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技術 ターボ機械における可変ピッチのステータベーンの段を制御するためのシステム

出願人 サフラン・エアクラフト・エンジンズ
発明者 ミシエル・ブリユ
出願日 2006年5月16日 (11年5ヶ月経過) 出願番号 2006-136073
公開日 2006年11月30日 (10年10ヶ月経過) 公開番号 2006-322456
状態 特許登録済
技術分野 ガスタービン、高圧・高速燃焼室 非容積形ポンプのケーシング 非容積形ポンプの構造
主要キーワード ピッチ関係 従動クランク 公称ピッチ 同期バー 従動リング ピボット部材 ガイド要素 制御リング

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図面 (5)

課題

複雑さに関係なく任意タイプベーンピッチ関係を提供することが可能な制御システムを提案する。

解決手段

ターボ機械可変ピッチステータベーン14、14’の2つの段10、10’を制御するための制御システムであって、ケーシング12に旋回可能に取り付けられるリーダ部材26を介して、一方の段10の制御リング22を回転させるための駆動要素24と、駆動要素24によって駆動されるリング22の回転運動を、ケーシングに旋回可能に取り付けられる従動部材26’を介して他方の段10’の制御リング22’に伝えるための同期バー30と、従動部材26’と従動リング22’との間に挿置される追加ピボット部材44とを備え、追加のピボット部材は、従動部材26’に旋回可能に取り付けられ、かつケーシングに固着されるスロット48内をスライドするホイール46によってケーシング12に連結される。

背景

ターボ機械において、ターボ機械の運転速度に応じて、圧縮部を通過するガスの流れ方向および流量を調整するために、ステータベーンの1つ以上の段を使用することが知られている。このような各ステータベーンの段は、ベーンステータ連結するそれぞれのピンを中心として旋回させることができる、複数のベーン(可変ピッチベーンとして知られている)を備え、ベーンのピッチ角が、ターボ機械の運転速度に応じて変更されることができる。

可変ピッチベーンの段を制御するための知られている装置は、一般に、ターボ機械のケーシング取り巻いているリングの形をしている制御部材と、複数のリンクまたはレバーとを備え、各リンクは、ヒンジを介して制御リングに連結される第1の端部と、それぞれのベーンのピボット取り付けられる第2の端部とを有する。駆動アクチュエータが、ターボ機械の軸を中心として制御リングを回転させるために、制御リングに連結される。リングがターボ機械軸を中心にして回転すると、段のすべてのベーンが、それらの角位置を同時に変化させる。

可変ピッチのベーンの軸方向にずれている2つの段が、同期的方法によって制御されることになると、駆動アクチュエータによって駆動されるリングから、別の段の制御リングまで回転運動を伝えるために、同期バーを使用することもまた知られている。ターボ機械のケーシングに旋回可能に取り付けられ、かつ最初に同期バーに、そして次にそれぞれの制御リングに連結されるベルクランクを介して、この運動が伝えられる。

その制御システムは、リーダ段(leader stage)におけるベーンのピッチ角に応じて、従動段におけるベーンのピッチ角を描く曲線の形で示されることができる、様々な被制御段における運動を発生させる。上記のタイプの制御システムによって、「相関」曲線と呼ばれるこのような曲線は、変動するが漸進するだけである傾斜を示すことができる。このようにして、そのタイプの制御システムは、簡潔な方法でだけベーン段を制御するために使用されることができる。

しかしながら、ベーンのピッチの必要な制御関係を制御する空力要件が、より複雑になりつつあり、より頻繁になっている。このような制御は、変動が、もはや単に漸進する傾斜であるだけでなく、形状において正弦波と同様の曲線状の部分を含む、相関曲線をもたらす。

文献欧州特許第0909880号明細書は、非線型の制御関係を得ることのできる可変ピッチ装置を記載している。その装置において、リーダ段の各リンクが、溝および溝内をスライドするスタッドを有する連結部を介して、対応する制御リングに連結される。それでもやはり、いかなる種類の制御関係をも再現することが出来ないため、その制御システムは、満足できるものではない。
欧州特許第0909880号明細書

