(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転速度計装置（１８）を較正する方法であって、
回転速度計の出力電圧（１５）のひずみを低減させるように選択された物理特性及び配置位置の一方または両方を有するシム構造物（２０）を、回転子の磁石と固定子の巻線との間の、前記回転速度計装置（１８）の空隙（２１）の円周部分だけの中に配置するステップ
を含む方法。
【請求項２】
前記シム構造物（２０）を配置する前記ステップが、前記シム構造物の幅（５２）、長さ（５０）または深さ寸法を、前記回転速度計の出力電圧（１５）の波形（１７）のひずみを少なくとも部分的に打ち消すように選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シム構造物を配置する前記ステップが、前記シム構造物の形状を、前記出力電圧（１５）の波形（１７）のひずみを少なくとも部分的に打ち消すように選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に回転速度計または発電機に関し、より具体的には、回転速度計または発電機を較正する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石発電機などの発電機は、頂部が平らな交流電流（ＡＣ）波形を生み出すように構成することができる。これらの波形の振幅および周波数は発電機の回転速度に比例する。回転速度計の出力信号が適切に整流される場合には、この発電機を、精密回転速度計、例えばモーション制御システムの精密回転速度計として使用することができる。
【０００３】
このようなユニットの性能は、そのユニットが、一定の回転速度に対してほぼ完璧なＤＣ出力を生み出すことができるかどうかによって決まる。回転速度計は、回転速度が出力電圧に影響を及ぼす唯一の変量となるように、磁石が回転したときに一定の磁界強度を生み出し、一定の巻数の巻線を励磁するように設計される。
【０００４】
しかし、例えば上記の回転速度計装置として構成された発電機装置は、さまざまな残留誤差を含む。誤差源には例えば、磁性材料の性質、機械的な真円度、平面度、非対称性および心合せ、巻線の配置、磁気漏れ経路、遮蔽効果、ならびに近くの磁気源または磁性材料の影響が含まれる。ただしこれらに限定されるわけではない。これらの誤差は、主に装置の回転周波数の調波および極の数に関連した信号のリプル成分として現れる。
【０００５】
実際の製造方法および非理想的な材料特性は必然的に不完全な製品をもたらす。したがって、発電機装置に見られる残留誤差を補償する方法を実現することが望ましい。さらに、このような方法は、大きな資源の消費を伴わない費用効果の大きなものでなければならず、装置設計の全体にわたって適合可能なものでなければならない。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付図面および「背景技術」に関連して書かれた後の「発明を実施するための最良の形態」および添付の「特許請求の範囲」から明らかとなろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、回転速度計装置を較正する方法が提供される。回転速度計装置の空隙の中にシム構造物が配置される。回転速度計装置の出力電圧の変動を低減させるように、シム構造物の物理特性または配置位置が選択される。
【０００７】
他の実施形態では、発電機の残留誤差を低減させる方法が提供される。残留誤差を識別するために発電機の第１の波形が測定される。発電機の空隙の中にシム構造物が配置される。このシム構造物は、少なくとも１つの残留誤差を磁気的に補償するように選択された物理特性を有する。発電機の第２の波形が測定される。第１の波形と第２の波形が比較される。
【０００８】
他の実施形態では、精密回転速度計装置を製造する方法が提供される。回転速度計装置の空隙の中に配置されるように構成されたシム構造物が提供される。回転速度計装置の出力電圧の変動を低減させるように、シム構造物の物理特性または配置位置が選択される。
