(57)【要約】【課題】  回転体のひずみや温度等の計測を光ファイバを用いて円滑に行えるシステムを提供する。そして、光ファイバが捩れる、特殊なカップリングが必要であってコストや回転速度上の不利がある、複数の計測を同時に行うことが難しい----といった課題を解決する。【解決手段】  回転体１上の被計測個所に光反射型の光ファイバセンサ１０を取り付けるとともに同センサ１０に光ファイバ１２を接続し、当該光ファイバ１２における端面１３をその回転体１上に固定する。回転体１に隣接する非回転部分に光ファイバ２２を配置して、光源２０ａと、上記センサ１０からの反射光の検出器２０ｃとを、当該非回転部分の光ファイバ２２に接続する。そして、非回転部分の光ファイバ２２の端面２３を、回転体１上の光ファイバ１２の端面１３の周回軌道からわずかに距離をおき、当該周回軌道上の特定個所で端面１３・２３同士が対向するように固定した。【選択図】      図１
2005164326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体上の被計測個所に入射部と出射部とが異なった光ファイバセンサを取り付けるとともに同センサの入射側および出射側に光ファイバを接続し、当該光ファイバにおける同センサとは反対側の端面をその回転体上に固定する一方、
上記回転体に隣接する非回転部分に光ファイバを配置して、光源と、上記センサからの戻り光のための検出器とを当該非回転部分のそれぞれの光ファイバに接続し、
非回転部分の光ファイバの端面を、上記回転体上の光ファイバの端面の周回軌道から距離をおき、かつ、当該周回軌道上の特定個所で端面同士が対向するように固定した
ことを特徴とする回転体計測システム。
【請求項２】
回転体上の被計測個所に入射部と出射部とが同一の光ファイバセンサを取り付けるとともに同センサの入・出射部に光ファイバを接続し、当該光ファイバにおける同センサとは反対側の端面をその回転体上に固定する一方、
上記回転体に隣接する非回転部分に光ファイバを配置して、光源と、上記センサからの戻り光のための検出器とを当該非回転部分の光ファイバに接続し、
非回転部分の光ファイバの端面を、上記回転体上の光ファイバの端面の周回軌道から距離をおき、かつ、当該周回軌道上の特定個所で端面同士が対向するように固定した
ことを特徴とする回転体計測システム。
【請求項３】
光源からの光が非回転部分の光ファイバの端面からそれに対向するように回転体上に固定された光ファイバの端面に伝達される部分、ならびに光ファイバセンサからの戻り光が回転体上の光ファイバの端面からそれに対向するように非回転部分に固定された光ファイバの端面に伝達される部分のうち少なくとも一方で、両光ファイバの端面間に、両者間での光量授受量を確保するための損失防止手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の回転体計測システム。
【請求項４】
上記の損失防止手段として、非回転部分の光ファイバの端面と回転部分の光ファイバの端面との間にレンズを設けたことを特徴とする請求項３に記載の回転体計測システム。
【請求項５】
上記の損失防止手段として、非回転部分の光ファイバを、少なくとも上記端面において、それと対向する回転体上の光ファイバの端面よりも大断面にしたことを特徴とする請求項３に記載の回転体計測システム。
【請求項６】
回転体上の被計測個所に入射部と出射部とが異なった光ファイバセンサを取り付けるとともに、上記の損失防止手段として、
同センサへの入射側においては、回転体上の光ファイバの端面をそれと対向する非回転部分の光ファイバの端面よりも大きくし、および／または、同センサからの出射側においては、非回転部分の光ファイバの端面をそれと対向する回転体上の光ファイバの端面よりも大きくした
ことを特徴とする請求項３に記載の回転体計測システム。
【請求項７】
上記の損失防止手段として、非回転部分の光ファイバを、回転体上の光ファイバの端面の周回軌道に沿って複数本配置したことを特徴とする請求項３に記載の回転体計測システム。
【請求項８】
上記の損失防止手段として、非回転部分の光ファイバの一部を一対のコネクターにより分離可能なカプラを取り付けたことを特徴とする請求項３に記載した回転体計測システム。
【請求項９】
上記の損失防止手段として、非回転部分の光ファイバの端面と回転部分の光ファイバの端面との間にレンズを設けるとともに、光源からの光、あるいは光ファイバセンサからの戻り光が出射する光ファイバの端面よりも、それと対向するそれらの光を入射する光ファイバの端面をより大断面にしたことを特徴とする請求項３に記載の回転体計測システム。
【請求項１０】
上記の損失防止手段として、非回転部分の光ファイバの端面と回転部分の光ファイバの端面との間に設けるレンズに関して、非回転部分の光ファイバの端面前方にレンズを設けるか、回転体上の光ファイバの端面前方にレンズを設けるか、あるいはその両方にレンズを設けたことを特徴とする請求項３に記載の回転体計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
