(57)【要約】【課題】回転機械装置および類似の形式の装置を選択的に、比較的迅速、かつ、効率的に釣合取る方法および装置を提供する。【解決手段】複数の周方向に置かれた磁気回路、および、回路を通る磁束（１２１０）を選択的に中断しそれにより不釣合ロータ（３５０〜３５１）を所望の方法で動かし機械の不釣合を補償する動力ドライバを含む電磁気的に作動される機械釣合取り装置（１１０）。釣合取りアッセンブリ（１１０）は、遠隔して静止のマイクロプロセッサに基づくコントローラ（１４０）を含み、コントローラはストアされたコンピュータプログラム制御の下に作動し、かつ、ストアされたプログラムおよび環境的そして計測されたパラメータにより特定された方法でアッセンブリ（１１０）を制御するよう適合されている。【選択図】図１
2007105875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械の釣合取り装置であって、
（ａ）磁界を発生する静止のドライブ手段、および
（ｂ）機械に連結され、前記ドライブ手段から発される前記磁界を受けるロータ手段であって、前記機械の釣合を取るべく前記磁界に応答して動く回転部材を備えるロータ手段
を備えることを特徴とする機械の釣合取り装置。
【請求項２】
前記ドライブ手段は、「Ｃ」形状のハウジング、コイルコア、および一対の巻線を備えることを特徴とする請求項１に記載の機械の釣合取り装置。
【請求項３】
前記ドライブ手段は、前記ロータ手段に同心に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の機械の釣合取り装置。
【請求項４】
前記ロータ手段は、永久磁石磁界を有し複数の周方向に離間された永久磁石を有する少なくとも一つのロータ、および、前記ロータを磁気的に受け入れ、前記永久磁石磁界を向ける複数のノッチを有する板を備えることを特徴とする請求項１記載の機械の釣合取り装置。
【請求項５】
前記静止のドライブ手段は、前記磁界の発生を選択的に生じさせるストアされたプログラム制御の下に作動するマイクロプロセッサ手段を備えることを特徴とする請求項１記載の機械の釣合取り装置。
【請求項６】
前記静止のドライブ手段は、前記機械の釣合取り装置に付随する振動を計測する手段を含むことを特徴とする請求項１記載の機械の釣合取り装置。
【請求項７】
前記磁界はパルスを備えることを特徴とする請求項１に記載の機械の釣合取り装置。
【請求項８】
不釣合を補償する装置であって、
（ａ）不釣合の振動を計測する手段、
（ｂ）複数の可動ロータであって、各々が釣合重りおよび周方向に取り付けられた複数の磁石を有し、前記複数の磁石が複数の磁界を発生するロータ、
（ｃ）可動のロータに関して静止の複数の極板であって、前記複数の可動ロータを協働的に分離し、前記複数の磁界を受ける複数の極板、および、
（ｄ）前記ロータの釣合重りを不釣合を補償するために動かすように前記複数の磁界を選択的に中断する電磁界を発生するドライブ手段、
を備えることを特徴とする不釣合を補償する装置。
【請求項９】
前記ドライバ手段は、ほぼ「Ｃ」形状のハウジング、コイルコア、および一対の巻線を備えることを特徴とする請求項８に記載の不釣合を補償する装置。
【請求項１０】
前記ドライバ手段は、前記装置に同心に取り付けられていることを特徴とする請求項８に記載の不釣合を補償する装置。
【請求項１１】
前記ロータは、ある時間の継続中に動かされ、前記電磁界は前記ある時間の継続よりも短い期間を有する少なくとも一つのパルスを備えることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記ドライバ手段はさらに、前記巻線の各々を別々に、かつ、選択的に励磁する手段を備えることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
複数の周方向に離間されたノッチを有する極板、
釣合重りおよび複数の周方向に離間された永久磁石を有するロータであって、前記永久磁石が複数の磁気回路を形成すべく前記ノッチと相互作用するロータ、および
不釣合を補償するために、前記釣合重りを有する前記ロータの動きを生じさせるべく前記複数の磁気回路を中断する電磁気エネルギーのパルスを生じさせる発生手段、
を備えることを特徴とする電磁気的に作動される回転機械不釣合補償装置。
【請求項１４】
前記ロータは、少なくとも一つの高密度部分を備えることを特徴とする請求項１３に記載の補償装置。
【請求項１５】
さらに、前記少なくとも一つの高密度部分のある位置への動きを制御するために前記発生手段を作動させる制御手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の補償装置。
【請求項１６】
さらに、前記補償装置の不釣合を計測し、前記計測不釣合を前記制御手段に通信する手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の補償装置。
【請求項１７】
前記制御手段は、ストアされたプログラム制御の下に作動可能であることを特徴とする請求項１６に記載の補償装置。
【請求項１８】
前記発生手段は、前記補償装置に同心に取り付けられていることを特徴とする請求項１３に記載の補償装置。
【請求項１９】
前記発生手段は、実質的に「Ｃ」形状であることを特徴とする請求項１３に記載の補償装置。
【請求項２０】
機械の釣合取りの方法であって、
（ａ）釣合重りを含む第１の部材を前記機械に可動に結合し、
（ｂ）前記第１の部材に複数の磁石を置き、前記複数の磁石はある磁界を形成しており、
（ｃ）前記ある磁界を中断し、前記第１の部材の釣合重りを所定の位置に動かして前記機械の釣合を取るのに有効とする、
ステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記第１の部材に少なくとも一つの重り部分を置くステップをさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ある磁界を中断するステップは、電磁気エネルギーの少なくとも一つのパルスの発生を備えることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
さらに、第２の部材を設け、かつ、前記第２の部材に前記ある磁界を向ける複数のノッチを形成することを特徴とする請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンドルまたは他の回転機械装置の釣合を取る方法および装置、より詳しくは、通常、工具を取り外し可能に受け入れるように適合された回転スピンドルの釣合を取る方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般の工作機械アッセンブリは、工具を選択的に、かつ、取り外し可能に受け入れるように通常適合された回転スピンドルまたは他の形式の細長い部材を含んでいる。かかる工作機械の例としては、旋盤、フライス盤、および、他の形式の機械式および／または電磁式装置が含まれる。スピンドルが回転すると、工作機械はある所定の作動を実行する。
【０００３】
典型的に、これらの工作機械アッセンブリは、スピンドルおよび／または工具の不釣合により引き起こされるある量の振動を経験している。かかる振動すなわち不釣合力が、工作機械に、所望の課題を不正確に実行させ、かつ、その寿命を著しく減少させる原因となっている。かかる振動力はスピンドルの回転速度の代数的二乗で増大する。より高速の新しい形式の工作機械アッセンブリが、この比較的大きな振動力により引き起こされる大きな、かつ、許容できないほど高い加工の不正確さを経験している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる機械振動すなわち不釣合力を最小化すべく、通常スピンドル上に配置された装置を用い、これらの不釣合を修正するために選択的に移動されるべく適合された重りまたは液体を手動で調整することによる多くの試みがなされた。幾らかは有効であったが、これらの装置はほとんど許容できないものであった。というのも、それらは所望の修正を行うのに比較的長時間を要するからである。この長時間を要するのは、各工具が独自の不釣合特徴を有しているからである。従って、工具が交換される度に、新しい釣合調整がなされねばならない。さらに、不釣合は単一の工具の有効寿命期間にも変わり、例え、工具が交換または取り外されたとしても、多くの調整を必要とする。もしも、修正時間が比較的長ければ、「サイクルタイム」または工具の交換および釣合取りに要する時間が長くなり、許容できなくなる。
