JP3837124B2 - 情報取得装置および評価設備 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘリコプタのロータに作用する荷重に基づいて、そのロータの寿命を評価するための情報取得装置および評価設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリコプタのロータを構成するブレードおよびハブなどのコンポーネントは、安全寿命設計が採用されており、実際の荷重および運用履歴に関わらず、飛行時間が、予め定められた廃棄時間（安全寿命）に達した時点で、交換されている。廃棄時間（安全寿命）は、そのコンポーネントの疲労強度を保証できる時間に設定されており、コンポーネントの実際の荷重および運用履歴では、強度的な限界に達していなくても廃棄される場合があり、無駄が多く、コスト高になっていた。この点に鑑み、コンポーネントをできるだけ強度的な限界一杯まで用いることができるように、コンポーネントの荷重および運用状態を監視する技術が望まれている。
【０００３】
ヘリコプタの健全性および運用状態をモニタリングするシステムとして、健全性および運用モニタリングシステム（Health and Usage Monitoring System：ＨＵＭＳ）が採用されているが、採用されているＨＵＭＳは、コンポーネントに作用する荷重を直接監視することができる構成ではない。したがってコンポーネントの荷重および運用状態について正確に把握することができず、やはり、無駄が多くなってしまう。
【０００４】
またコンポーネントに作用する荷重を監視するにあたって、コンポーネントに箔形歪ゲージを設けて、歪から荷重を求めることが考えられるが、ロータに箔形歪ゲージを適用することはできない。詳細に述べると、コンポーネントは、過酷な状況下で、たとえば２０００時間という長時間にわたって、飛行に用いられるものであり、箔形歪ゲージの強度的な信頼性では、耐え得ることができない。またロータが回転される状態では、箔形歪ゲージによる検出値のノイズが多くなり、コンポーネントの荷重および運用状態について正確に把握することができないという欠点もある。
【０００５】
またマイケルソン型光ファイバ干渉計を用い、その光ファイバ干渉計のセンサ部を、繊維強化複合材積層板に埋め込む内部歪測定方法が知られている。この内部歪測定方法では、前記センサ部よる干渉光の強度変化を測定することによって、繊維強化複合材積層板の内部歪を測定している（たとえば特許文献１参照）。
【０００６】
また間隔をあけたポイント間にあるどこかのポイントにおいて、構造体に生じる物理的な変位を監視する方法が知られている。この方法は、前記間隔をあけたポイント間における構造の物理的な変位が光ファイバの物理的な変位に帰着するように、前記間隔をあけたポイント間にわたって連続的に、前記構造の表面に光ファイバを設ける。この光ファイバイに光信号を送信し、光ファイバから反射して戻ってくる光信号を受信する。受信した光信号には、光ファイバの物理的な変位が反映されており、この光信号から、構造における移動の位置および大きさを特定している（たとえば特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−３６１１２６号公報
【特許文献２】
欧州特許第２７８１４３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に示される技術では、繊維強化複合材積層板の歪を計測することは可能であるが、光源などが、繊維強化複合材積層板と別体に設けられる構成であり、配線の配置などの理由から、この構成をそのままロータに適用することができない。特許文献２に示される技術もまた、特許文献１の技術と同様に、光源からの配置について考慮されておらず、この構成をそのままロータに適用することはできない。このようにヘリコプタロータのコンポーネントなどの変位駆動される対象物の荷重および運用状態を監視することができる技術は確立されていない。
【０００９】
したがって本発明の目的は、ヘリコプタのロータに作用する荷重および運用状態を監視し、そのロータの寿命を評価することができるようにするための情報取得装置および評価設備を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、ロータハブに複数のブレードが分解可能に設けられかつ回転駆動されるヘリコプタのロータの寿命を評価するための評価情報を取得する情報取得装置であって、