請求項に係る発明は、回転体に生じるひずみや応力、温度等を円滑に計測するためのシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物のひずみや温度等を計測するにあたり、センサおよび信号伝達手段として光ファイバが使用されることがある。その一例を図９に示す。
図９の例では、光ファイバでできたセンサ（光ファイバセンサ）１０に対し、計測手段２０から光ファイバ２２を介して白色光を入射させる。光ファイバセンサ１０は内部に微小なキャビティ（図示省略）を有しており、そのキャビティの長さに応じて特定の波長の光を反射する。そのセンサ１０は、被測定物に貼付されていて被測定物の伸縮や温度変化に応じて自らも伸縮してキャビティ長を変化させ、光が入射するとそのキャビティ長に応じた波長の光を反射する。そうした反射光を、光ファイバ２２を介して検出器２０ｃに送り、波長の検出等を通して種々の計測を行う。たとえば、キャビティ長と反射光の波長との対応関係から被測定物のひずみを知り、またさらには、熱膨張との関係をもとに被測定物の温度を検出すること等が可能である。なお、図９の例とは別に、光ファイバセンサの透過光（すなわち上記の反射光を除いた光）を検出器に送り、上記と同様にその波長を検出してひずみや温度等を知ることも可能である。
【０００３】
一般に、ひずみや温度の計測に光ファイバを用いることは、ひずみゲージや熱電対を用いる場合に比べると電気磁気的なノイズのある環境下でもノイズの影響を受けにくく、したがってノイズ防止策としてのシールド等を施さなくても高い計測精度を保てるという利点がある。また、上記のようにセンサおよび信号伝達手段として光ファイバを用いると、電気信号と光信号との間で信号を変換する電・光変換手段が不要であるというメリットもある。
【０００４】
なお、関連のある技術に基づいて回転体の温度等を計測する装置は、下記の特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平４−３３９２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図９に示した例は、静止した機械や構造物についての計測は可能であるが、回転体、すなわち機械等における回転部分を被計測個所としてひずみや温度を測ることは不可能である。回転部分と固定部分との間での光ファイバの捩れ防止など、回転体の計測に必要な処置がとられていないからである。
【０００６】
上記の特許文献１に記載された装置にて回転体の温度等を計測する場合にも、下記の点ではなおも改良が望まれる。すなわち、
・  回転部分と固定部分とで光ファイバ同士を回転可能に連結する光カップリングが必要である。そのようなカップリングは、かなりのコストを必要とするうえ、自身の許容回転速度が高くないために高速回転域での計測を妨げる場合も多い。
・  光カップリングは回転部分の中心線上に設けられる必要があるので、一つの回転体において複数の計測を同時に行うことは困難である。
【０００７】
請求項の発明は、回転体のひずみや温度等の計測を光ファイバを用いて円滑に行えるシステムを提供し、上記の課題を解決しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載した回転体計測システムは、
a)  回転体上の被計測個所に入射部と出射部とが異なった光ファイバセンサ（たとえば透過型の光ファイバセンサ。以下同様）を取り付けるとともに同センサの入射側および出射側に光ファイバを接続し、当該光ファイバにおける同センサとは反対側の端面（同センサとの接続面から遠い側にある面であって、同センサに対する入射側および出射側の端面）をその回転体上に固定する一方、
b)  上記回転体に隣接する非回転部分に光ファイバを配置して、光源と、上記センサからの戻り光（透過光）のための検出器とを当該非回転部分のそれぞれの光ファイバに接続し、
c)  非回転部分の光ファイバの端面を、上記回転体上の光ファイバの端面の周回軌道から距離（非接触状態を安定的に保てる最小限の距離）をおき、かつ、当該周回軌道上の特定個所で端面同士が対向するように固定した----ことを特徴とする。
また、請求項２に記載の回転体計測システムは、
a)  回転体上の被計測個所に入射部と出射部とが同一の光ファイバセンサ（たとえば反射型の光ファイバセンサ。以下同様）を取り付けるとともに同センサの入・出射部に光ファイバを接続し、当該光ファイバにおける同センサとは反対側の端面をその回転体上に固定する一方、
b)  上記回転体に隣接する非回転部分に光ファイバを配置して、光源と、上記センサからの戻り光（反射光）のための検出器とを当該非回転部分の光ファイバに接続し、
c)  非回転部分の光ファイバの端面を、上記回転体上の光ファイバの端面の周回軌道から距離をおき、かつ、当該周回軌道上の特定個所で端面同士が対向するように固定した----ことを特徴とする。
【０００９】
