JP2006084292A - 回転体物理量計測方法および回転体物理量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転体の大きさおよび回転数にかかわらず、必要な時に物理量を精度よく計測できる回転体物理量計測方法および回転体物理量計測装置を提供する。
【解決手段】 光源６０から出力された計測光は、光カプラ４４を介してレンズ２２から放射され、回転体１２に向けて空間を伝搬する。空間を伝搬した計測光は、レンズ２４で集光され、光ファイバ２６を伝搬して計測用光ファイバに入射する。計測光は、計測用光ファイバを伝搬する過程で、ひずみ量に応じて反射され、戻り光を生じる。戻り光は、光ファイバ２６を計測光と逆方向に伝搬して、レンズ２４から放射され、固定側に向けて空間を伝搬する。空間を伝搬した戻り光は、レンズ２２で集光され、光カプラ４４を介して計測部７０に入射する。計測部７０は、戻り光の時間的な強度変化を計測して、ひずみ量を算出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は回転体における物理量計測に関し、特に外部から回転体に光を与えることにより物理量を計測する回転体物理量計測方法および回転体物理量計測装置に関するものである。

従来から発電機、電動機およびエンジンなどを構成する回転体の温度、応力、ひずみおよび振動などの物理量を計測する方法として、スリップリング方式およびテレメータ方式が知られている。

図１８は、従来のスリップリング方式による回転体物理量計測装置の概略構成図である。

図１８を参照して、スリップリング方式では、回転体１２に円状の金属環であるスリップリング６２．１，６２．２を備える。また、回転体に配置されたセンサ（図示しない）とスリップリング６２．１，６２．２とを導線６６．１，６６．２を介して接続する。さらに、固定側にスリップリング６２．１，６２．２と常に摺動接触するようにブラシ６４．１，６４．２を配置し、固定側で回転体のセンサからの信号を受けて計測を行う。

特許文献１には、スリップリングに生じる計測誤差を補償できる回転体温度計測装置が示されている。

一方、テレメータ方式による回転体物理量計測装置は、回転体にセンサ、計測部および無線信号の送信機を備え、固定側に無線信号の受信機を備える。回転体では、計測部がセンサからの信号を受けて物理量の計測を行い、その計測値を送信機が無線信号により固定側へ送信する。そして、固定側では、受信機がその無線信号を受けて、計測値を出力する。

また、無線信号に代えて光信号により伝送を行う光テレメータ方式も知られている。無線信号に比べて伝送ノイズが低減できるという長所がある。

特許文献２には、回転体のセンサにより計測された信号をデジタル化し、そのデジタル化された信号を光信号により固定側へ伝送する光テレメータが示されている。
特開２００１−２６４１８４号公報 特開平１１−３４８８号公報

しかしながら、上述のスリップリング方式では、回転に伴うスリップリングとブラシ間の接触抵抗の変動によりノイズが生じ、計測誤差が避けられない。また、スリップリング方式は、ブラシが過熱するため、一定の回転数以下の回転体にしか適用できない。

一方、テレメータ方式では、計測部および送信機への電力を供給するために蓄電池を回転体に内蔵させる場合が多い。しかし、蓄電池を充電する手段がないため、長時間にわたって計測することができない。また、蓄電池の占めるスペースが必要であるため、適用できる回転体は大型のものに限られる。

また、特許文献２に示されているような回転トランスや永久磁石からなるブラシレス発電機により電力を供給することもできるが、回転中でなければ電力を供給できない。よって、頻繁に起動停止を繰返すような回転体を連続的に計測するような場合には適用できない。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転体の大きさおよび回転数にかかわらず、必要な時に物理量を精度よく計測できる回転体物理量計測方法および回転体物理量計測装置を提供することである。

この発明によれば、回転体の物理量を固定側において計測する回転体物理量計測方法であって、回転体へ計測光を放射する計測光放射ステップと、計測光を受けて回転体の物理量に応じた戻り光を生成し、回転体から空間を介して固定側へ戻り光を放射する戻り光放射ステップと、固定側において戻り光を受けて回転体の物理量を計測する計測ステップとを備える。

好ましくは、計測光は、回転体の回転軸の延長線上から空間を介して放射される。

好ましくは、戻り光放射ステップは、計測光を反射させて戻り光を生成するステップを含む。

好ましくは、戻り光放射ステップは、計測光を光活性物質ドープファイバに受けて誘起された光から戻り光を生成するステップを含む。

好ましくは、光活性物質ドープファイバは回転体の外周面に配置され、計測光は回転体の径方向から空間を介して光活性物質ドープファイバへ放射される。

好ましくは、戻り光は、回転体の回転軸上またはその延長線上を伝搬する。

また、この発明によれば、回転体の物理量を固定側において計測する回転体物理量計測装置であって、回転体へ計測光を放射する計測光放射手段と、計測光を受けて回転体の物理量に応じた戻り光を生成し、回転体から空間を介して固定側へ戻り光を放射する戻り光放射手段と、固定側において戻り光を受けて回転体の物理量を計測する計測手段とを備える。

好ましくは、計測光は、回転体の回転軸の延長線上から空間を介して放射される。

好ましくは、戻り光放射手段は、計測光を反射させて戻り光を生成する手段を含む。

好ましくは、戻り光放射手段は、計測光を光活性物質ドープファイバに受けて誘起された光から戻り光を生成する手段を含む。

好ましくは、光活性物質ドープファイバは回転体の外周面に配置され、計測光は回転体の径方向から空間を介して光活性物質ドープファイバへ放射される。

好ましくは、戻り光は、回転体の回転軸上またはその延長線上を伝搬する。

また、この発明によれば、計測された回転体の物理量を固定側において取得する回転体物理量計測装置であって、回転体へ光を放射する放射手段と、光を受けて回転体で電力を発生する電力発生手段と、発生した電力を用いて回転体の物理量を計測する計測手段と、計測した物理量を空間を介して固定側へ伝送する伝送手段とを備える。

