(57)【要約】【課題】多種多様な被計測系に対して適用可能となるように、光学的に非接触な方式で、小型、軽量、安価、メンテナンス容易な装置にて高精度な計測することができるトルク計測装置を提供することである。【解決手段】レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面の軸方向に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置は、隣り合うもの同士の周面が接するように束ねられた複数の受光ファイバと、前記受光ファイバに包囲されてできる空隙内に配置された入射光ファイバにより構成され、前記受光ファイバおよび前記入射光ファイバの回転体側先端に屈折率分布型レンズを取り付ける。【選択図】図１
2009109294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づいて前記回転体のトルクを求める信号処理装置とを備えたトルク計測装置であって、前記光送受信装置は隣り合うもの同士の周面が接するように束ねられた複数の受光ファイバと、前記受光ファイバに包囲されてできる空隙内に配置された入射光ファイバにより構成されることを特徴とするトルク計測装置。
【請求項２】
前記受光ファイバおよび前記入射光ファイバの回転体側先端に屈折率分布型レンズを取り付けたことを特徴とする請求項１に記載のトルク計測装置。
【請求項３】
前記屈折率分布型レンズの回転体側にさらに第２の屈折率分布型レンズを設けることを特徴とする請求項２に記載のトルク計測装置。
【請求項４】
前記受光ファイバにはマルチモードファイバを用い、かつ前記入射光ファイバにはシングルモードファイバを用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のトルク計測装置。
【請求項５】
前記回転体は発電プラントの動力伝達軸であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のトルク計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の軸トルクを非接触で光学的に計測するトルク計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、コンバインドサイクル発電プラントや蒸気タービンプラントの熱効率の変化原因を特定するために、ガスタービンや蒸気タービンのような回転機器の駆動軸（回転体）のトルクを検出するための光学的なトルク計測装置が開発されている。
【０００３】
このトルク計測装置では、回転体の軸方向の異なる位置に１対の反射体を設け、両反射体にレーザ光を照射して両反射体からの反射光を検出し、両反射体からの反射光の遅れ時間に基づいて回転体のトルクを検出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
その際に、反射体へのレーザ光の送信及び反射体からの反射光の受信を行う光送受信装置１１は、図７に示すように構成されている。照射装置から発振されたレーザ光はレンズ１２で平行光に変換され、ビームスプリッター１３及び集光レンズ１４を通って回転体１５の反射体１６へ照射される。そして、反射体１６からの反射光はビームスプリッター１４により分岐されて光検知装置１７で検出され、信号処理装置に入力され信号処理される。
【０００５】
また、照射装置からの照射光と反射体からの反射光とが個別の光路となるように集光レンズを設けるようにしたものもある（例えば、特許文献参照）。図８は、照射光と反射光とが個別の光路となるように構成した光送受信装置１１の構成図である。集光レンズ１４は、その中心軸を含む面に対称な２つの領域に分けられ、入射光線と反射光線の光路をそれぞれ別の領域を経由するセパレート構成としている。照射装置から発振されたレーザ光は入射光ファイバ１８にて入射レンズ１９に導かれ、プリズム２０にて集光レンズ１４の入射光線領域に導かれる。そして、集光レンズ１４の入射光線領域を通って回転体１５の反射体１６へ照射される。反射体１６からの反射光は集光レンズ１４の反射光線領域を通って受光レンズ２１で受光され受光ファイバ２２にて光検知装置に導かれる。これにより、照射光と反射光とが個別の光路となるようにしている。
【特許文献１】特開２００２−２２５６４号公報（図１）