なお、請求項１・２のシステムは、光ファイバセンサを光反射型にする場合と光透過型にする場合とを含むが、各場合につき、構成上つぎのような特徴が付随する。まず、光ファイバセンサを光反射型にする場合（図１の例など）には、上記a)にいう回転体上の光ファイバは、図９の例と同様に単体（１本）で足り、入射側および出射側の端面は同一（共通）のものとなる。またその場合、上記b)にいう非回転部分の光ファイバも、図９の例と同様に光源と検出器とが接続された一連のもので足りる。一方、光ファイバセンサを光透過型にする場合には、回転体上の光ファイバが同センサをはさんで２本になり、入射側および出射側の各端面が別々に存在することになる。そして各端面の周回軌道が異なる場合、上記c)において、入射側の端面に対しては、非回転部分の光ファイバのうち光源に接続された側の端面を上記のとおり対向させ、出射側の端面に対しては、非回転部分の光ファイバのうち検出器に接続された端面を上記のとおり対向させてそれぞれ固定する。
図１に図示はされていないが、透過型センサでは、センサ１０の他端面に光ファイバが接続されていて、センサ１０の透過光が図示されていない光ファイバに入光する。そして、センサ１０と反対側の光ファイバの端面が、非回転部分の光ファイバの端面と対向するように配置されている。このような実施例では、対向する光ファイバを別途設けることにより、図示するカプラ２０ｂは不要で、別途設けた光ファイバの他端は、直接に検出器２０ｃに接続されることになる。カプラ２０ｂが不要となり、機器構成が簡単となるメリットがある。透過型の光ファイバセンサでは、反射光以外の光が透過して検出されることとなり、反射型のものとは信号光の出方が逆になるうえ異なった信号処理を要することは留意する必要がある。
【００１０】
これら請求項の回転体計測システムは、つぎのような作用によって、回転体上の被計測個所におけるひずみや温度、応力、圧力等の計測を可能にする。すなわち、
1)  まず、上記b)の光源から発する光を、非回転部分の光ファイバを通して、その端面から出射し、a)に記した回転体上の光ファイバのうち入射側の端面へ入射させる。こうして入射させることによる光の伝達は、上記c)のように配置し固定した双方の光ファイバの端面が特定個所において対向したとき、双方の端面間で上記距離の空間を通して行われる。
2)  上記a)の回転体上の光ファイバであって上記した入射側の端面を含むものは、その光を光ファイバセンサへ送り、その光ファイバセンサは、自身のひずみや温度に応じた特定の波長の光を反射し、それ以外の光を透過させる。
3)  光ファイバセンサにおける戻り光（反射光または透過光）を、上記a)における出射側の端面を含む光ファイバおよび上記b)の光ファイバを通して検出器へ入力する。a)の光ファイバからb)の光ファイバへの光の授受は、前者の出射側端面から後者の端面へかけて、双方の光ファイバの端面が上記した特定個所で対向している間に行われる。
4)  検出器は、入力された光の波長を検出し、自ら、または他の手段を用いて適切な換算または演算等を行うことにより、被測定物である回転体のひずみや温度、応力または圧力等を示す。
なお、上記の1)〜4)は、光の高速性等に基づいて瞬時に行われる。
【００１１】
上述の回転体計測システムにはつぎのような利点がある。
・  光源や検出器に接続した非回転部分の光ファイバの端面を、回転体上の光ファイバの端面に対し上記c)のとおり距離をおいて非接触状態に配置するため、光ファイバセンサ等が回転体上にあるにもかかわらず、光ファイバが捩れない。また、回転体上の光ファイバと非回転部分の光ファイバとの間に何らのカップリングを設ける必要もないので、当該カップリング等に起因する速度制限がなく、高速回転への対応が容易である。回転体上の光ファイバは、捩る必要がないばかりか自転させる必要もなく、その端面等を回転体上に固定しておけばよいので、回転体の高速回転を妨げない。
・  回転体上の光ファイバの端面に対し、その周回軌道上の特定個所のみで端面が対向するように非回転部分の光ファイバを配置すればよい。つまり、双方の光ファイバの端面を回転体の回転中心の線上に設ける必要がないので、一つの回転体における複数の被計測個所についての計測を同時に行うことも容易である。
・  センサおよび信号伝達手段として光ファイバを使用するので、電気磁気的な環境下でもノイズの影響を受けにくくて精度の高い計測が可能であるうえ、電気信号と光信号との間で信号を変換する手段が不要である、といったメリットも当然に付随する。
【００１２】
請求項３に記載した回転体計測システムは、上記のa)・b)・c)に加えて、
d)  光源からの光が非回転部分の光ファイバの端面からそれに対向するように回転体上に固定された光ファイバの端面に伝達される部分、ならびに光ファイバセンサからの戻り光が回転体上の光ファイバの端面からそれに対向するように非回転部分に固定された光ファイバの端面に伝達される部分のうち少なくとも一方で、両光ファイバの端面間に、両者間での光量授受量を確保するための損失防止手段を設けた----ことを特徴とする。
【００１３】