好ましくは、光は、回転体の回転軸の延長線上から空間を介して放射される。

好ましくは、電力発生手段は、光を電力に変換する手段を含む。

好ましくは、電力発生手段は、光を光活性物質ドープファイバに受けて誘起された光を電力に変換する手段を含む。

好ましくは、光活性物質ドープファイバは回転体の外周面に配置され、光は回転体の径方向から空間を介して光活性物質ドープファイバへ放射される。

好ましくは、伝送手段は、計測した物理量を無線信号により固定側へ伝送する手段を含む。

好ましくは、伝送手段は、計測した物理量を光信号により固定側へ伝送する手段を含む。

好ましくは、伝送手段は、電力発生手段において電力の発生に用いられる光の一部から光信号を生成する手段をさらに含む。

好ましくは、光信号は、回転体の回転軸上またはその延長線上を伝搬する。

この発明によれば、固定側から回転体へ放射する光により回転体の物理量を計測するので、固定側が能動的となり回転体が受動的となる。よって、回転体の回転数にかかわらず回転体の物理量を計測できる。さらに、蓄電池などを収めるスペースは不要となるため、コンパクト化でき、回転体の大きさによらず物理量を計測できる。

また、この発明によれば、固定側は、回転体から空間を介して計測対象の物理量に応じた光または計測した物理量を受けるため、伝送過程でのノイズの発生を抑制できる。よって、回転体の物理量を精度よく計測できる。

この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
この発明の実施の形態１に従う回転体物理量計測装置１は、一例として、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectmetry）法により回転体のひずみを計測する。

光ファイバを伝搬する光は、その伝搬過程でレイリー散乱によりその一部が反射される。その反射される光の強度は、伝搬する光の強度に応じて決まる。ところで、ひずみが加えられている光ファイバを伝搬する光は、そのひずみ部位においてコア外へ散乱されて光強度が低下する。したがって、反射される光の強度も低下することになる。

そこで、パルス状の計測光を計測用光ファイバへ放射し、計測用光ファイバで反射されて生じる戻り光の光強度を時間領域で観測することにより、計測用光ファイバに加えられているひずみ量およびその部位を計測する。

図１は、この発明の実施の形態１に従う回転体物理量計測装置１の概略構成図である。

図１を参照して、回転体物理量計測装置１は、回転体部１００と、固定側部１５０とからなる。

回転体部１００は、レンズ２４と、光ファイバ２６と、計測用光ファイバ９６とからなる。

固定側部１５０は、光源６０と、光カプラ４４と、レンズ２２と、計測部７０とからなる。

図２は、回転体物理量計測装置１により計測される回転体１２の外観図である。

図３は、回転体物理量計測装置１により計測される回転体１２の断面図である。

図２を参照して、回転体１２は、ハウジング１０に収められ、その一端にブレード１４を備える。また、ブレード１４の表面には、ブレード１４に生じるひずみを受けるように計測用光ファイバ９６が配置される。

図３を参照して、レンズ２４と、光ファイバ２６とは、回転体１２内に配置される。

図１および図３を参照して、光源６０は、光カプラ４４と接続され、パルス状の計測光を生成して光カプラ４４へ出力する。

光カプラ４４は、光源６０、レンズ２２および計測部７０と接続される。そして、光カプラ４４は、光源６０から受けた光をレンズ２２へ出力し、レンズ２２から受けた光を計測部７０へ出力する。

レンズ２２は、支持部材２０により回転体１２の回転軸の延長線上に配置される。また、レンズ２２は、光カプラ４４と接続される。

レンズ２４は、固定側のレンズ２２と光軸が一致するように対向させて、回転体１２の内部の回転軸上に配置される。つまり、レンズ２２とレンズ２４との光軸を回転体１２の回転軸と一致させる。また、レンズ２４は、光ファイバ２６と接続される。

光ファイバ２６は、レンズ２４および計測用光ファイバ９６と接続される。

計測用光ファイバ９６は、光ファイバ２６と接続される。また、計測用光ファイバ９６は、計測対象のひずみ量を受けるように配置される。

計測部７０は、光カプラ４４と接続され、光カプラ４４から受けた戻り光の時間的な強度変化を計測する。

回転体物理量計測装置１においては、光源６０から出力された計測光は、光カプラ４４を介してレンズ２２に入射する。そして、計測光は、レンズ２２で平行光線に変換されて放射され、回転体１２に向けて空間を伝搬する。さらに、空間を伝搬した計測光は、レンズ２４で集光され、光ファイバ２６を伝搬して計測用光ファイバ９６に入射する。

計測光は、計測用光ファイバ９６を伝搬する過程で、計測用光ファイバ９６に加えられているひずみ量に応じて反射され、戻り光を生じる。

戻り光は、光ファイバ２６を計測光と逆方向に伝搬して、レンズ２４に入射する。そして、戻り光は、レンズ２４で平行光線に変換されて放射され、固定側に向けて空間を伝搬する。さらに、空間を伝搬した戻り光は、レンズ２２で集光され、光カプラ４４を介して計測部７０に入射する。

計測部７０は、戻り光の時間的な強度変化を計測して、計測用光ファイバ９６に加えられているひずみ量を算出する。

上述のように、レンズ２２とレンズ２４との光軸は、回転体１２の回転軸と一致するため、計測光および戻り光は、回転体１２の回転数によらず安定して空間伝搬できる。また、戻り光の強度変化を計測すればよいので、戻り光の偏向方向が回転体１２の回転により時間的に変化しても計測には影響しない。

なお、計測光と戻り光とは進行方向が反対であるので、伝搬過程で干渉により計測誤差を生じることはない。

図４は、この発明の実施の形態１に従う回転体物理量計測の動作を説明するためのフローチャートである。

図４を参照して、光源６０がパルス状の計測光を放射する（ステップＳ１００）。光源６０から放射された計測光は、上述のように回転体１２に向けて空間を伝搬する。そして、計測光が計測用光ファイバ９６に入射する（ステップＳ１０２）。

計測光が計測用光ファイバ９６を伝搬する過程で戻り光を生じる（ステップＳ１０４）。生じた戻り光は、上述のように固定側に向けて空間を伝搬する。そして、戻り光が計測部７０へ入射する。

次に、計測部７０が戻り光の強度を時間軸上で計測する（ステップＳ１０６）。さらに、計測部７０が時間軸上の戻り光の強度からひずみ量を算出する（ステップＳ１０８）。

このようにして、回転体１２のひずみ量を計測できる。

さらに、上述したＯＴＤＲ法の他にも、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectmetry）法およびＦＢＧ（Fiber Bragg Gratings）法による計測も可能である。