【特許文献２】特開２００４−６１３５２号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１のものでは、照射装置からのレーザ光をビームスプリッター１３を通して回転体１５の反射体１６に照射して、反射体１６からの反射光をビームスプリッター１３により分岐検出するため、レーザ光の光損失が大きく、例えば、入射光の１／４程度の光量しか受光できない。このため、計測に使用されるレーザ光は、光損失が発生しても必要な出力が得られる、例えばＨ ｅ −Ｎ ｅ レーザ等のより高出力のレーザ光に限定される。
【０００７】
また、特許文献２のものでは、ビームスプリッターを通さないため、光損失の問題は改善できるが、入射光と反射光を同一の集光レンズ１４で屈折できるようにプリズム２０を設ける必要があり、装置の寸法や重量が増加する。特に、原子力発電プラントに使用される蒸気タービンに従来のトルク計測装置を適用しようとする場合、その構造上、蒸気タービンの主軸上に、従来のトルク計測装置を設置するスペースが確保できない場合があり、適用可能箇所を増やせるようにトルク計測装置の小型化が課題となっていた。
【０００８】
レンズとプリズムとを精度良く固定するため、剛な収納容器（例えば金属製）が必要であり、安全上の問題から、高速回転するプラント軸へ一定の離隔距離が必要となる。光路が長くなることにより、光損失や回転軸の振動による光散乱の影響を受けやすく、測定精度にも限界があった。さらに、凸レンズ、プリズムおよびその収納容器を構成する装置は汎用化が困難であり、コスト増の要因となっていた。
【０００９】
メンテナンスできるのは定期点検時のみであるが、集光レンズ等の清掃がその都度必要であり、その度に装置の取外し、解体、組立、再取付けを行うため、メンテナンスに時間・労力がかかる。メンテナンスの省力化も求められていた。
【００１０】
本発明は、上述した従来の事情に対処するためになされたものであり、多種多様な被計測系に対して適用可能となるように、光学的に非接触な方式で、小型、軽量、安価、メンテナンス容易な装置にて高精度な計測することができるトルク計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は、レーザ光の受光ファイバを束ねてできた空隙に入射光ファイバを設置し、さらに、受光用および入射光ファイバの先端に屈折率分布型レンズを取り付けた光送受信装置を用いることにより、小型、軽量、安価、メンテナンス容易なトルク計測装置を提供できることを見出し、本発明に到達した。
【００１２】
すなわち、本発明は以下の通りである。
【００１３】
（１）レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面の軸方向に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づいて前記回転体のトルクを求める信号処理装置とを備えたトルク計測装置であって、前記光送受信装置は隣り合うもの同士の周面が接するように束ねられた複数の受光ファイバと、前記受光ファイバに包囲されてできる空隙内に配置された入射光ファイバにより構成されることを特徴とするトルク計測装置。
【００１４】
（２）前記受光ファイバおよび前記入射光ファイバの回転体側先端に屈折率分布型レンズを取り付けたことを特徴とする前記（１）に記載のトルク計測装置。
【００１５】
（３）前記屈折率分布型レンズの回転体側にさらに第２の屈折率分布型レンズを設けることを特徴とする請求項２に記載のトルク計測装置。
【００１６】
（４）前記受光ファイバにはマルチモードファイバを用い、かつ前記入射光ファイバにはシングルモードファイバを用いることを特徴とする前記（１）から前記（３）のいずれかに記載のトルク計測装置。
【００１７】
（５）発電プラントの回転軸のトルク計測に用いることを特徴とする前記（１）から前記（４）のいずれかに記載のトルク計測装置。
【発明の効果】
【００１８】
（１）本発明に係るトルク計測装置によれば、レーザ光の受光ファイバを束ねてできた空隙に入射光ファイバを設置した光送受信装置を用いることにより、受光部と照射部とを近接でき、装置の小型化が可能となり、コストを低減することができる。また、装置の小型化、軽量化によりトルク計測装置を適用できる箇所が増加し、利便性が高まる。さらに、入射光線と反射光線の光路を屈折することなくほぼ直線光路とし、さらに、ビームスプリッターやレンズ等を設置せず反射光を直接受光することが可能となり、光損失の低減が図られ、測定精度を向上させることができる。また、受光ファイバと入射光ファイバを束ねて拘束することにより十分強固に固定できるため、光送受信装置は必ずしも金属製部材で剛に固定する必要はないことから、回転体に近接して設置することが可能となり、この点からも光損失の低減による測定精度向上に寄与できる。