このd)の損失防止手段には、光量の損失を防止するためのもののほか、光の方向を整える（調芯等）ためのものをも含む。  
【００１４】
この請求項の回転体計測システムによれば、検出器等に接続した非回転部分の光ファイバと、回転体上の光ファイバとの間に、端面間に距離をおいた非接触の部分があるにもかかわらず、光信号の伝達が適切に行われることにより精度の高い計測が実現する。それは、双方の端面間に上記d)のとおり損失防止手段を設けているからである。同手段によって、上記端面をはさんだ光ファイバ間での信号伝達にともなう光量授受量の損失を抑制すれば、当然ながら高精度の計測が可能になる。回転体上の光ファイバの出射側端面を出て非回転部分の光ファイバに至る光は、伝送経路内で幾らかの減衰を受けていることから、このような光の授受に関して損失防止手段を使用することによりとくに効果的に計測精度を向上させることができる。
【００１５】
請求項４に記載の回転体計測システムは、上記の損失防止手段としてとくに、非回転部分の光ファイバの端面と回転部分の光ファイバの端面との間にレンズを設けたことを特徴とする。図３に示す構成はその一例である。
上記したレンズ光学系としては、一方のファイバ端面からの出射光を凸レンズにより他方のファイバ端面に直接集光させ入射させる場合、一方のファイバ端面からの出射光をコリメータにより一旦平行光としその平行光をコリメータで受けて他方のファイバ端面に集光させ入射させる場合、さらに一方のファイバ端面からの出射光をコリメータにより平行光としその拡散を防いで他方のファイバ端面に入射させる場合などがある。凸レンズは光ファイバの端面から出た拡散する光を焦点に集光する作用を有し、コリメータは光ファイバ端面から出た拡散する光を平行にする作用がある。前者は入射側のファイバ端面の配置を焦点に合わせる必要があって配置上の制約を受ける。また、コリメータを使って中間部分を平行光にすれば平行光であるので距離が多少変化しても良く、配置上の制約を受けないというメリットがある。
請求項４の発明の実施例としては、非回転部分の端面前方にレンズを設けたが、回転体上の光ファイバの端面前方にもレンズを配することができる。請求項１０（後述）の実施例では、回転体と非回転部分の双方の光ファイバの端面前方にレンズを配して、中間部分を平行光として配置上の制約を受けないようにし、光源より出た光の拡散を防ぐとともに光ファイバセンサからの戻り光の拡散を防ぐことが可能となり、結果としてセンサへの戻り光が多くなり、精度のよい計測が可能となる。光計測システムについて一般的に、光強度が小さいと計測できないか、計測できたとしてもその精度が低下するという特徴がある。とくに、本発明の目的とする回転体に光ファイバ計測システムを適用する場合、光の、回転体と非回転部分の授受は間欠的にならざるを得ず、このため、信号光、光源光の光強度は低下する。この光強度が低下するという課題をレンズを用いて解決するところに、請求項４・１０等の発明の主眼がある。
【００１６】
一般に光ファイバの端面からは、当該光ファイバの材質（屈折率)に応じて決まる一定の開口角で広がる（拡散する）ように光が出射される。したがって、同一の直径の光ファイバを、端面同士を対向させ距離をおいて配置すると、一方の端面を出た光はその一部のみが他方の端面に到達し、残りの光は周囲に出射されることになる。しかし、この請求項の計測システムのように一方の端面の前方にレンズを設けると、そのレンズの作用によって光の損失を少なくし、端面間での光量授受量を確保して高精度の計測が可能になる。
【００１７】
請求項５に記載の回転体計測システムは、上記の損失防止手段としてとくに、非回転部分の光ファイバ（回転体上の出射側端面からの光を受けるもの等）を、少なくとも上記端面において（または当該光ファイバの全長においてであってもよい）、それと対向する回転体上の光ファイバの端面よりも大断面にしたことを特徴とする。図４の構成は、この請求項のシステムの一例である。
【００１８】
このように非回転部分の入射側の光ファイバを大断面にすれば、回転体上の光ファイバにおける出射側端面から光が広がるように出射されても、その多く（または全部）を非回転部分の光ファイバに伝達させることができる。そうすれば、当該双方の端面間での光量授受量を確保して高精度の計測が行えることになる。
【００１９】
請求項６に記載の回転体計測システムは、回転体上の被計測個所に入射部と出射部とが異なった光ファイバセンサを取り付けるとともに、上記の損失防止手段としてとくに、a)同センサへの入射側においては、回転体上の光ファイバの端面をそれと対向する非回転部分の光ファイバの端面よりも大きくし、および／または、b)同センサからの出射側においては、非回転部分の光ファイバの端面をそれと対向する回転体上の光ファイバの端面よりも大きくした----ことを特徴とする。
こうすることにより、光ファイバセンサへの入射側では、非回転部分の光ファイバ端面から放射された光が損失少なく回転体上の光ファイバ端面へ入射でき、光ファイバセンサの出射側では、回転体上の光ファイバ端面から放射された光が損失少なく非回転部分の光ファイバ端面へ入射できる。そのため、光伝送経路の全体にわたり、高い効率での光の伝送が可能となる。
