JP2007506958A - 目的物までの距離を静電的に測定する感知器 - Google Patents

Abstract

本発明は、静止し、または通過する目的物までの距離を静電的に測定するための感知器（１）を提供する。感知器（１）は目的物と静電的に結合し、導電性セラミック材料から成る電極（２）を持つ。電極（２）は非導電性セラミックスから成るハウジング（４）に実質的に囲まれている。導電性と非導電性セラミック材料は感知器（１）が高温下で実際上応力を持たないように、似た熱膨張係数を持つように選ばれる。

Description

本発明は感知器に関し、特に静止した或いは通過する目的物までの距離を静電的に測定するのに用い得る感知器に関する。

多くの工業上の応用計測分野で、静止した又は通過する目的物までの距離を高作動温度下で測定するのに用いることのできる感知器の必要性がある。典型的な応用として、ガスタービンエンジンの翼端と周囲のハウジングとの空隙の測定がある。この状況下で感知器の作動温度は１５００℃に達することがある。その他の応用として、例えば溶融金属と溶融ガラス面の測定は同様の作動温度を要求される。

米国特許５，７６０，５９３（ＢＩＣＣ ｐｌｃ）は、静止した或いは通過する目的物と静電的に結合する金属又は金属被覆したセラミックスの電極を持つ従来の感知器を記述している。電極は標準三軸伝送ケーブルの中心導線に直接接続し、金属遮蔽体とその外側のハウジングに囲まれている。金属遮蔽体とその外側のハウジングは三軸伝送ケーブルの中間導線と外側の導線にそれぞれ直接接続している。電気絶縁は電極と遮蔽体との間や遮蔽体とハウジングとの間に設定されている。絶縁は、加工されたセラミックスペーサ又は堆積されたセラミック層として形成されている。

これら従来の感知器の問題点は金属とセラミッック材料の交互の組合せを利用する点にある。感知器の作動温度が上がるにつれて、金属部分はセラミック部分より膨張する傾向がある。このことがしばしばセラミックスペーサや層に応力破断をもたらし、それが電気的性能を低下させ、セラミック部分の分解や層剥離にさえつながることがある。これが感知器を電気的に故障させるだけでなく、金属部分を振動させ、全感知器の機械的故障につながり兼ねない。

ガスタービンエンジンの製造者は今や製品モデルに合うように、少なくとも２万時間の作動寿命を持つ感知器を要求している。従来の感知器は短時間なら高作動温度でうまく使用されて来たが、金属とセラミック部品の異なる熱膨張性による感知器組立て部分の本質的な弱点のために、要求されている作動寿命を満たせるとは考えられない。

さらなる問題点は電極と遮蔽体と外側ハウジングとの伝送ケーブルへのつながり方である。従来の感知器の設計では、伝送ケーブルの導線は、電極、遮蔽体と外側ハウジングに高温域で直接接続している（すなわち感知器の一部が使用中に高温に達する）。多くの型式の伝送ケーブルが（特に導線が鉱物化合物を用いて絶縁されている場合）、高温で使用できず、しばしば短時間内に故障する。さらにいくつかの従来の感知器は伝送ケーブルと感知器の他の組立て部分との間に密封シールがない。このため湿気が感知器組立て部分に侵入し、感知器の性能を低下させる。

本発明は、静止し、または通過する目的物までの距離を静電的に測定するための感知器を提供する。該感知器は目的物と静電的に結合する導電セラミック電極とその電極を実質的に取り囲むハウジングとから成る。

電極が導電セラミックスから出来ているので、感知器は従来の金属や金属被覆セラミック電極を用いる感知器より高作動温度で用いることができる。ハウジングは、好ましくは非導電性のセラミックスから成り、設置要件に合うような適切な形と大きさを持つことができる。