（ＢＯＴＤＲ法）
光ファイバを伝搬する光は、その伝搬過程でレイリー散乱の他にもブルリアン散乱によりその一部が反射される。ひずみが加えられている光ファイバを伝搬する光から生じるブルリアン散乱による反射光は、そのひずみ量に応じてその波長がシフトする。

そこで、ＢＯＴＤＲ法による場合には、上述と同様にして、光源６０からパルス状の計測光を計測用光ファイバ９６へ導く。そして、計測用光ファイバ９６で反射されて生じる戻り光の光強度を周波数領域で観測することにより、計測用光ファイバ９６に加えられているひずみ量を計測する。

（ＦＢＧ法）
ＦＢＧは、軸方向に周期的な屈折率変化が形成された光ファイバであり、特定の波長帯域の波長をもつ光を反射し、それ以外の波長をもつ光を通過させる性質をもつ。このＦＢＧで反射される光の波長は、屈折率変化の周期によって定まるため、ＦＢＧを伸張させることにより反射される光の波長がシフトする。

そこで、ＦＢＧからなる計測用光ファイバを計測対象のひずみ量に応じて伸張されるように配置する。そして、光源から所定の波長帯域幅をもつ光を連続的に計測用光ファイバへ導く。さらに、計測用光ファイバで反射されて生じる戻り光のスペクトルを固定側で観測することにより、計測用光ファイバに加えられているひずみ量を計測する。

なお、計測用光ファイバ９６をバイメタルなどと組合せて、温度変化をひずみ変化に変換することにより、温度を計測することもできる。さらに、同様にして、他の物理量をひずみ変化に変換することにより、他の物理量を計測することもできる。

実施の形態１によれば、固定側および回転体にそれぞれ設けられたレンズの光軸が回転軸と一致するため、計測光および戻り光は、回転体が回転していても、静止状態と同様に固定側と回転体との間の空間を安定して伝搬できる。よって、回転体の回転数にかかわらず回転体の物理量を計測できる。

また、実施の形態１によれば、回転体の計測対象の物理量に応じた戻り光は、回転体から空間を介して固定側へ伝搬するので、伝送過程でノイズを受けない。よって、回転体の物理量を精度よく計測できる。

また、実施の形態１によれば、回転体部は、レンズ、計測用光ファイバおよびそれらを接続する光ファイバで構成されるので、コンパクト化できる。よって、回転体の大きさによらず物理量を計測できる。

［実施の形態２］
上述の実施の形態１においては、固定側から放射された計測光を計測用光ファイバに導いて、その反射光により計測する場合について説明した。

一方、実施の形態２においては、固定側から放射された計測光を光活性物質ドープファイバに受けて誘起した光を計測用光ファイバに導いて、その反射光により計測する場合について説明する。

光活性物質ドープファイバは、光活性物質である希土類元素がドープ（添加）された光ファイバであり、特定の波長をもつ光をその周囲から受けると内部に光を誘起する。さらに、光活性物質ドープファイバの両端に反射部を設けて、誘起した光を光活性物質ドープファイバ内に閉じ込めると、レーザー発振を生じ、特定の波長をもつコヒーレントなレーザー光となる。さらに、このレーザー光を計測対象の回転体の物理量に応じて伸張するＦＢＧに導いて、反射される光を観測することにより、回転体の物理量を計測できる。

この発明の実施の形態２に従う回転体物理量計測装置２は、上述の実施の形態１と同様に、図２に示す回転体１２のブレード１４に生じるひずみを計測する。

図５は、この発明の実施の形態２に従う回転体物理量計測装置２の概略構成図である。

図５を参照して、回転体物理量計測装置２は、回転体部２００と、固定側部２５０とからなる。

回転体部２００は、レンズ２４と、光活性物質ドープファイバ３４と、光反射部３８と、光部分反射部３６と、光カプラ１８と、計測用光ファイバ９８とからなる。

固定側部２５０は、レンズ２２と、光源４２と、計測部８１とからなる。

図６は、回転体物理量計測装置２により計測される回転体１２の配置図である。

図５および図６を参照して、レンズ２４と、光カプラ１８とは、回転体１２内に配置される。また、計測用光ファイバ９８は、ブレード１４の表面に配置される。

レンズ２２と、レンズ２４とについては、上述の実施の形態１と同様であるので説明は省略する。

光源４２は、回転体１２の径方向から空間を介して光活性物質ドープファイバ３４へ計測光を放射する。

光活性物質ドープファイバ３４は、回転体１２の外周面にコイル状に配置され、その両端にそれぞれ光反射部３８および光部分反射部３６が接続される。なお、計測光を受光する面積を増大させるため、コイルターン数は多い方が望ましい。

光反射部３８は、光活性物質ドープファイバ３４と接続され、入射された光を反射する。

光部分反射部３６は、光活性物質ドープファイバ３４および光カプラ１８と接続され、所定の値以上の光強度をもつ光を透過させ、それ以外の光を反射する。

光カプラ１８は、光部分反射部３６、計測用光ファイバ９８およびレンズ２４と接続される。そして、光カプラ１８は、光部分反射部３６から受けた光を計測用光ファイバ９８へ出力し、計測用光ファイバ９８から受けた光をレンズ２４へ出力する。

計測用光ファイバ９８は、ＦＢＧからなり、ブレード１４に生じるひずみを受けて伸張するようにブレード１４の表面に配置される。また、計測用光ファイバ９８は、光カプラ１８と接続される。

計測部８１は、レンズ２２と接続され、レンズ２２から受けた戻り光のスペクトルを計測する。

実施の形態２における光活性物質ドープファイバ３４は、一例として、ネオジウムがドープされた光ファイバであり、光源４２は、波長が０．８μｍである計測光を放射する。すると、光活性物質ドープファイバ３４は、計測光を受けてその内部に波長が１．０６μｍの光を誘起する。

