技術紹介FBG センサによる液体水素中での機構品の動ひずみ計測
中島富男 *1

Nakajima Tomio

津田浩

Tsuda Hiroshi

高田仁志 *2

Takada Satoshi
*4

佐藤明良

佐

一 *3

Sato Eiichi*5Sato Akiyoshi

FBG センサにより液体水素中に浸された機構品の動ひずみ計測を試みた。計測対象はボール軸受外輪を保持するステンレススチール製軸受カートリッジである。試験温度は 26K、軸受定常回転速度は 30,000rpmであった。計測した動ひずみ RMS 値は 10 × 10-6 以下と微小であったが、軸受カートリッジの振動を計測可能であった。動ひずみ波形の周波数解析結果のピーク周波数は軸受回転速度と良く一致した。本結果は、耐爆性への配慮が必要な液体燃料ロケットエンジンの地上動作試験に FBG センサにより計測可能であることを示すものである。
キーワード：FBG センサ、ひずみ計測、液体水素、軸受せた上で燃焼させ推力を発生させる。液体水素

1. はじめにロケットエンジンは日本の基幹宇宙ロケットであ

光ファイバセンサは耐爆性に優れており、危険る H-IIA の一段と二段のロケットエンジンに採用物や液体水素容器や容器内の機構品の機械計測用されている。今回供試体とした機構品は液体水素センサとして期待されている。ファイバ・ブラッに浸され、定常回転 30,000rpm と高速回転する軸グ・ グ レ ー テ ィン グ（Fiber Bragg Grating：FBG）

受の外輪を保持する軸受カートリッジである。軸センサは光ファイバセンサの一つであり、高速な受カートリッジから径方向に延びるステンレスス動ひずみ計測が可能である。著者は FBG センサをチール（SUS304）製の直径 8mm のロッドに FBG用いて 100kHz までの動ひずみ計測が可能であるセンサをシアノアクリレート系接着材で接着し、（1）（2）

。著者らは、FBG センサ液体水素容器内に入れ、光ファイバを容器外に引を液体ロケットエンジン燃料である液体水素中でき出すことによりひずみ計測を行った。計測部位動作する機構品の動ひずみ計測に FBG センサを適の定常運転時の動ひずみ振幅は 10 × 10-6 以下と微用することを試みた。液体水素を燃料とするロケッ小であったが、振動波形を十分に識別し、かつ、トエンジンは極低温の液体水素と酸化剤である液周波数解析結果からは軸受回転数と対応するピー

体酸素を高速回転するターボポンプにより加圧さク周波数が一致するという良好な結果を得た。

ことを報告している*1：研究開発センター 研究開発グループ 課長*2：独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 宇宙輸送系推進技術研究開発センター 主任研究員 博士（工学）*3：独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 教授 工学博士
*4：独立行政法人 産業技術総合研究所 計測フロンティア部門 構造体診断技術研究グループ グループ長 工学博士
*5：株式会社 IHI エアロスペース 技師長室 技師長—

IIC_REVIEW_48.indb

2020—

2012/09/20

10:17:35

なお、本報は一般社団法人日本機械学会 2012

タを透過および反射した光強度から FBG センサ年度年次大会において『FBG センサによる液体水のブラッグ波長を推定する方法である。計測方法

素中での機構品の動ひずみ計測』と題して講演をの光学系のブロック図を図 1 に示す。誘電体薄膜行った内容を基に、FBG センサや計測技術に関すフィルタの透過率および反射率の例を図 2 に示す。
図 1 において光源から照射された光は光サーる記述を加筆したものである。

キュレータを介して FBG センサに到達する。FBG

2. FBG センサによる高速動ひずみ計測方法

センサから照射された光源からブラッグ波長を中FBG は光ファイバコアに紫外線レーザー照射に心とした狭帯域の光が再び光サーキュレータを介より屈折率の周期的な変化を構成させたものであして誘電体薄膜フィルタに導かれる。誘電体薄膜る。FBG は式（1）に示す関係のブラッグ波長（lB）フィルタを透過した光強度と反射した光強度が光と呼ばれる波長の光を強く反射性質がある。この

