JP3035606B2 - 回転体の光学式すきまセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、金属あるいは非
金属の回転体のすきま寸法を、非接触に、光学的手段に
よって計測する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転体と固定壁面間等の円周方向すきま
寸法を計測する従来のすきまセンサは、測定原理として
電磁気的現象を利用したものが主流であるが、この原理
によるものでは非金属の回転体の計測は不可能である。
−方、光学的手段によって回転体のすきま寸法を計測す
る方法も知られており、この光学センサ方式によるもの
であれば、金属に限らず非金属の回転体であっても原理
的に計測は可能である。この光学的に回転体のすきま寸
法を計測する方法としては、図４に示されたように光ビ
ームを回転体にあて、その反射光が受光センサにより受
光される位置がすきま寸法により変化することを利用し
た位置検出方式のものと、図５に示されたようにビーム
に絞らない投射光を回転体にあて、反射光の光量が距離
すなわちすきま寸法により変化することを利用した減衰
光量検出方式によるものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の光学的手段によ
り回転体のすきま寸法を計測する方法の内、位置検出方
式のものは原理上感度（変換効率）を良くするために、
どうしても回転体に対する光の入射角度及び反射角度を
大きくとることになってしまう。そのため必然的にセン
サが大型化してしまうという問題を持っていた。また反
射光の位置変化をＣＣＤ位置センサを用いディジタル検
出するもの、受光素子の開口部に対するビームの相対位
置に応じて変化する受光量をアナログ的に検出するもの
がある。このアナログタイプのものは１つの素子で受光
する単純なものは変位検出感度が低くまた変位方向の判
別が出来ないので、一般には変位方向に並んだ１対の素
子を用いビームの変位に応じて一方の受光量が増えれば
他方の受光量が減衰する差動原理を用いた感度の良い検
出手段が採用される。しかしこれら従来の検出手段は、
複雑な信号処理回路を必要とし、コスト的にも高くつく
ものとなっている。

【０００４】また、減衰光量検出方式によるものは、セ
ンサを小型にすることが可能で信号処理も比較的容易で
あるが、反射光の光量はすきま寸法だけに依存しない
で、回転体の表面反射率に大きく影響される。ちなみに
受光量とすきま寸法との関係は図３に示されるように反
射面の反射率の違いにより大きく違っており、受光素子
より0.4mVの出力電圧を得られたとしても、回転体が強
反射であればその距離は3cmであり、弱反射であれば1.6
cm ということになるため、反射率が分からなければす
きま寸法の計測はできないという基本的な問題をもって
いた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる光学式
すきまセンサは、上記の内、原理的には減衰光量方式を
もとにしたもので、光源、受光素子、光ファイバ、レン
ズ、光学部品を構成部品として、回転体の円周方向のす
きま寸法変化を検出する光学測定系と、回転体の反射率
を検出する光学測定系と、両者の出力を演算する手段を
組み合わせて、反射率変化の影響を受けない正確な計測
を可能にするものである。

【０００６】

【作用】本発明にかかる光学式すきまセンサは、２つの
光学系を備えており、その１つは、投射光用の光ファイ
バから光を回転体に投射し、その反射光を受光用の光フ
ァイバで受けることによりすきま寸法に応じた光量信号
を得るもので、もう１つは、ビーム光を回転体端面に投
射し、その反射ビーム光を受けることによりその反射率
に対応する光量検出信号を得るものである。

【０００７】まず前者の作用を詳しく説明する。距離測
定原理は光源からの光の強さは光源からの距離の２乗に
反比例するという物理現象に基づくものである。本発明
に於いて、光源よりの投射光は光学系を介しその端面よ
り投射されるが、その光は有る広がりを伴って空間を伝
搬し、すきま、すなわちその光学系の端面と回転体の端
面間の距離の２乗に反比例した減衰光量で回転体の端面
を照射する。そしてその回転体の端面ではその照射され
た光が入射光となり同面の反射率に対応した光量の光が
反射光として出射される。そしてこの反射光はおなじく
ある角度の広がりを持って空間を伝搬するので、またす
きま、すなわちその回転体の端面と受光用の光学系の端
面間の距離の２乗に反比例した減衰光量でその光学系の
端面で受光されることになる。ここで光源から光学系の
投射側端面までと光学系の受光側端面から受光センサま
での光学系内の光学特性は、回転体の移動とは無関係で
あるので光学系が特定されればそれは一定であると看做
ことができ、また光源の明るさも回転体とは無関係の物
理量であるから、結局光センサの受光量は、すきま量及
び回転体端面の反射率に対応して変化することになる。

