(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸位置を正確に測定するために回転軸に指向され、かつ、当該回転軸に近接して位置する検知端を有する軸位置センサーであって、
支持部材と、
当該支持部材内に取り付けられたロッドと、
当該ロッドの端部近傍に被せられ、前記ロッド上で前記支持部材との間にボビン部を形成するエンドキャップと、
前記ボビン部に巻回されたコイルと、
当該コイルとハンダ継ぎ手とを覆うケーシングと
を備え、
前記支持部材は、前記ボビン部側の端部から、当該端部の反対側の基端へ向かって延びる２つの導電性ストリップを有し、
前記コイルは、応力解放ループを形成するとともに、前記ボビン部近傍の前記２つの導電性ストリップにそれぞれハンダ付けされた２本のワイヤ端部を有し、
機械的取扱いに耐えるのに十分な直径を有し、前記反対側の基端近傍の前記２つの導電性ストリップにハンダ付けされた端部を有する一対のリード線をさらに備え、
当該一対のリード線の前記端部は、前記２本のワイヤ端部と物理的な接触がないように当該ワイヤ端部と離間しつつ、前記２つの導電性ストリップを介して前記２本のワイヤ端部とそれぞれ電気的な接触状態にあり、
前記支持部材は、長手方向に延びる２本の凹部を有するとともに、当該凹部は、前記２本のワイヤ端部と前記一対のリード線とを受容するのに適切な深さをそれぞれ有し、前記２本のワイヤ端部と前記一対のリード線とが前記ケーシングにより前記２本の凹部内にそれぞれ捕捉され、
前記２つの導電性ストリップが各凹部内に形成され、
前記回転軸の位置を検知するために、当該回転軸に近接し、かつ、当該回転軸に指向した固定位置に支持される、軸位置センサー。
【請求項２】
前記導電性ストリップを形成する導体の材質がパラジウム銀である、請求項１に記載の軸位置センサー。
【請求項３】
前記コイルは、編み組み線で巻回されている、請求項１に記載の軸位置センサー。
【請求項４】
前記エンドキャップと前記ケーシングはセラミック製である、請求項１に記載の軸位置センサー。
【請求項５】
前記回転軸は、電子コントローラによって制御可能な磁気ベアリングに支持され、
前記コイルは、前記電子コントローラに対して位置フィードバック信号を提供する、請求項１に記載の軸位置センサー。
【請求項６】
前記２つの導電性ストリップは、前記支持部材の外側表面に共晶接合された薄膜により形成されている、請求項１に記載の軸位置センサー。
【請求項７】
前記検知端の直径は６．３５ｍｍ（０．２５インチ）未満であり、かつ、長さは２５．４ｍｍ（１．０インチ）未満であり、
前記検知端は、前記ロッド、前記コイル、及び、前記ケーシングを含む、請求項１に記載の軸位置センサー。
【請求項８】
前記コイルには充填剤がなく、当該コイルを形成するワイヤ間には空間が残されており、前記コイルの温度変化に起因する自由な膨張収縮が許容されている、請求項１に記載の軸位置センサー。
【請求項９】
前記ケーシングと前記コイルとの間には充填剤がなく、前記コイルは温度変化に従って自由に膨張収縮し、
前記ケーシングの内側と、前記コイルの端部に形成された応力解放ループとの間には充填剤がなく、前記応力解放ループの温度変化に起因する自由な膨張収縮が許容されているとともに、
前記コイルと前記支持部材との間の膨張収縮差が吸収される、請求項８に記載の軸位置センサー。
【請求項１０】
前記ロッドは、フェライトから成り、
前記コイルは、電磁場を生成するとともに、特定の温度領域において所定の負の直線勾配を有する抵抗率対温度特性を有するように巻回されており、
前記ロッドの材料は、前記電磁場の強度が前記特定の温度領域において一定となるように、前記所定の負の直線勾配を補完する正の直線勾配を有する透磁率対温度特性を有するように選択されている、請求項３に記載の軸位置センサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、磁気ベアリングに関し、特にハウジング内に回転可能に支持された軸の位置を一万分の数インチの精度で測定するのに適したタイプの位置センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、アクティブ（能動型（active））磁気ベアリングは、一連の電磁石を回転軸の周りに配置し、一連の電磁石内のほぼ中心位置に軸を芯合わせして浮揚させるように電磁石のコイル内の電流を制御することによって、非接触で回転軸を支承する。軸位置センサーもやはり非接触型が好ましく、軸位置を検知し、所望の軸位置を実現するため、コイル内の電流を制御するコントローラへ軸位置信号を与えることが必要である。
