【発明の詳細な説明】
静電容量トランスデューサ装置およびケーブル
本発明は、静電容量(キャパシタンス)トランスデューサ装置とケーブルに関
し、特に、それのみに限定するものではないが、周波数変調静電容量検出器への
/からの信号を送信するのに使用するケーブルと、そのような検出器に関する。
周波数変調静電容量トランスデューサは、例えば、ジェットエンジンやガスタ
ービンにおいてブレード先端部の離間距離(クリアランス)を測定する静電容量
検出器の形で使用される。このような応用に適した装置が、引き続く図面の第1
図に示されている。
第1図には、例えばジェットエンジンのブレードであって、アース3に電気的
に接続されたターゲット(対象物)2が、模式的に示されている。ターゲット2
から間隔をおいて静電容量プローブ4が位置している。この構成では、ターゲッ
ト2は、平行平板コンデンサの接地電極板として作動し、プローブ4は他方の電
極板として作動する。三軸のケーブル6がプローブ4を発振回路8に電気的に接
続する。回路8は、電源10と、電源10の出力に電気的に接続されたバッファ
12と、電源10の出力およびバッファ12の出力に電気的に接続された発振器
(オシレータ)14を有する。単位利得(ユニティゲイン)増幅器16が、電源
10の出力及び発振器14の出力に電気的に接続されている。バッファ12、発
振器14および単位利得増幅器16は、それぞれ点18でアースに電気的に接続
されている。
発振回路8を検出回路(図示せず)に接続するために、50Ω同軸ケーブル2
0が電源10およびバッファ12に電気的に接続されている。
この既知の装置において、三軸ケーブル6は、発振器14の出力に電気的に接
続されたステンレス鋼からなる中心導体22を有する。ケーブル6は、アース1
8に電気的に接続されたステンレス鋼からなる外側層24と、増幅器16の出力
に電気的に接続されたステンレス鋼からなる中間層26とを有する。外側層24
は、そうしなければ発生するであろう高周波輻射に対する遮蔽として作動する。
導体22と中間層26の間、および中間層26と外側層24の間には、シリカあ
るいは酸化アルミニウムのような無機質の絶縁材料28が設けられている。
ステンレス鋼は、所要の強度、耐久性および熱抵抗をケーブルに与えるので、
今にいたるまで、中間層26および外側層24のそれぞれに対してステンレス鋼
が使用されている。特に、ガスタービンおよびジェットエンジンの環境では、約
1000度の高温に直面するが、その結果としてケーブルが劣化しあるいはその
性能に大幅な影響を受けてはならない。
しかしながら、エンジン技術の進歩に伴い、プローブ4と発振回路8の間のケ
ーブル6の長さが増大しなければならなくなった。発振回路8をエンジンの高温
体から離して配置することは重要である。エンジンの寸法と複雑さが増加するに
したがい、要求されるケーブルの長さも必然的に増加する。このようなケーブル
を使用する周波数変調間隔測定器の感度は、ケーブルの長さが増加するにつれて
低下することが判明した。ケーブルの長さが約3mに近づくと、既知の検出器の
性能は満足できないものとなった。
ここで言及されるか否かにかかわらず、従来技術における短所を取り除き、あ
るいは克服することが、本発明の好適実施例の目的である。
本発明の第一の局面によれば、ケーブルによって静電容量手段に接続する発振
器を有し、ケーブルが、内部導体と、外側保護層と、外側層と内部導体の間の中
間層と、を有する三軸であり、内部導体、中間層および外側層がすべて電気伝導
体である静電容量トランスデューサ装置において、中間層が、外側層を形成する
材料とは異なる材料から成り、かつ相対的に高い電気伝導率を有することを特徴
とする静電容量トランスデューサ装置が提供される。
本明細書において、ケーブルに関して使用される用語「三軸」は、少なくとも
3つの層を有するケーブルを含む。すなわち4層のケーブルもやはり三軸である
。
従来技術と比較して中間層の抵抗率を大幅に低減することにより、感度の増加
が実現される。本発明以前には正しくは理解されていなかったが、従来技術にお
けるステンレス鋼からなる中間層の比較的高い抵抗率がインピーダンスを高<し