なお、上のように「および／または」と記載したのは、この請求項のシステムには、上記のa)およびb)をともに採用する場合のほか、a)またはb)の一方のみを採用する場合も含まれることを意味している。
【００２０】
請求項７に記載の回転体計測システムは、上記の損失防止手段としてとくに、非回転部分の光ファイバ（回転体上の出射側端面からの光を受けるもの等）を、回転体上の光ファイバの端面の周回軌道に沿って複数本配置したことを特徴とする。図５はこのシステムの一例である。
【００２１】
非回転部分に設けた光源から発する光を光ファイバを通して回転体上の光ファイバセンサに到達させ、さらにその戻り光を非回転部分の検出器に届けるためには、光とはいえわずかながら時間を要する。その間にも回転体は回転するので、その回転速度によっては、回転体上の光ファイバの端面から光が出射されるとき、非回転部分の光ファイバの端面が正確な対向位置からずれ（横ずれ）を起こしていて、光信号の十分な伝達が行われないことがある。
しかし、この請求項の計測システムでは、非回転部分の光ファイバを、回転体上の光ファイバの端面の周回軌道に沿って複数本配置するので、そのような不都合を防止しやすい。回転体の回転速度が増した場合等には、回転体上の光ファイバの端面から出射される光を、非回転部分の周方向に隣接する複数の光ファイバの端面で同時に受け、確実に検出器に入力することができるからである。具体的には、光ファイバ端面にレンズを設けずに拡げて非回転体上の複数の光ファイバ端面に同時に光が入るようにするか、光ファイバ端面間のレンズによる焦点を外して非回転体の複数の光ファイバ端面に同時に光が入るようにするか、または、光ファイバの端面間のレンズにシリンドリカルレンズ等を使用して（図６の例を参照）非回転部分で周方向に長いイメージを結ぶようにして非回転体の複数の光ファイバ端面に同時に光が入るようにするとよい。
【００２２】
請求項８に記載の回転体計測システムは、上記の損失防止手段としてとくに、非回転部分の光ファイバ（回転体上の出射側端面からの光を受けるもの等）の一部を一対のコネクターにより分離可能にしたことを特徴とする。
分離可能にしたその一対のコネクターの間には、たとえば、上記端面間の対向精度測定のための光パワーメータを接続可能にする（図７の構成はその一例である）。そのほか、当該コネクターの間において、光源と検出器とを別々に取り付け得るようにしたり、または記録計を別途接続可能にしたりすることも可能である。したがって、この請求項のシステムでは、種々の試験に対応できる自由度が確保され、機器構成が結果的に簡単になるほか、接続する機器が故障等したとき容易に交換できて保守性が向上する、といった利点がある。
【００２３】
回転体上の光ファイバと非回転部分の光ファイバとの間で光信号の伝達を十分に行うためには、双方の光ファイバについて端面間の対向精度（光軸の一致に関する精度）を高めるためのいわゆる調芯作業を適切に行う必要もある。この請求項のシステムでは、非回転部分の光ファイバにコネクターを介して光パワーメータを接続することも可能であるため、適切な調芯作業を行うことができる。つまり、光パワーメータは光量授受量を定量的に表示することにより端面間の対向精度を測定可能にするもので、上記の各光ファイバおよびそれらの端面の位置・角度を調整しながらこれを使用することにより、適切な調芯作業を可能にする。そうして調芯作業を終えたのち、上記コネクターにて非回転部分の光ファイバを元通りに接続すれば、上記双方の端面間での光量授受量が確保された高精度の計測が行えるようになる。
【００２４】
請求項９に記載の回転体計測システムは、上記の損失防止手段として、非回転部分の光ファイバの端面と回転部分の光ファイバの端面との間にレンズを設けるとともに、光源からの光、あるいは光ファイバセンサからの戻り光が出射する光ファイバの端面よりも、それと対向するそれらの光を入射する光ファイバの端面をより大断面にしたことを特徴とする。
【００２５】
請求項１０に記載の回転体計測システムは、上記の損失防止手段として、非回転部分の光ファイバの端面と回転部分の光ファイバの端面との間に設けるレンズに関して、非回転部分の光ファイバの端面前方にレンズを設けるか、回転体上の光ファイバの端面前方にレンズを設けるか、あるいはその両方にレンズ（凸レンズやコリメータなど、光を集め、または光の向きを整えるもの）を設けたことを特徴とする。
【００２６】
これら請求項９または請求項１０のシステムによれば、回転体上の光ファイバの端面から出射する光を一層確実に非回転部分の光ファイバに伝達させやすく、計測精度上とくに好ましい。