【０００３】
各ラジアルベアリングは２個の位置センサーを必要とするのが普通である。しばしばラジアル磁気ベアリングとともに用いられるアクティブ磁気アキシャルつまりスラストベアリングには、更にもうひとつのセンサーが必要である。従って、ある機械にラジアル磁気ベアリングが２個とアキシャル磁気ベアリングが１個あると、軸位置センサーは５個必要になり、これらすべては、それらが制御する電磁石に近接して位置的に関連して配置される。
【０００４】
アクティブ磁気ベアリングはさまざまな用途に使用可能であるが、一般的に部品に、また具体的に軸位置センサーに課せられる厳しい制約を例示するため、ここではエアサイクルマシン（air cycle machine ）を例として用いる。
【０００５】
エアサイクルマシンは、航空機のメインエンジンのようなガスタービンエンジンまたは補助動力ユニットによって供給されるブリードエアの冷却や調和用に航空機上で用いられる。
【０００６】
エアサイクルマシンにおいては、回転軸の一端はタービンに接続され、他端は負荷に接続されるが、負荷は通常はコンプレッサである。ブリードエアはまずコンプレッサを通ってそこで更に圧縮され、追加圧縮の結果、加熱される。熱交換器で冷却された圧縮空気はタービン内で膨張し、その結果ごく低温となり、航空機のキャビンや航空電子機器を冷却するため、航空機の環境制御（environmental control）システムに用いられる。タービンに作用する圧縮空気は軸を回転させ、軸はコンプレッサを駆動する。
【０００７】
軸を支持するため、エアサイクルマシンは通常３個のベアリングを用いる。それらのベアリングのうちの２個は、軸と軸に担持された要素を支持するラジアルベアリングである。第３のベアリングは軸を軸方向固定位置に保持するスラストベアリングである。性能最適化のため、マシンハウジングと、コンプレッサーブレード及びタービンブレードとの間には非常に小さなクリアランスを維持しなければならない。万一ベアリングに少なからぬ遊びがあると、負荷が掛かった際、軸がずれてブレードの先端が周りのハウジングに接触する。エアサイクルマシンは100,000 RPMに近い、時にはそれを超える速度で運転されるので、エアサイクルマシンをうまく運転するには、軸位置を正確に保持することができ、比較的運用寿命の長い比較的頑丈なベアリングが必要である。
【０００８】
電子制御されて通電される磁気ベアリングは、非接触型ベアリングであり、運用寿命が長いので、エアサイクルマシン用として最適である。ラジアル磁気ベアリングにおいては、数個の電磁石が軸の周りに角度間隔をあけて配置され、通電されると吸引磁力を発生してハウジング内の自由空間に軸を浮揚させる。軸に作用する外力に応答し、様々な方向の磁力の強さを変化させるように、閉じループ（closed loop ）電子コントローラは、各電磁石へ供給する電流を調節する。必要な軸位置フィードバック情報を軸位置センサーがコントローラへ供給する。特に、位置センサーは各ラジアルベアリングの近傍位置における軸の二つの直交する半径方向位置をコントローラへ与える。
【０００９】
渦電流位置センサーが磁気ベアリングには最適である。例えば線形作動範囲が±0.25mm(0.010インチ)の小型精密渦電流位置センサーが、磁気ベアリング用途に必要な精密制御のために±0.013mm(0.0005インチ)の分解能を持つように製作可能であり、エアサイクルマシンで遭うような比較的狭いエンクロージャ内にフィットする。渦電流位置センサーは非接触型センサーであり、例えば高速回転軸の運転と干渉はしない。更に、磁気ベアリングと同様に渦電流位置センサーには摩耗する可動部品が無く、潜在的に運用寿命も長い。
