(57)【要約】  タービンエンジンの高温環境において動作するように適合された回路（１２０）が提供される。回路は、感知されたパラメータを示す電圧を受信するために、感知要素に結合された入力端子（１２４）を有する差動増幅器（１２２）を含んでもよい。ハイブリッド負荷回路（１２５）は、差動増幅器にＡＣ結合されてもよい。ハイブリッド負荷回路は、差動ペアの半導体スイッチ１２６、１２８のスイッチ（例えば、１２８）のドレイン端子に関連してＡＣ信号成分への経路を提供するように配置された抵抗容量回路（１３４）を含み、感知されたパラメータを示す電圧を受信してもよい。
2015522818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジンの高温環境において動作するように適合された回路であって、
前記タービンエンジンの構成要素のパラメータを感知し、前記感知されたパラメータを示す電圧を提供するために、前記構成要素上に配置された感知要素と、
前記感知されたパラメータを示す前記電圧を受信するために、前記感知要素に結合された入力端子を有する差動増幅器と、
前記差動増幅器にＡＣ結合されたハイブリッド負荷回路であって、前記差動増幅器および前記ハイブリッド負荷回路は、前記タービンエンジンの前記高温環境において配置される、前記ハイブリッド負荷回路と
を含むことを特徴とする回路。
【請求項２】
前記差動増幅器は、第１のペアの半導体スイッチを含み、前記ハイブリッド負荷回路は、第２のペアの半導体スイッチを含み、各ペアのスイッチは、各ドレイン、ソース、およびゲート端子を有し、前記ハイブリッド負荷回路は、前記第１のペアの半導体スイッチの前記スイッチの前記ドレイン端子に関連してＡＣ信号成分への経路を提供するように配置された抵抗容量回路をさらに含み、前記感知されたパラメータを示す前記電圧を受信することを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記抵抗容量回路は、前記第２のペアの半導体スイッチの各ゲート端子に並行回路で結合されたノードに接続されることを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項４】
前記抵抗容量回路の抵抗は、前記ノードに接続された第１のリード線および電気接地された第２のリード線を有することを特徴とする請求項３に記載の回路。
【請求項５】
前記抵抗容量回路のキャパシタは、前記ノードに接続された第１のリード線と、前記第１のペアの半導体スイッチの前記スイッチの前記ドレイン端子に接続された第２のリード線とを有し、前記感知されたパラメータを示す前記電圧を受信することを特徴とする請求項４に記載の回路。
【請求項６】
前記ハイブリッド負荷回路は、前記第２のペアの半導体スイッチのうち１つの前記スイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうち１つの前記スイッチのドレイン端子に結合された第１の抵抗をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項７】
前記ハイブリッド負荷回路は、前記第２のペアの半導体スイッチのうちもう１つの前記スイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうちもう１つの前記スイッチのドレイン端子に結合された第２の抵抗をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の回路。
【請求項８】
前記差動増幅器は、１段式差動増幅器を含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項９】
前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、補足的なペアの半導体スイッチなしの回路を含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項１０】
前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、ｎチャネル接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチを含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項１１】
前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、それぞれ高温の広バンドギャップ材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項１２】
前記高温の広バンドギャップ材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１１に記載の回路。
【請求項１３】
前記感知要素は、前記構成要素の歪みを感知するために歪みゲージを含み、前記電圧は、前記構成要素の前記感知された歪みを示すことを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項１４】
