(57)【要約】  光ファイバブラッグ格子ＦＢＧセンサが各固定体に回転可能に設けられた回転軸により支持される回転体に設けられる。ＦＢＧセンサは回転軸に沿って延長され、一端は回転軸の一端の中心に配置される。光ファイバが固定体に設けられ、一端がＦＢＧセンサから離れてＦＢＧセンサの端部と対向するように配置される。多波長の光源から放射された光は光ファイバを通じて光ファイバとＦＢＧセンサ間の間隙を横切ってＦＢＧセンサに伝達される。ＦＢＧセンサは回転体の変形に対応する周波数の光を反射する。データ処理ユニットが反射された光を受けて、それに基づいて回転体の変形を算出する。
2007537440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定体に回転可能に設けられる回転軸により支持される回転体の異常感知装置であって、
光を放射する多波長の光源と、
前記多波長の光源に連結されて固定体に設けられる光伝送手段と、
前記回転体に設けられて、前記多波長の光源からの多波長の光を前記光伝送手段を通じて受信し、光を回転体の変形に対応する周波数で反射する光ファイバブラッグ格子と、
前記光伝送手段に連結され、前記光ファイバブラッグ格子センサから前記光伝送手段を通じて反射された光を受信して、反射された光に基づいて前記回転体の変形を算出するデータ処理ユニットと、
を備える回転体の異常感知装置。
【請求項２】
前記光ファイバブラッグ格子センサが前記回転軸に沿って延長され、前記ブラッグ格子センサの一端が前記回転体の端部中心に配置され、
前記光伝送手段が光ファイバであって、前記光伝送手段の一端が前記光ファイバブラッグ格子センサの一端の反対側に配置される、請求項１に記載の感知装置。
【請求項３】
挿入孔が前記回転軸の中心部で全体的に軸方向に沿って形成され、その内部に前記光ファイバブラッグ格子センサが引き入れられる請求項２に記載の感知装置。
【請求項４】
前記回転軸の外周面で軸方向にスロットが形成され、その内部に前記光ファイバブラッグ格子センサが嵌められ、
前記回転軸に案内孔が形成され、前記案内孔が前記スロットの端部と連通され、前記光ファイバブラッグ格子センサが引き入れられた前記回転軸の端部中心に向けて延長される、請求項２に記載の感知装置。
【請求項５】
前記回転軸に案内孔が形成され、
前記案内孔が前記回転軸の端部の隣接した周りの一点と連通され、前記光ファイバブラッグ格子センサが引き入れられた前記回転軸の端部の中心部に向かって延長される、請求項２に記載の感知装置。
【請求項６】
前記光ファイバブラッグ格子センサが通過する軸方向に形成された経路を有する支持軸をさらに備え、
前記支持軸が挿入される挿入孔が回転軸の中心部で全体的に軸方向に沿って形成される、請求項２に記載の感知装置。
【請求項７】
前記回転軸の端部と結合する収容部材をさらに備え、前記収容部材は前記光ファイバブラッグ格子センサをその内部に案内して、前記光ファイバブラッグ格子センサの端部が前記回転軸の中心に位置するようにする、請求項２に記載の感知装置。
【請求項８】
前記光ファイバブラッグ格子センサ及び前記光ファイバの対向する２端部に備えられる視準−集光手段をさらに備える、請求項２〜７のいずれか１項に記載の感知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の異常感知装置に関し、より詳細にはフライホイールやヘリコプタのロータなどのような回転体の変形などを感知するために光ファイバブラッグ格子センサを用いた回転体の異常感知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転体は、フライホイールエネルギー格納装置のフライホイール、ヘリコプタのロータまたはタービンブレードなどのように機械装置の重要な構成要素のうちの一つである。従って、回転体の状態を持続的にモニタリングして欠陥または破損の兆候を予め感知することによって予期しない事故を防止することが非常に重要である。作動中の回転体の状態をモニタリングするための一つの方法はストレイン−ゲージのようなセンサを回転体に直接設けることである。しかし、このような方法はセンサに電源を供給し、センサで回転体から離れた所に配置された制御部に信号を伝送することが難しいという問題がある。