【０００５】
それ故に、選択的に不釣合を修正し、かくて、比較的高速で回転する装置を含む回転工作機械装置に伴う不釣合- 誘導の振動を修正し、低減し、および／または最小化する釣合取り装置を提供する必要が存する。
【０００６】
また、サイクルタイムに悪影響を与えることなく比較的大きな工作機械の不釣合を修正し、かつ、旋盤、フライス盤および他の形式の工作機械と組み合わせて使用され得る釣合取り装置を提供する必要も存する。
【０００７】
従って、本発明の主たる目的は、回転機械装置および類似の形式の装置を選択的に、比較的迅速、かつ、効率的に釣合取る方法および装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、回転不釣合により生ずる比較的大きな振動量を修正する方法および装置を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、工具交換またはサイクルタイムを著しく増大することなく、比較的大きな振動量を修正する工作機械釣合取り方法および装置を提供することにある。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、単に２つの可動部品すなわち部分を有し、これにより作動寿命を増大し、かつ、比較的および実質的に低い製造および維持コストに帰する比較的単純な設計を許容する釣合取り装置を提供することにある。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、釣合取られる装置に一般に近接して選択的に配置され、かつ、可動に適合された２つの釣合取り重りを含む釣合取り装置を提供することにある。本発明の好ましい実施の形態では、かかる動きは電磁気的に誘起された力により達成される。
【００１２】
本発明の他の目的は、可動の重量部と実質的に非接触な電磁界発生器を含むように適合されている釣合取り装置を提供することにある。本発明の好ましい実施の形態では、かかる電磁界は比較的低い周波数で反復する交番極性のパルスからなる。しかしながら、パルスの速い立ち上がり時間は実質的に高周波コンテント(content)に相当する。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、比較的高速を含む広範囲の機械速度で作動し、かつ、釣合取り装置を構成するのに用いられている材料の強さによってのみ実質的に制限される回転速度閾値を有する釣合取り装置を提供することにある。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、回転装置に近接した関係で選択的に動かされるよう適合され、かつ、例え、動力が釣合取り装置に加えられないか、または、機械が比較的高率の大きさで加速するとしても、複数の永久磁石を用いることによりそれらの位置を保つようさらに適合された２つの不釣合成分を有する釣合取り装置を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は、容易に複写出来るように、種々の釣合条件情報の保管を許容するよう適合された釣合取り装置を提供することにある。
【００１６】
最後に、本発明の目的はまた、比較的薄く、かつ、高回転速度では作用しないかもしれない電子部品を有さない可動部分を有する釣合取り装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一形態の教示に従い釣合取り装置が提供される。この釣合取り装置は、
（a)  スピンドルに連結された回転手段、および
（b)  前記回転手段と電磁気的に連絡し、前記スピンドル上で前記回転手段の一部を選択的に動かす電磁界発生手段を備えている。
【００１８】
本発明の第２の教示に従い回転機械を釣合取る方法が提供される。この方法は、
（a)  前記スピンドルに第１の部材を可動に連結するステップ、
（b)  既知の不釣合を包含し、複数の永久磁石が備えられた２つの回転部材を前記第１の部材内に置くステップ、および
（c)  前記回転部材および永久磁石を、回転部材の各々を前記回転中のスピンドル上の所定の位置に独立的に動かすのに有効であるよう、電磁気的に連絡するステップを備えている。
【００１９】
本発明のさらなる目的、特徴、および、利点は、以下の説明および付属の請求の範囲を添付の図面との関連で考慮することから明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は本発明の一実施例の教示に従い作られた釣合取り装置アッセンブリ１１０を示す。図示されたように、釣合取り装置１１０は、静止のおよび概ね「Ｃ」形状または角度付形状のドライバ、すなわち、電磁界発生器１２０を含んでいる。電磁界発生器１２０は概ね円形の回転アッセンブリ部分１３０と電磁気的に連絡している。釣合取り装置アッセンブリ１１０はさらに、遠隔して静止のマイクロプロセッサを基本とするコントローラ１４０を含んでいる。コントローラ１４０はストアされたコンピュータプログラムの制御の下に作動し、一つの実施例では、ストアされたプログラムおよびこの説明で後に述べられるような、ある環境的および計測されたパラメータにより特定される方法でアッセンブリ１１０を制御するよう適合されている。後で分かるように、アッセンブリ１１０の制御はドライバ１２０を選択的に作動することにより最も良く達成される。図示のように、ドライバ１２０は部分１３０に接触せず、空隙１５０により分離された、比較的近接位置に位置されるように適合されている。かかる空隙は、本発明の好ましい実施例では、機械の作動中における回転アッセンブリ部分１３０と静止のドライバ１２０との間の摩擦接触を許すことなく、出来る限り小さくすべきである。さらに詳しくは、この空隙は１インチより小さく、最も好ましくは、約１／１６インチから１／８インチよりも小さくすべきである。電磁気信号がドライバ１２０から生じ、アッセンブリ１３０に受け取られる。電磁気信号により招かれるパワーロスは空隙の長さの代数的二乗に直接に比例するので、空隙が小さい程、釣合取り装置はより効率的である。
【００２１】
当業者には明らかであるべきであるように、回転アッセンブリ１３０は通常の機械のスピンドルないしは他の回転部材を、環すなわち開口１６０を介して取り外し可能に受け入れるべく適合されている。さらに、間隙１５０が空気からなることが現に意図されているが、他の発明の実施例では、間隙は中空部材に囲繞された流体または他の形式の材料により満たされ得ることが本発明により意図されている。中空部材はドライバ１２０に取り付けられ、かつ、アッセンブリ１１０の回転部分１３０にさらに接触してもよい。材料の選択は、電磁界伝達または発生器１２０と回転アッセンブリ１３０との間の連絡の効率のようなファクターに基づき得る。
【００２２】
図２は本発明の第２の実施例を示している。この実施例では、ドライバ、すなわち、電磁界発生器２２０は釣合取り装置の回転機械受入部分２３０に関して同心に位置された概ね円形状アッセンブリからなっている。図２に示された回転アッセンブリ部分２３０は、一つの実施例では、図１に示され、かつ、それに関して先述した回転アッセンブリ１３０と実質的に同じである。さらに、図１におけるように、同心のドライバ２２０と回転アッセンブリ２３０との間には間隙２４０が存在する。この間隙２４０はまた、「Ｃ」形状の側置きドライバ１２０と回転アッセンブリ１３０との間の間隙と同様に、空気以外のある流体でもって満たされてもよい。さらに、間隙２４０の好ましい間隔は、一つの実施例において、間隙１５０に関して先述したのと実質的に同じである。
【００２３】