【０００８】後者の作用は、光がビームに絞られている
ため、すきま寸法すなわち伝搬距離の変化に対して回転
体端面にあたる光スポットの光量は変化しないものと看
做ことができる。そしてその回転体の端面ではその入射
したビームの光量の同面の反射率に対応した反射光が出
射されることになるが、その反射光はやはりビーム光線
であるため、すきま寸法すなわち回転体端面と受光セン
サ間の距離によって減衰することはない。従って、この
場合の受光量はすきま変化に関係なく、光源の明るさと
回転体端面の反射率のみに依存することになる。本発明
では受光側光ビームの強さ（光量）だけでなく、投射側
光ビームの強さ（光量）をも検出し、その比を算出する
ことにより、光源の明るさに無関係の回転体端面の反射
率のみに依存する値を得ることができる。以上のように
両者の測定方式とも、それぞれの出力は回転体の表面反
射率に対応して変化する物理量であることが分かる。

【０００９】いま、前者の光学系の光源の明るさは変化
しないものと仮定すると、後者の光学系からは回転体の
端面の反射率が得られ、これを用いて前者の光学系に於
ける回転体の端面の反射率の変化分パラメータを消去す
ることで、反射率の変化に影響されないすきま寸法のみ
に対応する値を得ることができる。もし、安定性の面で
この光源の明るさの変動が無視できないような場合に
は、後者の光学系と同様に光源の明るさをモニターする
構成を加えて容易にその変動分を演算除去することがで
きる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、同じ回転体端面に対し
て、独立した２つの光学系が異なる種類の光を投射し、
その反射光をそれぞれに受光検出するものであるため、
全体装置が大型化せずしかもお互いの計測に影響が出な
いように、２つの光学系の配置関係には工夫を要すると
ころである。

【００１１】図１はこの発明の光学式すきまセンサを具
体的に実施した構成を示したもので、まず反射率計測用
の光学系について説明する。１の光源Ａから出た光ビー
ムは、２のビームスプリッタにおいて一部は透過した
後、３の対物レンズＡにより偏向されて鋭角で回転体の
端面１１-1に至り、残りの一部は反射して６の受光素子
Ｃに受光される。該端面１１-1で反射された光ビーム
は、３の対物レンズでまた偏向されて４の光ファイバの
端面からオプティカルロードとなる該ファイバを経て５
の受光素子Ａに至る。この光学系で用いられる光はビー
ム状であるので、空間伝搬距離による減衰は無視でき、
またビームスプリッタ２や対物レンズＡ３及び光ファイ
バ４の光学的特性も回転体の移動には関係無く光学系が
特定されれば変化しないのものであるから、この受光素
子Ａに導かれた受光出力は、回転体端面の反射率と光源
の明るさのみに依存することになる。さらに、本発明で
は受光出力を上記２のビームスプリッタで分けられた
光、すなわち６の受光素子Ｃの受光出力と比較演算する
構成を有することで、光源の明るさによる影響を除去す
るようにしたので、すきま寸法の変化にも光源の明るさ
にも関係なく回転体端面１１-1の反射率を測定・演算で
求めることができるものである。

【００１２】図１において、すきま計測用の光学系には
光ファイババンドルが用いられる。この光ファイババン
ドルというのは、光投射用の光ファイバと受光用の光フ
ァイバを多数本ランダムに束ねたものである。８の光源
光Ｂは、７の光ファイババンドルの投射光用の光ファイ
バ７-1へ入射され、該ファイバの先端から９の対物レン
ズＢで収束されて１１の回転体端面（反射面）１１-1へ
投射される。該端面からの反射光は、再び９の対物レン
ズＢを介して７の光ファイババンドル端面に集光され、
その受光用光ファイバ７-2を通って１０の受光素子Ｂに
導かれる。

【００１３】投射光用の光ファイバ７-1の端面から出た
光はある角度をもって空間を進み９の対物レンズＢに至
る。その間に明るさは距離に応じた減衰をするが、その
距離は回転体の移動とは無関係で一定である。この対物
レンズＢは光が余り広がらないように集光レンズとして
機能するものであり、該レンズを介して回転体の端面１
１-1に光が投射される。このレンズと回転体端面との距
離が回転体の回転によって変化することになるため、投
射光はその距離に応じた減衰を受けて回転体端面１１-1
を照射する。該端面では同面の反射率に対応した光量の
光が反射光として出射され、空間を伝搬して再び９の対
物レンズＢに戻ってくる。その間も又回転体の変位分を
含んだ距離を伝搬することになるので、すきま、すなわ
ちその回転体の端面と該レンズ間の距離に応じた減衰光
量でそのレンズに入射されることになる。この光は該レ
ンズの集光機能によって絞られて受光ファイバ７-2の端
面に戻され、該ファイバを介して１０の受光素子Ｂで受
光される。

【００１４】すきま計測用の光学系は以上のように作用
するものであるが、光の伝搬経路の内、９の対物レンズ
Ｂと回転体端面１１-1間の経路の長さ以外は光学系が特
定されれば変化する物理量の無いものであるから、この
光学系の固有の光学特性は、個々の器差はあるとしても
該光ファイババンドルの光学特性や７の光ファイババン
ドル端面と９の対物レンズＢ間での光量の減衰を含め
て、総合的に把握することができるものである。