【０００３】
現在、センサに電源を供給して制御部に信号を伝送するための方法としては回転体を支持する回転軸に設けられるスリップリングを用いるものがある。センサのケーブルはスリップリングに集まって接触する。しかし、このような構造はスリップリングのロータと固定子が一定の接触を維持しなければならない典型的な問題を有する。また、このような接触により普通摩耗及び騒音の問題が発生する。さらに、タービンのようにモニタリング対象部位が複数の部位の場合にはスリップリングの設置と配線に相当な制限が加えられる問題がある。
【０００４】
回転体をモニタリングする他の方法は信号処理装置とバッテリをセンサと共に回転体に内蔵することである。しかし、この場合、定期的なバッテリの交換が必要であるが、これは非常に煩わしい作業である。また、モニタリング装置は体積が大きいので高速回転体への設置は非常に難しい。
【０００５】
一方、回転体と隣接した所に位置した相互連結された要素にセンサを設ける間接測定方式も用いられる。例えば、回転体を支持するベアリングが設けられる加速度計やギャップセンサは回転体の振動を感知する。しかし、このような間接測定方式は振動信号と故障または破損症状間の関連性を究明して初期段階で異常を感知することが非常に難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題を解決するためのものであって、本発明の目的は設置が簡単で、作動中の回転体の異常有無を正確に感知することができる回転体の異常感知装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明は、固定体に対して回転可能に設けられる回転軸により支持される回転体の異常感知装置を提供する。異常感知装置は多波長の光を放射する光源と；光源に連結されて、固定体に装着される光伝送手段と；回転体に取り付けられて、光源から光伝送手段を通じて光の伝達を受け、回転体の変形に対応する波長の光を反射する光ファイバブラッグ格子センサと；光伝送手段と連結されて、光ファイバブラッグ格子センサから反射された光を光伝送手段を通じて伝達を受け、これに基づいて回転体の変形を算出する演算部とを含む。
【０００８】
光ファイバブラッグ格子センサは回転軸に沿って延長され、一端が回転軸の端部中心に位置する。また、光伝送手段は光ファイバであり、一端が光ファイバブラッグ格子センサに対向するように位置する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下では添付した図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の望ましい実施の形態による回転体の異常感知装置が設けられたフライホイールを示した概略図である。
【００１１】
図面に示された通り、所定の直径を有する円筒型のフライホイール１０の両端中心部には回転軸１２が結合する。回転軸１２はベアリング２８により支持されてフライホイール１０と共に回転運動をする。回転運動中、フライホイール１０の状態をリアルタイムでモニタリングするためにフライホイール１０周囲に光ファイバブラッグ格子（Fiber Bragg Grating, FBG）センサ２０が螺旋形に巻かれて備えられる。
【００１２】
ＦＢＧセンサ２０は周知の通り、一本の光ファイバ２２と光ファイバ２２に形成された複数のブラッグ格子２４を備える。光がＦＢＧセンサ２０を通過する場合、各ブラッグ格子２４はそれ自体のブラッグ条件を満たす周波数を有する光を反射するが、他の波長の光はそのまま透過させる。一般にブラッグ条件を満たす周波数は、いわゆるブラッグ周波数と称される。ＦＢＧセンサ２０の周囲温度が変わったり引張または圧縮力がＦＢＧセンサ２０に印加される場合、光ファイバ２２の屈折率や長さが変化する。従って、ブラッグ周波数も変化する。報告によれば、光ファイバに１％引張が加えられればブラッグ波長が略１２ｎｍだけ変化し、光ファイバに１％圧縮が加えられればブラッグ波長が略３２ｎｍだけ変化し、１００℃の周囲温度変化でブラッグ波長が略１．１ｎｍだけ変化する。従って、ブラッグ格子で反射される光の波長を測定することによって温度、引張、圧力または曲げなどを感知することができるようになる。