そのほか、非回転部分の光ファイバの端面前方にレンズを設けるとともに、非回転部分の光ファイバの一部を一対のコネクターにより分離可能にし、それらのコネクター間に、上記端面間の対向精度測定のための光パワーメータを接続可能にするのも好ましい。上記（請求項１０）のように非回転部分の光ファイバの端面前方と回転体上の光ファイバの端面前方の両方にレンズを設けるとともに、入射側の光ファイバの端面を、それと対向する出射側の光ファイバの端面よりも大断面にするのもよい。また、同じく非回転部分の光ファイバの端面前方と回転体上の光ファイバの端面前方の両方にレンズを設けるとともに、非回転部分の光ファイバの一部を一対のコネクターにより分離可能にし、それらコネクター間に、上記端面間の対向精度測定のための光パワーメータを接続可能にするのも、同様に計測精度を向上させる点で好ましいといえる。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１および２に記載の回転体計測システムによれば、光ファイバが捩れないうえ、それを自転させる必要もなく、また光ファイバの間に何らのカップリングを設ける必要もないので、高速回転への対応が容易である。また、一つの回転体における複数の被計測個所についての計測を同時に行うこともできる。
【００２８】
請求項３の回転体計測システムによれば、損失防止手段の作用にて端面間での信号伝達が適切に行われることにより、精度の高い計測が行える。
【００２９】
請求項４〜請求項８に記載の計測システムなら、損失防止手段をそれぞれ低コストで構成できるとともに上記のとおり高精度の計測が可能になる。
【００３０】
請求項９および請求項１０の計測システムなら、損失防止手段が一層効果的に機能するため、計測精度上とくに好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１および図２に発明の実施に関する一形態を紹介する。図１は回転体１とともに計測システムの全体を示す概念図であり、図２は、図１等のシステムにおいて計測可能な速度範囲等を示す線図である。
【００３２】
図１において、回転体１（たとえばプロペラシャフトやガスタービンロータ）は軸受２に支持された状態で駆動源（または被駆動体）３に接続されている。図示のシステムでは、こうした回転体１上の被計測個所（たとえばプロペラや動翼の一部）についてひずみや温度、応力、圧力等を計測するものである。
【００３３】
図１に示すシステムの構成はつぎのとおりである。
a)  まず、自らの長さ変化に応じて特定波長の光を反射する性質をもつ光ファイバセンサ１０を、上記した回転体１上の被計測個所に貼り付ける。この貼り付けは接着剤等を用いて行い、たとえば温度を計測する際にはセンサ１０の１個所のみを固定すればよく、ひずみや応力を測定するためには、センサ１０の長さ方向の両端を被計測個所に固定する。その光ファイバセンサ１０の一端には光ファイバ１２を接続し、少なくともその端面（センサ１０に接続した側とは反対側の開放端面）１３を回転体１に固定して外部へ向ける。
【００３４】
b)  回転体１に近い非回転部分に、ハロゲン白色光源２０ａと検出器２０ｃ等を含む計測手段２０、およびそれにつながる光ファイバ２２を設置する。光ファイバ２２は、一方の端部をコネクター２２ｘにより計測手段２０に接続しているが、他方の端面２３は開放端面としている。計測手段２０は、上記のコネクター２２ｘに通じる光ファイバ２１ａを、カプラ２０ｂによって光源２０ａと検出器２０ｃとに接続したものである。そしてその検出器２０ｃには、データ処理と記録を行う機器２０ｄおよび計測値表示を行う機器２０ｅを接続している。計測手段２０における光源２０ａが発する白色光は、カプラ２０ｂと光ファイバ２１ａを経て光ファイバ２２に至り、その端面２３から外部に出射される。その一方で、端面２３から入射する光があれば、それは光ファイバ２２を経て計測手段２０に入り、カプラ２０ｂを経由して検出器２０ｃに入力される。
【００３５】
c)  計測手段２０に接続して非回転部分に設けた光ファイバ２２の端面２３は、回転体１上に設けた光ファイバ１２の端面１３に対し、短い距離をおいて対向し得る位置に設けている。すなわち、前者の端面２３は、回転体１とともに回転する後者の端面１３の周回軌道から軸方向（回転体１の軸方向）に例えば１０ｍｍ前後だけ距離をとったうえ、当該周回軌道上の一個所で後者の端面１３と真正面に対向するように固定している。なお上記の距離は、より小さくても、より大きくてもよい。小さければ、光の減衰が小さくなって感度のよい測定が可能になる一方、配置調整が難しくなる。また上記の距離が大きければ、機器配置の自由度が増して設置が簡単になる。
【００３６】
こうした計測システムでは、回転体１の被計測個所につき、つぎのようにしてひずみや温度の計測を行える。すなわち、1)計測手段２０の光源２０ａから連続的に発する白色光は、非回転部分の光ファイバ２２を通ってその端面２３から出射され、その端面２３と対向する位置にきた端面１３から回転体上の光ファイバ１２内に入射する。2)光ファイバ１２内を進む白色光は光ファイバセンサ１０に達し、同センサ１０ではセンサ１０自身のひずみや温度に応じた特定の波長の光のみが反射して、光ファイバ１２内を戻るように端面１３へ向かって進む。3)光ファイバセンサ１０からの反射光は、光ファイバ１２の端面１３から出射され、非回転部分にある光ファイバ２２内にその端面２３から入射する。4)光ファイバ２２に入った反射光は計測手段２０の検出器２０ｃに達し、検出器２０ｃは、その反射光の波長を検出したうえ、機器２０ｄ・２０ｅにより回転体１のひずみや温度、応力または圧力等に換算して表示する。