【００１０】
渦電流位置センサーの通常作動中、センサーの端部の近傍でターゲット例えば、エアサイクルマシンの軸に隣接した導電ワイヤのコイルが、ＬＣ回路のインダクタンス部分となる。その回路のキャパシタンス部分はセンサードライバまたはコントローラの中にある。このコントローラは比較的高い共鳴周波数でＬＣ回路を駆動しセンサーの自由端の周りに、振動する(oscillating) 電磁場を造り出し、コイルを横切る電圧をモニターして、ターゲットとセンサーとの間の距離を決定するが、この電圧はターゲットがセンサーの作動範囲内にある限りターゲットとセンサーとの間の距離に略直線的に比例する。
【００１１】
センサーの精度、直線性、及び総合性能は磁場の強度に関連がある。一般的に、磁場の強度（quality）は、コイルに供給される電流に対して、コイル中の電力損失（power losses）の減少に伴って向上する。コイル中の損失の主要原因は、ワイヤの抵抗、ワイヤ中に自己誘導される渦電流、及び表皮効果(skin effect)である。特定のコイルの抵抗は、コイルに必要な磁場の強度(field strength)に関連する。しかし、ＡＣ損失、すなわち自己誘導される渦電流、及び表皮効果による損失は、コイルを構成する個々のワイヤ径を細くすることによって低減することができる。リッツ（Litz）ワイヤ（編組線）、すなわち注意深く編組みされた極細ワイヤがＡＣ損失の低減に最適であるが、かなり脆い。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
渦電流位置センサーは機械的摩耗は受けないが、機械的破損は受ける。センサーのコイルは、自己誘導渦電流損失を最小化するため、比較的細いワイヤを用いて巻かれるのが普通である。このサイズのワイヤは比較的脆く、取扱いに注意を要する。コイルを巻くときやセンサーを製作する際、この細いワイヤに機械的応力を掛けないよう、細心の注意を要する。一方、センサーからコントローラへのリード線は、通常の取扱い及び、センサーが取り付けられる機械の予想される誤操作の過程でワイヤが破損しないように、比較的太くかつ頑丈でなければならない。コイルとリード線との間の電気的連続性を確立するため、コイルとリード線との端部同士を半田付けするのが普通である。コイル端部とリード線との間にサイズの差があり、リード線の方がかなり太いので、脆いコイル端部に機械的及び熱的応力を誘発し、コイル端部の半田継ぎ手の近傍でコイル端部が破損する。
【００１３】
比較的径の細いワイヤで巻かれ、比較的太いリード線を接続したコイルを有する従来のセンサーや小型電子装置は、細いワイヤへの応力を最小にするため、いくつかの技法を用いている。例えば、いくつかの従来のセンサーでは、コイルの下方の小さな空間に半田継ぎ手を配置し、その継ぎ手をテープ等でその空間内へ固定している。その他に、従来のセンサーの半田継ぎ手は、センサー内の空所を硬質エポキシ系または柔軟性シリコン系成形可能コンパウンドで充填して固定することもできる。このような太いワイヤを細いワイヤと接続する影響を最小限にしようとする努力にもかかわらず、半田継ぎ手の近傍における応力による細いワイヤの破損は、従来のセンサーにおける、主要ではないにしても、一つの原因であることにかわりがない。
【００１４】
エアサイクルマシンが遭遇するような高温高振動環境においてセンサーが用いられると、細径ワイヤの破損の可能性はかなり増大する。100,000RPM近くで回転する軸は、振動の結果かなりの応力を細径ワイヤ内に誘発させる。エアサイクルマシンのコンプレッサ側のブリードエアの温度は２６０℃（華氏５００度）近くになる。エアサイクルマシンのタービン側を出る空気の温度は、−２３℃（華氏−１０度）にも達する。エアサイクルマシンの始動時には、急速に運転温度がそのような温度に達し、細径ワイヤはかなりの熱衝撃すなわち熱誘発応力を半田継ぎ手の近傍に受ける。その結果、渦電流センサーの達成する位置フィードバック精度にもかかわらず、従来のセンサーはエアサイクルマシンにおける運用寿命に極端な制限があった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の一般的な目的は、磁気ベアリング構造の要素として用いる、従来のセンサーに比して信頼性の高い新規かつ改良された位置センサーを提供することである。