電極を外部のいかなる電気的干渉からも遮断するために、感知器は、さらに電極を実質的に取り囲み、絶縁層によって電極から電気的に遮断される遮蔽体を備えることができる。遮蔽体は、導電セラミクスの固体から構成することができる。しかし、遮蔽体は、また従来の堆積技術を用いて絶縁層の上に堆積される薄い導電セラミック層であってもよい。堆積セラミック層の使用は、感知器の設計とそれに続く組立とを非常に簡単にする。遮蔽体は、また従来の堆積技術を用いて外側のハウジングの内表面に堆積される薄い導電セラミックス又は金属層であってもよい。絶縁層は、好ましくは加工された非導電性のセラミックスペーサとして形成される。絶縁層とハウジングとの両方に近い熱膨張計数を持つセラミック層の使用は、異なる熱膨張特性を持つ金属被覆で生じ得る、使用中の被覆層剥離を起こさないことを意味する。

導電セラミックスと非導電セラミックスとは好ましくは、組立てられた感知器が高作動温度で実際上応力を持たないような、近い熱膨張計数を持つように選ばれる。例えば、電極と遮蔽体とはＳｉＣから形成でき、絶縁層とハウジングとはＳｉＮから形成できる。電極と遮蔽体とハウジングとは、標準の拡散接合法又は真空蒸着法で一体化されたセラミック構造を形成するように接着される。接着は、部品間の密封シールを提供し、組み立てられた感知器と伝送ケーブルの間に湿気が侵入するのを防ぐ。

感知器は“閉じ込められた”設計を持つことができ、もしどのセラミック部品にせよどんな理由からにせよ、脱落した場合にも感知器組立全体の中に保持されるようにできる。伝送ケーブルの導線を感知器の高温領域で電極とハウジングに直接接続させる代わりに、導線は、好ましくは導電ブリッジに接続され、そのブリッジは電極とハウジングに接続される。導電ブリッジは電極の正面（すなわち使用中に目的物に対する面）から延びるので、導線と導電ブリッジとの間の接続は感知器背後の低温領域でなされる。

もし感知器が遮蔽物を持たないなら、中心導線と外側の導線とを備える同軸伝送ケーブルを用いることができる。中心導線は、好ましくは第一の導電ブリッジで電極に接続され、外側の導線は好ましくは第二の導電ブリッジでハウジングに接続される。第一の導電ブリッジは、好ましくはハウジングと第二の導電ブリッジとに開けられた穴を通り抜けている。

導線と導電ブリッジとの間は、好ましくはアダプターを用いて接続される。アダプターは、多種の異なる形と大きさの伝送ケーブルに適用するような形を取り得る。さらに、アダプターは、感知器の設置要件に応じて、多くの異なる方向に導線を導電ブリッジに接続できる。例えば、導線は、伝送ケーブルが導電ブリッジに実質的に平行な電極の正面から延びるように接続できる。その他の方向も可能である。

もし感知器が遮蔽物を持つなら、中心導線と中間の導線と外側の導線とを備える三軸伝送ケーブルを用いることができる。中心導線は好ましくは第一の導電ブリッジで電極に接続され、外側の導線は好ましくは第二の導電ブリッジでハウジングに接続され、中間の導線は好ましくは第三の導電ブリッジで遮蔽体に接続される。第一の導電ブリッジは、好ましくは絶縁層と遮蔽体１，第三の導電ブリッジ、ハウジング及び第二の導電ブリッジに開けられた穴を通り抜けている。同様に、第三の導電ブリッジは、好ましくはハウジングと第二の導電ブリッジとに開けられた穴を通り抜けている。

導電ブリッジは、金属又は導電性セラミックスで形成でき、好ましくは標準の拡散接合法又は真空蒸着法を用いて電極とハウジングと遮蔽体とに接続される。ブリッジは導電性セラミックスから成ることが一般的には好ましいが、金属ブリッジも使用できる。何故ならそれは中温域で電極と遮蔽体とハウジングとに接続されるので、熱膨張の問題にさほどは影響をこうむらないからである。導電ブリッジは感知器の設計と設置要件に応じて、どんな大きさと形にもできる。

