JP2019504322A - 誘導位置センシングを備える振動試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ペイロードを振動させるための振動試験装置に関する。【解決手段】振動試験装置は、誘導位置センサアセンブリを備え、誘導位置センサアセンブリは、変位可能なアーマチュアに取り付けられた第１の部材及び、シェーカーフレームに取り付けられた第２の部材を備える。誘導位置センサアセンブリは、第１の部材及び第２の部材の間の変位依存電磁結合に基づいて、アーマチュアの軸方向位置を示す少なくとも１つの制御信号を生成するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、ペイロードを振動させるための振動試験装置に関する。振動試験装置は、誘導位置センサアセンブリを備え、誘導位置センサアセンブリは、変位可能なアーマチュアに取り付けられた第１の部材、及びシェーカーフレームに取り付けられた第２の部材を備える。第１の部材及び第２の部材の間の変位依存電磁結合に基づいて、誘導位置センサアセンブリは、アーマチュアの軸方向位置を示す少なくとも１つの制御信号を生成するように構成される。

振動試験システムは、典型的には、時にはシェーカーと称される振動試験装置を備えており、振動試験装置は、産業機器、要素及び部品等の設計製品の振動試験のために、業界で使用されている。振動試験の目的は、産業機器又は部品を通常使用時にその産業機器がさらされる可能性のある周波数及び振幅の明確に定義された機械的振動にさらすことである。これは、機械的振動に対する装置の応答を試験し、誤動作を起こさずに、機械的振動を維持するための装置の信頼性及び能力を検出するために実施される。産業機器又は部品は、広範囲の寸法及び重量になってもよい。大型振動試験システムは、衛星のような非常に重く大きなオブジェクトを振動試験することができる。

振動試験装置は、典型的には、動力学的振動器又はシェーカー、電力増幅器、制御システム、冷却システム、及びこれらの部品を相互接続する適切な電力及び信号ケーブルを備える。動力学的振動器のアーマチュアは、試験される産業機器／部品によってロードされ、適したアーマチュア励起信号がアーマチュアの可動コイルに印加されて、後者を振動させる。アーマチュア励起信号は、可動コイルに結合された電力増幅器によって供給されてもよい。振動試験装置は、典型的には、アーマチュアの変位又は振動を検出及び制御するための制御システムを備える。アーマチュアの変位、位置又は振動を検出するために、従来技術の振動試験装置は、例えば、光学式アーマチュア位置検出機構及びシステムを使用し、機構及びシステムは、以下によって動作する：
Ｉ．可動要素上のターゲットに光ビームを導き、反射された光を監視する；
ＩＩ．可動要素上のターゲットを横切って光ビームを導き、傍受されない光を監視する。

両方の先行技術のアプローチは、様々な欠点を受ける：アプローチＩでは、ターゲットは汚れによってぼやけたり傷ついたりする可能性があり；アプローチＩＩは、正確な動作を保証するために非常に微調整が必要となる可能性がある。

したがって、振動試験装置の動作中にアーマチュアの変位、位置又は振動を検出するための改良された、そしてより堅牢な機構を考案することが非常に望ましい。

本発明の第１の態様は、ペイロードを振動させるための振動試験装置に関し、シェーカーフレーム及びペイロード支持構造を備えたアーマチュアを備える動力学的シェーカーを備える。アーマチュアは、動力学的シェーカーに供給される励振信号又は振動信号に従って、シェーカーフレームに対して、軸方向に変位可能又は振動可能である。振動試験装置は、アーマチュアに取り付けられた第１の部材及びシェーカーフレームに取り付けられた第２の部材を含む誘誘導位置センサアセンブリを備え、誘導位置センサアセンブリは、アーマチュアの軸方向における、第１の部材及び第２の部材の間の変位依存電磁結合に基づいて、アーマチュアの軸方向位置を示す少なくとも１つの制御信号を生成するように構成される。振動試験装置のアーマチュア制御システムは、少なくとも１つの制御信号に基づいて、アーマチュアの軸方向変位又は移動を制御するように構成されている。

動力学的シェーカーのアーマチュアは、典型的に、アーマチュア構造にしっかり取り付けられた可動コイル又は駆動コイルによって駆動される。振動試験装置は、添付図面を参照して以下でさらに詳細に説明するように、アーマチュア励起信号を可動コイルに印加するために、可動コイルに結合された適切な電力増幅器を有していてもよい。アーマチュア励起信号は、０Ｈｚと１０ＫＨｚとの間の周波数を有し、対応する軸方向に配向されたアーマチュアの変位と振動を生じさせる。

第２の部材は、第１の部材に搭載された能動的な磁気又は電磁場発生器によって生成された磁場にそれぞれ応答する１つ以上のセンサコイルを含むキャリアボードを備えてもよい。この実施形態によれば、第１の部材は、磁場を第２の部材のキャリアボードの１つ以上のセンサコイルに印加するための電磁場発生器又は磁場発生器を備える。磁気又は電磁場発生器は、１００ｋＨｚと１０ＭＨｚの間、より好ましくは５００ｋＨｚと２ＭＨｚとの間の励起周波数の様な所定の励起周波数を有する交流電磁場を生成するように構成された交流電圧又は交流電流源を含んでもよい。磁場発生器は、第１の部材内又は上に配置された電池等の適切な電源によって電力供給されてもよい。アーマチュア制御システムは、第１の部材と第２の部材との間の軸方向の相対変位に応じて、キャリアボードの１つ以上のセンサコイルによって生成されたそれぞれのコイル信号の振幅変化及び／又は位相変化を検出するように構成される。したがって、第２の部材のキャリアボードは、例えば長方形の平面の細長い輪郭を有してもよく、長手方向軸線が、アーマチュアの軸方向変位方向に延びており、１つ以上のセンサコイルが、キャリアボードの長手方向軸線に沿って配置されてもよい。これにより、磁場発生器と、１つ以上のセンサコイルのそれぞれとの間の、キャリアボードの長手方向軸線に沿って変化する電磁結合を提供する。