さて、図３を参照するに、図１に示された本発明の実施例の部分破断面図が示されている。側置きドライバ１２０の断面図は、ドライバコイルコア３１０と２つの独立の電気コイル巻線３２０および３２１とを示している。ドライバコア３１０は磁性材料からなり、電流がコイル巻線３２０および３２１を流れるときに発生される磁束を集中し強化するよう作用する。ドライバコア３１０は磁性材料の一体物から作られるか、または、部品のアッセンブリから構成してもよい。コイル巻線３２０および３２１は、本発明の好ましい実施例では、実質的に独立したコイルを形成するように巻かれ互いに絶縁された電線からなる。電流の方向は図３における紙面に直交している。電流がこれらの巻線を選択的に流れると、アッセンブリ３５０および３５１を釣合補償を達成すべく移動させる電磁界が発生される。このプロセスはさらに本書において後述する。
【００２４】
図３にさらに示されるように、一実施例では、回転アッセンブリ部分１３０は、概ね円形で実質的に同じ形状の極板３３０、３３１および３３２の組合せを含んでいる。極板３３０、３３１および３３２は、概ね円形で互いに同じ形状の非磁性、かつ、好ましくは非電導性のスペーサ３４０および３４１により離間されている。スペーサ３４０および３４１は、本発明の好ましい実施例では、矩形断面の軸対称な環状アルミニウムまたはステンレス鋼のリングからなる。スペーサの矩形断面は約１／４インチ長さの側部を有すべきである。スペーサの外径は極板３３０〜３３２の外径と実質的に同じであるべきである。極板３３０〜３３２の間で、非接触に近接して、ロータ３５０および３５１が存する。極板３３０〜３３２、スペーサ３４０〜３４１およびロータ３５０〜３５１は、図３に示され、かつ、それを参照して説明された幾何学的形状とは異なる形状を有してもよい。しかしながら、本発明の一実施例では、極板３３０〜３３２は全てほぼ同じ寸法および形状であるべきである。スペーサ３４０〜３４１もまた、ロータ３５０〜３５１がそうであるように、互いに同じ形状を有すべきである。しかしながら、ロータの形状は、各ロータがその自らの中心線回りに不釣合となるように修正される。後述するように、ドライバ１２０は電磁気的に、ストアされた制御ソフトウエアに従い、かつ、ある計測された量に従い、ロータ３５０〜３５１およびそれらの付随する「重りスポット(heavy spots)」に機械受入部分１３０に関して回転を生じさせる。
【００２５】
本発明の第２の実施例が図４に示されている。断面図が先述の、図２に示した同心のドライバ２２０を示している。ドライバコア４１０は、電流がドライバコイル巻線４２０または４２１のいずれかを流れるときに発生される磁界を強化する。本発明のドライバ部分２２０を除き、図４に示される他の残りの構成部品は図３を参照して説明されたものと本質的に同じであり得るということは当業者には明らかであろう。
【００２６】
本発明の好ましい実施例では、ロータ３５０は構造および作動においてロータ３５１と実質的に同じであり、極板３３０もまた構造および作動において極板３３１および３３２と実質的に同じであるということが、当業者にはまた明らかであろう。この理由により、以下の説明はロータ３５０と極板３３０および３３１との組合せに中心を置く。しかしながら、以下の説明は、ロータ３５１と極板３３１および３３２とにも等しく適用可能であるということが認識されるべきである。
【００２７】
本発明の好ましい実施例では、ロータ３５０は実質的に円形状を有し、ステンレス鋼、アルミニウム、または、他の望ましい通常の非磁性材料から製作すなわち形成されている。ロータ３５０は所望の、かつ、選択された寸法の径および幅を有し得るが、本発明の好ましい実施例では、直径および幅は、それぞれ、約６インチおよび約０．２５インチである。さらに、ロータ３５０は複数の永久磁石３６０および３６１を有し、それらは等間隔で、開口１６０から離れて、ロータの外周に取り付けられている。永久磁石３６０〜３６１は、それらの磁極が機械の回転軸に平行に向き、かつ、隣接する磁石が逆極性を有するように取り付けられている。さらに図示のように、ロータ３５０は極板３３０および３３１の間でボールベアリングアッセンブリ３７０によって懸架されている。ボールベアリングアッセンブリ３７０は、ロータ３５０が付加された磁界に応答して極板３３０および３３１に関して回転的に動くのを効果的に許容する。異なる数でもよいが、本発明の好ましい実施例では、約４５個のほぼ同じボール３８０が各ボールベアリングアッセンブリ３７０および３７１に用いられている。本発明の好ましい実施例では、選択的な方法によるロータ３５０および３５１の動きが機械の回転不釣合を修正し、かくて、機械の回転周波数における振動を低減ないしは排除する。かかるロータの動きは、以下に論ぜられるように、ドライバ１２０、ボールベアリングアッセンブリ３７０、極板３３０〜３３１および永久磁石３６０〜３６１と協働して、コントローラ１４０により達成される。
【００２８】
かかるロータの不釣合修正の動きを理解するために、ロータ３５０および３５１とそれぞれのロータの重り、すなわち、不釣合修正の「スポット」とを概略的に表した図５を参照する。図示のように、ロータ３５０および３５１の各々は、不釣合ベクトル５２０および５２１を生ずる、より重い部分５１０および５１１を含んでいる。これらの不釣合ベクトル５２０および５２１は数学的に組合わさって、正味の不釣合修正ベクトル５３０を形成する。正味の不釣合修正ベクトルは、各ロータの有効重量(effective weight)の大きさおよび角度位置、または、各ロータの個々の「不釣合」ベクトルを知ることで、三角法を用いて計算され得る。これらの重り付けされた部分はロータ３５０および３５１に沿って、所望のパターンに分配されてもよい。図６が示すように、各ロータの重り付けされた部分は、一実施例では、個々のロータ３５０〜３５１内に締結された鉛または他の比較的高密度材料の挿入体６１０からなっている。各挿入体６１０は、ロータ３５０、３５１の位置およびスポットの重さに関係する、方向および大きさの両者を有するベクトルをもたらす。種々のベクトルはロータの一つの「重り」スポット５１０となる。図７に示されているように、重り付けられた部分は、他の実施例では、穴７１０を機械加工することにより、さもなくば、ロータの部分からその部分が他のロータ部分よりも軽くなるように材料を取り除くことにより、導入されてもよい。機械加工された穴のパターンは、本発明の一実施例では、より小径の穴７２０を含む。これは構造的一体性を維持しつつ増大された質量をロータから取り除くことを許す。本発明の一実施例では、ロータ３５０〜３５１は釣合取り装置の回転アッセンブリ１３０に、ボールベアリングアッセンブリ３７０〜３７１を用いて取り付けられていることに注意されたい。図８はボールベアリングアッセンブリ３７０を示し、これは実質的に３７１と同じである。インナーベアリングレース８１０は釣合取り装置の回転アッセンブリ１３０に取り付けられている。アウターベアリングレース８２０はロータ３５０または３５１を支持し、それが釣合取り装置の回転アッセンブリ１３０に関して、参照番号８３０で示されるように、摩擦無く回転することを許容している。乾燥摩擦(dry friction)を最小にする必要性は本書の後で論ずる。ベアリングアッセンブリ３７０は、本発明の一実施例では、ミシガン州、MuskegonのKaydon  Corporationにより製造されているモデルKAO35CP0ベアリングアッセンブリと実質的に同じ、市販のボールベアリングアッセンブリである。
【００２９】
最大の釣合せ能力を許容するためには、釣合取り装置１１０は、所望の釣合修正をもたらすべく生じさせられる結果のモーメント５３０を除き、機械の回転軸回りに釣合、すなわち、「静止(quiescent) 」しているべきであることが理解されるべきである。それ故に、ロータが互いに向き合って位置されたとき、釣合取り装置の回転アッセンブリは静的に釣り合っているべきである。図９は、丁度、かかる「中立」の釣合形態を概略的に表している。ロータの不釣合５１０〜５１１は、有効な釣合修正をもたらさないように、互いに１８０°対向して、最初は位置され得る。後述するように、コントローラ１４０は機械の不釣合９１０を判断する。ロータ３５０〜３５１およびそれらのそれぞれの重りスポット５１０〜５１１が、後述の手段により、適当な釣合修正をもたらす位置に回転される。この状態が図１０に示されている。ロータの重りスポット５１０〜５１１は、有効な釣合修正ベクトル５３０が機械の不釣合９１０と位置において正しく対向し、同じ大きさとなるように置かれる。この状態が釣合の取れた機械に帰し、機械振動の主要な発生源を基本的に無くす。
【００３０】