【００１３】
ＦＢＧセンサ２０の光ファイバ２２、（以下、第１光ファイバという）はフライホイール１０の外周面に（螺旋形に巻かれて）エポキシ樹脂などで接着される。光ファイバ２２は回転軸１２の中心部を軸方向に貫通して形成された貫通孔１４を通過して挿入される。光ファイバ２２の一端は回転軸１２の端部中心に位置するように延長される。通常、光ファイバ２２は特性上、その直径が非常に小さく軽量であるので、フライホイール１０と回転軸１２の回転作動には影響を及ぼさない。また、フライホイール１０にＦＢＧセンサ２０を接着した後、バランシング（balancing）工程が行われる。一方、ＦＢＧセンサ２０はフライホイール１０の最初の製造時にフライホイール１０に内設されて装着されることもある。
【００１４】
エネルギー格納装置で回転軸１２と対向するように固定装着されて離隔配置される固定体３０には光伝送手段３２（即ち、第２光ファイバ）が備えられる。第２光ファイバ３２の端部は第１光ファイバ２２の端部と整列される。第２光ファイバ３２はフライホイールエネルギー格納装置の外部に延長され、フライホイール１０の変形を算出するための演算部４０に接続される。第２光ファイバ３２を第１光ファイバ２２から所定間隙離隔させて固定体３０に備える理由は、第１光ファイバ２２がフライホイール１０及び回転軸１２と共に回転するためである。従って、演算部４０に直接接続できない。また、このような第１及び第２光ファイバ２２，３２の配列は、通常の光ファイバがそれから離隔されて配置された他の光ファイバに光信号を伝送したり伝達を受けることができる特性を有するために可能である。
【００１５】
演算部４０は、第２光ファイバ３２が連結されて多波長の光を放射して第２光ファイバ３２が連結される光源（図示せず）と；ＦＢＧセンサ２０から反射された光を受信して光を電気信号に変換する受光素子（図示せず）と；多波長の光源から放出された光を第２光ファイバ３２に通過させてＦＢＧセンサ２０から反射された光を受光素子側に送るための光カプラ（図示せず）と；受光素子から電気信号の伝達を受け、これを分析してフライホイール１０の変形を算出する分析部（図示せず）とを備える。このような演算部４０の構造及び変形感知プロセスは本発明の属する分野で通常の知識を有する者に広く公知となった技術であるので、これに関する説明は省略することにする。
【００１６】
一方、第１及び第２光ファイバ２２，３２は回転軸１２の回転時に発生する振動により第１光ファイバ２２と第２光ファイバ３２の対向する２端部が互いにくい違い信号の伝送が中断し得る。このような問題を解決するために、第１及び第２光ファイバ２２，３２の対向する２端部に視準手段（collimating means）と、集光手段（focusing means）が備えられることができる。視準−集光手段２６はグリンロッドレンズ（Gradient-Index(GRIN) Rod Lens）またはシレンズ（C-Lens）などが用いられる。グリンロッドレンズとシレンズは光学分野で公知の技術であるので、これに関する説明は省略することにする。
【００１７】
以下では、本発明による回転体の異常感知装置の作用効果を説明することにする。
【００１８】
演算部４０内の光源から放射された多波長の光は第２光ファイバ３２を経て固定体３０の端部に設けられた視準−集光手段２６を通じて平行光線に変形される。このような平行光線は固定体３０から回転軸１２にそれらの間の間隙を横切って進行する。平行光線は回転軸１２に設けられた視準−集光手段２６を通じてＦＢＧセンサ２０の第１光ファイバ２２の端部に集光される。
【００１９】