請求項１の前記回路を含むテレメトリシステム。
【請求項１５】
差動増幅器と、
前記差動増幅器にＡＣ結合されたハイブリッド負荷回路であって、前記差動増幅器および前記ハイブリッド負荷回路は、タービンエンジンの高温環境において配置され、前記差動増幅器は、第１のペアの半導体スイッチを含み、前記ハイブリッド負荷回路は、第２のペアの半導体スイッチを含み、各ペアのスイッチは、各ドレイン、ソース、およびゲート端子を有し、前記ハイブリッド負荷回路は、前記第１のペアの半導体スイッチの前記スイッチの前記ドレイン端子に関連してＡＣ信号成分への経路を提供するように配置された抵抗容量回路をさらに含み、前記感知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記ハイブリッド負荷回路と
を含むことを特徴とする回路。
【請求項１６】
前記抵抗容量回路は、前記第２のペアの半導体スイッチの前記各ゲート端子に並行回路で結合されたノードに接続されることを特徴とする請求項１５に記載の回路。
【請求項１７】
前記抵抗容量回路の抵抗は、ノードに接続された第１の端子および電気接地された第２の端子を有することを特徴とする請求項１６に記載の回路。
【請求項１８】
前記抵抗容量回路のキャパシタは、前記ノードに接続された第１のリード線と、前記第１のペアの半導体スイッチの前記スイッチのドレイン端子に接続された第２のリード線とを有し、前記感知パラメータを示す前記電圧を受信することを特徴とする請求項１７に記載の回路。
【請求項１９】
前記ハイブリッド負荷回路は、前記第２のペアの半導体スイッチのうち１つの前記スイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうち１つの前記スイッチのドレイン端子に結合された第１の抵抗をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の回路。
【請求項２０】
能動負荷回路は、前記第２のペアの半導体スイッチのうちもう１つの前記スイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうちもう１つの前記スイッチのドレイン端子に結合された第２の抵抗をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の回路。
【請求項２１】
前記差動増幅器は、１段式差動増幅器を含み、前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、ｎチャネル接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチを含むことを特徴とする請求項１５に記載の回路。
【請求項２２】
前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、それぞれ高温の広バンドギャップ材料を含むことを特徴とする請求項１５に記載の回路。
【請求項２３】
前記高温の広バンドギャップ材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮからなるグループから選択されることを特徴とする請求項２２に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、電子回路に関し、具体的には、タービンエンジンの高温環境において動作するように適合されうる回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン等のタービンエンジンは、発電プラントにおける発電機の駆動または船舶若しくは航空機を推進する等の各種用途において使用されうる。現代のガスタービンエンジンの焼成温度は、より高い燃焼効率に対する要求に応じて増加し続けている。
【０００３】
エンジンの動作パラメータを監視するために、無線テレメトリシステムにおいて使用されうるような回路を使用するのが望ましいことがある。例えば、タービン翼等のタービンの構成要素の動作温度を監視するために、またはエンジンの動作中に構成要素等にかかる動作ストレスを監視するためにそれは望ましい。本発明の実施形態は、そのような回路に関連して改善を提供する。
【０００４】
本発明は、図面を参照して以下の記載において説明される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
タービンエンジンの高温環境において動作するように適合された回路は、前記タービンエンジンの構成要素のパラメータを感知し、前記感知されたパラメータを示す電圧を提供するために、前記構成要素上に配置された感知要素と、前記感知されたパラメータを示す前記電圧を受信するために、前記感知要素に結合された入力端子を有する差動増幅器と、前記差動増幅器にＡＣ結合されたハイブリッド負荷回路であって、前記差動増幅器および前記ハイブリッド負荷回路は、前記タービンエンジンの前記高温環境において配置される、前記ハイブリッド負荷回路と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、翼の動作パラメータを監視するために無線テレメトリシステムによって使用されうる電子回路を含む例示的なタービン翼の部分等角図である。