極板３３０の前面図が図１１に示されている。極板３３０〜３３２は磁性材料からなる。本発明の好ましい実施例では、それらはロータ３５０よりも僅かに大きな外径を有し、かつ、さらに極板３３０の内周周りに等しく離間された概ね矩形状のフランジまたはノッチ１１１０を有している。ノッチの周方向幅は、各ノッチの間に存する、または、位置された突出材料１１２０の周方向幅と同じである。極板のノッチ１１１０は、通常、協働的、無摩擦的、かつ、磁気的に、永久磁石を含有するロータ３５０を受け入れている。ノッチは、ロータが回転するのを妨げるために永久磁石の磁界を向けるべく機能する。この作用は、外部動力源から動力が供給されていないときでも、釣合取り装置のロータがスリップせず、回転機械が著しい回転加速下にあるときでも釣合状態が変化せずに留まることを許容するということを意味する。
【００３１】
図１２は、ロータ３５０の安定平衡位置を示し、ロータは、その永久磁石３６０〜３６１が各極板のノッチ１１１０の両縁部に配列されている。磁石は交番する極性で取り付けられていることに注意されたい。図中の矢印１２１０は、一方の磁石から極板の突出部１１２０を横切り隣接する磁石への磁束経路を表している。磁石の一対および極板の突出部の一対の断面図である図１３にさらに示されるように、永久磁石対３６０〜３６１は、通常、極板の突出部１１２０〜１１２１および永久磁石対３６０〜３６１が面することにより形成された磁気回路を駆動する。磁気回路の磁束線１２１０は図１２および１３に矢印により表されている。極板の突出部１１２０〜１１２１に対する磁石３６０〜３６１の相対的配置がロータの安定的な平衡位置を表している。磁気回路の抵抗はこのロータ位置で最小化されるので、ロータの如何なる角度的動揺もロータを安定的な平衡位置に留めようと作用するロータ上のトルクとなり、それ故、ロータのスリップに抵抗する。
【００３２】
ノッチの幾何学的形状は概ね矩形状であるが、円形または楕円形を含む他の形状も可能であり、および／または、望ましいということが理解されるべきである。本発明の好ましい実施例では、中間すなわち中央の極板３３１も他の２つの極板３３０および３３２と同じノッチを有している。本発明の他の実施例では、極板３３１はノッチを有さず、構造鋼の如き磁性材料の固体片であってもよい。中央の極板３３１にノッチを設けないと、ロータのスリップに対する最大抵抗を約２倍減少させることになる。
【００３３】
ドライバ１２０が作動されたとき、極板３３０〜３３２および磁石３６０〜３６１に時間により変動する磁界が誘起される。本発明の好ましい実施例では、この時間により変動する磁界によるエディ電流損失を低減するために、極板３３０、３３１および３３２の各々が鋼または積層鋼により作られている。磁石およびロータの動きを生じさせるのは、このドライバの磁束により選択的に中断される永久磁石の磁束回路１２１０である。
【００３４】
図１４は「Ｃ」形状の側置きドライバ１２０の側断面を示している。本発明の一実施例では、側置きドライバ１２０は機械の中心線から離れる半径方向において、約１．５〜２．０インチの厚み、かつ、釣合取り装置の回転アッセンブリ１３０と大凡同じ軸方向の厚みである。この図はさらに、ドライバコア３１０の周りにドライバコイル３２０が巻かれる方法を図解している。コイルが励磁されると、磁束が発生される。図１５は図３と同様の断面図であるが、単一のコイル巻線３２０が励磁されたときに発生される磁束経路１５１０を示している。磁束経路は側置きドライバ１２０と釣合取り装置の回転アッセンブリ１３０との間の空隙１５０を横切り、永久磁石３６０を通過している。コイル巻線３２０〜３２１の各々は独立して励磁でき、いずれかのロータ３５０〜３５１を通過する磁気回路を有効ならしめることができる。
【００３５】
全磁束の一部が釣合取り装置の回転アッセンブリ１３０から離れる空間を通過するように誘起されるので、側置きドライバ１２０は同心のドライバ２２０よりも電磁気的に効率が低い。さらに、同心のドライバよりも側置きドライバではコアのより小さな体積を概ね同じ磁束が通過しなければならないので、側置きドライバのコア材料においては磁気飽和の機会が多い。それ故に、幾何学的または他の制限の為に側置きドライバ形態を必要としない適用例においては、同心ドライバがより望ましい。同心ドライバ２２０の断面が図１６に示されている。また頁の面に平行なドライバコイル４２０により誘起された磁束線１５１０が示されている。同心のドライバコア４１０は、本発明の一実施例では、半径方向に約１インチの厚みで、釣合取り装置の回転アッセンブリ１３０と実質的に同じ軸方向厚みを有している。釣合取り装置の回転アッセンブリ１３０と相互作用する同心ドライバ２２０の対応する断面図が図１７に示されている。磁束経路１５１０は回転アッセンブリ１３０を、かつ、図２１に示されたのと同様に永久磁石を通過して横切っていることに注意されたい。しかしながら、同心ドライバ２２０は側置きドライバ１２０よりも電磁気的により効率的である。というのも、全磁束のより大きなパーセントが永久磁石と相互作用することができるからである。
【００３６】
図１８は図１３と類似の断面を示している。しかしながら、図１８はドライバ１２０または２２０のいずれかにより発生された磁束経路を示している。磁束１５１０は極板の突出部１１２０および１１２１の間を流れ、非磁性のロータ３５０および永久磁石３６０〜３６１を横切る。図１９においては、ドライバ１２０または２２０からの磁束１５１０が、永久磁石３６０〜３６１による磁束１２１０と並置して示されている。二つの磁界が相互作用するとき、回路の上側部分（例えば、磁石３６１の底部）の磁束線ないしは磁界は一般的に相殺するが、磁石３６０の頂部における磁束ないしは磁界は累積する。かかる磁界の相互作用は、ドライバに発生された磁界に直交する方向の力１９１０をロータ上に創成する。この力は、ロータが磁気抵抗を最小にしつつ磁束密度を最大にする位置に引かれることにより発生される。かかる位置は、磁石３６０が磁極板の突出部１１２０の中間点に整列され、かつ、磁石３６１が磁極板のノッチ１１１０の中間点に整列されたときに見出される。図２０は、ロータ３５０が電磁気的に発生された作動力１９１０の方向２０２０に動いたときのロータ３５０の中間の新しい位置２０１０を図解している。一旦、ドライバの磁界が取り除かれると、中間のノッチ位置は不安定になる。かくて、ロータの動力学は、ドライバが励磁されたときのドライバと永久磁石との相互作用により、および、ドライバが非励磁時の、ロータを安定な平衡位置に留める傾向にある永久磁石単体により生じせしめられる力により制御される。この安定位置は、図１２に示されるように、磁石が極板のノッチの両縁部に整列された所である。
【００３７】
希な状況で、ロータが不安定な平衡位置で動かなくなることが理論的に可能である。図２１は、再度、ドライバの磁界１５１０と永久磁石の磁界１２１０とを図１９と同じく示している。しかしながら、ロータは、磁石３６０〜３６１が極板のノッチ１１１０または突出部１１２０の中間点に整列された「中間ディテント(mid-detent)」位置にある。ロータは励磁されたコイルに対し安定な平衡位置に既にあるので、ドライバコイルの磁界によってはロータ上にトルクは存しない。ドライバコイルが励磁されていないときは、ロータは不安定な平衡位置にある。ロータが正確に「中間ディテント」位置に留まる限り、ロータには正味トルクが存しない。しかしながら、もしも、ロータがその位置から摂動されると、ロータはその磁石が極板のノッチの縁部に整列される安定平衡位置に回転する。ロータベアリング内での「クーロン(Coulomb)」ないしは「乾燥(dry)」摩擦が大きければ大きい程、ロータが中間ディテント位置で動かなくなる可能性は大きくなる。それ故に、ロータベアリング内での乾燥摩擦の大きさを最小化することが有利である。もしも、ロータが動かなくなったとしたら、ロータを安定な平衡位置に戻すに充分な程、ロータを軽く動かすべく釣合取り装置は回転的に加速されてもよい。さらに、多くの場合、小さなドライバコイル励起パルスが用いられ得る。永久磁石および極板材料内に僅かな不完全性および非対称性が存すると仮定すると、小さなパルスはロータを不安定な平衡状態から変位させるための小さなトルクをロータ上に生じさせ得る。しかしながら、本書において後述するように、ロータに作用すべく存するある量の粘性流体摩擦を有することもまた有利である。しかしながら、まず、ドライバコイルを通る電気的パルスが如何にロータの動きを生じさせるかを理解することが必要である。