ブラッグ条件を満たす周波数の光はブラッグ格子２４から反射される。反面、それ以外の周波数を有する光はブラッグ格子を通過する。もし、フライホイール１０に変形が発生した場合には、ブラッグ格子２４も変形される。従って、ブラッグ格子２４から反射される周波数の光がブラッグ格子の変形に対応して変化するようにする。ブラッグ格子２４から反射された光は第１光ファイバを通過して回転軸１２に設けられた視準−集光手段２６により平行光線に変形される。平行光線は回転軸１２と固定体３０との間の間隙を横切って固定体３０に向かって進行する。平行光線は固定体３０に設けられた視準、集光部材２６により第２光ファイバ３２で集光され、第２光ファイバ３２を通じてデータ演算部４０の受光素子に伝達される。受光素子は伝達された光を電気信号に変換し、この信号を分析部に伝送する。分析部はこの信号に基づいてフライホイール１０の変形を算出する。
【００２０】
図２〜図５は本発明による回転体の異常感知装置でＦＢＧセンサ２０の光ファイバ２２が回転軸１２に設けられる多様な変形例を示した断面図である。
【００２１】
上記の実施形態では（図１参照）、第１光ファイバ２２が回転軸１２の中心軸に沿って回転軸の中心部に形成された貫通孔１４内に挿入される。しかし、回転軸１２の長さが相対的に長い場合には、第１光ファイバ２２が嵌入される中心部に回転軸１２の軸方向に沿って全体的に貫通孔１４を形成することは非常に難しい。この時は図２に示された通り、回転軸１２の外周面にフライホイール１０側接続点から回転軸１２の端部の隣接点までスロット１２ａが軸方向に形成される。また、案内孔１２ｂがスロット１２ａの端部と連通されて回転軸１２の端部に装着される視準−集光手段２６に延長されて形成される。従って、フライホイール１０に付着されたＦＢＧセンサ２０の第１光ファイバ２２はスロット１２ａに嵌められたり接着された状態で回転軸に沿って延長される。その後、これは案内孔１２ｂに引き入れられる。スロット１２ａにより第１光ファイバ２２とベアリング２８が相互干渉せずに、回転軸１２の円滑な回転が維持されることができる。
【００２２】
また、図３に示された通り、回転軸１２がベアリングなどにより支持されず、回転軸１２の端部に隣接した周りの一地点から視準−集光手段２６まで延長された案内孔１２ｂのみが形成された場合には、スロット１２ａ（図２ａ参照）を形成する必要がない。従って、フライホイール１０に付着されたＦＢＧセンサ２０の第１光ファイバ２２は回転軸の外周面に接着されて回転軸に沿って延長される。その後、これは案内孔１２ｂ内部に引き入れられる。
【００２３】
もし、回転軸１２にスロット１２ａや案内孔１２ｂの加工が不可能な場合には、中心点で視準−集光手段２６に装着される別途の収容部材を回転軸１２端部に結合することができる（図４に図示）。フライホイール１０に付着されたＦＢＧセンサ２０の第１光ファイバ２２は回転軸１２の外周面に接着されたままで回転軸１２に沿って延長される。その後、これは視準−集光手段２６側の収容部材１６に案内される。
【００２４】
一方、回転軸１２の長さが相当長くてベアリングにより支持される場合、第１光ファイバ２２は軸方向に回転軸１２内部を通過しなければならない。しかし、大部分硬度が大きくて強度の高い物理的特性を有する回転軸１２の内部に軸方向に（光ファイバを嵌めて引き入れるための）狭い通路を加工することは非常に難しかったり不可能である。このような問題を解決するために支持軸１８が提供される（図５に図示）。支持軸１８はプラスチックのような軟性材料で作られ、装備内部に軸方向に光ファイバ経路１９を形成する。支持軸１８にはその端部に視準−集光手段２６が設けられる。また、（支持軸１８が挟まれて挿入される）挿入孔１３が軸方向にその中心部で回転軸１２内部を貫通して形成される。結果的に支持軸１８を回転軸の挿入孔１３に挿入したり分離することによって、第１光ファイバ２２を設けたり管理することが容易になる。
【００２５】
支持軸１８の中心部に光ファイバ経路１９を形成させなければならない必要はない。その代わりに支持軸１８の外周面に光ファイバ２２が接着または挟まれることができるスロットを形成することもできる。このような場合には、別途の収容部材１６（図４参照）が回転軸の端部に結合する。
【００２６】
図６は、本発明による回転体感知装置がロータブレードに設けられたヘリコプタを概略的に示したものである。図７は、図６に示されたＦＢＧセンサとロータの装着構造を示した部分断面図である。
【００２７】