【００１９】
（２）ファイバの回転体側（以下対物側と表現することもある）に屈折率分布型レンズを設けることにより、光の直線性や集積度が増し、測定精度を向上させることができる。なお、屈折率分布型レンズは、ファイバ先端に取り付けられる程度の超小型レンズとすることも可能であり、さらにファイバと一体化することも可能であることから、受光ファイバと入射光ファイバが近接するという本発明の特徴を損なうことはない。さらに、屈折率分布型レンズは光学式レンズと比較して安価であるため、屈折率分布型レンズを設置してもコストの増加は軽微である。よって、光送受信装置を使い捨てとして、メンテナンス時に新品と交換することにより、メンテナンスの時間や労力を削減できることもできる。
【００２０】
（３）屈折率分布型レンズを、ファイバ側の光調整用レンズと対物側の集光用レンズの２段組とすることもできる。本構成により、受光ファイバ側への集光性が高まり、測定精度を向上させることができる。
【００２１】
（４）受光ファイバにはマルチモードファイバを用いることで、受光面を広くとることが可能となり、かつ、前記入射光ファイバにはシングルモードファイバを用いることで照射光の集積度を高めることも可能となり、両方の効果から、測定精度を向上させることができる。
【００２２】
（５）発電プラントの動力伝達軸にこのトルク計測装置を適用すれば、各プラント主要構成機器の効率管理を高精度かつ容易に行うことができ、各構成機器の効率変化の高精度診断が可能となる。各構成機器の効率劣化機器の特定が可能となるので、劣化機器の補修必要箇所を早期に特定でき、メンテナンスコストを削減できるとともに、結果として、プラントの燃料を節約して効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は本発明の実施の形態に係るトルク計測装置の構成図である。トルク計測装置１０は、レーザ光を出力するレーザ光出力装置２３と信号処理装置２４との間に、第１の光送受信装置１１ａと第２の光送受信装置１１ｂとを、光ファイバ２５ａ、２５ｂおよび信号伝送手段２６ａ、２６ｂを介して並列に設けて構成される。そして、第１の光送受信装置１１ａと第２の光送受信装置１１ｂとで光線のビーム径および位置をそれぞれ調整し、被測定体である回転体１５の反射体１６ａ、１６ｂに光線を照射させて反射光線を検出することでトルクを計測するものである。
【００２４】
第１の光送受信装置１１ａは、レーザ光出力装置２３から光コネクタ２７ａを介して入射光ファイバ１８ａによりレーザ光を入射する。そして、回転体１５の反射体１６ａからの反射光を受光し、受光ファイバ２２ａにより光検知装置１７ａに導き、光検知装置１７ａから信号伝送手段２６ａを介して信号処理装置２４に信号を伝送する。同様に、第２の光送受信装置１１ｂは、レーザ光出力装置２３から光コネクタ２７ｂを介して入射光ファイバ１８ｂによりレーザ光を入射する。そして、回転体１５の反射体１６ｂからの反射光を受光し、受光ファイバ２２ｂにより光検知装置１７ｂに導き、光検知装置１７ｂから信号伝送手段２６ｂを介して信号処理装置２４に信号を伝送する。信号処理装置２４は、回転体１５の表面の１対の反射体１６ａ、１６ｂで反射された反射光に基づいて回転体１５のねじれ量を求め、さらにトルクを求めるものである。
【００２５】
図２は本発明の実施の形態に係る光送受信装置１１の一例を示す詳細図であり、図２（ａ）は側面図、図２（ｂ）は平面図である。光送受信装置１１は、複数のレーザ光の受光ファイバ２２が隣り合うもの同士の周面が接するように束ねられて受光部を形成するとともに、この受光ファイバ２２に包囲されてできる空隙２８内に入射光ファイバ１８が配置されている。受光ファイバ２２の「本数」は、束ねられた時に隣り合うもの同士の周面によって囲われた空隙２８が生じる本数のことであり、具体的には３本以上を指している。このうち、受光面積と空隙面積のバランスから、図２に示すように４本の受光ファイバ２２を用いるのが好ましい。
【００２６】