【００３８】
本発明の好ましい実施例では、ドライバの励起パルスはその持続時間が比較的短く、かつ、ロータが一つのレチクル(reticule)から中間レチクル(mid-reticule)位置まで動くに要する時間のオーダーである。この位置を越えると、コイルドライバに誘起された力は逆方向に作用し、ロータを中間ディテント位置に戻そうとする。電気的パルスは、ロータが次のディテント位置にステップしそれを越えないために要求されるロータ運動量を与えるトルクを生じさせるべく、適当な大きさおよび持続時間のものでなければならない。ロータの運動量の変化は力積を与えることにより生ずる。この概念は数学的に次式により表される。
【００３９】
力積  ＝  運動量の変化
または、
【００４０】
【数１】
2007105875.tif 000003
【００４１】
ここで、Ｆ  ＝  力
ｔ  ＝  時間
ｍ  ＝  質量
Δｖ  ＝  速度の変化
【００４２】
対応する回転的な関係は、
【００４３】
【数２】
2007105875.tif 000004
【００４４】
ここで、Ｔ  ＝  トルク
ｔ  ＝  時間
Ｉ  ＝  回転質量慣性モーメント
Δω  ＝  角速度の変化
【００４５】
もし、不十分な力積が与えられると、ロータは再度その元の位置に落ち着くであろう。もし、過剰な力積が与えられると、ロータは過剰な運動量を有し、ディテントをスキップする。これらの場合の各々の例が図２２に示されている。プロットは、一軸上のロータの角度位置２２１０に対する他軸上の時間２２２０を示している。ドライバコイル電流によりもたらされる力積は、図２２に示される「丁度よい」ケース２２３０の如く、ロータに一つの位置のステップを信頼性よく生じさせるべきである。曲線２２４０は、「過剰」の力積がドライバによりロータに加えられた後のロータの応答である。曲線２２５０は、不十分な力積が供給されたとき、如何にしてロータが簡単にその元の位置に落ち着くかを示している。各釣合取り装置は異なるロータ慣性特性を有するかもしれないので、コイルパルスの持続時間および大きさは各釣合取り装置のデザインに応じて修正される必要があろう。
【００４６】
本発明の一実施例では、粘性流体が釣合取り装置の回転アッセンブリの内部に封入される。この流体はロータに粘性摩擦減衰をもたらす。粘性摩擦が存在することは、ロータを作動するのに必要なコイルのエネルギーも増大するが、ロータの作動を成功させるドライバの力積がより広い範囲で許されることにより、ロータの作動の信頼性を増大させる。如何なる摩擦も存在しなければ、作動のとき、エネルギーがシステムから失われないので、ロータは永久に動き続ける。それ故に、摩擦はエネルギーをロータから取り去り、後続するステップ位置へオーバーシュートすること無く次のディテント位置にロータを落ち着かせるために必要とされる。「乾燥」摩擦は、上述のようにロータが動かなくなる可能性を増大するという傾向の故に、望ましくない。粘性、ないしは、「ウエット」摩擦減衰はロータの角速度の関数として、ロータにトルクをもたらす。これはロータがその不安定な平衡位置で動かなくなることを生じさせないであろう。ロータの一ステップのスキップを生ずること無く、ロータを次のディテント位置に成功裏に作動させる力積の大きさの範囲がある。粘性減衰を増大することは、作動を環境および製造バラツキに対してより鈍感とすることにより、許容できる力積の範囲を増大させ、かつ、釣合取り装置の信頼性を増大させる。しかしながら、信頼性が増大されると、粘性摩擦はシステムからエネルギーを消失するので、必要とされる増加分のエネルギーが犠牲となる。図２３は、粘性減衰を増大すると、如何にエネルギー入力の許容範囲が増大するかを図示している。図はドライバコイルパルスのエネルギー入力２３１０に対するロータの粘性減衰２３２０の両軸上のプロットを示す。曲線２３３０および２３４０は、ロータのステッピングを成功裏に生じさせる、それぞれ、最大および最小のドライバコイルパルスエネルギー入力を表している。最大２３３０および最小２３４０の曲線の間に存する領域２３５０は、ロータのステッピングを成功裏に生じさせるドライバパルスエネルギーの範囲を表している。この範囲の上下の領域２３６０および２３７０は、ロータの「過大ステッピング」および「過小ステッピング」を生じさせるエネルギーをそれぞれ表している。許容できるエネルギー入力の範囲２３５０は粘性流体減衰が増大するに伴い増大していることに注意されたい。しかしながら、ステッピングに要求されるエネルギーもまた、減衰はシステムのエネルギーを消失するので、粘性減衰の増大に伴って増大する。要求される信頼性とエネルギー入力との間の適切な相殺取引(trade-off) は、各釣合取り装置の適用例の仕様を条件として決定されねばならない。一旦、適切な妥協が定められると、粘性減衰は適切な粘性流体を選ぶことにより設定される。
【００４７】
流体の粘性はしばしば温度に大きく依存する。それ故に、釣合取り装置は比較的高温環境下では、より信頼性無く作動することがある。本発明の一実施例では、温度センサが流体の温度をフィードバックする。予め実験的に決定された温度−粘性テーブルが、継続した信頼性のある釣合取り装置の作動を許容すべく、温度が上昇するにつれドライバコイルパルスエネルギーを適切に減ずるよう用いられる。
【００４８】
各ステップにおいて単一方向のロータ作動を得るために、ドライバのパルスの極性は交番されねばならない。図２４はドライバコイルを通る電圧パルスの「形状」の一例を示している。図２４は電圧２４１０および時間２４２０軸を備えるプロットである。４つのドライバ電圧パルス２４３０が示されている。各パルスはロータの一ステップの動きを生じさせる。パルスは、継続した作動を生じさせるべく、極性が正に交番されていることに注意されたい。図２５は電流２５１０対時間２５２０の軸上のプロットを示す。電圧パルスによる結果のドライバコイル電流が示されている。この電流の「立ち上がり時間」および衰退特性は、当業者には明らかであるように、印加されたコイル電圧とコイルインピーダンスとの関数である。
【００４９】
要求されるドライバのパルスの大きさは、ロータの磁石と極板のノッチとの磁気結合により創成される保持力ないしはスリップ抵抗の平方根にほぼ比例するということが当業者には知られるべきである。かかる「ディテント力」ないしはスリップ抵抗は次の式３により支配される。
【００５０】
【数３】
2007105875.tif 000005
【００５１】
ここで、Ｆｒ  ＝  ディテント磁力
Ａ  ＝  磁束の断面積
Ｂｒ  ＝  ディテント永久磁石に誘起される磁束密度
μ０  ＝  自由空間の透磁定数
【００５２】
次の式４はロータをそのディテント位置から変位するのに要するドライブ力を与える。
【００５３】
【数４】
2007105875.tif 000006
【００５４】
ここで、Ｆｄ  ＝  ロータに加えられるドライバの磁力
Ｂｄ  ＝  ドライバの磁界密度
【００５５】
作動は、下のときのみ生ずる。
【００５６】
【数５】
2007105875.tif 000007
【００５７】
【数６】
2007105875.tif 000008
【００５８】
ここで、Ｉｄ  ＝  ドライバのパルス電流
【００５９】
上式から、例えば、スリップ抵抗が２倍の磁束密度を有する磁性材料を用いることにより４倍になると、ドライバのパルス電流は２倍にしなければならないことが分かる。
【００６０】
ディテント力のパルス大きさ（および付随するドライバの磁束密度Ｂｄ）との関係は、図１の側置きドライバを用いるときの極板の磁気飽和に特に関係がある。というのも、側置きドライバは図２の同心ドライバよりも磁束透過の断面積が小さいからである。もしも、材料の飽和の問題に遭遇したなら、式６に示されるように、ドライバの磁束密度Ｂｄを減ずるためにディテント力を減ずることが必要であるかもしれない。代替として、同じスリップ抵抗が、式６に従い必要とされるドライバの磁束密度Ｂｄを減ずることになる減ぜられた磁束密度Ｂｒで、より大きな永久磁石面積Ａを用いることにより維持されてもよい。
【００６１】
かくて、本発明の好ましい実施例では、各ロータが機械の不釣合を補償するために適当な位置に選択的に作動され得る。
【００６２】
（Ｂ）制御ハードウエア