【００１６】
関連する目的としては、磁気ベアリングがしばしば置かれる比較的高温高振動環境における使用に適した位置センサーを提供することである。
【００１７】
この発明の詳細な目的は、信頼性を改良した、特にワイヤの終端部接続信頼性を改良した磁気ベアリング用軸位置センサーを提供することである。この発明の特徴は、リード線とコイルとの間の電気的連続性を確保しつつ、電気コイルの比較的細径端部を比較的大径のセンサーリード線から機械的に隔離することである。その結果、大径ワイヤが細径ワイヤに応力を誘発することを防止し、センサー破損の主要原因を解消する。
【００１８】
この発明の上記及びその他の利点は、添付の図面を参照した以下の説明により更に明らかになるであろう。
【００１９】
この発明には種々の修正及び代替構造が可能であるが、特定の実施例を図示し、以下に説明してある。しかし、この発明を開示した特定の形態に限定する意図はなく、意図するところは、それとは反対で、この発明の精神と範囲に入る全ての修正、代替構造、及び同等物を包含することである。
【００２０】
【実施の形態】
説明の便宜上、この発明を、渦電流位置センサー１０、１０Ａ（図１）に実施されたものとして図示するが、これらは適当なドライバすなわち電子コントローラ１１と連係して用いると、各センサーの端と、センサーの自由端から発せられる電磁場内に位置するある物体、例えば軸１２との距離を示すように作動させることができる。渦電流位置センサー１０、１０Ａはそれぞれエアサイクルマシン１５の軸を回転可能に支持するラジアル磁気ベアリング１３、スラスト磁気ベアリング１４用の制御回路における位置フィードバック部品として最適である。
【００２１】
要するに、エアサイクルマシン１５は航空機のガスタービンエンジン（図示せず）から高温かつ加圧されたブリードエアを受け、冷却された空気を航空機の環境制御システムへ排出する。エアサイクルマシンは、ハウジング１６、ハウジング内に配置されラジアル磁気ベアリング１３、スラスト磁気ベアリング１４によって回転可能に支持された軸１２、ハウジングの一端にコンプレッサ部１７、及びハウジングの他端にタービン部１８を含む。磁気ベアリングはタービン部とコンプレッサ部の中間部１９に配置されている。コンプレッサ部は、ブリードエア導入用インレット２０、ブリードエアを圧縮するため軸の一端に固定されステータ２２内で回転可能なブレード付きロータ２１、及び圧縮空気排出用アウトレット２３を含む。タービン部は、圧縮空気受け入れ用にコンプレッサのアウトレットに連通するインレット２４、圧縮空気を膨張させるため軸の他端に固定されステータ２６内で回転可能なブレード付きロータ２５、及び膨張した低温空気を環境制御システムへ排出するアウトレット２７を含む。
【００２２】
ラジアル磁気ベアリング１３は、エアサイクルマシンの１５の中央部１９に軸方向に間隔を空けて配置され、ハウジング１６内で軸１２をラジアル方向に支持する。スラスト磁気ベアリング１４は、両ラジアルベアリング間に配置され、軸をハウジング内の所定のアキシャル方向位置に保持する。エアサイクルマシン用に適応させたこのタイプの磁気ベアリングの更に詳細な開示として、米国特許 5,310,311を引用する。
【００２３】
一般的に、電子コントローラ１１は、ラジアル磁気ベアリング１３、スラスト磁気ベアリング１４に電流を供給し、ハウジング内のラジアル方向及びアキシャル方向に軸１２を位置決めして維持するように電流の量を変化させる。このコントローラは非接触の渦電流位置センサー１０、１０Ａとともに閉じループで作動し、普通はセンサーを５００ないし１０００キロヘルツで駆動し、センサーはコントローラに軸位置フィードバック信号を供給する。普通は、２個の渦電流位置センサー１０を軸（図２）の周りに角度間隔を空けて配置し、各ラジアル磁気ベアリング１３近傍のマウンティングブラケット２９に固定し、軸の両端近傍のラジアル方向の軸位置情報をコントローラに提供する。単一の渦電流位置センサー１０Ａがスラスト磁気ベアリング１４に関連し、軸の軸方向位置を指示する。渦電流位置センサー１０、１０Ａは構造が類似しているので、ラジアルベアリングに関連する一方の渦電流位置センサー１０のみを詳細説明すればよい。