多数の代替実施形態において、電磁場は、第２の部材の１つ以上の励磁コイルによって生成され、第１の部材は、受信電磁場に応答する受動回路のみを含む。受動回路は、インダクタ、抵抗器、コンデンサ等の受動又は非給電部品に基づく電磁共振器を備える。したがって、本発明の一実施形態によると、第２の部材は、キャリアボードを備え、キャリアボードは、所定の励起周波数又は周波数範囲で電磁場を放射するための第１の励起コイル又は巻線構造を有する。第１の部材は、受動的電磁共振器を備える。受動的電磁共振器は、例えば、共振器コイル及び共振器コイルに電気的に接続され、所定の共振周波数を有する共振回路を形成する少なくとも１つのコンデンサを有していてもよい。共振回路の所定の共振周波数は、約４ＭＨｚの様な１ＭＨｚと１０ＭＨｚの間のような０．１ＭＨｚと１００ＭＨｚの間にある。周波数範囲の各々は、アーマチュアを駆動し、電磁妨害を回避するために、典型的には、振動試験装置によって利用される励振周波数の典型的な範囲から除去される。アーマチュア駆動のための励起周波数範囲は、０Ｈｚから１０ＫＨｚである。

当業者であれば、第１の励起コイルから放射される電磁場の周波数は、共振回路の所定の共振周波数と同一であっても、又は少なくともそれに近接していてもよいことを理解するであろう。第１の部材は、プリント回路基板（ＰＣＢ）の様な実質的に平坦なキャリアボードを含んでもよく、ボードは、共振器コイルの複数の巻線を含む一体的に形成された導体パターンを備える。したがって、第１の部材の共振器コイル又はインダクタは、プリント回路基板の一体部分として比較的低コストで製造することができる。当業者であれば、プリント回路基板は、単層、二層又は多層構造を有し、共振器コイルの導体パターンが、ＰＣＢの外面上又はＰＣＢの内層内に配置されてもよいことを理解するであろう。

１つ以上の励磁コイル、例えば、第２の部材の第１の励起コイルは、別個の部品であってもよく、部品は、例えば、はんだ付け及び接着によりキャリアボードの面に取り付けられる。１つ以上の励磁コイルは、代替的には、プリント回路基板タイプのキャリアのそれぞれのワイヤパターンを使用して以下に説明するように、キャリアボードと一体的に形成することができる。第２の部材のキャリアボードは、アーマチュアの軸方向変位方向に沿って延びていてもよい。第２の部材のキャリアボードは、例えば長方形の、平面の細長い輪郭を有することができ、長手方向軸線は、好ましくはシェーカーフレームに取り付けられたときアーマチュアの軸方向変位方向に延びる。第２の部材のキャリアボードは、プリント回路基板（ＰＣＢ）を備えており、基板は、プリント回路基板の導電線パターンによってその中又はその上に一体的に形成された１つ以上の励磁コイルを有する。当業者であれば、プリント回路基板は、単層、二層又は多層構造を備えてもよいことを理解するであろう。１つ以上の励磁コイルのそれぞれの導電線パターンは、ＰＣＢの反対側の外面に配置され、又は１つ以上の励磁コイルの少なくとも１つ、例えば、第１の励起コイルの導電線パターンは、多層構造を有する場合は、ＰＣＢの中間層又は内層に完全に又は部分的に形成することができる。

誘導位置センサアセンブリの一実施形態によると、第１の励起コイルは、第２の部材のキャリアボードの長手方向軸線に沿ってパターニングされ、長手方向軸線に沿って受動的電磁共振器に、変化する電磁結合を提供する。したがって、受動的電磁共振器により出力された共振器信号は、パターニングされた第１の励起コイル及び第２の部材に沿って、共振器の位置の関数として変化する。誘導位置センサアセンブリは、第１の励起コイルによって放射された電磁場に応答して、受動的電磁共振器によって生成された振器信号に基づいて、アーマチュアの軸方向位置を示す少なくとも１つの制御信号を生成するように構成されてもよい。共振器信号は、誘導位置センサアセンブリの検出回路に戻って結合されてもよく、回路は、様々な能動的デジタル及び／又はアナログ伝送回路を使用して、典型的には、シェーカーフレーム又はシャーシに取り付けられる、又はその上に取り付けられている。誘導位置センサアセンブリの第２の部材は、例えば、キャリアボード上の振器信号が磁気結合される第１の励起コイルを囲む専用の結合巻線を備えてもよい。誘導位置センサアセンブリは、共振器信号を検出して処理するために、専用の結合巻線に接続されていてもよい。

誘導位置センサアセンブリのさらに別の実施形態によると、第２の部材のキャリアボードは、キャリアボードの長手方向軸線に沿って第１の励起コイルに対して物理的にオフセットされた第２の励磁コイルを備える。第２の励磁コイルは、好ましくは、キャリアボードの長手方向軸線に沿ってパターニングされ、長手方向軸線に沿って受動的電磁共振器に変化する電磁結合を提供する。後者の実施形態については、添付の図面を参照して以下にさらに詳細に説明する。パターニングされた励磁コイル及び受動的電磁共振器に基づく誘導位置センサアセンブリの様々な実施形態は、図１から５及びＳａｇｅｎｔｉａ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｌｉｍｉｔｅｄの米国特許出願公開第２０１１／０１０９３０３（Ａ１）号明細書の段落［００３５］から［００４７］に基づいて、さらに詳細に説明する。米国特許出願公開第２０１１／０１０９３０３（Ａ１）号明細書の内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。