ロータに設けられ、光ファイバを用いて構成され、ロータに作用する荷重に対応して歪を生じ、この歪を生じることによって光学的特性が変化する特性変化部を有し、ロータの酷使される部位に設定される強度評定部に特性変化部を配置する光路形成体と、
ロータに設けられる情報収集ユニットであって、
光路形成体に評価用光信号を送信する送信手段と、
光路形成体を通過することによって特性変化部における光学的特性に対応した信号となる評価用光信号を受信し、受信した評価用光信号から歪を表す評価情報を取得する取得手段と、
取得手段によって取得される歪を表す評価情報に基づいて、ロータに作用した荷重を算出し、ロータに作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報に変換する情報変換手段と、
情報変換手段によって変換された評価情報を記憶する記憶手段とを有する情報収集ユニットとを含むことを特徴とする情報取得装置である。
【００１１】
本発明に従えば、ロータに光路形成体が設けられ、この光路形成体に、送信手段から評価用光信号が送信され、その評価用光信号が取得手段で受信される。光路形成体は、光ファイバを用いて構成され、ロータに作用する荷重によって光学的特性が変化する特性変化部が形成されている。送信手段から送信された評価用光信号は、特性変化部における光学的特性に対応した信号となり、取得手段で受信される。受信した評価用光信号からロータに作用する荷重に対応した評価情報が、取得手段によって取得される。この評価情報を用いることによって、ロータの荷重および運用状態を監視し、ロータの寿命を評価することができる。
【００１２】
このようにロータに作用する荷重に対応した評価情報を得るにあたって、光ファイバを用いて構成される光路形成体を利用している。このような構成は、箔形歪ゲージを用いる構成に比べて、強度的な信頼性が高く、変位駆動されるロータの寿命評価に好適に用いることができる。しかも光路形成体を利用する構成では、ノイズが少なく、高精度な評価が可能になる点からも、ロータの寿命評価に好適に用いることができる。さらに送信手段および取得手段を含む情報収集ユニットが、ロータに設けられており、変位駆動されるロータと固定位置とにわたって配線する必要がなく、変位駆動されるロータの評価に好適に実施することができる。
また情報収集ユニットには、評価情報を記憶する記憶手段が設けられる。これによって記憶手段に評価情報を記憶しておき、必要に応じて、ロータの寿命を評価することができる。さらに評価情報として、荷重の履歴を表す評価情報を扱うので、記憶される評価情報から、ロータの荷重および運用状態を把握して、ロータの寿命を的確に評価することができる。またロータに設けられる情報収集ユニット内の記憶手段に、荷重の履歴に基づく評価情報が記憶させておくことによって、ロータを識別して管理しなくても、そのロータの寿命を評価することができる。
【００１４】
また特性変化部が、ロータに作用する荷重に対応して歪を生じ、この歪を生じることによって特性変化部の光学的特性が変化する。したがって取得手段が評価用光信号から取得する評価情報は、特性変化部の歪を表しており、この評価情報を情報変換手段で変換することによって、ロータに作用した荷重を算出することができる。このようにして、ロータの荷重および運用状態の監視を実現することができる。
【００１６】
また情報変換手段によって、ロータに作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報に変換される。この評価情報に基づいて、ロータの荷重および運用状態を把握して、ロータを評価することによって、ロータの寿命を評価することができる。
さらに光路形成体は、特性変化部が強度評定部に配置され、この強度評定部がロータの酷使される部位に設定されている。これによって前述のように荷重頻度分布を求めるにあたって、強度評定部における荷重頻度分布を求めるようにすることによって、多数の部位の荷重頻度分布を求める場合に比べて、演算量を少なくすることができる。しかも強度評定部をロータにおける酷使される部位に設定しておくことによって安全性を高くすることができる。