電変換器 PD1 と PD2 で電圧信号 VT と VR に変換性質を利用し FBG は光ファイバ通信のフィルタとされる。ここで、無次元量 R 値を式（2）のようして多用されている。式（1）において L は屈折に定義すると、ブラッグ波長は図 2 の誘電体薄膜率変化の間隔、すなわち、格子間隔であり、ne はフィルタの透過率および反射率特性から、無次元FBG 部の有効屈折率である。格子間隔および屈折量 R 値の一価の関数である。そのため、実際には率は FBG に負荷されたひずみ変化もしくは温度変

電圧 VT と VR を計測することによりブラッグ波化により変化し、その結果、ブラッグ波長も変化長を知ることが可能となり、VT と VR の変化かする。ブラッグ波長のひずみおよび温度に対するらブラッグ波長変化を知ることができる。

変化はそれぞれ線形性が良く、この性質を利用し、光源を連続照射し、光電変換器 PD1 と PD2 のひずみセンサや温度センサとして利用されている。

出力電圧を連続的に集録すると、連続的なブラッ（1）グ波長測定が可能であり、著者は本手法により著者らは FBG センサによるひずみ計測方法と100kHz までの高速なひずみ変化を計測可能なこlΒ = 2 n e Λ
（3）

（1）
（2）

して Davis & Kersey が提案した方法 を採用してとを示している（4）（6）-いる。この方法は FBG センサからの反射光をR=誘電体薄膜フィルタに入射し、誘電体薄膜フィル

図121VR − VT（2）

VT + VRFBG センサにより高速ひずみ計測可能なシステムのブロック図—

IIC_REVIEW_48.indb。

21—

IIC REVIEW/2012/10. No.48

2012/09/20

10:17:35

図2

誘導体薄膜フィルタの透過率と反射3. 試験装置および試験方法
3.1 試験装置
使用した液体水素中で軸受を回転させる装置の（7）

断面図を図 3 に示す 。この装置は宇宙用液体ロケットエンジンの液体水素ターボポンプ用の軸受の性能と寿命を評価する装置であり、JAXA 角田宇宙センターに設置されている。
図 3 の装置は上部にエアタービンが設けられた回転軸がラジアル方向およびスラスト方向ともエアベアリングで支持されている。供試体となる軸受の内輪が回転軸の先端に取り付けられる。軸受の外輪は図 4 に示す軸受カートリッジで支持されている。軸受カートリッジのスラスト方向もエアベアリングで支持されている。軸受カートリッジのラジアル方向は図 4 で矢指した直径 8mm およ
図3び長さ 60mm のステンレススチール製のロッドで液体水素用軸受試験装置概要図

液体水素容器外部のトルク計測用ロードセルと連結され支持されている。回転軸をエアタービンで回転させる等、本装置は耐爆性に留意され設計・製作されている試験装置である。

—

IIC_REVIEW_48.indb

2222

—

2012/09/20

10:17:35

3.2 試験方法
FBG センサは軸受カートリッジ（図 4）のトルク計測用の前記のロッドにシアノアクリレート系接着材で接着した。使用した FBG センサは中心波長 1534nm（室温時）、グレーティング長 5mmである。図 5 に FBG センサ接着状況を示す。図 3の試験装置の容器内に液体水素を充満させ、軸受温度が 26K 以下で安定したのち、軸受内輪を回転