回転体物理量計測装置２においては、光源４２から計測光を受けて光活性物質ドープファイバ３４内に誘起された光は、光活性物質ドープファイバ３４中をいずれかの方向に伝搬して、光反射部３８または光部分反射部３６で反射される。以下、連続して生じる誘起光は、同様に光反射部３８または光部分反射部３６での反射を繰返してレーザー発振を生じ、所定の光強度以上となると、光部分反射部３６を透過して、光カプラ１８へレーザー光が放射される。すなわち、光活性物質ドープファイバ３４、光反射部３８および光部分反射部３６は、光ファイバレーザを構成する。

そして、光カプラ１８へ放射されたレーザー光は、計測用光ファイバ９８へ導かれる。レーザー光は、計測用光ファイバ９８が所定の伸張状態となっていれば、反射されて戻り光を生じる。そうでなければ、レーザー光は、計測用光ファイバ９８で反射されず戻り光を生じない。

戻り光は、光カプラ１８を介して、レンズ２４に入射する。そして、戻り光は、レンズ２４で平行光線に変換されて放射され、固定側に向けて空間を伝搬する。空間を伝搬した戻り光は、レンズ２２で集光され、計測部８１に入射する。さらに、計測部８１は、戻り光のスペクトルを計測して、計測用光ファイバ９８に所定のひずみ量が加えられているか否かを判断する。

なお、１つのＦＢＧからなる計測用光ファイバを用いると、所定のひずみ量が加えられているか否かを判断することになるが、異なる特性をもつ複数のＦＢＧからなる計測用光ファイバを用いることで、ひずみ量を段階的に計測できる。

上述のように、光活性物質ドープファイバ３４は、回転体１２の外周面に配置され、光源４２からの計測光を径方向から受けるため、光活性物質ドープファイバ３４には、回転体１２の回転位置によらず一定量の計測光が与えられる。よって、回転体１２の回転数によらず、光活性物質ドープファイバ３４には誘起光が安定して生じる。

また、上述の実施の形態１と同様に、戻り光は、回転体１２の回転数によらず安定して空間を伝搬できる。

図７は、この発明の実施の形態２に従う回転体物理量計測の動作を説明するためのフローチャートである。

図７を参照して、光源４２が連続的に計測光を放射する（ステップＳ２００）。光源４２から放射された計測光は、上述のように光活性物質ドープファイバ３４へ放射される。そして、光活性物質ドープファイバ３４内に光が誘起される（ステップＳ２０２）。そして、誘起光が計測用光ファイバ９８に入射する（ステップＳ２０４）。

誘起光が計測用光ファイバ９８を伝搬する過程で戻り光を生じる（ステップＳ２０６）。生じた戻り光は、上述のように固定側に向けて空間を伝搬する。そして、戻り光が計測部８１へ入射する。

次に、計測部８１が戻り光のスペクトルを計測する（ステップＳ２０８）。さらに、計測部８１は、戻り光のスペクトルが存在するか否かを判断する（ステップＳ２１０）。

戻り光のスペクトルが存在する場合（ステップＳ２１０においてＹＥＳの場合）には、計測部８１は、所定のひずみ量が加えられていると判断する（ステップＳ２１２）。

戻り光のスペクトルが存在しない場合（ステップＳ２１０においてＮＯの場合）には、計測部８１は、所定のひずみ量が加えられていないと判断する（ステップＳ２１４）。

このようにして、回転体１２に所定のひずみ量が加えられているか否かを計測できる。

なお、光活性物質ドープファイバとして、エルビウムをドープした光ファイバやプラセオジムをドープした光ファイバを用いることもできる。その場合には、光源の放射する計測光の波長は、それぞれ０．９８μｍまたは１．４８μｍ、１．０１μｍとする。

実施の形態２によれば、光活性物質ドープファイバは、回転体の外周面にコイル状に配置され、回転体の径方向から空間を介して計測光が放射される。そのため、光活性物質ドープファイバは、回転体の回転位置によらず一定量の計測光を受けるので、回転体が回転していても、光を安定的に誘起できる。よって、回転体の回転数にかかわらず回転体の物理量を計測できる。

また、実施の形態２によれば、回転体の計測対象の物理量に応じた戻り光は、回転体から空間を介して固定側へ伝搬するので、伝送過程でノイズを受けない。よって、回転体の物理量を精度よく計測できる。

［実施の形態３］
上述の実施の形態１においては、固定側から放射された計測光を計測用光ファイバに導いて、その戻り光により計測する場合について説明した。

一方、実施の形態３においては、固定側から放射された光を回転体で電力に変換し、その電力を用いて計測する場合について説明する。

この発明の実施の形態３に従う回転体物理量計測装置３は、一例として、回転体の温度を計測して、その計測値を回転体から固定側へ伝送する。

図８は、この発明の実施の形態３に従う回転体物理量計測装置３の概略構成図である。

図８を参照して、回転体物理量計測装置３は、回転体部３００と、固定側部３５０とからなる。

回転体部３００は、レンズ２４と、光電気変換部（Ｏ／Ｅ）２８と、センサ８０と、計測部８２と、送信機８４とからなる。

固定側部３５０は、レンズ２２と、光源４０と、受信機８６とからなる。

図９は、回転体物理量計測装置３により計測される回転体１２の外観図である。

図１０は、回転体物理量計測装置３により計測される回転体１２の断面図である。

図９を参照して、回転体１２は、ハウジング１０に収められ、その一端にブレード１４を備える。また、ブレード１４の表面には、ブレード１４の温度を計測するためのセンサ８０が配置される。

図８、図９および図１０を参照して、レンズ２４と、光電気変換部２８と、計測部８２と、送信機８４とは、回転体１２内に配置される。

レンズ２２と、レンズ２４とについては、上述の実施の形態１と同様であるので説明は省略する。

光源４０は、レンズ２２と接続され、光を連続的に生成してレンズ２２へ出力する。

光電気変換部２８は、レンズ２４と接続され、レンズ２４から受けた光を電力に変換する。また、光電気変換部２８は、計測部８２および送信機８４と接続され、その電力を計測部８２および送信機８４へ供給する。

センサ８０は、測温抵抗体または熱電対で構成され、計測対象の温度に応じて抵抗値または起電力が変化する。また、センサ８０は、計測部８２と接続される。

計測部８２は、光電気変換部２８と接続され、光電気変換部２８から電力を受けて動作する。また、計測部８２は、センサ８０と接続され、センサ８０からの信号により温度を計測する。そして、計測部８２は、その温度の計測値を送信機８４へ出力する。