【図２】図２は、テレメトリシステムによって使用され、本発明の実施形態を具体化する高利得差動増幅器から恩恵を受けうる例示的な歪みゲージ回路のブロック図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態を具体化するＡＣ結合されたハイブリッド負荷差動増幅器の１つの例示的な実施形態の概略図である。
【図４】図４は、１つの例示的な歪みゲージ回路に組込まれうる、本発明の実施形態を具体化する１段式差動増幅器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の例示的な実施形態は、テレメトリシステムを搭載したタービンエンジン等の内燃エンジンで使用されうる１つの例示的な用途において、電子回路に向けることができる。この例示的な用途は、例えば略３００℃を超過する温度を有する環境において動作しうる特定の電子回路を有する、回転可能なタービンエンジン翼等の可動構成要素からセンサデータを送信することを可能にしうる。
【０００８】
本明細書の開示目的のため、追加的な限定のない用語「高温」環境は、略３００℃を超過する最大動作温度を有する、タービンエンジンの部分内等、任意の動作環境に言及しうる。本発明の実施形態は、本発明の実施形態を具体化する回路が高温ではない環境において同様に有効に使用されうるので、高温環境に限定される必要はないことが分かる。
【０００９】
図１は、無線テレメトリ送信部２４およびアンテナ部２６を含みうる、例示的なテレメトリシステムを搭載しうるタービン翼２０（断片的に示される）を示す。リード線またはコネクタ２８は、翼の付根２２に近接して取り付けられ、各種テレメトリ送信回路を含みうる、センサ３０等の１つまたは複数のセンサからテレメトリ送信部２４に伸びうる。リード線２８は、信号がプロセッサによって処理されうる、テレメトリ送信部２４にセンサ３０から電子データ信号を送りうる。また、リード線または電子コネクタ３６は、テレメトリ送信回路からアンテナ部２６に電子データ信号を送るために使用されうる。
【００１０】
図２は、テレメトリシステムを搭載したタービン構成要素（例えば、タービン翼２０（図１））において使用されうる例示的な歪みゲージ回路のブロック図を示す。測定されたタービン構成要素上で生じうる歪み量を示す信号は、歪みゲージ１０１によって感知され、その信号は、差動増幅器１０２へ結合されうる。差動増幅器１０２の出力は、電圧制御発振器（ＶＣ０）１０４へ結合されてもよく、それは、周波数を有する振動信号を生成してもよく、それは、測定されたタービン構成要素上で生じる歪み量を示しうる。この振動信号は、バッファ１０５によってバッファリングされ、外部受信器（図示せず）への送信のためにアンテナ２６へ結合され、それは、搬送周波数に変化しうる。
【００１１】
図３、４および以下の関連する記載は、本発明の実施形態を具体化する回路の詳細を提供し、１つの例示的な用途において、図２で示される例として歪みゲージ回路において使用されうる。そのような例示的な用語は、限定的な意味で解釈すべきではなく、本発明の実施形態を具体化する回路が他の用途において使用されうることが分かる。
【００１２】
図３は、本発明の実施形態を具体化する回路１２０（図４でさらに示す）の１つの例示的な実施形態を示す概略図である。回路１２０は、入力端子１２４を有する差動増幅器１２２を含み、感知されたパラメータを示す電圧（例えば、歪みを示す電圧）を受信するために、感知要素（例えば、図２の歪みゲージ１０１）へ結合されうる。差動増幅器１２２は、第１のペアの半導体スイッチ１２６、１２８（例えば、差動ペアの半導体スイッチ）を含みうる。差動ペアの半導体スイッチ１２６、１２８のバイアスは、当業者によってよく知られたバイアス技術を使用して抵抗Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７およびＲ８によって構成されるブリッジ回路によって制御されうる。回路１２０はまた、ハイブリッド負荷回路１２５を含み、本発明の例示的な実施形態に従い、以下に詳述されるように、差動増幅器１２２にＡＣ結合（alternating-current  coupled）されうる。
【００１３】
ハイブリッド負荷回路１２５は、第２のペアの半導体スイッチ１３０、１３２（例えば、能動負荷のペアの半導体スイッチ）を含みうる。そのようなペアの半導体スイッチの各々は、各ドレイン端子（Ｄ）、各ソース端子（Ｓ）、および各ゲート端子（Ｇ）を有する。１つの例示的な実施形態では、第１のペアの半導体スイッチ１２６、１２８および第２のペアの半導体スイッチ１３０、１３２は、補足的なペアの半導体スイッチなしの回路を含む。１つの例示的な実施形態では、第１のペアの半導体スイッチ１２６、１２８および第２のペアの半導体スイッチ１３０、１３２は、ｎチャネル接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチでもよく、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮ等、それぞれ高温の広バンドギャップ材料を含みうる。