図4

軸受カートリッジ

図5FBG センサ接着状況させた。図 6 に軸受の温度履歴を示す。
計測は FBG センサによるひずみ計測とあわせて、熱電対による軸受温度、ロードセルによる軸受カートリッジのトルクおよび軸受を回転させるシャフトの回転数である。軸受の定常回転数が30,000rpm（ 周 波 数 に 換 算 す る と 500Hz と な る ）と高速であり、軸受の回転に伴う高次の振動が発生することも予想されたため、FBG センサによるひずみ計測にあたっては、サンプリング周波数を50kHz と高速な条件により計測を行った。また、軸受定常回転（30,000rpm）は約 30 分保持した。

図6

軸受温度履歴—IIC_REVIEW_48.indb

2323—

IIC REVIEW/2012/10. No.48

2012/09/20

10:17:36

3.3 FBG センサ計測装置

4. 試験結果

FBG セ ン サ へ の 光 の 照 射 お よ び 光 電 変 換 はJAXA 宇 宙 オ ー プ ン ラ ボ 平 成 20 年 － 22 年 研 究

図 8 に取得した動ひずみの 1 秒毎の RMS 値とテーマ『大型構造部物の構造ヘルスモニタリング回転速度の関係を示す。軸受回転速度の加減速中に関する研究』の研究成果である、FBG センサ用は動ひずみの RMS 値が大きく変化するが、定常（6）計測装置（呼称 HFS-G1）を使用した 。図 7 に回転数（30,000rpm）では動ひずみの RMS 値は安HFS-G1 のセットアップ状況を示す。本装置を使定していることがわかる。図 9 に定常回転中の試用すると、FBG センサ数 4 点で 100kHz までの動験時間 15 分付近の動ひずみ波形を示す。図 8 より、ひずみを評価可能である。今回の試験においては30,000rpm の回転数に相当する 2msec 毎の周期的FBG センサの接着部位が小さいため FBG センサな波形が現れている。
取得した波形を 1 秒毎に周波数解析し、そのピーは 1 点として計測を実施した。

ク周波数を求めた。周波数解析を行うにあたっては、静的なひずみを除去するため、0.1 秒毎に平均ひずみを求め、瞬間値から平均値を除することを行った。さらに、カットオフ周波数 30Hz のデジタ
ルハイパスフィルタ処理を行ったのち DFT 解析を行った。スペクトラムは平滑化のため 10 回の平均化処理を行った。その結果を図 10 に示す。図 10よりデータ収録開始直後のピーク周波数はランダ
ムであるが、高速回転になると、ピーク周波数は軸受回転数に対応して変化していることがわかる。
このことより、FBG センサは接着した部位の回転速度に対応した動ひずみを計測できていると判断
図7できる。

HFS-G1 セットアップ状況

図8

1 秒毎の動ひずみ RMS 値と回転速度—

IIC_REVIEW_48.indb

2424—

2012/09/20

10:17:38

図9

図 10

取得した動ひずみ波形の例

1 秒毎の周波数解析結果のピーク周波数と回転速度

図 11 に試験時間 0 分（静止時）、6 分および 22クが現れている。静止時にこれらのピークは無く、分時の動ひずみの周波数解析結果（パワースペク軸受回転に起因するものと予想されるが、この評トラム密度関数）を示す。解析条件は図 11 に記価についても、軸受および試験装置の振動特性にした通りである。試験時間 6 分時と 22 分時に回関する詳細な知識を必要とし、本報で報告可能な転一次に相当するピーク周波数が明瞭に現れてい範囲を超えることをお許しいただきたい。

る。また、回転一次の 0.4 次成分に相当するピー

なお、図 11 のスペクトラムで特徴的なこととク周波数が試験時間 6 分時と 22 分時のスペクトして、ピーク周波数以外の周波数においては、静ラムで共に現れている。このピーク周波数につい止時と軸受回転時でスペクトルパワーが解析周波ては軸受および試験装置の機械振動について詳し数帯域全域で変化していない。これは、FBG セン

い知識を必要とする。また、軸受回転時には 1kHzサが高周波数帯域まで高い S/N 比を有するひずみから 10kHz に回転一次よりもパワーの小さいピーセンサであることを示している。