【００３７】
ところで、光は高速で進むため、端面２３から端面１３への白色光の入射と、端面１３から端面２３への反射光の出射とは、双方の端面１３・２３が対向したときほとんど同時に発生し、双方の端面間で光の授受はほぼ確実に行われる。しかし、光の速さも有限であるため、回転体１の回転速度や端面１３の回転半径、または光の伝達経路となる光ファイバ１２の長さ等によっては、端面１３から端面２３への反射光の出射時に双方の端面間が正確な対向位置からずれて（横ずれして）しまい、反射光の授受が適切には行われない場合がある。
【００３８】
図２の線図は、そうした点を考慮して計測可能な限界的な条件を求めたものである。すなわち、端面１３から端面２３への反射光の出射時に双方の端面間が光ファイバ１２・２２（同一径のものを使用するとして）の直径の５％のみ横ずれを起こす（その程度の横ずれであればほぼ十分な計測が可能である）条件を示している。
これによれば、たとえば端面１３の回転半径を０．１０ｍ（１０ｃｍ）として回転体１を１００００ｒｐｍで回転させるとき、光ファイバ１２として長さ（端面１３からセンサ１０までの片道距離）約２．５ｍのものを使用できるなど、図１の計測システムが十分な実用性を有するものであることが分かる。
【００３９】
図３は、発明の実施について他の形態を示す概念図である。回転体１の被計測個所に光ファイバセンサ１０を取り付け、それに接続した光ファイバ１２の端面１３を回転体１上に固定して外向きにしたこと（前記a)の点）、および、計測手段（白色光源と検出器等を含む。図示省略）と光ファイバ２２とを非回転部分に設けたうえ、その光ファイバ２２の端面２３を回転体上の光ファイバ１２の端面１３に対向し得るよう配置したこと（前記b)・c)の点）において、この例は図１のものと差異がない。
【００４０】
しかし、この例では、非回転部分の光ファイバ２２の端面２３の前方に集光用の凸レンズ２４を設けることにより、端面１３・２３間での光量授受量の損失防止をはかっている。レンズ２４は、光ファイバ２２の先端部に対してその長手方向にスライド可能な筒体２４ａの先に取り付けている。筒体２４ａとともにレンズ２４の位置を調整し、端面１３・２３間での光量授受量の損失が最も少ない位置でそのレンズ２４を使用するのが好ましい。光量授受量の損失が少なくなれば、それだけ精度の高い計測が可能になる。
【００４１】
このようにレンズ２４を使用すると、光ファイバ１２・２２の各端面１３・２３間の距離Ｌを長くすることが可能である。距離Ｌを長くしても光量の損失を最小限に抑えられるからである。こうして距離Ｌを長くできると、計測のためのセッティングに必要なスペースを大きく確保でき、したがってセッティング作業が容易になる。
【００４２】
図４（ａ）〜（ｃ）は、発明の実施についてさらに別の形態を示す概念図である。前述したa)〜c)の構成を採用した点では図１等の例と差がないが、この例では、非回転部分に設けた光ファイバ２２の先に、図４（ａ）のとおりコネクター２５ａを介して、直径の太い大断面の光ファイバ２５を接続した点に特徴がある。そしてその光ファイバ２５の端面２６を、回転体１上の光ファイバ１２の端面１３（の周回軌道）に対向させている。
【００４３】
このようにすれば、回転体１上の光ファイバ１２における端面１３から光が広がるように出射されても、その光の多くを非回転部分の光ファイバ２２に伝達させることができる。また、図４（ｂ）のように回転体１がとくに高速で回転すること等により、図４（ｃ）のとおり光ファイバ１２の端面１３が非回転部分の光ファイバ２２の位置から横ずれを起こすとしても、端面１３からの光の多くを光ファイバ２５の端面２６で受けて光ファイバ２２に伝送することが可能になる。こうした作用により、このシステムでは端面１３・２６間での光量授受量が確保され、高精度の計測が可能になる。
【００４４】
なお、図示の例では、光ファイバ１２および２２のコアおよびクラッドの直径をそれぞれ５０μｍ・１２５μｍとし、光ファイバ２５のコアおよびクラッドの直径は、それぞれ１００μｍおよび１４０μｍとしている。
回転体１上に配する光ファイバ１２は、その径を大きくして、非回転部分の光ファイバ２５のように太くしてもよい。かくすれば、戻り光の損失は大きくなるものの、光源光の、端面間の面積差に起因する損失は小さくすることが可能となる。
【００４５】
図５（ａ）・（ｂ）は、発明の実施についてさらに別の形態を示す概念図である。図１等の例と同様に前記a)〜c)の構成を採用しながら、この例では、図５（ａ）のとおり非回転部分の光ファイバ２２として２２ａ・２２ｂ・２２ｃの３本を並置し、それぞれの端面２３ａ・２３ｂ・２３ｃを、図５（ｂ）のように、光ファイバ１２の端面１３の周回軌道に沿って、それとはわずかな距離（できれば数ｍｍ前後以下）をおいた位置に配置している。