【００１４】
当業者であれば分かるように、ｐチャネルＳｉＣ  ＪＦＥＴは現在、その比較的低チャネル移動度に起因して実行が困難であると思われていて、差動増幅器の既知の能動負荷トポロジーは、そのようなトポロジーがｐチャネルＳｉＣ  ＪＦＥＴを含みうるので、高温用途において利用されなかった。本発明の実施形態を具体化するハイブリッド負荷回路は、ｐチャネルＪＦＥＴの必要性を有利に除去するので、そのような回路は、高温の広バンドギャップ材料であるＪＦＥＴの理論上の温度制限（例えば、５００℃より上）に達し、高利得差動増幅器を効果的に提供でき、１つの例示的な実施形態では、比較的低電圧（例えば、数ミリボルト）の電気信号を高温環境において適切に増幅するために利用されてもよく、それは、熱電対および歪みゲージ等のセンサによって生成されうる。
【００１５】
１つの例示的な実施形態では、ハイブリッド負荷回路１２５はまた、感知されたパラメータを示す電圧を受信する、差動ペアの半導体スイッチのスイッチ（例えば、スイッチ１２６）のドレイン端子に関連してＡＣ信号成分への経路（例えば、比較的高インピーダンスの経路）を提供するように配置された抵抗容量回路１３４（例えば、抵抗１４２およびキャパシタ１４０）を含みうる。回路１３４は、第２のペアの半導体スイッチ１３０、１３２の各ゲート端子に対して並行回路で結合されたノード１３６に接続される。抵抗１４２を用いて電気接地１３５に接続されるノード１３６は、半導体スイッチ１３０、１３２に対して適切なバイアスを維持するのに有効である。
【００１６】
１つの例示的な実施形態では、抵抗１４２の値は、例えば差動スイッチ１２６のドレイン端子におけるＡＣ信号成分が、スイッチ１３０、１３２のゲート端子に代えて抵抗１４２によって提供される経路に対してキャパシタ１４０を用いてＡＣ結合されうるように、スイッチ１３０、１３２の各ゲート端子における入力インピーダンスの値に対して十分低くなるように選択されてもよい。例えば、抵抗１４２に対して２ＭΩオーダの抵抗値に対してスイッチペア１３０、１３２の各ゲート端子において２０ＭΩオーダの入力インピーダンスを仮定すると、抵抗容量回路１２４は、（例えば、差動スイッチ１２６のドレインで）そのようなＡＣ信号成分に高インピーダンス経路をもたらし、これは、差動増幅器のＡＣ利得を効果的に増加することが分かる。
【００１７】
バイアス目的のために、ハイブリッド負荷回路１２５は、第２のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチ（例えば、スイッチ１３０）のソース端子から第１のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチ（例えば、差動スイッチ１２６）のドレイン端子に結合された第１の抵抗１４４を含みうる。ハイブリッド負荷回路１２５はまた、第２のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチ（例えば、スイッチ１３２）のソース端子から第１のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチ（例えば、差動スイッチ１２８）のドレイン端子に結合された第２の抵抗１４６を含みうる。スイッチ１３２のソース端子に接続されたノード１４８は、増幅された差動増幅器出力を提供する。予備実験の結果は、各々４５０℃、３００℃、および２５℃の温度において少なくとも略４７．８ｄＢ、５１．４ｄＢ、および５７．８ｄＢの差動利得の実現可能性を実証した。
【００１８】
図４は、無線テレメトリシステムに組み込まれうる、本発明の実施形態を具体化するハイブリッド負荷の１段式差動増幅器の概略図である。回路１２０は、低レベル出力センサ（例えば、歪みゲージ）からＡＣ出力信号を増幅するように配置されてもよく、回路１２０からの増幅された出力信号は、高域フィルタ１６０を介して信号調節され、電圧制御発振器１６２に送られ、それは、無線周波（ＲＦ）搬送波を変調するように構成されてもよい。本発明の実施形態を具体化する差動増幅器で得られる比較的高い利得により、多段増幅器（ＡＣ増幅器）の必要性を有利に回避でき、故に十分な信号インテグリティ（例えば、改善された信号対雑音比）だけでなくコストを徐々に低減し、システムの信頼性を高めること（例えば、少ない相互接続）が分かる。
【００１９】
本発明の各種実施形態が本明細書中に示されて説明されたが、そのような実施形態は、単なる例示によって提供されていることが分かるだろう。多数の変化、変更、および代替は、本明細書中の本発明から逸脱しないでなされうる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲および精神によってのみ限定されることが意図される。
【符号の説明】
【００２０】
１２２  差動増幅器
１２５  ハイブリッド負荷回路
１３４  抵抗容量回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2015522818.tif 000007
2015522818.tif 000008