概要

複雑さに関係なく任意のタイプのベーンのピッチ関係を提供することが可能な制御システムを提案する。ターボ機械の可変ピッチのステータベーン14、14’の2つの段10、10’を制御するための制御システムであって、ケーシング12に旋回可能に取り付けられるリーダ部材26を介して、一方の段10の制御リング22を回転させるための駆動要素24と、駆動要素24によって駆動されるリング22の回転運動を、ケーシングに旋回可能に取り付けられる従動部材26’を介して他方の段10’の制御リング22’に伝えるための同期バー30と、従動部材26’と従動リング22’との間に挿置される追加ピボット部材44とを備え、追加のピボット部材は、従動部材26’に旋回可能に取り付けられ、かつケーシングに固着されるスロット48内をスライドするホイール46によってケーシング12に連結される。

目的

したがって、本発明の主要な目的は、その複雑さに関係なく、任意のタイプのベーンのピッチ関係を提供することが可能な制御システムを提案することによって、これらの欠点を軽減することである。

効果

実績

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請求項1

ターボ機械における可変ピッチステータベーン(14、14’)の2つの段(10、10’)を制御するための制御システムであって、各段(10、10’)が、ターボ機械のケーシング(12)に各々旋回可能に取り付けられる複数のベーン(14、14’)と、ケーシングを取り巻き、それぞれのレバー(18、18’)を介して段のベーン(14、14’)のそれぞれに連結される制御リング(22、22’)とから形成され、制御システムが、ケーシング(12)に旋回可能に取り付けられるリーダ部材(26)を介して、一方の段(10)の制御リング(22)を回転させるための駆動要素(24)と、駆動要素(24)によって駆動される制御リング(22)の回転運動を、ケーシングに旋回可能に取り付けられる従動部材(26’)を介して他方の段(10’)の制御リング(22’)に伝えるための同期バー(30)とを含み、前記制御システムが、従動部材(26’)と従動リング(22’)との間に挿置される追加ピボット部材(44)をさらに備え、前記追加のピボット部材が、従動部材(26’)に旋回可能に取り付けられ、かつケーシングに固着されるスロット(48)内をスライドするホイール(46)によってケーシング(12)に連結されていることを特徴とする、制御システム。

請求項2

スロット(48)が、所望ピッチ関係公称ピッチ関係との間の行路差補正するように定められる形状および方向を呈する、請求項1に記載の制御システム。

請求項3

追加のピボット部材(44)が、第1の制御ロッド(32’)を介して従動リング(22’)に連結される第1のアーム(50)と、前記ホイール(46)を介してケーシング(12)に連結される第2のアーム(52)とを有する、請求項1または2に記載の制御システム。

請求項4

従動部材(26’)が、追加のピボット部材(44)に旋回可能に連結される第1のアーム(36)と、同期バー(30)の一端部に連結される第2のアーム(40)とを有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の制御システム。

請求項5

リーダ部材(26)が、第2の制御ロッド(32)を介してリーダ段(10)の制御リング(22)に連結される第1のアーム(34)と、従動部材(26’)に連結される端部と反対側の同期バー(30)の端部に連結される第2のアーム(38)と、駆動要素(24)に連結される第3のアーム(42)とを有する、請求項4に記載の制御システム。

技術分野

0001

本発明は、ターボ機械における可変ピッチベーンの段を制御する一般分野に関する。

背景技術

0002

ターボ機械において、ターボ機械の運転速度に応じて、圧縮部を通過するガスの流れ方向および流量を調整するために、ステータベーンの1つ以上の段を使用することが知られている。このような各ステータベーンの段は、ベーンステータ連結するそれぞれのピンを中心として旋回させることができる、複数のベーン(可変ピッチベーンとして知られている)を備え、ベーンのピッチ角が、ターボ機械の運転速度に応じて変更されることができる。

0003

可変ピッチベーンの段を制御するための知られている装置は、一般に、ターボ機械のケーシング取り巻いているリングの形をしている制御部材と、複数のリンクまたはレバーとを備え、各リンクは、ヒンジを介して制御リングに連結される第1の端部と、それぞれのベーンのピボット取り付けられる第2の端部とを有する。駆動アクチュエータが、ターボ機械の軸を中心として制御リングを回転させるために、制御リングに連結される。リングがターボ機械軸を中心にして回転すると、段のすべてのベーンが、それらの角位置を同時に変化させる。