種々のアッセンブリに用いられる制御技術を理解するために、図２６を参照する。図２６は本発明の好ましい実施例の教示に従って作られたコントローラ１４０を示す。特に、コントローラ１４０は、テキサス州AustinのMotorola  Corporationにより製造され商業的に入手可能なModel 80C196KCからなるマイクロコンピュータ２６１５を含んでいる。マイクロコンピュータ２６１５は、当業者には明らかであるように、（後述の）「オンライン」で必要な計算を遂行するよう適合された１６ビットの中央処理装置(central processing unit)およびマイクロコンピュータ２６１５に受け入れられるアナログ振動信号をデジタル化するのに用いられる１０ビットのアナログ／ディジタルコンバータを含んでいる。マイクロコンピュータ２６１５はまた、（後で説明する）位置センサから受け取る信号のパルス持続時間を計測するよう適合された３つの縁部感応タイマ、および、ディスプレイまたはキーボードと通信するのに用いられる一対のパラレルポートを含んでいる。最後に、マイクロコンピュータ２６１５はRS-232Cタイプのシリアルポートを含んでいる。本発明の好ましい実施例では、後述する制御アルゴリズムの全てがマイクロコンピュータ２６１５内で計算、かつ、遂行される。
【００６３】
図２６にさらに示されるように、コントローラ１４０は、マイクロコンピュータ２６１５に通信可能に連結され、WSI Corporationにより製造され商業的に入手可能なModel PSD301からなるメモリモデュール２６２０をさらに含んでいる。特に、メモリ２６２０は約３２Ｋバイトの読み出し専用タイプのメモリおよび約２Ｋバイトの随時書き込み読み出しタイプのメモリを含む。本発明の最も好ましい実施例では、コントローラ１４０の動作を定めるのに用いられるソフトウエアプログラムの全てが、ソフトウエアの変形の全てを含んで、メモリ２６２０にストアされている。
【００６４】
コントローラ１４０は、図２６に示すように、本発明の好ましい実施例では、テキサス州AustinのTexas Instruments Companyにより製造され商業的に入手可能なmodel TLC2201からなる差動増幅器２６２５もまた含んでいる。増幅器２６２５は速度または加速度トランスデューサ２６３５のいずれかからの信号２６３０を受けるように適合されている。信号２６３０はそれ故に、計測された振動の量すなわち大きさを示している。差動増幅器２６２５はトランスデューサ２６３５からの入力を受け取り、「６０ヘルツハム(60 Hz hum)」と呼ばれる如き共通モードタイプのノイズを引き続き排除する。増幅かつ条件付けられた信号がそれから出力され、デュアル積分器(dual integrator)２６４０に通信的に結合される。
【００６５】
本発明の好ましい実施例では、デュアル積分器２６４０はテキサス州AustinのTexas Instruments Companyにより提供され商業的に入手可能なModel TLC2202からなる。特に、デュアル積分器２６４０は増幅器２６２５から増幅かつ条件付けられた信号を受け取り、この信号を工具またはスピンドルに関連する変位または位置値へ変換する。この変換された信号はそれから、本発明の好ましい実施例では、カリフォルニア州Sunnyvale のMaxim Corporationにより製造され商業的に入手可能なModel MAX 260からなるデジタルフィルタ２６４５に通信的に連結される。
【００６６】
本発明の最も好ましい実施例では、フィルタ２６４５は狭帯域タイプの４次デジタルフィルタからなる。特に、このフィルタは、バッファ２６５０に受け取られ、かつ、それとの関係で説明される、工具またはスピンドルの回転速度に直接的に関係する中心周波数を有するように適合されている。図示のように、フィルタの中心周波数はフィルタクロック２６５５から発される出力信号によって制御される。実際は、本発明の最も好ましい実施例では、フィルタ２６４５の中心周波数はクロック２６５５の周波数の約１／１００である。さらに、クロック２６５５の周波数はマイクロコンピュータ２６１５が受け取る回転速度値に応じてマイクロコンピュータ２６１５により制御される。このフィルタの出力は、約２００Hzのコーナ周波数を有するローパスフィルタ２６５７に受け取られる。ローパスフィルタ２６５７は通信的にレベル変換器(level translator)２６６０に連結されている。本発明の好ましい実施例では、レベル変換器２６６０はテキサス州AustinのTexas Instruments Companyにより製造され商業的に入手可能なModel TLC2201からなる。特に、レベル変換器２６６０は、動力供給源２６６５から発される電圧信号の約半分に相当する位置周りに受け取った振動信号を中心付けるよう適合された一段のオペアンプ(single stage operational amplifier)を含んでいる。本発明の最も好ましい実施例では、変換器２６６０から発される出力信号は、入力信号が無いとき、約２．５volts DCのレベルの電圧を有している。従って、変換器２６６０から発される電圧信号は、振動または加速トランスデューサから最初に得られた変位値を表す。この信号は通信的にマイクロコンピュータ２６１５に連結され、後述の方法で、ストアされたソフトウエアと組み合わされて用いられる。
【００６７】
さらに図示されるように、コントローラ１４０はまた、一連の位置検出バッファ２６５０を含んでいる。本発明の好ましい実施例では、バッファ２６５０はテキサス州AustinのMotorola Companyにより製造され商業的に入手可能なModel 74HC14からなる。特に、これらのバッファ２６５０は、本発明の好ましい実施例では、イリノイ州FreeportのMicro Switch(Honeywellの一事業部）により製造され商業的に入手可能なmodel SS400からなる、３つのホール効果装置２６７０，２６７１および２６７２からの入力信号を受け取る。ホール効果センサは回転機械に関して静止され、かつ、釣合取り装置アッセンブリに非接触で近接して取り付けられている。ホール効果装置２６７０，２６７１および２６７２の出力信号は、それぞれ、スピンドルの位置およびロータ３５０および３５１の位置を表す。より詳しくは、これらの装置、すなわち、センサ２６７０〜２６７２の各々は、回転アッセンブリ１３０およびロータ３５０および３５１の各々に配置されている磁石のターゲットにその特定のセンサが近接している時間の長さに比例するパルスを発生する。当業者には明らかであるように、スピンドルの速度は回転アッセンブリの磁石ターゲットの通過により発生されるホール効果センサのパルスの割合(rate)を計数することにより計算され得る。回転アッセンブリに対する各ロータの角度位置は、各ロータ上の磁石ターゲットにより発生されるセンサパルスと回転アッセンブリの磁石ターゲットにより発生されるパルスとの間の位相のズレを観察することにより、それから、推定され得る。
【００６８】
一時的にバッファ２６５０にストアされた出力データは、後述の方法でソフトウエアにより用いられるべくマイクロプロセッサ２６１５に通信的に結合される。さらに図示されるように、コントローラ１４０は通信部分２６７５を含んでいる。これは、本発明の好ましい実施例では、Maxim Companyにより生産されているModel MAX232として普通呼ばれている市販のモデュールないしはチップからなる。部分２６７５を用いることで、マイクロコントローラ２６１５は典型的なホストコンピュータ２６８０へ情報を伝達し、かつ、ホストから情報を受け取ることができる。
【００６９】
さらに図示されるように、コントローラ１４０はまた、キーボード２６８５およびディスプレイ２６８６を含み、本発明の好ましい実施例では、それぞれ、National Semiconductor CompanyおよびSCIにより製造され商業的に入手可能なModel 74C923およびModel LM1200SYLコンポーネントからそれぞれなる。特に、キーボード２６８５は、オペレータに釣合取り装置アッセンブリ１１０の運転開始、ストップおよび作動制御を許すようマイクロコンピュータ２６１５と通信すべく適合された１２キーのキーパッドである。ディスプレイ２６８６は、振動、不釣合時の角度およびロータ位置のような状況および制御情報を表すべく適合された２４キャラクタ×４ラインの液晶ディスプレイである。