アダプターは、好ましくは上記のように、第二と第三の導電ブリッジを外側と中間の導線に接続するように設置される。

第二の導電ブリッジは、実質的にハウジングを取り囲み、ハウジングの側面に沿って一部又は全部が延びている。しかし、遮蔽体，絶縁層，ハウジング及び第二の導電ブリッジは、電極の正面に沿って延びないことが一般的には好ましい。

導電ブリッジの使用は組み立てられた感知器がアダプターを用いて伝送ケーブルに接続される前に製造され、試験されることができることを意味する。これは伝送ケーブルが組立て工程中に電極とハウジングと遮蔽体とに直接接続されなければならない従来の感知器では不可能なことである。

導電ブリッジはまた従来の感知器にも、金属／セラミックス及びプラスチック／金属部品を利用する物にも用いることができる。

図１を参照すると、“同軸”感知器１は導電性セラミック材料から成る円筒形電極２を備えている。電極２の正面３は、静止し又は通過する目的物（図示しない）に向けられている。電極２は非導電性セラミック材料から成るハウジング４の内部で、それに接着されている。導電性と非導電性のセラミック材料は相互に近い熱膨張係数を持ち、従って感知器１が高作動温度で実際上応力を持たないように選ばれる。

正面ブリッジ材５はハウジング４の内部にあり、電極２の背面６に接着されている。背面ブリッジ材７はハウジング４の背面８に接着されている。正面ブリッジ材５はハウジング４と背面ブリッジ材７とに開けられた穴を通り抜け、背面ブリッジ材を超えて延びている。背面ブリッジ材７に開けられた穴は正面ブリッジ材５より広く、二つのブリッジ材は空気の円環状の空隙９で隔てられている。

正面背面のブリッジ材５及びブリッジ材７は、図２に示すように、無機絶縁同軸伝送ケーブル２０の二つの同心導線に接続される。伝送ケーブル２０は無機絶縁層２３で隔てられた中心導線２１と外側導線２２を備えている。導電円筒形アダプター３０が、正面ブリッジ材５を共通接点２４で中心導線２１に、また背面ブリッジ材７を外側導線２２に接続するために用いられる。あるいは図３に示される導電アダプター４０を用いてもよい。アダプター４０は、中心導線２１及び外側導線２２が正面ブリッジ材５及び背面ブリッジ材７並びに感知器１の中心線に実質上直角に接続されるように、伝送ケーブル２０を受けるように設計される。

アダプター３０，４０の使用が“同軸”感知器１が伝送ケーブル２０に接続される前に、全面的に組み立てられ、試験されることを意味することは容易に理解されるだろう。それはまた正面ブリッジ材５及び背面ブリッジ材７と中心導線２１及び外側導線２２が低温領域または感知器１の中で接続されることを意味する。

図１〜図３において、背面ブリッジ材７はハウジング４の背面８のみに形成される。しかし、図４ａ及び４ｂに示されるように、背面ブリッジ材７はまたハウジング４の側面１０の一部又は全部に沿って延長できる。

“同軸”感知器１は、操作中に電極２の正面３が静止した或いは通過する目的物に向けられるように、設置される。電極２は、静止した或いは通過する目的物に静電的に結合するように、伝送ケーブル２０の中心導線２１を通じて伝送される信号によって電圧を加えられる。電極２によって検出される静電容量の変化は電圧信号として中心導線２１を通じて伝送されて距離測定に変換され、それによって電極と静止した或いは通過する目的物との間の距離が計算できる。

図５を参照すると、“三軸”感知器１００は導電性セラミック材料から成る円筒型電極１０２を備えている。電極１０２の正面１０３は、静止した或いは通過する目的物（図示しない）に向けられる。電極１０２は非導電性セラミックスペーサ１０４の中に置かれて接着される。電極１０２とスペーサ１０４とは電極をいかなる外部の電気的干渉からも隔離する導電性セラミック遮蔽体１０５の中に置かれて接着される。遮蔽体１０５は非導電性セラミック材料から成るハウジング１０６の中に置かれて接着される。導電性および非導電性セラミック材料は同じような熱膨張係数を持つように選択される。