0004

可変ピッチのベーンの軸方向にずれている2つの段が、同期的方法によって制御されることになると、駆動アクチュエータによって駆動されるリングから、別の段の制御リングまで回転運動を伝えるために、同期バーを使用することもまた知られている。ターボ機械のケーシングに旋回可能に取り付けられ、かつ最初に同期バーに、そして次にそれぞれの制御リングに連結されるベルクランクを介して、この運動が伝えられる。

0005

その制御システムは、リーダ段(leader stage)におけるベーンのピッチ角に応じて、従動段におけるベーンのピッチ角を描く曲線の形で示されることができる、様々な被制御段における運動を発生させる。上記のタイプの制御システムによって、「相関」曲線と呼ばれるこのような曲線は、変動するが漸進するだけである傾斜を示すことができる。このようにして、そのタイプの制御システムは、簡潔な方法でだけベーン段を制御するために使用されることができる。

0006

しかしながら、ベーンのピッチの必要な制御関係を制御する空力要件が、より複雑になりつつあり、より頻繁になっている。このような制御は、変動が、もはや単に漸進する傾斜であるだけでなく、形状において正弦波と同様の曲線状の部分を含む、相関曲線をもたらす。

0007

文献欧州特許第0909880号明細書は、非線型の制御関係を得ることのできる可変ピッチ装置を記載している。その装置において、リーダ段の各リンクが、溝および溝内をスライドするスタッドを有する連結部を介して、対応する制御リングに連結される。それでもやはり、いかなる種類の制御関係をも再現することが出来ないため、その制御システムは、満足できるものではない。
欧州特許第0909880号明細書

発明が解決しようとする課題

0008

したがって、本発明の主要な目的は、その複雑さに関係なく、任意のタイプのベーンのピッチ関係を提供することが可能な制御システムを提案することによって、これらの欠点を軽減することである。

課題を解決するための手段

0009

この目的を達成するために、本発明は、ターボ機械における可変ピッチのステータベーンの2つの段を制御するためのシステムを提供し、各段は、ターボ機械のケーシングにそれぞれ旋回可能に取り付けられる複数のベーンと、ケーシングを取り巻き、それぞれのレバーを介して段の各ベーンに連結される制御リングとから形成され、制御システムは、ケーシングに旋回可能に取り付けられるリーダ部材を介して、一方の段の制御リングを回転させるための駆動要素と、駆動要素によって駆動される制御リングの回転運動を、ケーシングに旋回可能に取り付けられる従動部材を介して他方の段の制御リングに伝えるための同期バーとを含み、制御システムは、従動部材と従動リングとの間に挿置された追加ピボット部材をさらに備え、この追加のピボット部材は、従動部材に旋回可能に取り付けられ、かつケーシングに固着されたスロット内をスライドするホイールによってケーシングに連結されることを特徴とする。

0010

「従動リング」という用語は、従動部材からの駆動をうけて回転する制御リングを意味するために使用される。

0011

本発明の有利な配置において、スロットは、所望のピッチ関係と公称ピッチ関係との間の行路差補正するように定められる形状および方向を呈する。追加のピボット部材を含まない従来の制御システムによって、漸進する傾斜の相関曲線が得られるピッチ関係を含めるために、「公称ピッチ関係」という用語が使用される。

0012

追加のピボット部材は、公称ピッチ関係に対する行路差のみを考慮する差動ガイド要素を構成する。換言すれば、本発明のシステムにおけるホイールは、所望のピッチ関係と公称ピッチ関係との間に存在する差異を調整することのみ必要とする。その結果、制御システムによって、従来の制御システムを使用して得られることができないベーンのピッチ関係を得ることができる。

0013

本発明の別の有利な規定によれば、追加のピボット部材は、第1の制御ロッドを介して従動リングに連結される第1のアームと、前記ホイールを介してケーシングに連結される第2のアームを有する。

0014

さらに別の有利な規定によれば、従動部材は、追加のピボット部材に旋回可能に連結される第1のアームと、同期バーの一端部に連結される第2のアームとを有する。その構成において、リーダ部材は、第2の制御ロッドを介してリーダ段のリングに連結される第1のアームと、従動部材に連結される端部と反対側の同期バーの端部に連結される第2のアームと、駆動要素に連結される第3のアームとを有する。

0015

本発明の別の特徴および利点は、特徴を限定することなく実施形態を示す添付図面を参照して、以下の記述により明らかになる。

発明を実施するための最良の形態

0016

図1は、たとえばターボ機械の圧縮機に属する可変ピッチベーンの2つの段10および10’の部分を示す。圧縮機は、ターボ機械の軸X−Xの中心に置かれる環状のステータケーシング12(またはシュライド)を備える。ベーンの段10および10’は、互いに軸方向にずれている。