図に示された通り、ヘリコプタ５０は一般に胴体５２と、回転軸５６により胴体５２と連結される翼５４と、テールブーム５８（tail boom）と、そしてテールブレード５９（tail blade）を含む。通常、翼５４は、３つまたは４つのブレード５５を備える。
【００２８】
ＦＢＧセンサ６０の光ファイバ６２は、全てのブレード５５の表面に付着され、回転軸５６を軸方向に貫通して通過する（光ファイバ６２が挟まれて引き入れられる）挿入孔５７は中心部から回転軸を軸方向へ貫通するように形成され、光ファイバ６２の一端が回転軸５６の端部中心に配置される。ＦＢＧセンサ６０はブレード５５を製造する時、ブレード５５内部に位置する。上述したように、光ファイバ６２及び回転軸５６の設置構造は、図２〜図５を参照して多様に変形できる。
【００２９】
ヘリコプタの胴体５２内で回転軸５６に対向するように固定されて装着され、それから離れて配置される固定体７０に他の光ファイバ７２が提供される。光ファイバ７２の端部はＦＢＧセンサ６０の光ファイバ６２端部と整列される。光ファイバ７２はブレード５５の変形を算出するデータ演算部（図示せず）と連結される。
【００３０】
各ブレード５５の欠陥や故障を感知するためにブラッグ格子６４は各ブレード５５で光ファイバ６２に独立的に形成されるので、一側ブレード５５のブラッグ格子６４で反射された光周波数は他のブレード５５のブラッグ格子６４で反射された光周波数とは異なる。
【００３１】
視準−集光手段６６は回転軸５６と固定体７０の対向する２端部に設けられる。視準−集光手段６６はグリンロッドレンズ（GRIN Rod Lens）またはシレンズ（C-Lens）で具現される。
【００３２】
本実施形態の動作及び作用効果は上記の実施形態（フライホイールのエネルギー格納装置）と同一なので、ここではそれに対する説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上で詳細に説明した通り、本発明による光ファイバブラッグ格子センサを用いた回転体の異常感知装置はＦＢＧセンサの光送受信のために回転体に直接ＦＢＧセンサを設け、固定体に他の光ファイバをさらに設けて作動中に回転体の欠陥や故障を正確に感知することができる効果がある。
【００３４】
また、ＦＢＧセンサは小型及び軽量の特性を有するので、回転体の回転作動に全く影響をおよぼさず、設置が容易な効果がある。
【００３５】
本発明は、その思想や基本的特性で逸脱しない他の特定形態で具現できる。上述した実施形態は単に説明のためのものであって、本発明はそれに限定されない。従って、本発明は上述した実施形態により特定されるよりは、添付された請求項により特定される。等価の手段及び請求項の範囲内での全ての変形は本発明の範囲内に属する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の望ましい実施の形態による回転体の異常感知装置が設けられたフライホイールを示した概略図である。
【図２】本発明による回転体の異常感知装置でＦＢＧセンサの光ファイバが回転軸に設けられる第１実施形態を示した断面図である。
【図３】本発明による回転体の異常感知装置でＦＢＧセンサの光ファイバが回転軸に設けられる第２実施形態を示した断面図である。
【図４】本発明による回転体の異常感知装置でＦＢＧセンサの光ファイバが回転軸に設けられる第３実施形態を示した断面図である。
【図５】本発明による回転体の異常感知装置でＦＢＧセンサの光ファイバが回転軸に設けられる第４実施形態を示した断面図である。
【図６】本発明の望ましい実施形態によるヘリコプタのロータに設けられた回転体の異常感知装置を示した概略図である。
【図７】図６に示されたＦＢＧセンサ及びロータの設置構造を示した部分断面図である。
【図１】
2007537440.tif 000003
【図２】
2007537440.tif 000004
【図３】
2007537440.tif 000005
【図４】
2007537440.tif 000006
【図５】
2007537440.tif 000007
【図６】
2007537440.tif 000008
【図７】
2007537440.tif 000009
【国際調査報告】
2007537440.tif 000010
2007537440.tif 000011