【００２４】
完全に組立てられた渦電流位置センサー１０は、図３に示すように、肩部３２を有するカラー３１と、そのカラーから延びてマウンティングブラケット２９の開口部３４内へ滑り込み可能なねじ部３３とを有する耐食性の金属ハウジング３０を含む。ねじ部３３にネジ込まれるナット３５により、肩部をブラケットに係合させ、センサーを軸１２に向くようブラケットへ固定する。センサーは、エアサイクルマシン１５に組付ける前に、ブラケットの裏側３６（図２）から所定の距離に位置する所定の軸径に較正される。シム３７をブラケットと肩部との間に挿入し、軸が上記のように固定されたとき所定の較正出力を発生するようにシムの厚さを選択する。次いで、両ラジアルセンサーを含むブラケットを、少なくとも１個の固定部品３８を用いてハウジング１６に固定し、位置センサーの検知端すなわち磁気作動要素を有するセンサー端部を、軸の比較的近傍に隣接して位置決めするようにする。
【００２５】
渦電流位置センサー１０の磁気作動要素、すなわち金属ハウジング３０から延びて振動電磁場を発生するように作動可能な要素は、図４の分解図及び図８を比較するとよく理解できる。円筒形フェライトロッド４２が、略円筒形のホルダーすなわち支持部材４０の自由端内に形成された円形開口部の中に支持されて取り付けられている。円筒形フェライトロッド４２は高透磁率（highly magnetically permeable）材料から成り、ロッドの自由端は位置を検知されるべき軸との磁気カップリングの要素としての機能を有する。支持部材４０はセラミック製でありフェライトロッド及びその他を支持するのに十分であるが、導電性（electrical conductivity ）または磁束線とは干渉しない。円筒形フェライトロッド４２は、セラミック系の高温接着剤を用いて支持部材４０内の開口部に固定されることが好ましい。同じくセラミック製のエンドキャップ４３が円筒形フェライトロッド４２の自由端に固定され、同じくセラミック系の接着剤を用いて取り付けられる。エンドキャップ４３と支持部材４０の比較的大きな両円筒部分は、それらの間に小径のボビン部を画成し、フェライトコアの外周を成す。コイル４４がフェライトコアのすぐ上の直接ボビン上に巻かれる。
【００２６】
渦電流位置センサー１０が発する電磁場の全強度は、円筒形フェライトロッド４２とコイル４４の寄与の合計に等しい。好ましい実施例の実施にあたっては、センサーの温度が変化しても、電磁場の強度の変化が最小になり、従って、渦電流位置センサー１０の出力変化が最小になるように、ロッド材料及びコイル構造を選択する。周知のように、特定のコイルを有するセンサーに関しては、センサーが発する磁場の強度は、ロッドの透磁率に比例する。更に、特定のロッド材料から成り一定のコイルまたは磁場周波数で作動するセンサーに関しては、センサーの発する磁場の強度は、コイル抵抗に逆比例する。具体的には、コイルの発する磁場の強度は、被駆動コイルの角周波数にコイルのインダクタンスを乗じ、コイル抵抗で除したものに比例する。言い換えれば、ワイヤの温度変化による磁場の強度の変化は、ワイヤ内の損失に関係し、コイルの銅ワイヤの固有抵抗の変化に逆一次比例する（0.0039オーム／オーム／o Ｃ）。
【００２７】
磁場の強度の変化を最小にするため、すなわち渦電流位置センサー１０が発する電磁場の強度がエアサイクルマシンの広い運転温度範囲にわたって比較的一定のままであるように、特定の温度上昇についての円筒形フェライトロッド４２の透磁率の増加による磁場強度の増大を、同じ温度上昇についての銅ワイヤの固有抵抗の増加による磁場強度の低下に一致させてある。言い換えれば、磁場強度対コイル温度、の負の固有抵抗勾配を、磁場強度対ロッド温度、の正の透磁率勾配に「一致」させることによって、作動温度全体にわたって磁場の強度を一定に維持している。このため、二つの勾配をベクトル的に加える、すなわち加算すると、総合して、温度が変化してもセンサーの磁場強度は比較的一定であるという結果になる。