【０００９】
次に、図面を参照して本発明を説明する。図中、同様の符号は同様の要素を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の「発明を実施するための最良の形態」は単なる例に過ぎず、本発明あるいは本発明の用途または使用を限定することを意図したものではない。また、上記の「背景技術」または以下の「発明を実施するための最良の形態」に示されたなんらかの理論によって拘束しようとする意図もない。
【００１１】
回転速度計−発電機装置などの装置の残留誤差は、装置の回転子の磁石と固定子の巻線との間の間隙に磁気材料を導入することによって低減させ、または排除することができる。いくつかのケースでは、その幅とは対照的に、この材料の厚さが比較的に薄い。そのため、この材料を「シム（ｓｈｉｍ）」構造物と呼ぶことができる。以下の説明の全体を通じて、用語「シム」の使用は、さまざまな長さ、幅、高さ、深さ、形状、または後述する他の物理特性を有する材料を指すことができる。シム構造物の磁気特性は、回転速度計−発電機装置の全体的な磁界強度、したがって装置の誘導電圧の大きさに影響を及ぼす。
【００１２】
図１を参照すると、例示的な回転速度計−発電機装置１０が示されている。装置１０は、一般的には精密速度制御システムにおいて使用され、特には制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ）ジンバルシステムにおいて使用されるトロイダル巻線（アナログ）装置を含むことができる。装置１０は固定子１２部分を含み、固定子１２部分は一般に、その上に複数の巻線が配置された心を有する静止構造物である。装置１０はさらに、特定の角周波数で回転する回転子１４を含む。図示の実施形態では、回転子の反対側の端（極）に２つの永久磁石１６が配置されている。
【００１３】
トロイダル巻線回転速度計などの装置１０は、磁束密度と、有効巻線の長さと、速度との積に比例した下式に基づく電圧出力を生み出す。
Ｅ＝Ｂ×ｌ×ｖ  （１）
上式で、Ｅは出力電圧を表し、
Ｂは磁束密度（テスラ）を表し、
ｌは有効巻線の長さを表し、
ｖは速度を表す。
【００１４】
装置１０に関連した残留誤差は、製造欠陥に由来することがある。残留誤差は、回転速度計−発電機の出力信号（すなわち出力電圧）の変動を引き起こし、この変動は高調波ひずみと考えることができる。これらの残留誤差は位置に依存することがある。前述のとおり、製造欠陥の例には、トロイドの真円度、または装置１０の導体間隔が含まれる。この高調波ひずみは、速度フィードバックとして使用するために装置１０を利用する制御ループに不必要な外乱を与える。
【００１５】
装置１０の対応する出力波形は、適切な試験構成を用いて測定することができる。このような試験構成では、ユニットの回転速度を、指定された性能目標よりも高い精度に制御することができる。この測定プロセス中に、それぞれの回転位置に対応する出力信号（すなわち出力電圧）が記録される。
【００１６】
図２は、装置１０の出力波形１７の例示的なグラフ１１を示す。ｘ軸１３は、度で表された装置１０のそれぞれの回転位置である。ｙ軸に沿って、ボルトで表された出力１５が示されている。図示の波形１７のいわゆる「有効領域」は、波形１７の中央の領域（すなわち約９０度の位置を取り囲む領域）である。波形１７は約５０度でピークに達し、対応する出力電圧は約０．５３ボルトである。出力電圧はこのピークから徐々に低下し、その後、約０．５４５ボルトに落ち着く。波形１７とは対照的に、理想的な波形は頂部が平らである。その結果、理想的な波形は、ピーク（すなわち０．５３ボルト）に達するまでほぼ垂直に増大する波形を有するであろう。その出力電圧は、有効領域の外側のある位置に達するまでほぼ一定の値を維持するであろう。
【００１７】
適切な形状に成形されたシム構造物を空隙の中に配置し、それによって磁気回路の磁気抵抗を選択的に変化させることによって、装置１０の出力信号を事実上「調整する」ことができる。一実施形態では、シム構造物を、固定子１２の内径（ＩＤ）に、巻線に隣接させて配置することができる。図３は、示された装置１０の空隙２１の中のシム構造物２０の例示的な配置１８を示す。固定子１２の磁気抵抗は、磁石１６がシム装置２０と「対面している」場合にしか影響を受けない。