0017

各段は、ターボ機械の軸X−Xを中心として径方向に配置される複数のベーン14および14’を備える。ベーン14および14’は、ケーシング12を貫通するそれぞれのピン16および16’(またはピボット)を中心に旋回するように取り付けられる。

0018

可変ピッチベーン14および14’の各ピン16および16’は、制御レバーまたはリンク18および18’の一端部に連結され、制御レバーまたはリンク18および18’の他端部は、制御リング22および22’から径方向に突出するピン20および20’を中心にヒンジで留められる。

0019

制御リングは、ケーシング12を取り囲み、ターボ機械の軸X−Xの中心に置かれる。その結果、ベーン14および14’の角位置は、ターボ機械の軸X−Xを中心にそれぞれの制御領域22および22’を、同期した方法で回転させることにより変更される。

0020

本発明のシステムは、ターボ機械の軸X−Xを中心に制御リング22および22’が、同期した方法で回転することを制御するように作用する。本発明のシステムは、アクチュエータタイプの駆動要素24を備え、この駆動要素24は、ケーシング12に固着され、ターボ機械のケーシング12の支持部28に旋回可能に取り付けられるベルクランクタイプのリーダ部材26を介して、一方の段10の制御リング22を回転させる。

0021

同期バー30は、アクチュエータ24(リーダリングと呼ばれる)によって駆動されるリング22の回転運動を、ケーシング12の支持部28に同様に旋回可能に取り付けられるベルクランクタイプの従動部材26’を介して、別の段10’のリング22’(従動リングと呼ばれる)に伝えるように作用する。

0022

ターンバックルタイプの制御ロッド32および32’は、駆動クランク26および従動クランク26’からの運動を、リング22および22’に伝えるように作用する。これらのロッドは、連結フォーク27および27’を介して固着されるリングに対して接線方向に延びる。それらの反対端部では、ロッド32および32’は、リーダクランク26および従動クランク26’のそれぞれのアーム(または分岐部)34および36に固着され、そこにヒンジで留められる。

0023

制御システムの同期バー30は、リーダクランク26および従動クランク26’の2つの別のアーム38および40それぞれを結合し、そこにヒンジで留められる。アクチュエータ24は、ロッド32が固着されているアーム34と反対側のリーダクランク26の第3のアーム42にヒンジで留められる。

0024

本発明の制御システムは、また、従動部材26’と従動リング22’との間に挿置される、追加のピボット部材44(あるいは追加のクランク)も含む。追加のクランクは、従動クランク26’に旋回可能に取り付けられ、ケーシングに固着されるスロット48内でスライドするホイール46によって、ケーシング12に連結される。

0025

より正確には、追加のクランク44は、第1のアーム50を有し、第1のアーム50は、従動リング22’のための制御ロッド32’にヒンジで留められることにより連結される一端部と、従動部材26’に旋回可能に取り付けられる他端部とを備える。追加のクランクは、また第2のアーム52を有し、第2のアーム52は、従動部材26’に旋回可能に取り付けられる一端部と、ホイール46に取り付けられる反対側の端部とを備える。追加のクランクの第1のアーム50および第2のアーム52は、互いに固定されている。換言すれば、これら2つのアーム50および52の間の角度は、一定であり不変である。ホイール46は、ターボ機械のケーシング12に固着される支持部54にある所定の行路追従するスロット48内でスライドする。

0026

図2Aおよび図2Bに示されるように、制御システムが、以下のように動く。すなわち、アクチュエータ24を作動させることにより、リーダクランク26が回転し、その結果、従動クランク26’が同期バー30を介して回転する。クランク26および26’が、それぞれのピボットを中心としてケーシング12上で回転するとき、クランクは、次にそれぞれのロッド32および32’を駆動し、ついで、ターボ機械の軸X−Xを中心として一方向にあるいは他方向にリング22および22’が回転する。上述のように、リングを回転させることによって、各段10および10’のベーン14および14’の角位置が、制御レバー18および18’を介して同期した方法で変化する。