このときの光路は、入射光線Ｌ１が入射光ファイバ１８から回転体１５へ照射され、回転体１５の反射体１６で反射した後、反射光線Ｌ２が複数本の受光ファイバ２２で受光される。レーザ光は指向性が高いが、若干散乱するため、回転体１５の表面の垂線方向に光線を入射しても、入射光ファイバ１８の周囲に配置された受光ファイバ２２で十分な光量の光線を受光できる。さらに、光送受信装置１１から入射される光線が、回転体１５表面の垂線方向から微小角度だけ傾斜するように入射した場合には、受光ファイバ２２への集光性はさらに高まることになる。
【００２７】
なお、入射光ファイバ１８には、シングルモードファイバ（ＳＭＦ、ｓｉｎｇｉｌｅ  ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ）を用いるのが好ましく、コア直径が１０μｍ以下の、例えばコア直径φが５μｍの石英ＳＭＦが用いられる。受光ファイバ２２には、マルチモードファイバ（ＭＭＦ、ｍｕｌｔｉ  ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ）を用いるのが好ましい。受光ファイバ２２のコア直径は、受光面の大きさからなるべく大きなものが良いが、一方、取り扱い安さ（曲げ易さ）から大きさにも制限が加わる。一般的には、受光ファイバ２２のコア直径はφ＝５０，１００，２００、４００μｍの中から使用条件に合わせて選ぶと良い。
【００２８】
入射光ファイバ１８の入射側端部は、光送受信装置１１に設けられた光コネクタを介して光送受信装置１１の外部と接続される一方、受光ファイバ２２の反射光路の出口端部はカプラ接続により１本のファイバに集光された上で、反射光線の強度変化を検出する光検知装置に接続されている。
【００２９】
図３は本発明の実施の形態に係る光送受信装置１１の他の一例を示す詳細図である。この一例は、図２に示した一例に対し、受光ファイバ２２および入射光ファイバ１８の回転体側先端に屈折率分布型レンズ２９を取り付けたものである。図２と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３０】
屈折率分布型レンズ２９は円筒形状であり、その円筒中心軸からの距離によって屈折率が連続的に変化するように成分調整されており、この屈折率の変化によってレンズの機能を果たすものである。一般に流通している商品としては、日本板硝子株式会社のセルフォック（Ｒ）マイクロレンズがある。セルフォック（Ｒ）マイクロレンズと光ファイバの光軸を精度良く合わせて一体化した光部品（ファイバコリメータ）も商品化されている。ここで、コリメータとは、光ファイバからの出力されるレーザ光を平行光に調整する装置であり、逆に光ファイバに入力されるレーザ光をファイバのコア部に集光する装置でもある。
【００３１】
屈折率分布型レンズ２９は、通常の光学式凸レンズに比較して小型化が可能（コリメータレンズの最小径は通常φ1.0mm）であり、ファイバ径に合わせたレンズ径が入手可能である。屈折率分布型レンズ２９は、光学系部品（特にデジタルコピー機等）に幅広く用いられており、汎用製品で価格も安く、入手も容易である。
【００３２】
レンズとファイバの固定は、レンズホルダを用いて行うのが一般的である。レンズホルダ等の固定部の素材は金属製もあるが、金属と接しても火花が発生しない素材（例えば硬質プラスチック）を用いた方がよい。後者の方が、回転体との安全離隔距離を小さくできるため、回転体に近接して設置することにより光損出を低減でき、測定精度を向上させることが可能である。
【００３３】
図４は本発明の実施の形態に係る光送受信装置１１の別の他の一例を示す詳細図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部分の詳細図である。この一例は、図３に示した一例に対し、屈折率分布型レンズ２９をファイバ側レンズ３３ａと回転体側レンズ３３ｂの２段構成としたものである。図３と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３４】
このときの光路は、入射光線Ｌ１が入射光ファイバ１８からファイバ側レンズ３３ａで平行光に調整され、そのままの状態で回転体側レンズ３３ｂを通過して回転体１５へ照射される。回転体１５の反射体１６で反射した光は回転体側レンズ３３ｂの面に傾斜角度を持って入射するが、回転体側レンズ３３ｂでこの光を受光ファイバ軸に対して平行光に調整した上で、ファイバ側レンズ３３ａにより受光ファイバ２２のコア部分に集光させる。