【００１８】
空隙２１の中の磁性材料のシム構造物２０の効果は、モデル化および実験によって決定することができる。追加された材料が磁界強度を強め、それによって生み出される電圧を高めるのか、または追加された材料が磁界強度を弱め、それによって生み出される電圧を低下させるのかによらず、シム構造物２０の配置は有効であり得る。
【００１９】
シム構造物２０は、適切な形状に製造することができ、長さ、幅、深さ特性など、他の所望の物理特性を含むことができる。一実施形態では、適切な形状に成形された薄い「較正」シム２０が、磁性鋼合金材料から構築される。シム２０を構成する金属または金属合金材料も、特定の用途に適し、かつ／または所望の効果または結果を生み出すように選択し、変更することができる物理特性と考えることができる。シム構造物２０の厚さおよび／または幅は、（波形１７などの）記録された波形によって決定された所与の位置における所望の補正係数に比例して変更することができる。シム構造物２０が存在することによる空隙内の磁界強度の変動は、後に示すように、装置１０の誤差源を正確に打ち消し、より完全な出力波形を生み出す。
【００２０】
シム構造物２０の使用は、完成した装置１０の残留誤差を補償する方法を提供する。シムを配置する前の出力波形を取得することによって、その全てが完全に理解され、または完全に制御できるというわけではない１つまたは複数の製造欠陥の累積効果を測定することができる。シム構造物２０は、最終結果を改善する補償手段を提供する。シム２０を配置した後、出力波形を再び記録し、改良のためにこれらの２つの波形を比較することができる。
【００２１】
装置１０は、等価電気回路法を使用してモデル化することができる。図４はこのような等価回路２２を示す。空隙の磁気抵抗（Ｒｇ１、Ｒｇ２）などの物理特性が、それぞれ可変抵抗器２４および抵抗器２６によってモデル化される。回転子および固定子の磁気抵抗値は、抵抗器等価物Ｒｒｏｔｏｒ２８およびＲｓｔａｔｏｒ３０として示されている。回路２２に加えられる起磁力（例えばＦ１およびＦ２）をモデル化した等価電池３２および３４も示されている。示されているように、それぞれの構成部品２４、２６、２８、３０、３２および３４は直列に結合されている。最後に、シムの磁気抵抗が、やはり直列に結合された可変抵抗器３６として示されている。
【００２２】
磁石１６がシムと「対面」しているときの等価回路２２の全磁気抵抗は、下式のように定義することができる。
ＲＴ＝（Ｒｇ１＋Ｒｓｈｉｍ）＋Ｒｇ２＋Ｒｒｏｔｏｒ＋Ｒｓｔａｔｏｒ  （２）
上式で、ＲＴは全磁気抵抗を指し、
Ｒｇ１およびＲｇ２は空隙の磁気抵抗を指し、
Ｒｓｈｉｍはシム構造物の磁気抵抗を指し、
Ｒｒｏｔｏｒは回転子の磁気抵抗を指し、
Ｒｓｔａｔｏｒは固定子の磁気抵抗を指す。
【００２３】
磁石１６がシムと対面していないときの等価回路２２の全磁気抵抗は、下式のように定義することができる。
ＲＴ＝Ｒｇ１＋Ｒｇ２＋Ｒｒｏｔｏｒ＋Ｒｓｔａｔｏｒ  （３）
装置１０のおおよその寸法および物理特性を使用して、シムの厚さの関数としての磁気抵抗を計算することができる。図５は、例示的な磁気抵抗３８を、シムの厚さの関数として示す。ｘ軸に沿って、１０００分の数インチ（１／１０００インチ＝約０．０２５ｍｍ）であるシムのそれぞれの厚さ４０が示されており、ｙ軸に沿って、磁気抵抗の低減百分率４２が示されている。この示された例示的な関数では、磁気抵抗の低減百分率が、シムの厚さに比例してほぼ直線的に変化している。シムの厚さ４０が厚いほど、磁気抵抗４２の対応する低減百分率は増大する。その結果、物理特性としてのシム２０の厚さないし深さを変化させて、所望の効果を生み出すことができる。
【００２４】
これに応じて、装置１０の特定の回転位置に対応する適切な磁気抵抗低減百分率をシム２０の特定の厚さに基づいて提供するように、較正ないし「補正」シム構造物２０を設計することができる。また、有効空隙２１の幅、長さ、高さまたは形状特性によって、シム構造物２０の効果が変化することもある。例えば、測定された波形ひずみとは逆の効果を有するようにシム２０を意図的に成形し、したがって波形ひずみを部分的に打ち消すことができる。