【００７０】
図２６にまた示されるように、コントローラ１４０はフルブリッジドライバ２６９０およびハーフブリッジドライバ２６９１を含む。それらは各々、International Rectifierから入手可能なモデル番号IR2110によって識別される市販のコンポーネントからなる。フルブリッジドライバ２６９０はかかるコンポーネントを２個含み、一方、ドライバ２６９１はかかるコンポーネントを１個のみ含むということが当業者には認識されるべきである。本発明の最も好ましい実施例では、ロータ３５０がドライバ２６９０で制御され、一方、ロータ３５１はドライバ２６９０および２６９１の組合せでもって制御される。かかる制御は、メモリ２６２０内に含まれているストアされたソフトウエアプログラムに応答してマイクロコントローラ２６１５によって選択的にドライバ２６９０および２６９１を励磁することにより達成される。最後に、コントローラ１４０はインターフェース部分２６９５を含み、これは本発明の好ましい実施例では、Model OAC5として識別される市販のインプット／アウトプット通信コンポーネントからなる。このI/Oコンポーネントは、ミシガン州Detroitにオフィスを有するGrayhill Corporationから得られる。コンポーネント２６９５は、マイクロコントローラにAllen-Bradley Model 8600の如き通常の数値制御器２６９６との通信を許容する方法で、マイクロコントローラ１４０に通信的に連結されている。「RUN」、「READ」および「ALARM」の如き通常の数値制御器の信号が数値制御器に送られ得る。上記から、マイクロコントローラ１４０がスピンドルの振動およびロータの位置を表す信号を受け取り、受け取った信号に応答して、ドライバ２６９０および２６９１を先に述べたロータに所望の位置に回転するのを許容する方法で、選択的に励磁または励磁を生じさせるということが当業者には明らかであるべきである。ロータの動きを生じさせるこのドライバの励磁は、機械の不釣合を補償すべく所望の方法で重りスポットを位置付ける。
【００７１】
図５に示されるように、各ロータ３５０，３５１は固定された任意の基準点に関して計測されたそれぞれの角度により表される識別可能な位置を有する。さらに、各ロータ３５０，３５１はそれに付随されて予め定められた不釣合大きさ部５１０，５１１を有している。それぞれの不釣合大きさ部５１０，５１１は角度位置の組合せで、角度位置により決定される方向成分と不釣合量により決定される大きさとを有するベクトルを形成する。正味の修正ベクトル５３０は２つのベクトル５１０および５１１を加えたベクトルから生ずる。
【００７２】
（Ｃ）自動機械釣合取り方法
本発明の好ましい実施例では、マイクロプロセッサに基づくコントローラ２６１１がメモリにストアされたソフトウエアアルゴリズムを含み、それが釣合取り装置の自動的作動を生じさせる。
【００７３】
回転機械の不釣合を補償するためには、スピンドルの不釣合大きさおよび角度位置が評価されねばならない。以下の説明は、本発明の好ましい実施例における、この評価のための計算と自動的な釣合取りのためのステップを詳細に述べる。
【００７４】
振動の大きさおよびスピンドルの不釣合大きさ間の関係は線形であるが不知であると仮定される。線形であるとの仮定は多くの適用例において良好である。というのも、振動の大きさは重大であるが、それらは比較的小さいからである。ある測定可能な量に基づいて不釣合大きさおよび角度位置を評価するために数学的アルゴリズムが用いられる。機械のデータが前もってストアされていないときに評価を達成するためには、「試験的」釣合取りステップが校正のために必要である。これは、運転開始後、釣合取り装置の「バラスト」が、それが最終的な修正位置に動かされる前に、任意の試験的な位置に動かされねばならないことを意味する。釣合取り装置のロータは制限された保持トルクの故に、スピンドルの運転開始の際にスリップし得るので、初期の釣合修正は必ずしも「中立」でなくともよい。釣合修正は如何なる位置でもよい。下記に説明されるベクトルの数学方程式はこの可能性を考慮している。しかしながら、ある適用例に対しては、機械の形態について振動／不釣合の関係は予め知られていよう。かかる場合には、試験的な釣合修正を用いる校正は不必要であろう。必要とされる釣合取りの時間を減らすために、釣合取り装置のロータはスピンドルの運転開始のほぼ直後に適切な補償位置に直接的に動かされてもよい。しかしながら、振動／不釣合比が必ずしも知られていないより一般的なケースのためのルーチンを提供することが賢明である。一般的なケースのための自動的釣合取りアルゴリズムにおけるステップが図２７のフローチャートに概略示されている。これらのステップを以下説明する。
【００７５】
ステップ１、機械の運転開始２７０５：
【００７６】
運転開始時、釣合取り装置のコントローラは自動的な機械監視／釣合取りルーチンを開始する。
【００７７】
ステップ２、計測２７１０：
【００７８】
振動トランスデューサおよびロータ位置センサを用いて次の量が計測される。
【００７９】
・初期振動大きさ  ｖ１（長さの単位のピーク大きさ）
・初期振動位相角  θｖ１（任意の機械基準に関するラジアン）
・初期釣合取り装置ロータの角度  θａ１、θｂ１
【００８０】
ステップ３、比較２７１５：
【００８１】
機械振動レベルのピークが予め設定された振動限界と比較される。もし、振動が最大限界を越えるなら、釣合取りルーチンが実行される。もし、振動が設定された限界以下に留まっていれば、釣合取りコントローラはステップ２、計測２７１０に戻り、振動が継続して監視される。
【００８２】
ステップ４、校正選択２７２０：
【００８３】
もしも、速度および機械の振動レベルに対する不釣合情報をマップ化した機械の剛性（stiffness)データが利用可能であれば、釣合取り装置の校正は必要でなく、アルゴリズムは直接ステップ８、２７４０にスキップする。
【００８４】
ステップ５、試験的ロータ角度計算２７２５：
【００８５】
釣合取り装置のロータに対する試験的校正角度はある基準に基づき選ばれる。基準は、制限はされないが、以下を含む。１）校正ステップ中の不釣合を最小にする。２）計測の不確実性による釣合取り装置のエラーを最小にする。または、３）釣合取りに必要な時間を最小にする。
【００８６】
ステップ６、試験的位置へのロータの作動２７３０：
【００８７】
ロータがドライバ１２０を用いて必要な試験的位置に作動される。
【００８８】
ステップ７、計測２７３５：
【００８９】
次の量が計測される。
【００９０】
・「試験的」振動大きさ  ｖ２(長さの単位のピーク大きさ）
・「試験的」振動位相角  θｖ２（任意の機械基準に関するラジアン）
・「試験的」釣合取り装置ロータの角度  θａ２、θｂ２
【００９１】
ステップ８、評価２７４０：
【００９２】
上で計測された値を用いて、コントローラは不釣合大きさＢｕ（質量−長さの単位、または、釣合取り装置の能力の単位無し％）および位相角θｕを計算する。
【００９３】
ステップ９、釣合取りロータの角度の計算２７４５：
【００９４】
必要な修正ベクトルを与える釣合取り装置のロータの角度θａ、θｂを計算する。もしも、それぞれのロータの不釣合大きさが非常に近似しているならば、例えば、ロータは有効な修正角度からほぼ等しい角度に置かれるであろう。どちらのロータがどちらの位置に動くかは、１）釣合取りの時間を最小にする、または、２）ロータが動いている間に存する不釣合大きさを最小にすると言うようなある基準に基づいて、決定することができる。
【００９５】
ステップ１０、ロータ作動２７５０：
【００９６】
ロータが、動力ドライバ１２０を用いて必要な位置に動かされる。
【００９７】
コントローラはそれからステップ２、２７１０に戻り、機械のパラメータの変化がさらなる釣合取りを必要とするまで機械の振動を監視する。
【００９８】
機械内の回転不釣合は、ベクトル代数学の概念を用いてステップ８、２７４０において評価される。評価を促進するために、ステップ２、２７１０およびステップ７、２７３５からの計測されたベクトルは、デカルト座標のｘおよびｙ方向成分に下記のように分解される。
【００９９】
【数７】
2007105875.tif 000009
【０１００】
【数８】
2007105875.tif 000010