正面ブリッジ材１０７は電極１０２の背面１０８に接着される。中間ブリッジ材１０９は遮蔽体１０５の背面１１０に接着される。背面ブリッジ材１１１はハウジング１０６の背面１１２に接着される。中間ブリッジ材１０９はハウジング１０６と背面ブリッジ材１１１に開けられた穴を通り抜け、背面ブリッジ材を超えて延長する。正面ブリッジ材１０７はスペーサ１０４、遮蔽体１０５、中間ブリッジ材１０９及び背面ブリッジ材１１１に開けられた穴を通り抜けて、中間ブリッジ材と背面ブリッジ材を超えて延長する。背面ブリッジ材１１１に開けられた穴は中間ブリッジ材１０９より大きく、これら２つのブリッジ材は円環状の空隙１１３で隔離されている。同様に、中間ブリッジ材１０９に開けられた穴は正面ブリッジ材１０７より大きく、これら２つのブリッジ材は円環状の空隙１１４で隔離されている。

図５ａを参照すると、図５に示される導電セラミック遮蔽体１０５はスペーサ１０４の上に従来技術を用いて堆積される薄い導電性セラミック層１０５ａで置き換えることもできる。セラミック層１０５ａは中間ブリッジ材に接触し、遮蔽体１０５とまさに同様に機能する。薄く堆積されたセラミック層１０５ａはスペーサ１０４の大きさを増し、感知器の強度と堅牢性を向上させる。その結果としての感知器も全体としての感知器設計が簡単になるため、組み立て易くなる。

図５ｂを参照すると、図５に示す導電性セラミック遮蔽体１０５は非導電性外ハウジング１０６の内表面上に従来の堆積技術を用いて堆積される薄い導電性セラミック、または金属層１０５ｂで置き換えることもできる。導電層１０５ｂは中間ブリッジ材に接触し、遮蔽体１０５とまさに同様に機能する。薄く堆積された導電層１０５ｂはスペーサの大きさを増し、感知器の性能を向上させる。感知器は全体としての感知器設計が簡単になるため、組み立て易くなる。

図６に示すように、正面のブリッジ材１０７、中間のブリッジ材１０９及び背面のブリッジ材１１１は無機絶縁三軸伝送ケーブル５０の３個の同心導線に接続される。伝送ケーブル５０は、無機絶縁層５４で隔離された中心導線５１，中間導線５２及び外側導線５３を備えている。導電性円筒型アダプター６０は、共通接点５５で正面ブリッジ材１０７を中心導線５１に、中間ブリッジ材１０９を中間導線５２に、そして背面ブリッジ材１１１を外側導線５３に接続するために用いられる。その代わりに図７に示される導電性アダプター７０を使用してもよい。

アダプター７０は、中心導線５１，中間導線５２及び外側導線５３が正面ブリッジ材１０７，中間ブリッジ材１０９及び背面ブリッジ材１１１、並びに感知器１００の中心線に実質上直角に接続されるように、伝送ケーブル５０を受けるように設計される。

“三軸”感知器１００は、上記“同軸”感知器１と同様の技術的な利点を持ち、同様に作動できる。“同軸”及び“三軸”感知器で異なる計測電子機器を用い得ることは容易に理解できよう。

図１は本発明の第一の実施の形態による感知器の断面図である。
図２は図１の感知器が第一方向で同軸伝送ケーブルにどのように接続できるかを示す断面図である。
図３は図１の感知器が第二方向で同軸伝送ケーブルにどのように接続できるかを示す断面図である。
図４ａ及び４ｂは第一の導電ブリッジがどのように図１の感知器のハウジングを実質的に取り 囲むようにできるかを示す断面図である。
図５は本発明の第二の実施の形態による感知器の断面図である。
図５ａは本発明の第三の実施の形態による感知器の断面図である。
図５ｂは本発明の第四の実施の形態による感知器の断面図である。
図６は図５の感知器が第一方向で三軸伝送ケーブルにどのように接続できるかを示す断面図である。そして
図７は図５の感知器が第二方向で三軸伝送ケーブルにどのように接続できるかを示す断面図である。