送信機８４は、光電気変換部２８と接続され、光電気変換部２８から電力を受けて動作する。また、送信機８４は、計測部８２と接続され、計測部８２から温度の計測値を受け、無線信号に変換して受信機８６へ送信する。

受信機８６は、送信機８４から送信される無線信号を受信して、温度の計測値を出力する。

回転体物理量計測装置３においては、光源４０から出力された光は、レンズ２２に入射する。そして、光は、レンズ２２で平行光線に変換されて放射され、回転体１２に向けて空間を伝搬する。さらに、空間を伝搬した光は、レンズ２４で集光され、光電気変換部２８に入射して電力に変換される。

さらに、その電力を用いて計測された回転体の物理量を受けて、送信機８４から無線信号が送信される。空間を伝搬した無線信号は、受信機８６で受信されて計測した回転体の物理量として出力される。

上述のように、固定側から回転体へ光を放射し、その光を受けて回転体で電力を発生させ、その電力を用いて回転体の物理量を計測し、その計測した物理量を固定側へ伝送することで、固定側において回転体の物理量を取得できる。

なお、実施の形態３においては、一例として温度を計測する場合について説明したが、センサを適切に選択することで、応力、ひずみおよび振動などいずれの物理量も計測できることは言うまでもない。

実施の形態３によれば、固定側および回転体にそれぞれ設けられたレンズの光軸が回転軸と一致するため、回転体が回転していても、静止状態と同様に固定側から回転体へ安定して光、すなわち電力を供給できる。よって、回転体の回転数にかかわらずその供給された電力を用いて回転体の物理量を計測できる。

また、実施の形態３によれば、計測が必要なときに固定側から回転体へ光を放射することで、回転体の物理量を計測できるので、蓄電池などが不要となり、回転体の大きさによらず物理量を計測できる。

［実施の形態４］
上述の実施の形態３においては、計測した回転体の物理量を無線信号により固定側へ伝送する場合について説明した。

一方、実施の形態４においては、計測した回転体の物理量を光信号により固定側へ伝送する場合について説明する。

この発明の実施の形態４に従う回転体物理量計測装置４は、上述の実施の形態３と同様に、図９に示す回転体１２のブレード１４の温度を計測する。

図１１は、この発明の実施の形態４に従う回転体物理量計測装置４の概略構成図である。

図１１を参照して、回転体物理量計測装置４は、回転体部４００と、固定側部４５０とからなる。

回転体部４００は、レンズ２４と、光カプラ３０と、光電気変換部（Ｏ／Ｅ）２８と、センサ８０と、計測部８２と、光源９０とからなる。

固定側部４５０は、光源４０と、光カプラ４４と、レンズ２２と、受光部５０とからなる。

図１２は、回転体物理量計測装置４により計測される回転体１２の断面図である。

図１１および図１２を参照して、レンズ２４と、光カプラ３０と、光電気変換部２８と、計測部８２と、光源９０とは、回転体１２内に配置される。また、センサ８０は、ブレード１４の表面に配置される。

光源４０と、レンズ２２と、レンズ２４と、光電気変換部２８と、センサ８０と、計測部８２とについては、上述の実施の形態３と同様であるので説明は省略する。

光カプラ４４は、光源４０、レンズ２２および受光部５０と接続され、光源４０から受けた光をレンズ２２へ出力し、レンズ２２から受けた光を受光部５０へ出力する。

光カプラ３０は、レンズ２４、光電気変換部２８および光源９０と接続され、レンズ２４から受けた光を光電気変換部２８へ出力し、光源９０から受けた光をレンズ２４へ出力する。

光源９０は、光電気変換部２８と接続され、光電気変換部２８から電力を受けて動作する。また、光源９０は、計測部８２と接続され、計測部８２から温度の計測値を受け、光信号を生成して光カプラ３０へ出力する。

受光部５０は、光カプラ４４から光信号を受けて、その光信号から温度の計測値を出力する。

回転体物理量計測装置４においては、光源４０から出力された光は、光カプラ４４を介してレンズ２２に入射する。そして、光は、レンズ２２で平行光線に変換されて放射され、回転体１２に向けて空間を伝搬する。さらに、空間を伝搬した光は、レンズ２４で集光され、光カプラ３０を介して光電気変換部２８に入射して電力に変換される。

また、その電力を用いて計測された回転体の物理量を受けて、光源９０から光信号が出力される。

光信号は、光カプラ３０を介してレンズ２４に入射し、レンズ２４で平行光線に変換されて放射され、固定側に向けて空間を伝搬する。さらに、空間を伝搬した光信号は、レンズ２２で集光され、光カプラ４４を介して受光部５０に入射し、回転体の物理量の計測値として出力される。

上述のように、固定側から回転体へ光を放射し、その光を受けて回転体で電力を発生させ、その電力を用いて回転体の物理量を計測し、その計測した物理量を固定側へ伝送することで、固定側において回転体の物理量を取得できる。

実施の形態４によれば、固定側および回転体にそれぞれ設けられたレンズの光軸が回転軸と一致するため、回転体が回転していても、静止状態と同様に固定側から回転体へ安定して光、すなわち電力を供給できる。また、同様に光信号も回転体から固定側へ安定して伝搬できる。よって、回転体の回転状態にかかわらずその供給された電力を用いて回転体の物理量を計測できる。

また、実施の形態４によれば、計測した物理量を光信号により伝送するので、無線信号により伝送する場合に比較して、外部からのノイズの影響を受けにくく、より精度よく計測できる。