、その結果、位相シフトおよび振幅がケーブルの長さに沿って維持されないこと
が、明らかである。中間層の電気伝導率を増やすことによりケーブルの全インピ
ーダンス(リアクタンス)を低減することが、装置の感度を著しく高め、約5m
およびそれ以上の典型的には約10m迄(これは本発明の使用に対する上限であ
ると
意図するものではないが)のケーブル長を用いた正確な間隔測定を可能にする。
言い換えれば、ガードドライバ増幅器(165)は、ケーブルの全長にわたって
静電容量を駆動できる必要があり、もし中間層が高い抵抗率を有するならそれは
不可能である。本発明をこのパラグラフでの説明により限定することは、意図し
ていない。
装置は、周波数変調静電容量トランスデューサであってもよい。装置は、例え
ば、静電容量間隔検出器を構成してもよい。静電容量手段は、通常、間隔プロー
ブを有する。
異なる部品に使用される材料はその部品に必要な異なる特性を考慮して選ばれ
るから、通常、中間層は、中心導体および/または外側層とは異なる材料からな
る。外側層は、望ましくは約1000℃以上の温度に耐え、かつこの温度で酸化
に耐えることができる、引抜きによる金属材料で構成されてもよい。外側層のた
めの望ましい材料はステンレス鋼である。
中間層もまた高温に耐える必要があり、1100℃を超える、中でも1200
℃を超える融点を有することが望ましいが、中間層は(外側層に必要とされるよ
うな)高温における耐酸化性よりも、比較的低い抵抗を示すことの方が要求され
る。このように、中間層の導電率は、ステンレス鋼の導電率より大幅に高いこと
が望ましい。
ニッケルを主成分とする材料は、他のステンレス鋼の層を焼鈍(アニール)す
るのに必要な温度に耐えられ、同時に十分に高い導電率を示すので、ニッケルを
主成分とする材料が、中間層に使用されてもよい。中間層は、引抜きによる金属
材料であることが望ましい。
中間層に使用されることができるニッケルを主成分とする合金の例には、例え
ばキュプロニッケル(cupronickel)(約70%Cu、30%Ni)やモネル(Mone
l)(約70%Ni、30%Cu)のような25%と75%の間のニッケルを有す
る(ここではすべての百分比は重量比である)銅とのニッケル合金と、他の、例
えばニッケル・クロム・鉄・コバルト合金のような、クロムおよび/またはコバ
ルトとのニッケル合金と、を含む。このような合金の例には、インコネル(Incon
el)およびインコロイ(Incoloy)(例えば21%Ni,0.1%C,0.
5%Cu、残余のFeを含むIncoloy800)の商標で売られているものを含む。あ
るいは、純ニッケルが使用されてもよい。
ニッケルを主成分としない合金が使用されてもよく、例えば中間層は、コバル
トおよびコバルトを主成分とする合金あるいは炭素鋼で形成されていてもよい。
あるいは、必要な導電率および高温性能を有する複合材が使用されてもよい。例
えば、ステンレス鋼で鎧装(シース)された銅の中間層は、銅による適切な導電
率とステンレス鋼による高温強度を有するであろう。
中間層の抵抗は、1Ω・m-1未満であることが望ましく、0.1Ω・m-1未満
であることが望ましい。
さらに、ケーブルの抵抗(すなわち、エンド・ツー・エンドの直流抵抗)は2
Ω未満が望ましく、1Ω未満がより望ましく、特に0.5Ω未満がさらに望まし
く、0.1Ω未満が最も望ましい。
しかしながら、中心導体は、ステンレス鋼のように比較的強靭な材料で形成さ
れることが望ましい。これは、製造中にケーブルが引き抜き加工される間の、中
心導体への粉末による損傷の程度(degree of powder damage)を低減し、ある
いは最小限度に抑えるために必要である。
無機質の絶縁体が、内部導体と中間層の間、および/または、中間層と外側層
の間に設けられることが適切である。ケーブルにより送信される信号の減衰を低
減するために、無機質の絶縁体は、例えば5以下の比較的低い比誘電率を有する
ことが望ましく、4以下がさらに望ましい。したがって、無機質の絶縁体は、シ
リカあるいは酸化アルミニウムであることが望ましい。しかし、ケーブルの長さ