【０１０１】
左欄のピーク振動レベル信号成分値は長さの単位を有することに注意されたい。ロータの不釣合成分値は単位無し、または、不釣合の単位（質量−長さ）を有する。ロータはＢａおよびＢｂの不釣合大きさをそれぞれ有している。これらの値は既知で固定と仮定されている。
【０１０２】
釣合取り装置が機械に取り付けられると、回転不釣合の合計は、釣合取り装置ロータの不釣合大きさと固有の機械回転不釣合とのベクトル総和からなる。それ故に、計測された振動の値もまた各不釣合源のベクトル総和の結果となる。我々は、未知の機械回転不釣合成分をｘｕおよびｙｕと定義する。我々はまた、回転不釣合と振動レベルとの間の関係をＲとして定義する。この比Ｒはベアリングおよびシャフト剛性の関数であり、また未知であると仮定される。もしＲが所与の機械作動条件に対し既知であれば、評価はより簡単であり、ここには示されない。次の式は、初期および試験的計測に対し、各成文方向における不釣合／振動の関係を定義している。
【０１０３】
【数９】
2007105875.tif 000011
【０１０４】
３つの未知数と４つの方程式がある。我々は、これらの未知数を解くためには３つの方程式を必要とするのみであるから、我々は最後の式を捨て、次の線形代数系の方程式を得ることができる。
【０１０５】
【数１０】
2007105875.tif 000012
【０１０６】
固有の計測の不確実性による評価エラーを低減するために、最後の式が保持され、優決定系(over-determined system)が最小二乗法で解かれ得る。しかしながら、式９の一定系(determinate system)は、ここに示されるように、単に逆行列(matrix inversion)により解くことができる。
【０１０７】
【数１１】
2007105875.tif 000013
【０１０８】
記号を用いてこの逆行列を数的に表現すると次のようになる。
【０１０９】
【数１２】
2007105875.tif 000014
【０１１０】
不釣合ベクトルの大きさおよび位相角は、Ｂｕおよびθｕにより表される。
【０１１１】
【数１３】
2007105875.tif 000015
（式１１ａ，１１ｂ）
【０１１２】
不釣合角度象限は、成功裏の釣合取り補償のためには正確に決定されねばならない。最も高いレベルのプログラム言語コンパイラは、ｘおよびｙ方向ベクトル成分が与えられると適切な象限でベクトルの角度を計算する組み込み関数(intrinsic function)「atan2」を含んでいる。
【０１１３】
必要とされる釣合修正大きさＢｃは不釣合の大きさと同じである。修正角度θｃは不釣合から１８０°（またはπラジアン）離れている。
【０１１４】
【数１４】
2007105875.tif 000016
【０１１５】
修正角度は、もしもそれが３６０°を越えるなら適切な極象限にマップ化され戻されるべきである。この修正はそれから２つの釣合取り装置ロータを用いることにより実行される。等しく不釣合なロータにおける対応するロータの角度θａおよびθｂは次式で与えられる。
【０１１６】
【数１５】
2007105875.tif 000017
（式１３ａ，１３ｂ）
【０１１７】
いくつかのケースでは、ロータが製造バラツキにより僅かに異なる不釣合を有する。このような場合には、当業者には知られているべき三角法を利用する僅かにより複雑な式が用いられねばならない。
【０１１８】
どちらのロータがどちらの位置に動くべきかは、ロータが最小の組み合わされた距離を動くように決定される。
【０１１９】
本発明は上に図解したおよび説明した通りの構成および方法に限定されないということが理解されるべきである。以下の請求の範囲に規定された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変形がなされ得る。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の教示に従い作られた釣合取り装置の斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施例の教示に従い作られた釣合取り装置の斜視図である。
【図３】図１に示された釣合取り装置の側面および部分破断図である。
【図４】図２に示された釣合取り装置の側面および部分破断図である。
【図５】図３に示された釣合取り装置のロータの概略図で、本発明の釣合取りの方法論を図解している。
【図６】ロータの前面図で、ロータに不釣合をもたらす重り付挿入体の一つの可能な形態を示している。
【図７】ロータの前面図で、ロータに不釣合をもたらす加工穴の一つの可能な形態を示している。
【図８】釣合取り装置回転アッセンブリに取り付けられ、可動ロータを支持するのに用いられたボールベアリングアッセンブリの前面図である。
【図９】不釣合機械での初期中立釣合取り装置形態の概略図である。
【図１０】釣合取りの後、如何にロータの不釣合が機械の不釣合を修正すべく組み合うかの概略図である。
【図１１】釣合取り装置に用いられるレチクル付(reticulated)極板の前面図である。
【図１２】釣合取り装置アッセンブリの前面図で、ロータの永久磁石とレチクル付極板とのロータのディテント（detent)位置での配列を示している。
【図１３】図１２に見られる極板およびロータの部分破断図で、永久磁石の磁束経路を示している。
【図１４】図１に示されたドライバの前面および部分破断図である。
【図１５】図１に見られる釣合取り装置およびドライバの側面および部分破断図で、ドライバの磁界磁束経路を示している。
【図１６】図２に示されたドライバの前面および部分破断図である。
【図１７】図２に見られる釣合取り装置およびドライバの側面および部分破断図で、ドライバの磁界磁束経路を示している。
【図１８】図１３に類似し、ドライバの磁界磁束経路のもう一つの図を示している。
【図１９】図１３に類似し、ドライバの磁界と永久磁石磁界との相互作用を図解している。
【図２０】図１９に類似し、如何にしてロータが電磁気的に発生された作動力の方向に動くかを示している。
【図２１】図１３に類似し、ロータが不安定な平衡中間ディテント位置にあるときのドライバの磁界と永久磁石磁界との相互作用を図解している。
【図２２】時間に関する釣合取り装置のロータの角度位置のグラフであり、３つの異なるドライバコイルのエネルギーパルスに対するロータの応答を示している。
【図２３】ドライバコイルのエネルギーパルス対釣合取り装置ロータの粘性減衰のグラフであり、粘性減衰値を変えるためにロータの有効な作動を生じさせるドライバコイルのパルスエネルギーの範囲を示している。
【図２４】本発明の一実施例のドライバコイルの電圧対時間のグラフである。
【図２５】本発明の一実施例のドライバコイルの電流対時間のグラフである。
【図２６】本発明の好ましい実施例の釣合取り装置のコントローラ／パワードライバ電子機器のブロック図である。
【図２７】フローチャートであり、本発明の好ましい実施例の自動釣合取り機能に関連するステップの手順を図解している。
【図１】
2007105875.tif 000018
【図２】
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【図３】
2007105875.tif 000020
【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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【図９】
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【図１０】
2007105875.tif 000027
【図１１】
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【図１２】
2007105875.tif 000029
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2007105875.tif 000037
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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