【００４６】
回転体１の回転速度が大きく変化したとき等には、図２に示す限界的な条件を超える結果、回転体１上の光ファイバ１２の端面１３から出射される反射光がそれまでの光ファイバ２２の端面２３では受光され得なくなる場合がある。しかし、この例のように光ファイバ２２を複数本配置してその端面２３を上記の軌道に沿って並べるなら、隣接する複数の端面２３（２３ａ・２３ｂ・２３ｃ）によって端面１３からの光を同時に十分に受けることが可能となる。また図６のように、端面１３からの光のイメージをシリンドリカルレンズ１４等を使用して軌道に沿って長くすることにより、同様に、複数の端面２３にて端面１３からの光を同時に受けるようにすることもできる。そのため、この形態においても、光ファイバセンサ１０を用いた計測の精度を高くすることができる。なお、複数本を並置する光ファイバ２５は、計測手段２０に近い部分で１本に結合することも可能であり、その場合にもシステムは上記と同様の機能を発揮できる。
【００４７】
図７（ａ）・（ｂ）も、発明の実施について別の形態を示す概念図である。この例も、前記a)〜c)の構成を採用した点では前述の例と同じだが、非回転部分に設けた光ファイバ２２を、図７（ａ）のとおり一対のコネクター２７Ａ・２７Ｂにて分離できる２つのファイバ２２Ａ・２２Ｂにて構成し、端面２３寄りのコネクター２７Ａに、図７（ｂ）に示す調芯補助装置３０を接続できるようにしている。
【００４８】
図７（ｂ）の調芯補助装置３０は、コネクター２７Ａに接続可能なコネクター３１に対し、カプラ３０ｂおよび光ファイバを介して可視光源３０ａと光パワーメータ３０ｃとを接続したものである。これをコネクター２７Ａに接続して光源３０ａおよび光パワーメータ３０ｃを機能させれば、光ファイバセンサ１０からの反射光の強さを定量的に把握することができ、よって、光ファイバ２２Ｂの端面２３と光ファイバ１２の端面１３との間の対向精度（調芯精度）を短時間内に最適化することができる。そうした調芯作業を行ったうえで、図７（ａ）のとおりコネクター２７Ａ・２７Ｂを接続して計測手段２０を使用すれば、端面１３・２３間で好ましい光量授受が行われる結果、高精度の計測が実現する。
【００４９】
なお、以上では回転体１の軸端部分に光ファイバ１２の端面１３を設ける例ばかりを紹介したが、端面１３の位置がそれに限られるものでないことは言うまでもない。たとえば図８のように、回転体１の周面上に端面１３を設けることもできるからである。その場合、端面１３の周回軌道上の特定個所に対向させ、かつそれと距離をおいて非回転部分の光ファイバの端面を固定すれば、以上の例と同様に回転体１のひずみや温度等の計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】発明の実施に関する一形態を示す図であって、回転体１とともに計測システムの全体を示す概念図である。
【図２】図１等のシステムにおいて計測可能な速度範囲等を示す線図である。
【図３】発明の実施について他の形態を示す概念図である。
【図４】発明の実施についてさらに別の形態を示す概念図であり、図４（ａ）はシステムを側方より見た図、同（ｂ）は同（ａ）におけるｂ−ｂ矢視図、そして同（ｃ）は、同（ｂ）の一部についての詳細図である。
【図５】発明の実施についてさらに別の形態を示す概念図であり、図５（ａ）はシステムを側方より見た図、また同（ｂ）は同（ａ）におけるｂ−ｂ矢視図である。
【図６】発明の実施についてさらに別の形態を示す概念図である。
【図７】発明の実施についてさらに別の形態を示す概念図であり、図７（ａ）はシステムを側方より見た図、また同（ｂ）は、そのシステムにおいて使用する調芯補助装置３０を示す概念図である。
【図８】発明の実施についてさらに別の形態を示す概念図である。
【図９】光ファイバを用いて物のひずみや温度等を計測する従来のシステムを示す概念図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  回転体
１０  光ファイバセンサ
１２  （回転体上の）光ファイバ
１３  端面
２０  計測手段
２０ａ  光源
２０ｃ  検出器
２２・２５  （非回転部分の）光ファイバ
２３・２６  端面
２４  レンズ
３０  調芯補助装置
３０ｃ  光パワーメータ
【図１】
2005164326.tif 000003
【図２】
2005164326.tif 000004
【図３】
2005164326.tif 000005
【図４】
2005164326.tif 000006
【図５】
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【図６】
2005164326.tif 000008
【図７】
2005164326.tif 000009
【図８】
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【図９】
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