によっては、酸化マグネシウムのようなより高い比誘電率の絶縁体の使用が可能
である。
装置は周波数変調静電容量トランスデューサであってもよい。
第二の局面によれば、本発明は、静電容量トランスデューサ装置の一部として
の使用に適切な三軸ケーブルであって、内部導体と、外側保護層と、外側層と中
心導体の間の中間層と、を有する三軸ケーブルにおいて、中間層が、外側層を形
成する材料とは異なる材料から成り、かつ相対的に高い電気伝導率を有すること
を特徴とする三軸ケーブルを提供する。
ケーブルは、装置に関して、上述のようであることが望ましい。
本発明は、以下の図を例としてのみ参照して、次に説明される。
第1図は、従来技術の装置の略図であり、本発明の実施例を説明するために以
下に参照される。
第2図は、本発明に係るケーブルの縦軸に垂直なケーブルの拡大断面図である
。
添付図面の第2図を参照すると、本発明に係るケーブル106の断面図が示さ
れている。ケーブル106は、ステンレス鋼の中心導体122と、ステンレス鋼
の外側層124と、ニッケルの中間層126とを有する。中心導体122と中間
層126の間、および中間層126と外側層124の間は、無機質の絶縁材料1
28である。
その構成と動作モードにおいて、ケーブル106は、第1図に示され第1図に
関して説明されたものと大体において類似している。しかしながら、本発明に係
るケーブル106の場合には、ニッケル層126の大幅に低い抵抗率がケーブル
の全長にわたる位相シフトと振幅の維持を保証し、それにより、従来技術におけ
るようにステンレス鋼の中間層を使用した装置と比較して、装置の感度を大幅に
改善する。
5mまでのケーブル長の全範囲における性能が大幅に改良されて短い長さにお
ける性能から事実上区別できないようになることが、期待される。ケーブルの全
長での性能が改善されるべきである。
ここで説明されたケーブルの製造は、本明細書を読む当業者の範囲内のもので
ある。例えば、ケーブル106は、既知の方法で中心導体122をまず引き抜く
ことにより製造される。ニッケルの中間層126およびステンレス鋼の外側層1
24が次にそれぞれ引抜かれ、中心導体122の周囲に同心状に配置される。各
層は次に焼鈍される。ニッケル層はこの段階では、ステンレス鋼の焼鈍に必要な
温度に対して著しい劣化なしに耐えられるから、例えば銅に比べて有利である。
ケーブル106は、公知であるように、シリカあるいは酸化アルミニウムのよ
うな無機質の絶縁体で充填される。
周波数変調静電容量トランスデューサの一部としてケーブルの応用性および有
用性に関して説明されたが、振幅変調を基にした静電容量システムの一部として
も有利に使用できる。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】1997年12月22日(1997.12.22)
【補正内容】
明細書
静電容量トランスデューサ装置およびケーブル
本発明は、静電容量(キャパシタンス)トランスデューサ装置とケーブルに関
し、特に、それのみに限定するものではないが、周波数変調静電容量検出器への
/からの信号を送信するのに使用するケーブルと、そのような検出器に関する。
周波数変調静電容量トランスデューサは、例えば、ジェットエンジンやガスタ
ービンにおいてブレード先端部の離間距離(クリアランス)を測定する静電容量
検出器の形で使用される。そのようなトランスデューサの1つは、米国特許第5
,101,165号明細書(US-A-5,101,165)において説明されており、低静電容
量の三軸電気ケーブルが静電容量測定システムにセンサを接続する。このケーブ
ルは、「インコネル(Inconel)」と呼ばれる鉄/ニッケル/クロム合金から形成
された中間層および外側層を有する。このような応用に適した装置が、引き続く
図面の第1図に示されている。
第1図には、例えばジェットエンジンのブレードであって、アース3に電気的
に接続されたターゲット(対象物)2が、模式的に示されている。ターゲット2
から間隔をおいて静電容量プローブ4が位置している。この構成では、ターゲッ