対向する最も外側のコイル部分又は第１の励起コイルの部分との間の、キャリアボードの長手方向軸線に沿って測定された距離は、１００ｍｍより大きい等、５０ｍｍより大きくてもよい。距離は、特定の動力学的シェーカーのアーマチュアの最大軸方向変位範囲に依存して選択されてもよい。一実施形態によると、第１の励起コイルの対向する最も外側のコイル部分の間の距離は、アーマチュアの最大軸方向変位範囲を超えてもよく、アーマチュアの範囲において、後者は、ピークからピークまでの軸方向変位と表現される。動力学的シェーカーの多くの有用な実施形態において、アーマチュアの最大軸方向変位範囲は、４０ｍｍと１２０ｍｍの間にある。

アーマチュア制御システムは、ソフトウェアでプログラム可能なマイクロプロセッサを備えてもよく、マイクロプロセッサは、例えば、プログラム可能なデジタル信号プロセッサを含む。マイクロプロセッサは、アーマチュア制御システムの一部として、アプリケーションプログラム又はソフトウェア部品を実行するように構成されている。アプリケーションプログラム又はソフトウェア部品は、少なくとも１つの制御信号を生成するために、１つ以上のセンサ信号を検出し、デジタル化し、処理するように構成されていてもよい。後者は、例えば、添付図面を参照して以下でさらに詳細に後述するように、データ通信プロトコルに従って、デジタル符号化され、フォーマットされてもよい。誘導位置センサアセンブリのいくつか又はすべての電子部品及び機能は、アーマチュア制御システムと一体化することができる。アーマチュア制御システムは、添付図面を参照して以下でさらに詳細に説明するように、アーマチュアの「ゼロ」（Ｎｕｌｌ）又は静止位置を設定して維持するためであって、アーマチュアの特定の軸方向オフセット位置を設定するためのフィードバックループを備えていてもよい。

振動試験装置は、装置の様々な動作パラメータ及び信号を関係者に示すためのディスプレイを備えていてもよい。ディスプレイは、振動試験装置の埋め込み型又は関連するコンピュータシステムの部品であってもよい。ディスプレイは、少なくとも１つの制御信号、又は様々な信号又は少なくとも１つの制御信号から得られる信号統計を、グラフィカル及び／又は数値形式で、示し又は表示するように構成されてもよい。振動試験装置のディスプレイは、振動試験装置の中、又はその上の何れかの異なる位置に物理的に配置されてもよく、又は振動試験装置から離れた場所、例えば、同じ建物の別の部屋又は別の建物に配置されてもよい。一実施形態において、ディスプレイは、振動試験装置のハウジング又はフレーム構造、例えば、電力増幅器のハウジング又はフレーム構造に取り付けられる。

本発明の第２の態様は、振動試験装置の変位可能なアーマチュアの軸方向変位又は軸方向位置を検出する方法に関し、方法は下記を備える：
ａ）誘導位置センサアセンブリの第１の部材を変位可能なアーマチュアに取り付け；
ｂ）誘導位置センサアセンブリの第２の部材をシェーカーフレームに取り付け、
ｃ）アーマチュア励起信号を変位可能なアーマチュアの可動コイルに印加して、アーマチュアをシェーカーフレームに対して軸方向に変位又は振動させる、
ｄ）第１の部材及び第２の部材の間の変位依存電磁結合を介して、変位可能なアーマチュアの位置を示す少なくとも１つの制御信号を生成し、
ｅ）少なくとも１つの制御信号に基づいて、変位可能なアーマチュアの瞬時位置を検出すること。

アーマチュアの軸方向変位を検出する方法は、更に下記を備える：
ｆ）第１の励起コイルから電磁場を生成し、放射するために、所定の励起周波数の交流励磁電圧を第１の部材に取り付けられた第１の励起コイルに供給し、
ｈ）放射された電磁場を介して、第１の部材に取り付けられた受動的電磁共振器に共振器信号を誘導し、
ｇ）共振器信号から少なくとも１つの制御信号を導出すること。

本発明の好ましい実施形態を、添付の図面に関連してより詳細に説明する：
図１は、本発明の第１の実施形態による誘導位置センサアセンブリを含む振動試験装置又はシステムの簡略化された概略図である。 図２は、誘導位置センサアセンブリの振動試験装置又はシステムの様々な部品への取り付けの概略的な垂直断面図である。 図３は、動力学的シェーカーのフレームに取り付けられるための誘導位置センサアセンブリの第２の部材の好ましい実施形態を示す。 図４は、誘導位置センサアセンブリの第１の部材及び第２の部材を振動試験装置又はシステムのそれぞれの構造体に取り付ける際の透視斜視図である。