［実施の形態５］
上述の実施の形態４においては、計測した回転体の物理量を伝送する光信号を電力を用いて生成する場合について説明した。

一方、実施の形態５においては、固定側から放射される光の一部を用いて光信号を生成する場合について説明する。

この発明の実施の形態５に従う回転体物理量計測装置５は、上述の実施の形態３と同様に、図９に示す回転体１２のブレード１４の温度を計測する。

図１３は、この発明の実施の形態５に従う回転体物理量計測装置５の概略構成図である。

図１３を参照して、回転体物理量計測装置５は、回転体部５００と、固定側部４５０とからなる。

回転体部５００は、レンズ２４と、光カプラ３２，９４と、光電気変換部（Ｏ／Ｅ）２８と、センサ８０と、計測部８２と、光変調部８８とからなる。

固定側部４５０は、図１１に示す回転体物理量計測装置４における固定側部４５０と同様である。

図１４は、回転体物理量計測装置５により計測される回転体１２の断面図である。

図１３および図１４を参照して、レンズ２４と、光カプラ３２，９４と、光電気変換部（Ｏ／Ｅ）２８と、計測部８２と、光変調部８８とは、回転体１２内に配置される。また、センサ８０は、ブレード１４の表面に配置される。

レンズ２４と、光電気変換部２８と、センサ８０と、計測部８２とについては、上述の実施の形態４と同様であるので説明は省略する。

光カプラ３２は、レンズ２４、光電気変換部２８および光カプラ９４と接続され、レンズ２４から受けた光を分配し、光電気変換部２８および光カプラ９４へそれぞれ出力する。また、光カプラ３２は、光カプラ９４から受けた光をレンズ２４へ出力する。

光カプラ９４は、光カプラ３２および光変調部８８と接続され、光カプラ３２から受けた光を光変調部８８へ出力し、光変調部８８で循環されて戻ってきた光を光カプラ３２へ出力する。

光変調部８８は、光電気変換部２８と接続され、光電気変換部２８から電力を受けて動作する。また、光変調部８８は、光カプラ９４との間でループを構成するように接続される。さらに、光変調部８８は、計測部８２と接続される。そして、光変調部８８は、計測部８２から温度の計測値を受け、光カプラ９４から受けた光を温度の計測値に応じて光信号に変換して、その光信号を光カプラ９４へ戻す。

回転体物理量計測装置５においては、光源４０から出力された光は、光カプラ４４を介してレンズ２２に入射する。そして、光は、レンズ２２で平行光線に変換されて放射され、回転体１２に向けて空間を伝搬する。さらに、空間を伝搬した光は、レンズ２４で集光され、光カプラ３２で２つに分配される。一方の光は、光電気変換部２８に入射して電力に変換され、他方の光は光カプラ９４を介して光変調部８８に入射する。

また、その電力を用いて計測された回転体の物理量を受けて、光変調部８８は、入射した光を光信号に変換して出力する。そして、光信号は、光カプラ９４および光カプラ３２を介してレンズ２４に入射する。さらに、光信号は、レンズ２４で平行光線に変換されて放射され、固定側に向けて空間を伝搬する。空間を伝搬した光は、レンズ２２で集光され、光カプラ４４を介して受光部５０に入射して回転体の物理量の計測値として出力される。

上述のように、固定側から回転体へ光を放射し、その光の一部から電力を発生させ、その電力を用いて回転体の物理量を計測する。さらに、電力発生に用いられなかった光を用いて、計測した物理量の光信号を生成して固定側へ伝送することで、固定側において回転体の物理量を取得できる。

実施の形態５によれば、実施の形態４における効果に加えて、固定側から放射された光の一部から光信号を生成するので、回転体に光源を備える必要がなく、よりコンパクト化できるため、回転体の大きさにかかわらず物理量を計測できる。

［実施の形態６］
上述の実施の形態３においては、固定側から放射された光を回転体で電力に変換し、その電力を用いて計測する場合について説明した。

一方、実施の形態６においては、固定側から放射された光を光活性物質ドープファイバに受けて誘起した光を回転体で電力に変換し、その電力を用いて計測する場合について説明する。

この発明の実施の形態６に従う回転体物理量計測装置６は、上述の実施の形態３と同様に、図９に示す回転体１２のブレード１４の温度を計測する。

図１５は、この発明の実施の形態６に従う回転体物理量計測装置６の概略構成図である。

図１５を参照して、回転体物理量計測装置６は、回転体部６００と、固定側部６５０とからなる。

回転体部６００は、光活性物質ドープファイバ３４と、光反射部３８と、光部分反射部３６と、光電気変換部（Ｏ／Ｅ）２８と、センサ８０と、計測部８２と、送信機８４とからなる。

固定側部６５０は、光源４２と、受信機８６とからなる。

図１６は、回転体物理量計測装置６により計測される回転体１２の配置図である。

図１５および図１６を参照して、光電気変換部２８と、計測部８２と、送信機８４とは、回転体１２内に配置される。また、センサ８０は、ブレード１４の表面に配置される。

光活性物質ドープファイバ３４と、光反射部３８と、光部分反射部３６と、光源４２とについては、上述の実施の形態２と同様であるので説明は省略する。

また、光電気変換部２８と、センサ８０と、計測部８２と、送信機８４と、受信機８６とについては、上述の実施の形態３と同様であるので説明は省略する。

回転体物理量計測装置６においては、光源４２から光を受けて光活性物質ドープファイバ３４内に誘起された光は、光活性物質ドープファイバ３４中をいずれかの方向に伝搬して、光反射部３８または光部分反射部３６で反射される。以下、連続して生じる誘起光は、同様に光反射部３８または光部分反射部３６での反射を繰返してレーザー発振を生じ、所定の光強度以上となると、光部分反射部３６を透過して、光電気変換部２８へレーザー光が放射される。放射されたレーザー光は、光電気変換部２８に入射して電力に変換される。

さらに、その電力を用いて計測された回転体の物理量を受けて、送信機８４から無線信号が送信される。空間を伝搬した無線信号は、受信機８６で受信されて回転体の物理量の計測値として出力される。

上述のように、固定側から回転体へ光を放射し、その光を受けて光活性物質ドープファイバ内に誘起された光から電力を発生させ、その電力を用いて回転体の物理量を計測し、その計測した物理量を固定側へ伝送することで、固定側において回転体の物理量を取得できる。

実施の形態６によれば、光活性物質ドープファイバは、回転体の外周面にコイル状に配置され、回転体の径方向から空間を介して光が放射される。そのため、光活性物質ドープファイバは、回転体の回転位置によらず一定量の光を受けるので、回転体が回転していても、光を安定的に誘起できる。よって、回転体の回転数にかかわらず回転体の物理量を計測できる。