0027

さらにまた、従動クランク26’が回転することにより、追加のクランク44が、従動クランク上にあるクランク44自体のピボット軸を中心として回転する。このことにより、ホイール46がスロット48内でスライドし、したがって、ホイールが取り付けられる追加のクランク44のアーム52を動かす効果がある。この運動により、ついで、ロッド32’が連結される追加のクランクの他方のアーム50が動く。

0028

ホイール46がスライドするスロット48で定められる行路は、従動リング22’の変位を決定し、したがって、従動段10’のベーン14’に対するピッチ関係を決定することが理解される。換言すれば、スロットの形状および方向は、従動段のベーンのピッチ関係を変更し、したがって、リーダ段10のベーン14のピッチ角に応じて、従動段10’のベーン14’のピッチ角を描く相関曲線を変更する。

0029

図3を参照しつつ、以下、どのようにしてスロット48の形状および方向が予め決定されるかを記載する。この図は、相関曲線100および102、すなわち、リーダ段10のベーン14のピッチ角(度)に応じて、従動段10’のベーン14’のピッチ角(度)を描く曲線を示す。

0030

相関曲線100(実線)は、空力的要件を満たすために、これらの2つの段のベーンのピッチに適用されるべき曲線である。この曲線は複雑である、すなわち、特に、形状において正弦波に類似する曲線部分を含む。

0031

この相関曲線から始めると、漸進する傾斜を有し、適用されるべき相関曲線100に可能な限り接近する公称相関曲線102(鎖線)を選択することが可能である。このような公称曲線に基づくピッチ関係は、従動クランクおよびリーダクランクと、クランクを相互に連結している同期バーとを有する、従来の技術の知られている制御システムを使用して簡単に得られることができ、そのシステムにおいては、従動リングの制御ロッドが、従動クランクのアームのうちの1つに直接連結される。リーダクランクおよび従動部クランクの相対位置に応じて、そのタイプの制御装置は、相関曲線がいくぶん漸進的である(時には直線である)知られているピッチ関係を提供する。それらの知られている公称曲線の中で、最も近い曲線は、単に平均値算出する(グラフでまたは数値的に)だけで選択され、全体の角度範囲に適用されるべき曲線に対して最もわずかな差を有する曲線が、最も近い曲線であると考えられる。

0032

ついで、追加のクランクのためのスロットの形状および方向は、適用されることになる相関曲線100と公称相関曲線102との間の全体の角範囲にわたって存在する差eに応じて算出されるため、ホイールがこれらの差を補正する。この算出は、グラフによるまたは数値による方法によって、行われることができる。簡潔な環状円弧の形状を有するスロットが、選択された公称相関曲線と一致する、適用するための相関曲線に対応していることを理解されたい。

0033

好ましくは、追加のクランクのためのスロットの形状および方向は、追加のクランクによって支えられたホイールが、ホイールの、したがってベーンのピッチがいかなる不安定な位置にも存在しないように、円弧部上に位置しないことを保証するためのものである。

0034

したがって、本発明の制御システムは、適用される相関曲線と公称相関曲線との間の行路差のみを考慮する差動ガイド要素を含む。これにより、ピッチ関係の複雑さに関係なく、任意のタイプのピッチ関係を容易に再現可能となる。本発明の利点は、特に、カムを用いた案内装置を直接使用することにより相関曲線を得ようとせずに、その代わりとして、公称相関曲線に対する行路差だけを再現するホイールを使用することによって得るという事実にある。

0035

本発明は、適切な数の多数の同期バーを使用することにより、2つの段よりも多くのいくつかのベーン段を制御するために実施され得ることを理解されたい。選択される配置に応じて、バーは、連続している、すなわち近接したクランクを相互に連結しているか、または、共通クランクに延びるように相互に平行であってもよい。

図面の簡単な説明

0036

本発明の実施形態における制御システムの断片斜視図である。
2つの異なる位置にある図1の制御システムを示す。
2つの異なる位置にある図1の制御システムを示す。
本発明の制御システムによって得られる、考えられる1つのピッチ関係を示す相関曲線である。

符号の説明

0037

10、10’ 段
12ケーシング
14、14’ベーン
16、16’、20、20’ピン
18、18’制御レバー
22、22’制御リング
24駆動要素
26リーダ部材
26’従動部材
27、27’連結フォーク
28 支持部
30同期バー
32、32’制御ロッド
34、36、38、40、42アーム
44ピボット部材
46ホイール
48スロット
100相関曲線
102公称相関曲線

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