図１は、本発明の第１の実施形態による振動試験装置１００又はシステムの簡略化された概略図である。当業者であれば、振動試験装置１００は、データ通信リンクを介して試験装置に結合された様々なデータロギング装置及びサービス装置を備える振動試験システムの一部を形成できることを理解するであろう。振動試験装置１００の様々な動作パラメータは、例えば、動作中に記録され、インターネットに接続されたコンピュータサーバに送信される。後者は、クラウドベースのコンピューティングセンターに存在してもよい。振動試験装置１００は、例えば、振動試験装置１００のシャーシ又はフレームに一体化され、又は別個の増幅器システムハウジング又はケーシング１０９に取り付けられる電力増幅器１０８を備える。電力増幅器１０８は、信号及び電力ケーブル１２１を介して、動力学的シェーカー１０４の変位可能又は振動可能なアーマチュア１０５に動作可能に結合されてもよい。変位可能又は振動可能なアーマチュア１０５は、任意のペイロード支持構造（図示せず）に機械的に結合されてもよい。後者は、振動試験を受ける装置又は部品であるペイロードを支持又は保持してもよい。動力学的シェーカー１０４のアーマチュア１０５は、電力増幅器１０８によってアーマチュア１０５の可動又は誘導駆動コイル１１５に供給される励振信号又は振動信号によって変位又は振動される。したがって、アーマチュア励起信号によって誘導された可動コイル１１５を通る励磁電流又は駆動電流の流れに従って、アーマチュア励振信号又は振動信号は、動力学的シェーカー１０４のシャーシ又はフレームに対して、アーマチュア１０５を軸方向に変位させる働きをする。アーマチュア１０５は、＋／−Ｘ変位を示す矢印１０６によって概略的に示されるように、アーマチュアの軸方向１０７に沿って、正弦波、ランダム又は過渡アーマチュア励起信号によって往復運動するように振動することができ、例えば信号は、振動試験装置１００の寸法に応じて、例えば、０Ｈｚと２０ｋＨｚの間の周波数又は１０ｋＨｚ未満の周波数を有する正弦波信号である。

振動試験装置１００は、外部電力増幅器１０８のハウジング又はフレーム１０９上に又は別個のハウジング内に取り付けられたディスプレイ１１３を備えることができる。データロガー（図示せず）は、その動作中、即ち、ペイロードの機械的励起中、電力増幅器１０８のハウジング内に又はディスプレイ１１３と一緒に搭載され、動力学的シェーカー１０４のいくつかの動作パラメータのそれぞれの値を測定し記録するように構成されてもよい。動作パラメータは、好ましくは、動力学的シェーカー１０４の動作時間及び日付を含み、最後のサービス／オーバーホール以降の累積稼働時間の計算を可能にする。更に、振動可能なアーマチュア１０５の可動コイル１１５を流れる電流のＲＭＳ電流値及びピーク電流値も、動作期間中に、記録／ロギングすることができる。更に、動力学的シェーカー１０４が界磁コイルを備えるという条件の下、動力学的シェーカー１０４の界磁コイル（図示せず）の直流電流値及び／又は直流電圧値も測定され、記録されてもよい。ＲＭＳ及びピーク電流値は、電力増幅器１０８の内部に取り付けられた適切な電流センサ又は動力学的シェーカー１０４に取り付けられた電流センサによって、直接的又は間接的に測定されてもよい。この目的のために、ホール効果素子及び誘導交流センサなどの、様々な周知のタイプの電流センサを使用することができる。当業者であれば、電機子コイル及び界磁コイルにおける時間の経過に伴う電流の測定及びロギングは、振動可能なアーマチュア１０５に対するアーマチュアの力が計算されることを可能にすることを理解するであろう。界磁コイル内の電流は、磁場の磁場強度を決定し、磁場において、アーマチュアは移動可能にぶら下がっている。したがって、動力学的シェーカー１０４のアーマチュア１０５によって生成される力は、電機子コイル内を流れる電流、電機子コイル導体の長さ及び電機子コイルがその中を移動する磁場の強さに正比例する。

振動試験装置１００は、図２及び３で更に詳細に示されるように、更に誘導位置センサアセンブリ（２３０、２３２、２３４、２５０）を備える。誘導位置センサアセンブリは、振動試験装置１００のアーマチュア制御システムによって利用されて、さらに詳細に後述するように、アーマチュア１０４の軸方向位置又は変位を検出及び／又は設定又は制御する。この特徴は、例えば、下記のさまざまな目的に非常に役立つ：
Ａ．アーマチュアの初期軸方向位置を設定する手動又は自動制御システムの一部として、通常は「センタリング」されるが、時には（例えば、衝撃試験の場合）オフセットされる；
Ｂ．ドリフトする傾向に対して、動作中に、アーマチュアの初期軸方向位置を維持する自動制御システムの一部として；
Ｃ．ペイロードによって加えられる下向きの力を補償するための垂直荷重支持を調整する手動又は自動制御システムの一部として；
Ｄ．アーマチュアの瞬時軸方向位置をロギング／記録して表示する自動制御システムの一部として、例えば、アーマチュア位置信号又は振動制御信号出力を供給する。

上記の機能Ｂ及びＣに関して、自動電機子制御システムは、しばしばＶＰＣとして知られているアーマチュア１０５の自己センタリングシステムの一部を形成してもよい。
従来技術の振動試験装置は、光学式アーマチュア位置検出システムを使用してきたが、システムは下記によって動作する：
ＩＩＩ．可動要素上のターゲットに光ビームを導き、反射された光を監視すること；
ＩＶ．可動要素上のターゲットを横切って光ビームを導き、傍受されない光を監視すること。

先行技術のアプローチ両方は、様々な欠点を受ける：アプローチＩでは、ターゲットは汚れによってぼやけたり、傷ついたりすることがある；アプローチＩＩは、正確な動作を保証するために非常に微調整が必要となる。