【００１５】図２は以上のように２つの測定光学系で検
出された各受光素子の出力から、目的のすきま計測値を
演算出力する手段の構成を示したものである。図２にお
いて１２は光源Ａの明るさに対応する６の受光素子Ｃの
出力と、反射光の強さに対応する５の受光素子の出力の
比から回転体端面の反射率を演算する割算回路であり、
１３は１２の演算回路と１０の受光素子Ｂの出力から目
的とするすきま寸法を求める演算回路である。

【００１６】図１に示す本発明の実施例において、光学
系の先端面すなわち９の対物レンズＢから回転体の反射
面１１-1との距離ｄと、１０の受光素子Ｂの出力Ｅとの
間には、図３のような関係がある。図中で実線は強反射
体、破線は弱反射体の場合である。これを式で書くと次
のように表すことができる。 Ｅ ＝ Ｋ・ｆ（ｄ） ここにＫは回転体の反射率、ｆ（ｄ）はすきま計測用の
光学系全体の光学特性関数である。すなわち受光素子Ｂ
で検出される値Ｅは反射率Ｋに比例し、９の対物レンズ
Ｂから回転体の反射面との距離ｄの関数で表される。こ
のすきま計測用の光学系全体の光学特性関数は、光学系
が特定されれば変化の無いものであるから、予め既知の
距離ｄに対応するその光学系の受光素子の出力値Ｅを特
性として把握することができる。例えばその特性をＲＯ
Ｍ等にもっていれば、実際の計測に際してはその検出値
Ｅともう一つの検出値であるＫに基づいて目的の距離ｄ
の値をその特性から簡単に割り出すことができる。すな
わち、図１の反射率計測用の光学系の１〜６の構成及び
図２の演算回路１２で反射率Ｋを測定・演算するととも
に、すきま計測用の光学系の７〜１０の構成で受光量Ｅ
を測定し、これらの値とすきま計測用の光学系の光学特
性関数ｆ（ｄ）から目的とするすきま寸法を１３の演算
回路で求めることができる。

【００１７】

【発明の効果】この発明は、回転体が金属に限らず非金
属であっても、非接触的に回転体のすきま寸法を光学的
に計測することができるもので、汚れなどによる反射面
の反射率変化に対しても、反射率を常にモニタし、補正
演算することで正確な測定値を得ることが可能である。
そのことによって、航空用ガスタービンをはじめ、産業
用ガスタービンや圧縮機などの運転時のすきま寸法計測
に使用することにより、これらの回転機械の安全性向上
や性能向上に資することができる。

【００１８】また、本発明は割算回路と乗算回路といっ
た単純な演算処理で、正確な測定値を得ることができる
ため、装置の簡素化やコストダウンができるものであ
る。さらに、すきま寸法変化を測定する光学系と反射率
を測定する光学系の２つの光学系を同軸位置に配置する
と共に、光ビームの投光受光経路をレンズを介して広が
らないようにすることで、装置の小型化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体例を示す図

【図２】本発明に於ける演算部のブロック図

【図３】すきま計測用の光学系の光学特性を説明する図

【図４】減衰光量検出方式による距離検出原理図

【図５】位置検出方式による距離検出原理図

【符号の説明】

１ 光源Ａ ２ ビームスプリ
ッタ ３ 対物レンズＡ ４ 光ファイバ ５ 受光素子Ａ ６ 受光素子Ｃ ７ 光ファイババンドル ８ 光源Ｂ ９ 対物レンズＢ １０ 受光素子Ｂ １１ 回転体 １２ 割算回路 １３ 演算回路

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転体の円周方向のすきま寸法変化を測
   定する光学測定系には光ファイババンドルを用い光学路
   が軸心位置となるように、回転体の反射率を測定する光
   学測定系は光ビームを光学軸に対し傾斜をもって照射す
   るようにし、後者光学系の出力を用いて前者光学系の出
   力から反射率のパラメータを消去演算する手段を備えた
   ことを特徴とする回転体の光学式すきまセンサ。
2. 【請求項２】 回転体の反射率を測定する光学測定系は
   光源からの光をビームスプリッタを介して検出する第１
   の受光手段と、回転体からの反射光を検出する第２の受
   光手段とを有し、第１の受光素子の検出値を用い第２の
   受光素子の検出値から光源の変動成分を除去して反射率
   を算出し、これを用いて寸法変化を測定する光学測定系
   の検出値に含まれる反射率成分を消去演算する手段を備
   えたことを特徴とする請求項１に記載の回転体の光学式
   すきまセンサ。
3. 【請求項３】 寸法変化を測定する光学測定系と反射率
   を測定する光学測定系の両光学系端部と前記回転体との
   間に、両光学系用の集光レンズを同軸状に配置したこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の回転体の光学式
   すきまセンサ。