【００１９】
請求項２記載の本発明は、光路形成体は、ロータに直接装着されることを特徴とする。
【００２０】
本発明に従えば、光路形成体は、ロータに直接装着されるので、ロータに作用する荷重に対応した評価情報を、確実に取得することができる。
【００２１】
請求項３記載の本発明は、ロータは、複合材料から成り、
光路形成体は、ロータに埋め込まれて設けられ、ロータに強度影響を与えない小径の光ファイバが用いられて構成されることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、光路形成体は、ロータに埋め込まれて設けられるので、ロータに作用する荷重に対応した評価情報を、確実に取得することができる。ロータは、複合材料から成るので、光路形成体を埋め込み成型でき、光路形成体のロータへの埋め込み作業を容易にすることができる。しかも光路形成体は、ロータに強度影響を与えない小径の光ファイバが用いられて構成されるので、ロータに埋め込んで設けても、ロータの機械的特性を損なうことがなく、ロータを光路形態体が設けられていないロータと同様に用いることができる。
【００２３】
請求項４記載の本発明は、光路形成体は、端部が、ロータの外表面から内方に退避した状態で、ロータの表面部に設けられる嵌合管に挿入されて設けられることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、光路形成体がロータを製造する装置の動作を阻害しないので、光路形成体を埋め込んだロータを容易に製造することができる。またロータの製造時に光伝達媒体が損傷するおそれがないうえ、ロータ製造後に光路形成体を端面研磨する必要がない。また嵌合孔に他の光路形成体を挿入するだけで、ロータに埋め込まれた光路形成体への接続が可能であり、大形のコネクタなどを用いる必要がない。したがって光路形成体に対する接続構造においても、ロータの機械的特性が損なわれることを防ぐことができる。
【００２５】
請求項５記載の本発明は、評価情報に基づいて、ロータにおける損傷の有無を判定する損傷判定手段を含むことを特徴とする。
本発明に従えば、ロータの損傷を早期に検出することができる。
【００２６】
請求項６記載の本発明は、前述の報取得装置と、
情報取得装置によって取得される評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命を演算する演算手段を備える寿命演算装置とを含むことを特徴する評価装置である。
【００２７】
本発明に従えば、ロータに作用する荷重に対応した評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命が、演算手段によって演算される。このようにして評価情報に基づいて、ロータの寿命を評価することができる。
【００２８】
請求項７記載の本発明は、演算手段は、情報取得装置によって取得される評価情報と、ロータの疲労曲線とに基づいて、線形累積損傷則を用いて、ロータの残りの寿命を演算することを特徴とする。
【００２９】
本発明に従えば、取得される評価情報と、ロータの疲労曲線とに基づいて、線形累積損傷則を用いて、ロータの残りの寿命が演算される。疲労曲線および線形累積損傷則を用いることによって、評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命を、高精度に演算して求めることができる。したがってロータが無駄に廃棄されてしまうことを確実に防ぐことができる。
【００３２】
請求項８記載の本発明は、情報取得装置は、評価情報に基づいてロータにおける損傷の有無を判定する損傷判定手段を備え、損傷の存在を検出したときに、損傷の存在を表す情報を寿命演算装置に与え、
寿命演算装置は、損傷の存在を表す情報が与えられると、損傷の存在を表す情報を報知する報知手段を備えることを特徴とする。
【００３３】
本発明に従えば、情報取得装置によって損傷の存在が検出されると、寿命演算装置よって損傷の存在が報知される。これによって操作者が損傷の存在を容易にかつ早期に把握することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の評価設備１を示すブロック図である。図２は、評価設備１を示す斜視図である。図３は、ヘリコプタのロータ２の一部を示す斜視図である。評価設備１は、変位駆動されて用いられる評価対象物の機械的強度に基づく寿命を評価するための設備であり、変位駆動されることによって評価対象物に作用する荷重を監視し、評価対象物の運用状態を監視して、評価対象物の残りの寿命を求める。