誘導位置センサアセンブリは、シェーカーフレーム１０５ａ又はシャーシに取り付けられた第２の部材２３０を有する。シェーカーフレーム１０５ａは、周囲の試験室構造に対して本質的に静止したままであり、又はシェーカーフレーム１０５ａは、振動アーマチュア１０５と反対方向に移動することができる。後者の状況では、シェーカーフレーム１０５ａは、例えば、サスペンション／アイソレーションシステムに取り付けられていてもよく、システムにおいて、シェーカーフレームの動きの振幅は、シェーカーフレーム１０５ａの質量に比例する。誘導位置センサアセンブリは、振動アーマチュア１０５に付加的に取り付けられた第１又は可動部材２５０又はパックを備える。誘導位置センサアセンブリは、振動／可動アーマチュア１０５の位置又は速度を示す少なくとも１つの制御信号を生成するように構成され、それは、上述した相対的な軸方向の変位により誘導される第１の部材２５０と第２の部材２３４との間の変位依存電磁結合又は振動アーマチュア１０５及びシェーカーフレーム１０５ａとの間の移動に基づく。少なくとも１つの制御信号は、静止部材２３０に取り付けられるセンサエレクトロニクスモジュール２３２内で抽出又は生成される。少なくとも１つの制御信号は、少なくとも１つの位置又は可動アーマチュア１０５の瞬間的な軸方向位置を示す変位信号及び軸方向変位方向矢印１０６と交差する水平線によって示されるゼロ（Ｎｕｌｌ）又は静止位置に対する可動アーマチュア１０５の軸方向オフセットを示すオフセット信号を備えてもよい。位置信号及びオフセット信号は、振動試験装置１００のアーマチュア制御システムにより利用され、アーマチュアの軸方向変位の最大範囲内で、可動アーマチュア１０５の軸方向変位を検出し制御する。アーマチュア制御システムは、好ましくは、前述した自己センタリングシステムを備える。

アーマチュア制御システムは、第１のデータ通信インターフェース、バス又はネットワーク１１１、（例えば、ＴＩＡ−４８５／ＲＳ４８５規格に基づく）を備え、位置信号及びオフセット信号を、それぞれのデジタル形式又はデータ形式で、ディスプレイ１１３を収容又は備えることができるオプションの中間ノード１１２に送信し、システム監視又は監視のために、位置信号及び／又はオフセット信号の特定の特徴をシステムオペレータに表示することを可能にする。オフセット信号は、中間ノード１１２の適切なデジタルプロセッサによって処理され、結果として生じる位置信号は、例えば、ゼロ（Ｎｕｌｌ）に対して、グラフィカルに表示される。オフセット信号は、第１のデータ通信ネットワーク１１１を介して、増幅器システムハウジング又はケーシング１０９に取り付けられたＤ／Ａ変換器１２２に送信される。当業者であれば、Ｄ／Ａ変換器１２２は、実際には、共通のハウジング又はケーシング内の電力増幅器と一体化されることを理解するであろう。Ｄ／Ａ変換器１２２は、受信されたデータストリームからデジタル化されたオフセット信号を抽出するための適切なデータ通信インターフェースを備えていてもよい。Ｄ／Ａ変換器１２２は、アナログ形式でオフセット信号を生成し、後者を電力増幅器１０８の入力１１７に印加する。電力増幅器１０８は、電力ケーブル１２１を介して移動コイル又は駆動コイル１１５に印加される増幅器又はバッファ付きバージョンのオフセット信号を生成する。

アーマチュア制御システム内のオフセット信号の全体的な効果は、いくつかの状況において、可動アーマチュア１０５を所望の「ゼロ」位置に強制的に戻すことである。誘導位置センサアセンブリは、アーマチュア１０５の軸方向変位又は動きを繰り返し検出し、仮に後者が「ゼロ」位置から離れる場合、アーマチュアを指定されたゼロ位置に戻すために、適切な位相及びレベルで、制御システムは、電機子コイル１１５への増幅又はバッファされたオフセット信号を生成する。アーマチュア制御システムのフィードバック制御ループにより、振動試験装置１００は、結合されたアーマチュア１０５及びペイロード（振動試験中の装置又は部品）の慣性／負荷を補償することができる。制御システムは、上記の点Ａのところで説明したように、可動アーマチュア１０５の特定の軸方向位置を、例えば、故意に「ゼロ」位置からオフセットするように設定するように構成されてもよい。

図２は、本発明の振動試験装置１００又はシステムの一実施形態による、誘導位置センサアセンブリの振動アーマチュア構造１０５及びシェーカーフレーム又はシャーシ１０５ａへの取り付けを示す概略的な垂直断面図である。誘導位置センサアセンブリは、シェーカーフレーム１０５ａ又はシャーシに直接的又は間接的に取り付けられた静止又は第２の部材２３０を備える。シェーカーフレーム１０５ａ又はシャーシは、試験室の床及び壁など周囲環境の構造体に対して、本質的に静止したままでよい。誘導位置センサアセンブリは、付加的に、振動アーマチュア１０５に取り付けられた可動部材２５０又はパック２５０を備える。センサエレクトロニクスモジュール２３２は、シェーカーフレーム１０５ａ又はシャーシに取り付けられ、静止部材２３０に電気的又は光学的に結合され、少なくとも１つのアーマチュア位置信号、例えば、以下でさらに詳細に説明するように、第２の部材２３０の複数のセンサコイル又は第１の部材の受動的電磁共振器のそれぞれから得られる１つ以上の個別のコイル信号を受信する。センサエレクトロニクスモジュール２３２は、アーマチュア制御システムと一体化されてもよく、アーマチュアの軸方向位置及びアーマチュアの軸方向オフセットを示す上記の制御信号を導出するように構成されている。静止部材２３０は、アーマチュア１０４の軸方向１０７に沿って延びる長手方向軸線を有する平坦な細長いキャリアボード２３４を備える。キャリアボード２３４の好ましい実施形態において、キャリアボード２３４は、図３に関連して以下に説明するように、キャリアボード２３４に沿って互いに物理的にオフセットされた第１の励起巻線構造及び第２の励起巻線構造を備える。