ト2は、平行平板コンデンサの接地電極板として作動し、プローブ4は他方の電
極板として作動する。三軸のケーブル6がプローブ4を発振回路8に電気的に接
続する。回路8は、電源10と、電源10の出力に電気的に接続されたバッファ
12と、電源10の出力およびバッファ12の出力に電気的に接続された発振器
(オシレータ)14を有する。単位利得(ユニティゲイン)増幅器16が、電源
10の出力及び発振器14の出力に電気的に接続されている。バッファ12、発
振器14及び単位利得増幅器16は、それぞれ点18でアースに電気的に接続さ
れている。
発振回路8を検出回路(図示せず)に接続するために、50Ω同軸ケーブル2
0が電源10およびバッファ12に電気的に接続されている。
この既知の装置において、三軸ケーブル6は、発振器14の出力に電気的に接
続されたステンレス鋼からなる中心導体22を有する。ケーブル6は、アース1
8に電気的に接続されたステンレス鋼からなる外側層24と、増幅器16の出力
に電気的に接続されたステンレス鋼からなる中間層26とを有する。外側層24
は、そうしなければ発生するであろう高周波輻射に対する遮蔽として作動する。
導体22と中間層26の間、および中間層26と外側層24の間には、シリカあ
るいは酸化アルミニウムのような無機質の絶縁材料28が設けられている。
溶融シリカ(fused silica)を使用した、無機材料で絶縁された三軸ケーブルは
既知であり、例えば、WO-A-93/05521号公報に記載されている。
ステンレス鋼は、所要の強度、耐久性および熱抵抗をケーブルに与えるので、
今にいたるまで、中間層26および外側層24のそれぞれに対してステンレス鋼
が使用されている。特に、ガスタービンおよびジェットエンジンの環境では、約
1000度の高温に直面するが、その結果としてケーブルが劣化しあるいはその
性能に大幅な影響を受けてはならない。
しかしながら、エンジン技術の進歩に伴い、プローブ4と発振回路8の間のケ
ーブル6の長さが増大しなければならなくなった。発振回路8をエンジンの高温
体から離して配置することは重要である。エンジンの寸法と複雑さが増加するに
したがい、要求されるケーブルの長さも必然的に増加する。このようなケーブル
を使用する周波数変調間隔測定器の感度は、ケーブルの長さが増加するにつれて
低下することが判明した。ケーブルの長さが約3mに近づくと、既知の検出器の
性能は満足できないものとなった。
ここで言及されるか否かにかかわらず、従来技術における短所を取り除き、あ
るいは克服することが、本発明の好適実施例の目的である。
本発明の第一の局面によれば、発振器と、静電容量手段と、発振器を静電容量
手段に接続するケーブルとを有し、ケーブルが、内部導体と、外側保護層と、外
側層と内部導体の間の中間層と、内部導体と中間層の間および中間層と外側層の
間とに設けられた無機質の絶縁材と、を有する三軸であり、内部導体、中間層お
よび外側層がすべて電気伝導体である静電容量トランスデューサ装置において、
中間層が、外側層を形成する材料とは異なる材料から成り、かつステンレス鋼の
電気伝導率より大幅に高い電気伝導率を有し、それにより中間層が1Ω・m-1未
満の抵抗を有することを特徴とする静電容量トランスデューサ装置が提供される
。
本明細書において、ケーブルに関して使用される用語「三軸」は、少なくとも
3つの層を有するケーブルを含む。すなわち4層のケーブルもやはり三軸である
。
従来技術と比較して中間層の抵抗率を大幅に低減することにより、感度の増加
が実現される。本発明以前には正しくは理解されていなかったが、従来技術にお
けるステンレス鋼からなる中間層の比較的高い抵抗率がインピーダンスを高くし
、その結果、位相シフトおよび振幅がケーブルの長さに沿って維持されないこと
が、明らかである。中間層の電気伝導率を増やすことによりケーブルの全インピ
ーダンス(リアクタンス)を低減することが、装置の感度を著しく高め、約5m
およびそれ以上の典型的には約10m迄(これは本発明の使用に対する上限であ
ると意図するものではないが)のケーブル長を用いた正確な間隔測定を可能にす
