０の様なブラシなしのレゾルバが、低摩擦の回転軸４を回転自在に支持する軸受手段（図に示していない）を持つハウジング２を有する。鉛又は銅で作られた振子６が、止めねじ８ａによってレゾルバの軸４に取り付けられている。図５に示すように、振子６は、軸４を受け入れるねじを切っていない円形で円筒形の孔６ａと、夫々の止めねじ８ａを受け入れる１対のねじ孔６ｂを有する。ねじ孔６ｂは同軸であって、孔６ａの両側でそれと直角に交わる。
【００３１】スペーサ１２がハウジング１と振子６の間に配置されている。典型的にはアルミニウム又はルサイト（ＬＵＣＩＴＥ）で作られた磁石ハウジング１０が止めねじ８ｂによってレゾルバ・ハウジング２に取り付けられている。磁石ハウジング１０は全体的に円形で円筒形の部分と、全体的に円形で円筒形の部分の末端から半径方向内向きに伸びる磁石支持リング部分を有する。磁石ハウジング１０の全体的に円形で円筒的な部分の内径が、軸４の軸線と、振子６上にあって、軸の軸線から最も遠い点との間の距離よりわずかに大きい。磁石ハウジング１０は、軸４と同軸であって、この為磁石ハウジング１０は振子６の周りで自由に回転する事が出来、振子は重力の影響で略不動の状態に懸架されている。
【００３２】この発明の好ましい実施例では、方位レゾルバが、磁石ハウジング１０の磁石支持リング部分にある対応する孔にはまるサマリウム・コバルト磁石の配列１４によって発生された一様でない磁界を持っている。図４Ｂに一番よく示されているが、各々の磁石１４は予定の半径を持つ円形の円板である。これらの磁石は円形配列に配置する事が好ましい。即ち、各々の円形円板の中心が、ピッチ円に沿ってあり、等間隔である。例えば、８個の磁石が４５°の間隔で隔たっている。各々の磁石の強度は典型的には２乃至３キロガウスである。
【００３３】磁石１４によって発生された磁界の形及び強度が、アルミニウム、銅又は銀めっきされたアルミニウムの円板２０（この明細書で云う「アルミニウム」という言葉は、アルミニウム合金又はアルミニウム金属を含む）及び軟鉄（例えば軟鋼）の環状円板２２によって調整される。円板２０は軸４に押しばめにした一体のスリーブを有する。円板２０の直径に沿って、押しばめにした円板を軸４から取り外す道具の２つのダボ・ピンを挿入する為の２つの孔１６が設けられている。環状円板２２は、例えば接着剤を使って端蓋１８に形成された凹部に固定される。端蓋は円形で円筒形の壁を持ち、その内側にはねじ山が設けられていて、磁石ハウジング１０の末端にあるねじ孔を設けた外面とねじ結合する。
【００３４】好ましい実施例では、円板２０は銅で作られ、振子は鉛で作られる。磁界が振子６及び導電性円板２０に作用して、不動の振子６に対して磁石ハウジング１０が角変位した後に、重力中心の移動によって生じる振子の振動を制動する。スペーサ１２，ハウジング２及び端蓋１８を用いた機械的な集成体は、磁石１４を振子６並びに導電性円板２０にごく接近して、但し接触させずに配置させるように設計されており、必要な場合、振子及び導電性円板の自由な３６０°に亘る動きが出来るようにする。端蓋１８内に保持された軟鋼の円板２２は「磁極片」として作用して、磁界を均質にすると共に導電性円板２０から若干そらす。これは、鉄に誘起された磁界が存在する事により、Ｂ0 を増加する事により、制動に有利である。端蓋を研磨したルサイト（ＬＵＣＩＴＥ）で作ると、レゾルバが回転した時の角度の振れを直接的に観察する為の可視部になる。
【００３５】磁石ハウジング１０はレゾルバの端に小さな斜面を持っていて、機構の厳密な許容公差の妨げになる恐れのあるごみ、塵、水、又はその他の異物の進入を防止するシリコーン密封材の小さなビードを適用する事が出来るようにしている。組み立てられた装置は、走査機構（図に示していない）の中に取り付けて電気的に接続した時、運動制御装置（図に示していない）に対して精密な方位位置の読出しを行う。この運動制御装置が超音波データ収集装置（図に示していない）と共に作用して、スキャナをノズル、パイプ、容器又は検査を受けるその他の複雑な構造部材の周りに動かす。
【００３６】好ましい実施例を説明したが、これは例示の為だけである。この実施例の種々の変更が、角度レゾルバの分野の当業者には容易に明らかであろう。このような全ての変更は、特許請求の範囲に含まれる事を承知されたい。特許請求の範囲に云う「振子集成体」という言葉は、例えば、回転軸４、振子６及び円板２０のように、連動して回転する方位レゾルバの全ての素子を意味する。
【出願人】 【識別番号】３９００４１５４２
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【出願日】 平成９年（１９９７）６月１２日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】生沼 徳二
【公開番号】 特開平１１−２３３１６
【公開日】 平成１１年（１９９９）１月２９日
【出願番号】 特願平９−１５４２１４