【００２８】
従って、渦電流位置センサー１０の温度の上昇につれてセンサー内の磁場の強度が直線的に増加するように、円筒形フェライトロッド４２の好ましい実施例においては、エアサイクルマシンの−４５℃（−５０°Ｆ）から２６０℃（５００°Ｆ）までの運転範囲において透磁率特性が直線的に増減する（約１．５μ／℃）ニューヨーク、ソーガティーズ（Saugerties, New York）のフィリップコンポーネンツ社のフェライト材料６Ｂ１を使用した。
【００２９】
好適には、リッツワイヤが、円筒形フェライトロッド４２の正の透磁率勾配によって、負の固有抵抗勾配を相殺することで、ＡＣ抵抗を最小とするように、コイル４４は構成される。具体的には、コイルに用いたリッツワイヤは、外側に絶縁塗装を施した４０番ＡＷＧ（アメリカンワイヤーゲージ）の銅線単線４本を、ワイヤの長さ６０インチあたり５００回程度撚りして編組みした（braided）ものである。このコイルは、好ましくはそのようなリッツワイヤを直接フェライトロッド上に約７５回巻いて作られる。以下に述べる理由により、コイルの最大外径がエンドキャップ４３の外径よりわずかに小さい方が有利である。
【００３０】
円筒形の支持部材４０は、ボビンの端壁の役目を果たすとともに、ボビンの端から支持部材の基端まで延びる一対の導電体を提供する。これらの導体すなわち電導面は、円筒形部分４０Ａよりやや直径の小さい支持部材のあるレベルまで凹んでいることが好ましい。このことは、支持部材を一対の長手方向溝５０で形成し（図６と図７も参照のこと）、それらの溝に導電性処理を施し、コイル４４とリード線４６の端部を支持できるように処理することによって、うまく達成できる。次に、共晶(eutectic)接合された導体、好ましくはパラジウム(palladium)銀製の導電性ストリップ５３を溝内に形成する。市販のパラジウム銀ペーストを溝に塗布して、ボビンの端から支持部材の基端まで支持部材の長さに沿って延びる２本のストリップ（帯状部材）を形成する。図示の実施例においては便宜上、ストリップを支持部材の直径方向の対向面に形成したが、必要に応じて異なったやり方で形成することができる。溝にパラジウム銀ペーストを塗布した支持部材を炉で約８７１℃（華氏１６００度）にまで加熱すると、導電性のパラジウム銀ペーストがセラミック材料に接合され、溝の面上にパラジウム銀の薄いコーティングが残る（図７）。
【００３１】
半組み立て状態のセンサのボビン部にコイル４４を巻き終わったら、コイルの２つの自由端を支持部材４０のボビン端の近傍で導電性ストリップ５３に取付ける。この発明の実施にあたっては、コイルの各ワイヤ端部５１に応力解放ループ(strain relief loop)を設け、その端部を導電性ストリップ５３の関連する方に半田付けする。１本のリードを各ストリップに半田付けする。同様に、好ましくは１８ないし２０ＡＷＧの銅線であるリード線４６を、パラジウム銀ストリップの反対側すなわち基端に、各ストリップに１本ずつ、半田付けする。リード線の半田付けは、それらが物理的にはコイルリードに接触しないが、電気的には導電性のパラジウム銀ストリップを介して接触するように行う。エアサイクルマシン１５の温度環境が比較的高いので、ワイヤをストリップに半田付けするには融点が約２５４℃（華氏４９０度）の銀ろうを用いる。
【００３２】