る。言い換えれば、ガードドライバ増幅器(16)は、ケーブルの全長にわたっ
て静電容量を駆動できる必要があり、もし中間層が高い抵抗率を有するならそれ
は不可能である。本発明をこのパラグラフでの説明により限定することは、意図
していない。
装置は、周波数変調静電容量トランスデューサであってもよい。装置は、例え
ば、静電容量間隔検出器を構成してもよい。静電容量手段は、通常、間隔プロー
ブを有する。
上述のように、異なる部品に使用される材料はその部品に必要な異なる特性を
考慮して選ばれるから、中間層は、そして通常は中心導体も、外側層とは異なる
材料からなる。外側層は、望ましくは約1000℃以上の温度に耐え、かつこの
温度で酸化に耐えることができる、引抜きによる金属材料で構成されてもよい。
外側層のための望ましい材料はステンレス鋼である。
中間層もまた高温に耐える必要があり、1100℃を超える、中でも1200
℃を超える融点を有することが望ましいが、中間層は(外側層に必要とされるよ
うな)高温における耐酸化性よりも、比較的低い抵抗を示すことの方が要求され
る。このように、中間層の導電率は、ステンレス鋼の導電率より大幅に高いこと
が望ましい。
ニッケルを主成分とする材料は、他のステンレス鋼の層を焼鈍(アニール)す
るのに必要な温度に耐えられ、同時に十分に高い導電率を示すので、ニッケルを
主成分とする材料が、中間層に使用されてもよい。中間層は、引抜きによる金属
材料であることが望ましい。望ましくは、純ニッケルが使用されてもよい。
ニッケルを主成分としない合金が使用されてもよく、例えば中間層は、コバル
トおよびコバルトを主成分とする合金あるいは炭素鋼で形成されていてもよい。
あるいは、必要な導電率および高温性能を有する複合材が使用されてもよい。例
えば、ステンレス鋼で鎧装(シース)された銅の中間層は、銅による適切な導電
率とステンレス鋼による高温強度を有するであろう。
中間層の抵抗は0.1Ω・m-1未満であることが望ましい。
さらに、ケーブルの抵抗(すなわち、エンド・ツー・エンドの直流抵抗)は2
Ω未満が望ましく、1Ω未満がより望ましく、特に0.5Ω未満がさらに望まし
く、0.1Ω未満が最も望ましい。
しかしながら、中心導体は、ステンレス鋼のように比較的強靭な材料で形成さ
れることが望ましい。これは、製造中にケーブルが引き抜き加工される間の、中
心導体への粉末による損傷の程度(degree of powder damage)を低減し、ある
いは最小限度に抑えるために必要である。
無機質の絶縁体が、内部導体と中間層の間、および/または、中間層と外側層
の間に設けられることが適切である。ケーブルにより送信される信号の減衰を低
減するために、無機質の絶縁体は、例えば5以下の比較的低い比誘電率を有する
ことが望ましく、4以下がさらに望ましい。したがって、無機質の絶縁体は、シ
リカあるいは酸化アルミニウムであることが望ましい。しかし、ケーブルの長さ
によっては、酸化マグネシウムのようなより高い比誘電率の絶縁体の使用が可能
である。
装置は周波数変調静電容量トランスデューサであってもよい。
第二の局面によれば、本発明は、静電容量トランスデューサ装置の一部として
の使用に適切であって、内部導体と、外側保護層と、外側層と中心導体の間の中
間層と、内部導体と中間層の間および中間層と外側層の間に設けられた無機質の
絶縁材と、を有する三軸ケーブルにおいて、中間層が、外側層を形成する材料と
は異なる材料から成り、かつステンレス鋼の電気伝導率より大幅に高い電気伝導
率を有し、それにより中間層が1Ω・m-1未満の抵抗を有することを特徴とする
三軸ケーブルを提供する。
請求の範囲
1. 発振器と、静電容量手段と、前記発振器を前記静電容量手段に接続す
るケーブル(106)とを有し、前記ケーブルが、内部導体(122)と、外側
保護層(124)と、前記外側層と前記内部導体の間の中間層(126)と、前
記内部導体と前記中間層の間および前記中間層と前記外側層の間とに設けられた
無機質の絶縁材(128)と、を有する三軸であり、前記内部導体、前記中間層
および前記外側層がすべて電気伝導体である静電容量トランスデューサ装置にお
いて、