—

IIC_REVIEW_48.indb

2525

—

IIC REVIEW/2012/10. No.48

2012/09/20

10:17:39

図 11

周波数解析パワースペクトラム密度関数の一例

5. 結言

参考文献

液体水素に浸された軸受カートリッジに取り付（1） T. Nakajima, Frequency characteristic evaluation

けられたステンレススチール製の直径 8mm のロッo f F B G s e n s o r u s i n g a H o p k i n s o n ’ s b a r,

ドに FBG センサを接着し、軸受が 30,000rpm でProceeding of EUROPEAN WORKSHOP ON

回転するときの動ひずみの計測を試みた。動ひず

STRUCTURAL HEALTH MONITORING 2010

みの振幅は片振幅で 10 × 10-6 に満たない微小な(2010), pp.1313-1318

ものであったが、回転速度に対応する信号を取得（2） 中島富男、ホプキンソン棒を用いたファイバ・することができた。また、取得した動ひずみの周ブラッグ・グレーティング（FBG）センサの波数解析結果のピーク周波数の履歴は、軸受の回周 波 数 特 性 評 価、IIC Review、No.44 (2010)、転速度と良く一致した。本試験の結果は、爆発性

pp.18-22を有するため電気センサによる計測が難しかった（3） M.A. Davis and A.D. Kersey, All-f ibre Bragg

液体水素ロケットエンジン用機構品の実運用試験

grating strain-sensor demodulation techniqueに、FBG センサを適用できることを示すものであusing a wavelength division coupler, Electronics

る。さらに、耐爆性に留意が必要なため、電気セ

Letters, Vol.30, No.1 (1994), pp.75-77

ンサの使用が制限されていた危険物流体中の機構（4） 中島富男、荒川敬弘、FBG センサによる高品のひずみ計測に適用することも可能である。こ速動ひずみ計測技術について、IIC Review、のように FBG センサは従来の電気抵抗式ひずみNo.38 (2007)、pp.37-44

ゲージが適用できないような機構品を含む構造体（5） 荒川敬弘、中島富男、FBG センサによるフの計測が可能であることは、本報の最も大きな成ラットベルト状のロードホイール回転時の高果である。

速 動 ひ ず み 計 測、IIC Review、No.41 (2009)、pp.42-48—

IIC_REVIEW_48.indb

2626—

2012/09/20

10:17:39

（6） 中島富男、佐藤英一、津田浩、佐藤明良、川合伸明、“多重化した FBG センサによるひずみと AE 同時計測システムの開発”、日本機
械 学 会 論 文 集 A 編、Vol.78、No.789 (2012)、
pp.147-160（7） M. Nosaka, M. Kikuchi, N. Kawai, K. Hiroshima,Effects of Iron Fluoride Layer on Durability ofCryogenic High-Speed Ball Bearings for Rocket
Turbopumps, Tribology Transactions, 43, 2 (2000),
pp.163-174

研究開発センター
研究開発グループ課長

独立行政法人宇宙航空研究開発機構
宇宙輸送系推進技術研究開発センター
主任研究員 博士（工学）

中島 富男

高田 仁志

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

TEL. 050-3362-7232
FAX. 0224-68-3579

独立行政法人宇宙航空研究開発機構
宇宙科学研究所教授 工学博士

独立行政法人産業技術総合研究所
計測フロンティア部門
構造体診断技術研究グループ
グループ長 工学博士

佐一

津田TEL. 050-3362-2469
FAX. 042-759-8461

浩

TEL. 029-861-9284
FAX. 029-861-5882

株式会社 IHI エアロスペース
技師長室技師長

佐藤 明良
TEL. 0274-62-7646
FAX. 0274-62-7738—

IIC_REVIEW_48.indb

2727

—

IIC REVIEW/2012/10. No.48

2012/09/20

10:17:40