また、実施の形態６によれば、光活性物質ドープファイバのターン数および光源の照射面積に対する制約が少ないので、レンズを用いて回転体に光を放射する場合に比較して、電力供給量を大きくできる。よって、電力使用量に対する制限が緩和され、より自由に回転体の物理量を計測できる。

また、実施の形態６によれば、計測が必要なときに固定側から回転体へ光を放射することで、回転体の物理量を計測できるので、蓄電池などが不要となるため、回転体の大きさによらず物理量を計測できる。

［実施の形態７］
上述の実施の形態６においては、固定側から放射された光を光活性物質ドープファイバに受けて誘起した光をすべて電力に変換し、その電力を用いて計測する場合について説明した。

一方、実施の形態７においては、固定側から放射された光を光活性物質ドープファイバに受けて誘起した光の一部を電力に変換し、その電力および残りの光を用いて計測する場合について説明する。

この発明の実施の形態７に従う回転体物理量計測装置７は、一例として、光ファイバジャイロを用いて回転体の回転数を計測する。

２つの光が光ファイバをコイル状に形成したファイバコイルを互いに異なる方向に伝搬する場合において、ファイバコイルに回転が加わると、サニャック効果により、その回転速度に応じて伝搬距離差が生じる。そこで、位相が同じ２つの光をファイバコイルの両端へそれぞれ入射させて、ファイバコイルから放射される両光の位相差を干渉現象により観測することにより、回転速度を計測する。

図１７は、この発明の実施の形態７に従う回転体物理量計測装置７の概略構成図である。

図１７を参照して、回転体物理量計測装置７は、回転体部７００と、固定側部６５０とからなる。

回転体部７００は、光活性物質ドープファイバ３４と、光反射部３８と、光カプラ７２，９２と、光電気変換部（Ｏ／Ｅ）２８と、光変調部７８と、ファイバコイル６８と、受光部７４と、演算部７６と、送信機８４とからなる。

固定側部６５０は、図１５に示す実施の形態６における固定側部６５０と同様である。

光活性物質ドープファイバ３４と、光反射部３８と、光電気変換部２８と、送信機８４とについては、上述の実施の形態６と同様であるので説明は省略する。

光カプラ９２は、光活性物質ドープファイバ３４、光電気変換部２８および光カプラ７２と接続され、光活性物質ドープファイバ３４から受けた光を分配し、光電気変換部２８および光カプラ７２へそれぞれ出力する。

光カプラ７２は、光カプラ９２、光変調部７８および受光部７４と接続され、光カプラ９２から受けた光を光変調部７８へ出力し、光変調部７８から受けた光を受光部７４へ出力する。

光変調部７８は、光カプラ７２およびファイバコイル６８の両端と接続され、光カプラ７２から受けた光を演算部７６からの変調指令に応じて変調光に変換し、その変調光を分配してファイバコイル６８の両端へそれぞれ出力する。そして、光変調部７８は、ファイバコイル６８を伝搬した後に両端から放射される２つの変調光を受けて合波した後、光カプラ７２へ出力する。

ファイバコイル６８は、光ファイバをコイル状に形成したのものであり、その両端は光変調部７８と接続される。なお、計測精度を向上させるためにターン数は多いことが望ましい。また、ファイバコイル６８は、そのコイル面が回転体１２の回転軸に対して垂直となるように回転体１２内に配置される。

受光部７４は、光カプラ７２と接続され、光カプラ７２から受けた２つの変調光の干渉により生じる光強度を計測する。また、受光部７４は、演算部７６と接続され、その計測した光強度を演算部７６へ出力する。

演算部７６は、光電気変換部２８と接続され、光電気変換部２８から電力を受けて動作する。また、演算部７６は、光変調部７８へ変調指令を出力し、受光部７４からその変調指令に応じた２つの変調光の干渉による光強度の信号を受けて、ファイバコイル６８に生じている回転速度を算出する。そして、演算部７６は、その算出した回転速度を送信機８４へ出力する。

回転体物理量計測装置７においては、上述の実施の形態６における回転体物理量計測装置６と異なり、光部分反射部３６は削除されている。コヒーレントな光がファイバコイル６８を伝搬すると、レイリー散乱や光カー効果などの影響が大きく十分な計測精度が得られない。そのため、ファイバコイル６８を伝搬する光は、インコヒーレントであることが望ましい。そこで、光部分反射部３６を削除し、光活性物質ドープファイバ３４で誘起された光をそのまま光源として用いることで、インコヒーレントな光をファイバコイル６８に放射する。

光源４２から光を受けて光活性物質ドープファイバ３４内に誘起された光は、直接または光反射部３８で反射され光カプラ９２に入射し、２つに分配される。一方の誘起光は、光電気変換部２８に入射して電力に変換され、他方の誘起光は光カプラ７２を介して光変調部７８に入射する。

光変調部７８に入射した誘起光は、変調されて変調光となり、さらに２つに分配され、ファイバコイル６８の両端へそれぞれ放射される。２つの変調光は、それぞれファイバコイル６８内を伝搬して、光変調部７８に戻る。そして、２つの変調光は、光変調部７８で合波されて出力され、光カプラ７２を介して受光部７４に入射する。

さらに、演算部７６は、２つの変調光による光強度を受光部７４から受け、ファイバコイル６８に生じている回転速度を算出する。そして、送信機８４は、算出された回転速度を受けて無線信号を送信する。受信機８６は、空間を介してその無線信号を受信して、回転速度を出力する。

上述のように、固定側から回転体へ光を放射し、その光を受けて光活性物質ドープファイバ内に光を誘起させ、その誘起光の一部から電力を発生させ、その電力および残りの誘起光を用いて回転体の物理量を計測する。さらに、その電力を用いてその計測した物理量を固定側へ伝送することで、固定側において回転体の物理量を取得できる。