【００２５】
シム２０は、波形の平坦度を向上させるように選択的に成形することができる。図６Ａを参照すると、特定の波形に対応するように特に成形されたシム４８を選択的に設計するプロセスの第１の例示的な図４６が示されている。示された波形１７は以前図２に示されたものであり、波形１７の有効領域の全体にわたる出力電圧の変動を示している。この図でもやはり、図２と同様に、ｘ軸に沿って、度で表された回転位置１３が示されている。やはりｙ軸に沿って、ボルトで表された出力１５が示されている。波形１７の平坦度の補償を助けるため、長さ５０が約１５．２４ｃｍ（約６．０インチ）、幅５２が約１．２７ｃｍ（約０．５インチ）のシム構造物４８が設計される。見て分かるように、対応するシム４８設計の長さまたは幅は、出力電圧波形１７の変動に従って変化させることができる。
【００２６】
シム構造物を選択的に設計する第２の例示的な図５４が図６Ｂに示されている。示された波形５６は、８０度付近にピークを有し、両側に谷を有する。その結果、波形５６の谷と一致するように、一連の２つのシム構造物５８および６０がそれぞれ設計され、実現される。示されているように、シム５８は、約５．０８ｃｍ（約２．０インチ）の長さ５０を有するように選択的に設計され、シム６０は、約７．６２ｃｍ（約３．０インチ）の長さ５０を有するように選択的に設計される。シム６０は、約１．２７ｃｍ（約０．５インチ）の幅５２を有するように設計され、この幅は、示されているように、シム６０の長さ５０に沿って徐々に細くなる。理解され得ることだが、特定の波形を補正するために、さまざまな形状、材料または他の物理特性を含む任意の数のシム装置を製造することができる。
【００２７】
理解され得ることだが、１つまたは複数の残留誤差のため、特定の装置１０の波形が、他の装置１０の波形から相当に異なっていることがある。図６Ｃは、このような第３の例示的な波形と、波形の平坦度を向上させるため、波形６４に対応するようにシムを選択的に設計する追加のプロセス６２とを示す。示されているように、波形６４は、反対側に対応する２つのピークを有し、その間に谷がある。そのため、シム６６は、約１５．２４ｃｍ（約６．０インチ）の長さ５０と、第１の端部（ほぼ第１のピークのところ）から、最大幅のところ（谷のほぼ最下点のところ）までは徐々に広がり、次いで第２の端部（ほぼ第２のピークのところ）まで再び狭まる幅とを有する菱形に設計される。
【００２８】
図７は、装置１０を使用した波形平坦度の向上を示す例示的なグラフ６８である。
約９０度から１５０度までの回転位置の対応する出力変動百分率がより大きいベースライン波形７０が示されている。シム構造物２０が選択的に設計され、配置された装置１０の波形７２も示されている。改善された波形７２は、以前に記載された回転位置範囲全体の出力電圧（参照符号７４によって示されている）からの約０．１８％の増大を示している。このような改善７４は、波形の有効領域の全体にわたってより平坦な波形をもたらし、装置１０の精度をより高める。
【００２９】
装置１０などの発電機装置は、少なくとも一部には製造イントレランス（ｉｎｔｏｌｅｒａｎｃｅ）のため、有限の波形誤差を有する。装置１０などの特定の装置の波形は、任意の精度に対して測定することができる。磁気的に軟かい材料から構築することができるシム２０などの薄いシムの挿入または配置は、磁気回路に局所的に影響を及ぼし、その結果、その特定の回転子位置に対応する波形を変化させる。波形誤差に対する補償効果を生み出すためにシムの厚さおよび形状を調整することができる。
【００３０】