キャリアボード２３４の別の好ましい実施形態において、キャリアボード２３４は、キャリアボードの長手方向軸線に沿って、重複パターン又は非重複パターンで配置された複数のセンサコイルを含む。

キャリアボード２３４は、好ましくは、アーマチュアの軸方向変位方向に直交する方向に測定して、５ｍｍを超える等少なくとも３ｍｍの距離だけシェーカーフレーム又は本体の外面から離間して取り付けられる。この間隔は、シェーカーフレーム又は本体の材料と、１つ以上のセンサコイル又は１つ以上の励磁コイル又は巻線構造の磁場との間の磁気干渉を低減させる。

キャリアボード２３４は、静止部材２３０に取り付けられ、キャリアボード２３４の略平坦な外面は、可動部材２５０の外面に面する。キャリアボード２３４の平らな外面と可動部材２５０の外面は、介在する空隙２５２によって分離され、アーマチュア１０５は、軸方向１０７に自由に振動することができる。アーマチュア１０５の軸方向１０７に直交する方向に測定される空隙２５２の高さは、例えば、３ｍｍと１５ｍｍとの間等２０ｍｍ未満でもよい。高さの制約は、好ましくは、アーマチュアの軸方向変位の最大範囲に少なくとも沿って適応しており、第１の部材と、第２の部材との間の妨げられない相対運動が保証される。

可動部材２５０の一実施形態において、可動部材２５０は、受動又は非給電共振回路を備え、回路は１つ以上のコンデンサに結合されて所定の共振周波数を与えるコイル又はインダクタ（図示せず）を有する。第１の部材は、別個のコイル部品を支持するか又は受動コイルを形成する一体的に形成された導体パターンを含むプリント回路基板（ＰＣＢ）等の実質的に平坦なキャリアボードを含むことができる。受動コイルは、ＰＣＢワイヤ又はトレースとして形成された複数の巻線を備えることができる。したがって、受動コイルを含む第１の部材は、業界標準のプリント回路基板製造技術、材料及び部品を使用して、比較的低コストで製造されてもよい。受動共振回路の共振周波数は、前述の理由のために、約４ＭＨｚのような、１ＭＨｚと１０ＭＨｚとの間にある。可動部材のキャリアボードは、好ましくは、アーマチュアの軸方向変位方向に直交する方向に測定した場合、１０ ｍｍを超える等少なくとも５ ｍｍの距離だけアーマチュア１０５の外面から離間して取り付けられる。この間隔は、透磁性材料を含むアーマチュア材料と、受動コイルの磁場との間の磁気干渉を軽減させる。

センサエレクトロニクスモジュール２３２は、ソフトウェアでプログラム可能なマイクロプロセッサ（図示せず）等のデジタルプロセッサを含み、例えば、デジタル信号プロセッサを含む。マイクロプロセッサは、センサモジュール２３２のハウジング内に搭載された組み込みコンピューティングボード又はサブシステムの一部を形成することができる。マイクロプロセッサは、アーマチュア制御システムの一部として、アプリケーションプログラム又はソフトウェア部品を実行するように構成されてもよい。アプリケーションプログラム又はソフトウェア部品は、複数のセンサコイルのそれぞれによって生成された前述のコイル信号を検出、デジタル化及び処理するように構成され、アーマチュア制御システムの他の部品へのこれらの信号の便利な伝送のために、例えば、上述のようにデジタル符号化されたフォーマットで位置信号及び／又はオフセット信号を生成する。アプリケーションプログラム又はソフトウェア部品は、一組のマイクロプロセッサ実行可能プログラム命令を備える。磁気ディスクドライブ又は固体メモリ、例えばフラッシュメモリーなどの不揮発性メモリデバイス内の振動試験装置１００の動作中に、中間ノード１１２のデジタルプロセッサは、位置信号及び／又オフセット信号を記録又はロギングするように構成される。

図３は、誘導位置センサアセンブリの第２の部材のキャリアボード２３４の好ましい実施形態を示す。キャリアボード２３４は、好ましくは、シェーカフレーム（図４の１０５ａ）に固定して取り付けられる。キャリアボード２３４は、好ましくは、プリント回路基板（ＰＣＢ）を備える。キャリアボード２３４が適切に、シェーカーフレーム上に取り付けられている場合、キャリアボード２３４は、Ｌ軸矢印によって示されるように、アーマチュアの軸方向変位方向に延びる長手方向軸線を有する平面、平坦、及び細長い長方形の外面形状を有してもよい。長方形のキャリアボード２３４は、１００ｍｍから２５０ｍｍの間の長さと、長さの１／５から１／１０との間の幅を有する。長方形のキャリアボード２３４の平面外面３０３は、第１の励起コイル又は巻線構造３１１ａを備える。第１の励起コイル又は巻線構造３１１ａは、例えば、導電性のプリント回路基板材料、例えば、銅で形成されたワイヤトレースとして、キャリアボードと一体的に形成することができる。基板のコネクタ部３０５のキャリアボード２３４の近位部から、キャリアボード２３４の反対側の遠位部又は端部へ、第１の励起コイル又は巻線構造３１１ａは、基板の長手方向軸線に沿って延びる複数の図「８」のような巻線パターンを複数回巻回している。Ｌ０で示される様に、第１の励起コイルの対向する最も外側のワイヤ部分又は部分の間の距離は、キャリアボード２３４のＬ軸線に沿って測定されるように、例えば１２０ｍｍから２２０ｍｍのような、５０ｍｍより大きくても、１００ｍｍより大きくてもよい。距離は、特定の動力学的シェーカーのアーマチュアの最大軸方向変位範囲に依存して変化し得る。第１の励起コイル構造の巻線のパターン形成のような図「８」は、長手方向軸線に沿って、可動部材２５０のキャリアに取り付けられた前述の受動的電磁共振器へ、変化する電磁結合を提供する。したがって、第１の励起巻線構造３１１ａによって放射される電磁場に応答して、受動的電磁共振器により出力された共振器信号は、第２の部材のキャリアボード２３４に沿った位置の関数として、変化する。キャリアボード２３４の長手方向軸線に沿った受動的電磁共振器の前述したコイルの長さは、好ましくは、ずっと小さく、例えば、第１の励起巻線構造３１１ａの対向する最も外側のワイヤ部分又は部分の間の上述の距離よりも１／１０小さい。