実施の形態７によれば、実施の形態６における効果に加えて、極めて高い精度で回転速度を計測できるので、精密装置に用いられるサーボモータ等の高精度な速度および位置制御を実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１に従う回転体物理量計測装置の概略構成図である。 回転体物理量計測装置により計測される回転体の外観図である。 回転体物理量計測装置により計測される回転体の断面図である。 この発明の実施の形態１に従う回転体物理量計測の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態２に従う回転体物理量計測装置の概略構成図である。 回転体物理量計測装置により計測される回転体の配置図である。 この発明の実施の形態２に従う回転体物理量計測の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態３に従う回転体物理量計測装置の概略構成図である。 回転体物理量計測装置により計測される回転体の外観図である。 回転体物理量計測装置により計測される回転体の断面図である。 この発明の実施の形態４に従う回転体物理量計測装置の概略構成図である。 回転体物理量計測装置により計測される回転体の断面図である。 この発明の実施の形態５に従う回転体物理量計測装置の概略構成図である。 回転体物理量計測装置により計測される回転体の断面図である。 この発明の実施の形態６に従う回転体物理量計測装置の概略構成図である。 回転体物理量計測装置により計測される回転体の配置図である。 この発明の実施の形態７に従う回転体物理量計測装置の概略構成図である。 従来のスリップリング方式による回転体物理量計測装置の概略構成図である。

符号の説明

１，２，３，４，５，６，７ 回転体物理量計測装置、１０ ハウジング、１２ 回転体、１４ ブレード、１８，３０，３２，４４，７２，９２，９４ 光カプラ、２０ 支持部材、２２，２４ レンズ、２６ 光ファイバ、２８ 光電気変換部（Ｏ／Ｅ）、３４ 光活性物質ドープファイバ、３６ 光部分反射部、３８ 光反射部、４０，４２，６０，９０ 光源、５０ 受光部、６２．１，６２．２ スリップリング、６４．１，６４．２ ブラシ、６６．１，６６．２ 導線、６８ ファイバコイル、７０，８１，８２ 計測部、７４ 受光部、７６ 演算部、７８，８８ 光変調部、８０ センサ、８４ 送信機、８６ 受信機、９６，９８ 計測用光ファイバ、１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００ 回転体部、１５０，２５０，３５０，４５０，６５０ 固定側部。

Claims (21)

1. 回転体の物理量を固定側において計測する回転体物理量計測方法であって、
   前記回転体へ計測光を放射する計測光放射ステップと、
   前記計測光を受けて前記回転体の物理量に応じた戻り光を生成し、前記回転体から空間を介して前記固定側へ前記戻り光を放射する戻り光放射ステップと、
   前記固定側において前記戻り光を受けて前記回転体の物理量を計測する計測ステップとを備える、回転体物理量計測方法。
2. 前記計測光は、前記回転体の回転軸の延長線上から空間を介して放射される、請求項１に記載の回転体物理量計測方法。
3. 前記戻り光放射ステップは、前記計測光を反射させて前記戻り光を生成するステップを含む、請求項１または２に記載の回転体物理量計測方法。
4. 前記戻り光放射ステップは、前記計測光を光活性物質ドープファイバに受けて誘起された光から前記戻り光を生成するステップを含む、請求項１に記載の回転体物理量計測方法。
5. 前記光活性物質ドープファイバは前記回転体の外周面に配置され、前記計測光は前記回転体の径方向から空間を介して前記光活性物質ドープファイバへ放射される、請求項４に記載の回転体物理量計測方法。
6. 前記戻り光は、前記回転体の回転軸上またはその延長線上を伝搬する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転体物理量計測方法。
7. 回転体の物理量を固定側において計測する回転体物理量計測装置であって、
   前記回転体へ計測光を放射する計測光放射手段と、
   前記計測光を受けて前記回転体の物理量に応じた戻り光を生成し、前記回転体から空間を介して前記固定側へ前記戻り光を放射する戻り光放射手段と、
   前記固定側において前記戻り光を受けて前記回転体の物理量を計測する計測手段とを備える、回転体物理量計測装置。
8. 前記計測光は、前記回転体の回転軸の延長線上から空間を介して放射される、請求項７に記載の回転体物理量計測装置。
9. 前記戻り光放射手段は、前記計測光を反射させて前記戻り光を生成する手段を含む、請求項７または８に記載の回転体物理量計測装置。
10. 前記戻り光放射手段は、前記計測光を光活性物質ドープファイバに受けて誘起された光から前記戻り光を生成する手段を含む、請求項７に記載の回転体物理量計測装置。
11. 前記光活性物質ドープファイバは前記回転体の外周面に配置され、前記計測光は前記回転体の径方向から空間を介して前記光活性物質ドープファイバへ放射される、請求項１０に記載の回転体物理量計測装置。
12. 前記戻り光は、前記回転体の回転軸上またはその延長線上を伝搬する、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の回転体物理量計測装置。
13. 計測された回転体の物理量を固定側において取得する回転体物理量計測装置であって、
    前記回転体へ光を放射する放射手段と、
    前記光を受けて前記回転体で電力を発生する電力発生手段と、
    前記発生した電力を用いて前記回転体の物理量を計測する計測手段と、
    前記計測した物理量を空間を介して前記固定側へ伝送する伝送手段とを備える、回転体物理量計測装置。
14. 前記光は、前記回転体の回転軸の延長線上から空間を介して放射される、請求項１３に記載の回転体物理量計測装置。
15. 前記電力発生手段は、前記光を電力に変換する手段を含む、請求項１３または１４に記載の回転体物理量計測装置。
16. 前記電力発生手段は、前記光を光活性物質ドープファイバに受けて誘起された光を電力に変換する手段を含む、請求項１３に記載の回転体物理量計測装置。
17. 前記光活性物質ドープファイバは前記回転体の外周面に配置され、前記光は前記回転体の径方向から空間を介して前記光活性物質ドープファイバへ放射される、請求項１６に記載の回転体物理量計測装置。
18. 前記伝送手段は、前記計測した物理量を無線信号により前記固定側へ伝送する手段を含む、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の回転体物理量計測装置。
19. 前記伝送手段は、前記計測した物理量を光信号により前記固定側へ伝送する手段を含む、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の回転体物理量計測装置。
20. 前記伝送手段は、前記電力発生手段において電力の発生に用いられる光の一部から前記光信号を生成する手段をさらに含む、請求項１９に記載の回転体物理量計測装置。
21. 前記光信号は、前記回転体の回転軸上またはその延長線上を伝搬する、請求項１９または２０に記載の回転体物理量計測装置。

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