リードワイヤ及びその接続を保護するために、そして、比較的脆い円筒形フェライトロッド４２に掛かり得る力を制限するために、チューブ状のセラミックスリーブつまりケーシング４５が支持部材４０の周りに固定され、支持体だけでなくコイル４４及びエンドキャップ４３を完全に覆うようにする。ケーシングの内側は、エンドキャップの周りにぴったりと(snugly)嵌合する寸法になっている。その結果、コイルの外径とケーシングの内径との間のギャップは比較的小さく、例えば０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）である。スリーブは、その一端がエンドキャップ４３の外側面と面が揃うになるように位置している。ケーシングとエンドキャップとの間の適切な部位に塗布された高温セラミック系接着剤を用いてセンサーの前記端部を完全にシールする。そして、部分的に完成した装置の底から突出するリード線４６は、ケーシング４５が金属ハウジング３０の端部の環状開口４１のベースと接触するまで金属ハウジング３０を通してネジ込まれる。ケーシング４５の端部は環状開口４１にぴったりと(closely) 嵌合し、セラミック系接着剤でその中に固定される。リード線４６周りの金属ハウジング３０の下方部をシールするために同じ接着剤を使用するのが好ましい。完成時に装置は、より詳細に示した図６の外観を呈する。ケーシングの外径は６．３５ｍｍ（０．２５インチ）未満、コイルとハンダ継ぎ手を保護するために必要なスリーブとハウジングの長さは２５．４ｍｍ（１．０インチ）未満であるのでセンサーは、エアサイクルマシンで遭うような、比較的小さなエンクロージャ内に収まっている。渦電流位置センサー１０Ａのハウジングは、支持体とリードワイヤが渦電流位置センサー１０Ａのハウジングから相互に直角に延びていること以外は金属ハウジング３０と類似している。これは、ハウジングのベースを所望の直角形状に成形し、セラミックスリーブをハウジング内の係合凹部内へ固定する前にリード線４６を直角部分にネジ込むことによって行われる。
【００３３】
好ましい実施例において、渦電流位置センサー１０の内側は充填されて(filled)いない、つまり「填められて("potted")」いない。センサー部品を結合し、センサー内部を外部環境からシールする高温接着剤を除いて内部部品間の空間は充填されないままである。特に、コイル４４は充填(impregnated) 、つまり填められてはおらず、コイル外径とケーシング４５の内径との間の空間及び凹部５０も填められていない。コイル状リッツワイヤ間の小さな空間、コイルの外側とケーシング４５の内側との間の空間、応力解放ループ周りの空間により、ワイヤは温度が変化しても、異なった膨張率を有するコンパウンドに阻害されることなく自由に膨張収縮することができる。その結果、渦電流位置センサー１０の通常の作動中に受ける熱サイクルによって脆いコイルワイヤに無理な応力を与えることはない。
【００３４】
前記編成により、渦電流位置センサー１０は電子コントローラ１１へ位置信号を提供するために作動可能なように位置決めされている。渦電流センサーの基本的動作は周知である。エアサイクルマシン１５について簡単に言えば、コイル４４はＬＣ回路のインダクタンス部を形成し、回路のキャパシタンス部はコントローラ内にある。通常動作中、コントローラは所定の電流をＬＣ回路に供給して、比較的高い周波数で回路を駆動してセンサーの自由端の周りに振動する共鳴電磁場を形成する。円筒形フェライトロッド４２は電磁場を集中つまり集束させる。ケーシング４５は、支持部材４０の自由端がカラー３１から突出するよう十分に長いことが望ましい。その結果、金属ハウジングとの干渉もなく十分な電磁場の形成を許容すべく、コイル４４はハウジングの完全に外側にある。極めて細径なコイルワイヤは、コイル内の自己誘導渦電流損失を実質的に低減し、ラジアル磁気ベアリング１３、スラスト磁気ベアリング１４とともに使用されている従来のセンサーに比較して電磁場の強度を高める。
【００３５】
軸１２が渦電流位置センサー１０の電磁場内にないとすると、コイル４４を横切る電圧の振幅は、コイル内を流れる電流及び損失によって確定されるような最大値となろう。しかし、センサーの作動範囲は、軸がそのラジアル方向の動きの全範囲にわたって電磁場内にあることが望ましい。その結果、振動する電磁場により軸内に誘導された渦電流はその磁場からの電力損失となる。軸がセンサー方向に動く際、センサーコイルを横切る電圧の低下は磁場の電力損失に比例し、電力損失はセンサーの自由端に対する軸位置の変化に略比例する。
【００３６】