共振器信号は、好ましくは無線信号伝送を含む好適な磁気又は電磁送信又は結合メカニズムを介して、センサエレクトロニクスモジュール２３２の検出回路に戻って結合されても良い。そのような実施形態の１つは、受動的電磁共振器のコイルから第２の部材のキャリアボード２３４の上又は中に配置された専用の結合巻線への磁気結合を利用する。専用の結合巻線は、例えば、キャリアボード２３４の周縁部に配置され、第１及び第２の励起巻線構造を取り囲んでもよい。検出回路は、専用の結合巻線に電気的に接続され、共振器信号を受信し、制御信号を引き出す。

長方形のキャリアボード２３４は、付加的に、第２のオプションの励磁コイル又は巻線構造３１１ｂを備える。第２の励起巻線構造３１１ｂは、第１の励起巻線構造３１１ａと重なり、巻線構造３１１ｂが見えるように図示されている。しかしながら、第２の励起巻線構造３１１ｂは、実際には、第１の励起巻線構造３１１ａとは異なるキャリアボード２３４の異なる面又は異なる層に配置される。第２の励起巻線構造３１１ｂは、図示のように、キャリアボード２３４のＬ軸線に沿って第１の励磁巻線３１１ａに対して物理的にオフセットされている。この物理的オフセットは、図「８」の１つのパターン化された巻線セクションの１／４に対応する。第２の励起巻線構造３１１ｂは、寸法、形状、材質などの面で、第１の励起巻線構造と実質的に同一であってもよい。

キャリアボード２３４のコネクタ部３０５は、第１及び第２の励磁巻線３１１ａ、３１１ｂのそれぞれに電気的に接続された複数の導電コイル結合端子３０９ａから３０９ｄを含む。コネクタ部３０５を使用して、第１及び第２のコイル励起信号をそれぞれ第１及び第２の励磁巻線３１１ａ、３１１ｂに結合して、これらの巻線に対応する電磁場を発生させる。第１及び第２のコイル励起信号は、誘導位置センサアセンブリの前述したセンサエレクトロニクスモジュール２３２内の１つ又は複数のプログラム可能な高周波信号発生器によって生成することができる。当業者であれば、第１及び第２の励磁巻線３１１ａ、３１１ｂにそれぞれ印加された第１及び第２のコイル励起信号それぞれの周波数は、可動部材２５０のキャリアに取り付けられた受動的電磁共振器の前述した所定の共振周波数と同一であっても、少なくとも近接していてもよいことを理解するであろう。

誘導位置センサアセンブリのいくつかの実施形態において、第１及び第２の励磁巻線３１１ａ、３１１ｂによって放射されるそれぞれの電磁場に応答して、受動的電磁共振器によって生成される第１及び第２の共振器信号間の振幅差及び／又は位相差は、アーマチュアの軸方向位置を示す１つ又は複数の制御信号を導出するために、センサエレクトロニクスモジュール２３２の検出回路によって利用される。本発明のいくつかの実施形態は、特許公報Ｓａｇｅｎｔｉａ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｌｉｍｉｔｅｄの米国特許出願公開第２０１１／０１０９３０３（Ａ１）号明細書に開示されているパターニングされた励磁コイル及び受動的電磁共振器に基づいて、誘導位置検出機構、機能、及び回路を組み込むことができる。

図４は、誘導位置センサアセンブリの部品が、振動試験装置１００又はシステムの前述した部品／構造体にどのように取り付けられるかを示す透視斜視図である。軸方向に変位可能なアーマチュア１０５の円筒構造は明らかである。

Claims (16)