Claims (16)

1. 静止した或いは通過する目的物との距離を静電的に測定するための感知器（１，１００）であって、目的物と静電的に結合するための導電性セラミック電極（２，１０２）と、該電極（２，１０２）を実質的に取り囲むハウジング（４，１０６）と、を備える感知器。
2. 前記ハウジング（１０６）が非導電性セラミックスから形成される、請求項１に記載の感知器。
3. さらに、前記電極（１０２）を取り囲み、絶縁層（１０４）によって該電極（１０２）から電気的に絶縁されている遮蔽体（１０５）を備える、請求項１又は２に記載の感知器。
4. 前記遮蔽体（１０５）が導電性セラミックスの固体から形成される、請求項３に記載の感知器。
5. 前記遮蔽体（１０５ａ）が、堆積した導電性セラミック層である、請求項３に記載の感知器。
6. 前記遮蔽体（１０５ｂ）が、堆積した導電性セラミック又は金属層である、請求項３に記載の感知器。
7. 前記絶縁層（１０４）が非導電性セラミックスから成る、請求項３乃至６の何れかに記載の感知器。
8. さらに、前記電極（２）に接続し、伝送ケーブルの導線に接続可能な第一導電性ブリッジ（５）と、
   前記ハウジング（４）に接続し、伝送ケーブルの導線に接続可能な第二導電性ブリッジ（７）とを備える、前記いずれかの請求項に記載の感知器。
9. 前記第一導電性ブリッジ（５）が前記ハウジング（４）と前記第二導電性ブリッジ（７）とに開けられた穴を通り抜けている、請求項８に記載の感知器。
10. 前記第二導電性ブリッジ（７）が実質的に前記ハウジング（４）を取り囲んでいる、請求項８又は９に記載の感知器。
11. さらに、前記第二導電性ブリッジ（７）を伝送ケーブルの導線に接続するためのアダプター（３０，４０）を備える、請求項８乃至１０の何れかに記載の感知器。
12. さらに、前記電極（１０２）に接続し、伝送ケーブルの導線に接続可能な第一導電性ブリッジ（１０７）と、
    前記ハウジング（１０６）に接続し、伝送ケーブルの導線に接続可能な第二導電性ブリッジ（１１１）、と、
    前記遮蔽体（１０５）に接続し、伝送ケーブルの導線に接続可能な第三導電性ブリッジ（１０９）とを備える、請求項３乃至７の何れかに記載の感知器。
13. 前記第一導電性ブリッジ（１０７）が、前記絶縁層（１０４）、前記遮蔽体（１０５）、前記第三導電性ブリッジ（１０９）、前記ハウジング（１０６）及び前記第二導電性ブリッジ（１１１）に開けられた穴を通り抜け、第三導電性ブリッジ（１０９）がハウジング（１０６）と第二導電性ブリッジ（１１１）に開けられた穴を通り抜けている、請求項１２に記載の感知器。
14. さらに、前記第二導電性ブリッジ（１１１）を伝送ケーブルの導線に、前記第三導電性ブリッジ（１０９）を伝送ケーブルの導線に接続するためのアダプター（６０，７０）を備える、請求項１２又は１３に記載の感知器。
15. 前記電極（１０２），前記遮蔽体（１０５）、堰絶縁層（１０４）及び前記ハウジング（１０６）の一つ以上が互いに接着されている、請求項３に記載の感知器（１００）。
16. 接着が前記電極（１０２），前記遮蔽体（１０５）、前記絶縁層（１０４）及び前記ハウジング（１０６）の一つ以上の間に密封シールを与える、請求項１５に記載の感知器（１００）。

Images