センサーはエアサイクルマシン１５へ取り付ける前に較正されるので、コイル４４を横切る電圧は軸１２と渦電流位置センサー１０の自由端間の距離の既知の関数である。エアサイクルマシンの通常の作動中、電子コントローラ１１はこの電圧を絶えずモニターしてハウジング１６内の軸の正確な位置を決定する。そして、コントローラは軸の実位置を軸の所望位置と比較し、所定回転軸の公差範囲内に軸を維持するためにラジアル磁気ベアリング１３の、角度方向に離間した電磁石への電流を調節する。同様な方法で、コントローラはハウジング内の所定のアキシャル方向位置に軸を維持するためにスラスト磁気ベアリング１４の、アキシャル方向に離間した電磁石への電流を調節する。
【００３７】
渦電流位置センサー１０は、エアサイクルマシン１５の厳しい作動状況下に置かれる。コンプレッサ１７のエア温度は２６０℃（華氏５００度）にも達し得る。その結果、エアサイクルマシンのコンプレッサ側のラジアルセンサーは、２０４℃（華氏４００度）に達する周囲温度を受ける可能性がある。支持部材４０、エンドキャップ４３及びケーシング４５は”ＭＡＣＯＲ”のような比較的小さな熱膨張率を有するセラミック材料製であるので、センサが軸１２の方へ直線的に延びる結果として生じるセンサー出力信号の誤差を最小化するという有利な点がある。これらの部品は、高温セラミック系接着剤でセンサー内に固定される。加えて、リード線４６の出口にあるケーシング周りの全ての開口あるいは空間は高温接着剤でシールされているので、センサー内部はエアサイクルマシンの環境中の水分やその他の汚染物質から保護されている。
【００３８】
【発明の効果】
前記構成によりこの発明が、温度補償のための、そしてコイル４４内に熱的応力及び機械的応力を招来することからリード線４６を保護するためのユニークな点を有する新規で改良された渦電流位置センサー１０をもたらすことは明らかである。端部５１とリードワイヤとをパラジウム銀ストリップ上に離間してハンダ付けすることによってコイルとリードワイヤとの間の電気的連続性が確立される一方、コイルの脆い端部は保護される。従って、センサーは比較的高温で、振動する状況下で作動可能となっている。更に、渦電流位置センサー１０は、従来のセンサーを上回る信頼性が付与された結果、特に磁気ベアリングとともに用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  エアサイクルマシンの主要部品を示す略図であり、この発明の特徴を取り入れた新規かつ改良された位置センサの一般的配置を示す。
【図２】  エアサイクルマシンに取り付けられたセンサーの一部断面側面図である。
【図３】  センサーの拡大側面図である。
【図４】  センサーの分解見取り図である。
【図５】  図３の５−５線に沿ったセンサーの端面図である。
【図６】  実質的に図５の６−６線に沿った拡大断面図である。
【図７】  実質的に図６の７−７線に沿った部分拡大断面図である。
【図８】  図３に類似し、ベース部分を取り外した半完成センサーの図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ…渦電流位置センサー、１１…電子コントローラ、１２…軸、１３…ラジアル磁気ベアリング、１４…スラスト磁気ベアリング、１５…エアサイクルマシン、１６…ハウジング、１７…コンプレッサ部、１８…タービン部、１９…中間部、２０…ブリードエア導入用インレット、２１…ブレード付ロータ、２２…ステータ、２３…圧縮空気排出用アウトレット、２４…インレット、２５…ブレード付ロータ、２６…ステータ、２７…アウトレット、２９…マウンティングブラケット、３０…金属ハウジング、３１…カラー、３２…肩部、３３…ねじ部、３４…開口部、３５…ナット、３６…ブラケット裏側、３７…シム、３８…固定部品、４０…支持部材、４０Ａ…円筒形部分、４１…環状開口、４２…円筒形フェライトロッド、４３…エンドキャップ、４４…コイル、４５…ケーシング、４６…リード線、５０…溝、５１…ワイヤ端部、５３…導電性ストリップ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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