【００３５】
このように、回転体側レンズ３３ｂがあることで回転体１５からの反射光を受光ファイバに集光しやすくできる効果がある。受光面での光量が多いとノイズの判別が容易になるため、光量が多いことは測定精度に直結することになる。
【００３６】
次に、回転体１５の軸トルクの算出方法について説明する。図５は、トルク計測装置１０のうち、信号処理装置２４のブロック構成図の一例である。レーザ光出力装置２３から出力されたレーザ光は、光送受信装置１１を介して回転体１５の表面に照射される。回転体１５の表面には軸方向に間隔を保って一対の反射体１６ａ、１６ｂが設けられ、光送受装置１１から照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する。反射体１６ａ、１６ｂには、例えば、レーザ光を反射する部分とレーザ光を吸収する部分とがバーコード状に形成されており、このバーコード状に従った反射光が発生する。反射体１６ａ、１６ｂを含む回転体１５の表面で反射した反射光は光送受信装置１１で受信され、その反射光強度は、光検知装置１７ａ、１７ｂで検出されて、信号処理装置２４のねじれ角算出部３０に入力される。
【００３７】
ねじれ角算出部３０は両反射体からの反射光の遅れ時間ｔｄに基づいて（１）式によりねじれ角θを算出する。（１）式中のＴは回転体の回転周期である。  
θ＝（ｔｄ／Ｔ）・３６０  …（１）
そして、トルク算出部３１は、（１）式で求められたねじれ角θと、回転体のねじり剛性Ｋとから、（２）式によりトルクτを計算する。なお、出力演算部３２は、（２）式で求められたトルクτに基づき回転体の出力を計算するものである。  
τ＝Ｋ・θ  …（２）
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は係る実施の形態に示した一例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３８】
例えば、図６に示すように、レーザ出力装置からの照射光を照射する入射光ファイバ１８と反射体１６からの反射光を受光する受光ファイバ２２とが間隔を保って配置された場合に、屈折率分布型レンズ２９にて回転体１５の反射体１６への入射光および反射光を集光することも可能である。これは、図８に示した従来例、すなわち、レーザ出力装置からの照射光と反射体１６からの反射光とが個別の光路となるように集光レンズ１４を設ける構成において、光学式凸レンズである集光レンズ１４に代えて屈折率分布型レンズ２９を用いた構成に相当する。光学式凸レンズである集光レンズ１４を屈折率分布型レンズ２９に置き換えることにより、プリズム２０を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態に係るトルク計測装置の一例を示す構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係る光送受信装置の一例を示す詳細図。
【図３】本発明の実施の形態に係る光送受信装置の他の一例を示す詳細図。
【図４】本発明の実施の形態に係る光送受信装置の別の他の一例を示す詳細図。
【図５】本発明の実施の形態に係る信号処理装置の一例を示すブロック構成図。
【図６】本発明の実施の形態に係る光送受信装置のさらに別の他の一例を示す詳細図。
【図７】従来の光送受信装置の一例の構成図。
【図８】従来の光送受信装置の他の一例の構成図。
【符号の説明】
【００４０】
１１…光送受信装置、１２…レンズ、１３…ビームスプリッター、１４…集光レンズ、１５…回転体、１６…反射体、１７…光検知装置、１８…入射光ファイバ、１９…入射レンズ、２０…プリズム、２１…受光レンズ、２２…受光ファイバ、２３…レーザ光出力装置、２４…信号処理装置、２５…光ファイバ、２６…信号伝送手段、２７…光コネクタ、２８…空隙、２９…屈折率分布型レンズ、３０…ねじれ角算出部、３１…トルク算出部、３２…出力演算部、３３…レンズ、３３ａ…ファイバ側レンズ、３３ｂ…回転体側レンズ
【図１】
2009109294.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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