装置の磁気回路の全ての効果の知識および／またはモデル化が不完全なため、シムの厚さおよび形状の調整が経験的プロセスとなることがある。同様の設計を有する単一のメーカのいくつかの装置１０を試験することができる。シムを配置する前の波形およびシムを配置した後の波形は、１つまたは複数のこれらの装置１０から得ることができる。一実施形態では、例示的な装置１０の物理特性または累積のいくつかの装置１０の物理特性を表す数学的アルゴリズムを生成してもよい。さらに、シム構造物による少なくとも１つの残留誤差の磁気補償を反映した追加の数学的アルゴリズムを生成してもよい。いくつかの装置の較正をモデル化するために、この数学的アルゴリズムを、１つまたは複数の物理的性質、製造上の制約などを共有する累積のいくつかの装置１０のそれぞれに適用することができる。例えば、シムが大規模に機械加工される状況において、多くの同様の装置１０の精度を高めるために、製造技法は、このようなアルゴリズムを考慮することができる。理解され得ることだが、このようなアルゴリズムの開発および／または実現は、プロセッサ、メモリ、通信または同様の構成部品を有するコンピュータ装置の助けを借りて実施することができる。このようなアルゴリズムは、もちろん、コンピュータ装置を使用して適用することができるコンピュータプログラム製品の中に具体化することができる。
【００３１】
上記の「発明を実施するための最良の形態」では、少なくとも１つの例示的な実施形態を提示したが、非常に多くの変形形態が存在することを理解されたい。この１つまたは複数の例示的な実施形態は単なる例であり、本発明の範囲、適用性または構成を限定することを意図したものではないことも理解されたい。上記の「発明を実施するための最良の形態」はむしろ、本発明の例示的な実施形態を実現するための便利なロードマップを当業者に提供する。添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に記載された諸要素の機能および配置のさまざまな変更を実施することができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】例示的なトロイダル巻線回転速度計−発電機装置を示す図である。
【図２】トロイダル巻線回転速度計−発電機装置の例示的な出力波形を示す図である。
【図３】例示的な回転速度計−発電機装置の空隙内のシム構造物の配置を示す図である。
【図４】シム構造物を有する回転速度計−発電機装置の例示的な等価回路表現を示す図である。
【図５】シム構造物の厚さに比例した磁気抵抗の低減百分率として表された、磁気抵抗の変化を示す図である。
【図６Ａ】回転速度計−発電機装置の例示的な第１の波形と、波形の平坦度を向上させるために提案された対応するシム構造物とを示す図である。
【図６Ｂ】回転速度計−発電機装置の例示的な第２の波形と、波形の平坦度を向上させるために提案された対応する複数のシム構造物とを示す図である。
【図６Ｃ】回転速度計−発電機装置の例示的な第３の波形と、波形の平坦度を向上させるために提案された対応するシム構造物とを示す図である。
【図７】シム構造物を含む例示的な回転速度計−発電機装置の波形平坦度の向上の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  回転速度計−発電機装置
１２  固定子
１３  回転位置
１４  回転子
１５  出力
１６  永久磁石
１７  出力波形
１８  配置
２０  シム構造物
２１  空隙
２２  等価回路
２４  可変抵抗器
２６  抵抗器
２８  抵抗器
３０  抵抗器
３２  電池
３４  電池
３６  可変抵抗器
３８  磁気抵抗
４０  シムの厚さ
４２  磁気抵抗の低減百分率
４８  シム
５０  シムの長さ
５２  シムの幅
５６  波形
５８  シム
６０  シム
６４  波形
６６  シム
７０  ベースライン波形
７２  改善された波形
７４  改善前の出力電圧
【図１】
0005383104.tif 000002
【図２】
0005383104.tif 000003
【図３】
0005383104.tif 000004
【図４】
0005383104.tif 000005
【図５】
0005383104.tif 000006
【図６Ａ】
0005383104.tif 000007
【図６Ｂ】
0005383104.tif 000008
【図６Ｃ】
0005383104.tif 000009
【図７】
0005383104.tif 000010