前記中間層(126)が、前記外側層(124)を形成する材料とは異なる材
料から成り、かつステンレス鋼の電気伝導率より大幅に高い電気伝導率を有し、
それにより前記中間層が1Ω・m-1未満の抵抗を有することを特徴とする静電容
量トランスデューサ装置。
2. 前記中間層(126)が0.1Ω・m-1未満の抵抗を有する請求の範
囲第1項に記載の装置。
3. 前記ケーブル(106)が2Ω未満の抵抗を有する請求の範囲第1項
または第2項に記載の装置。
4. 前記ケーブル(106)が0.5Ω未満の抵抗を有する請求の範囲第
3項に記載の装置。
5. 前記中間層(126)がニッケルを主成分とする材料を含む請求の範
囲第1項乃至第4項のいずれか1項に記載の装置。
6. 前記中間層(126)が純ニッケルからなる請求の範囲第5項に記載
の装置。
7. 前記中間層(126)が、コバルト(例えばコバルトを主成分とする
合金)あるいは炭素鋼あるいは複合材を含む、請求の範囲第1項乃至第4項のい
ずれか1項に記載の装置。
8. 前記無機質の絶縁材(128)が5以下の比誘電率を有する請求の範
囲第1項乃至第7項のいずれか1項に記載の装置。
9. 前記無機質の絶縁材(128)がシリカあるいは酸化アルミニウムで
ある請求の範囲第1項乃至第8項のいずれか1項に記載の装置。
10. ジェットエンジンあるいはガスタービンのブレード先端部の離間距離
を測定する請求の範囲第1項乃至第9項のいずれか1項に記載の装置。
11. 静電容量トランスデューサ装置の一部としての使用に適切な三軸ケー
ブル(106)であって、内部導体(122)と、外側保護層(124)と、前
記外側層と前記中心導体の間の中間層(126)と、前記内部導体と前記中間層
の間および前記中間層と前記外側層の間に設けられた無機質の絶縁材(128)
と、を有する三軸ケーブルにおいて、
前記中間層(126)が、前記外側層(124)を形成する材料とは異なる材
料から成り、かつステンレス鋼の電気伝導率より大幅に高い電気伝導率を有し、
それにより前記中間層が1Ω・m-1未満の抵抗を有することを特徴とする三軸ケ
ーブル。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】1997年12月23日(1997.12.23)
【補正内容】
【図1】【図2】
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S
Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD
,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ
,BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,
CU,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,G
E,HU,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR
,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,
MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,P
L,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK
,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ,
VN
(72)発明者 ストリングフェロウ、ジョン、フランシス
イギリス国 ピーアール3 5エルイー
プレストン ブラフトン ダートン レー
ン タンドリッジ(番地なし)
(72)発明者 ウェイマン、レスリー
イギリス国 エヌイー31 1アールエー
タイン アンド ウェアー ヘバーン ウ
ッドヴェール ドライヴ 6
(72)発明者 ノックス、ブライアン
イギリス国 ディーエイチ3 2ジェイイ
ー カウンティ ダーハム バートレイ
タンタロン 37