1. シェーカーフレーム及びペイロード支持構造を有するアーマチュアを備える動力学的シェーカーであって、前記アーマチュアは、前記動力学的シェーカーに供給される励振信号又は振動信号に従って、前記シェーカーフレームに対して軸方向に変位可能又は振動可能な、動力学的シェーカーと、
   前記アーマチュアに取り付けられた第１の部材及び前記シェーカーフレームに取り付けられた第２の部材を備える誘導位置センサアセンブリであって、前記アーマチュアの軸方向における、前記第１の部材及び前記第２の部材の間の変位依存電磁結合に基づいて、前記アーマチュアの軸方向位置を示す少なくとも１つの制御信号を生成するように構成される、誘導位置センサアセンブリと、
   前記少なくとも１つの制御信号に基づいて、前記アーマチュアの軸方向変位を制御するように構成されたアーマチュア制御システムと、
   を備えるペイロードを振動させるための振動試験装置。
2. 第２の部材は、キャリアボードに取り付けられた、又は前記キャリアボード上に一体化された１つ以上のセンサコイルを備える前記キャリアボードを備え、
   前記第１の部材は、前記キャリアボードの前記１つ以上のセンサコイルに磁場を印加するための磁場発生器を備え、前記磁場発生器は、１００ｋＨｚと１０ＭＨｚの間、より好ましくは５００ｋＨｚと２ＭＨｚとの間の励起周波数などの所定の励起周波数を有する交流電磁場を生成するように構成された交流電圧又は交流電流源を備え、
   前記アーマチュア制御システムは、前記第１の部材と前記第２の部材との間の前記軸方向の相対変位に応答して、前記キャリアボードの前記１つ以上のセンサコイルによって生成されたコイル信号のレベル変化又は位相変化を検出するように構成される、請求項１に記載の振動試験装置。
3. 前記第２の部材は、所定の励起周波数で電磁場を放射する第１の励起コイルを備えるキャリアボードを備え、前記第１の部材は、受動的電磁共振器を備える、請求項１に記載の振動試験装置。
4. 前記受動的電磁共振器は、共振器コイル及び、前記受動コイルに電気的に接続され、所定の共振周波数、例えば約４ＭＨｚなどの１ＭＨｚから１０ＭＨｚの所定の共振周波数を有する共振回路を形成する少なくとも１つのコンデンサを備える、請求項３に記載の振動試験装置。
5. 前記第１の部材は、前記共振器コイルの複数の巻線を備える一体的に形成された導体パターンを備えるプリント回路基板などの実質的に平坦なキャリアボードを備える、請求項４に記載の振動試験装置。
6. 前記第２の部材の前記キャリアボードは、前記アーマチュアの前記軸方向変位方向に延びる長手方向軸線を有する平面の細長い輪郭を有し、
   前記第１の励起コイルは、前記キャリアボードの前記長手方向軸線に沿ってパターニングされ、前記長手方向軸線に沿って、変化する電磁結合を前記受動的電磁共振器に提供する、請求項３から５の何れか一項に記載の振動試験装置。
7. 前記第１の励起コイルによって放射された前記電磁場に応答して、前記受動的電磁共振器によって生成された共振器信号に基づいて、前記誘導位置センサアセンブリは、前記アーマチュアの前記軸方向位置を示す前記少なくとも１つの制御信号を生成するように構成される、請求項６に記載の振動試験装置。
8. 前記第１の励起コイルの対向する最も外側のコイル部分の間の、前記第２の部材の前記キャリアボードの前記長手方向軸線に沿って測定された距離は、１００ｍｍより大きい等５０ｍｍより大きい、請求項６又は７に記載の振動試験装置。
9. 前記第１の励起コイルの前記対向する最も外側のコイル部分の間の前記距離は、前記アーマチュアの最大軸方向変位範囲を超える、請求項８に記載の振動試験装置。
10. 前記第１の部材は、前記アーマチュアの前記軸方向変位方向に直交する方向に測定したとき、少なくとも５ｍｍの距離だけ、前記アーマチュアの外面から離間する、請求項１から９の何れか一項に記載の振動試験装置。
11. 前記第２の部材及び前記第１の部材は、空隙により分離されており、
    前記アーマチュアの前記軸方向変位方向に直交する方向に測定された前記空隙の高さは、少なくとも前記アーマチュアの最大軸方向変位範囲に沿って、２０ｍｍより小さく、例えば、３ｍｍと１０ｍｍの間である、請求項１から１０の何れか一項に記載の振動試験装置。
12. 前記第２の部材の前記キャリアボードは、それぞれの導電線パターンによってプリント回路基板内に又はその上に一体的に形成される前記第１の励起コイル又は前記１つ以上のセンサコイルを有する前記プリント回路基板を備える、請求項１から１１の何れか一項に記載された振動試験装置。
13. 前記第２の部材の前記キャリアボードは、前記キャリアボードの前記長手方向軸線に沿って前記第１の励起コイルに対して物理的にオフセットされた第２の励磁コイルを備え、前記第２の励磁コイルは、前記キャリアボードの前記長手方向軸線に沿ってパターニングされ、前記長手方向軸線に沿って、変化する電磁結合を、前記受動的電磁共振器に提供する、請求項６から１２の何れか一項に記載の振動試験装置。
14. 前記誘導位置センサアセンブリは、
    前記アーマチュアの前記軸方向変位方向における、前記アーマチュアの瞬間的な位置を示す第１の制御信号、及び
    前記アーマチュアの前記軸方向に沿った前記アーマチュアの静止又はゼロ位置に対する、前記アーマチュア位置のオフセットを示す第２の制御信号、
    を生成するように構成される、請求項１から１３の何れか一項に記載の振動試験装置。
15. 振動試験装置の変位可能なアーマチュアの軸方向変位又は軸方向位置を検出する方法であって、
    ａ）誘導位置センサアセンブリの第１の部材を、前記変位可能なアーマチュアに取り付け、
    ｂ）前記誘導位置センサアセンブリの第２の部材をシェーカーフレームに取り付け、
    ｃ）アーマチュア励起信号を前記変位可能なアーマチュアの可動コイルに印加し、前記アーマチュアを前記シェーカーフレームに対して軸方向に変位又は振動させ、
    ｄ）前記第１の部材及び前記第２の部材の間の変位依存電磁結合を介して、前記変位可能なアーマチュアの軸方向位置を示す少なくとも１つの制御信号を生成し、
    ｅ）前記少なくとも１つの制御信号に基づいて、前記変位可能なアーマチュアの瞬時軸方向位置を検出する、
    ことを含む方法。
16. 請求項１５に記載のアーマチュアの軸方向変位又は位置を検出する方法であって、更に、
    ｆ）所定の励起周波数の交流励磁電圧を、前記第１の部材に取り付けられた第１の励起コイルに供給し、前記第１の励起コイルから電磁場を生成及び放射し、
    ｈ）前記放射された電磁場を介して、前記第１の部材に取り付けられた受動的電磁共振器に、共振器信号を誘導し、
    ｇ）前記共振器信号から前記少なくとも１つの制御信号を導出する、
    ことを含む方法。