【００３５】
ヘリコプタのロータ２は、ロータハブ（以下単に「ハブ」という）３に複数（たとえば４つ）のロータブレード（以下単に「ブレード」という）４が設けられて構成される。このようなロータ２は、ハブ３に原動機から駆動力が伝達されて変位駆動、具体的には、回転軸線Ｌ２まわりに回転駆動される。本実施の形態では、このようなロータ２を構成するコンポーネントであるブレード４を評価対象物として、このブレード２の荷重および運用状態を監視して残りの寿命を求めるために、評価設備１が用いられる。したがって本実施の形態では、評価設備１は、ヘリコプタロータ用荷重運用モニタリングングシステムである。
【００３６】
評価設備１は、光ファイバセンサ７を用いた先進的荷重運用モニタリング（Advanced Load and Usage Monitoring : ＡＬＵＭ）システムであって、情報取得装置５と、寿命演算装置６とを含んで構成される。評価設備１のうち、少なくとも情報取得装置５は、ヘリコプタに搭載される。本実施の形態では、情報取得装置５は、ヘリコプタに搭載されて機上構成体として用いられ、寿命演算装置６は、地上に設けられて地上構成体として用いられる。以下、寿命演算装置６を地上ユニット６という場合がある。
【００３７】
情報取得装置５は、ブレード４の残りの寿命を評価するための評価情報を取得する装置であり、評価情報は、ブレード４の荷重および運用状態、つまりブレード４がどのような荷重が作用する状況下で運用されているかを示す情報である。この情報取得装置５は、ブレード４に設けられる光ファイバセンサ７と、ブレード４に設けられるデータ収集ユニット８とを有する。
【００３８】
光ファイバセンサ７は、評価情報を得るための評価用光信号が通過する光路を形成する光路形成体である。データ収集ユニット８は、評価用信号から評価情報を収集するための情報収集ユニットである。データ収集ユニット８には、レーザ発信器１０、光計測器１１、データ処理器１２、データ記録器１３および動力源（図示せず）が設けられる。動力源は、データ収集ユニット８を駆動するための駆動源である。データ収集ユニット８は、たとえば電力で駆動される構成であり、動力源は電源である。この電源は、たとえば太陽電池単体で実現されてよいが、太陽電池とバッテリとを組合わせて実現されてもよし、またバッテリ単体で実現されてもよい。少なくとも太陽電池を用いれば、飛行しながら電力を得ることができ好適である。
【００３９】
図４は、光ファイバセンサ７に形成されるブラッグ格子１５を模式的に示す断面図である。図５は、ブラッグ格子１５の特性を説明するために評価用光信号の一例を示すグラフであり、図５（１）はブラッグ格子１５に到達した信号ＩＯを示し、図５（２）は、ブラッグ格子１５で反射される信号を示す。図５（１）および図５（２）において、横軸は波長λを示し、縦軸は強度を示す。
【００４０】
図１および図２を併せて参照して、光ファイバセンサ７は、たとえば、ブレード４に、長手方向の一端部から他端部まで延び、他端部で湾曲して折返され、一端部まで延びるように大略的にＵ字状に配置される。ブレード４の長手方向一端部は、たとえばハブ３に連結される内方側の端部である。また光ファイバセンサ７は、ブレード４に埋め込まれて設けられる。ブレード４は、たとえば繊維強化複合材料から成り、光ファイバセンサ７は、ブレード４の成型時に埋め込み成型されて、ブレード４に埋め込まれて設けられる。
【００４１】
この光ファイバセンサ７は、光ファイバを用いて構成され、その光ファイバの中途部にブラッグ格子１５が設けられるブラッグ格子形光ファイバ（Fiber Bragg Grating : ＦＢＧ）センサである。特性変化部であるブラッグ格子１５は、軸線方向に格子間隔ｄを有して形成される回折格子である。このブラッグ格子１５は、次式（１）で示される波長λＲの光を反射し、残余の光を透過する特性を有している。
λＲ＝２×ｄ×ｎ …（１）
【００４２】
ここでｎは、ブラッグ格子１５が形成される部分における光ファイバのコアにおける屈折率である。式（１）から分かるように、ブラッグ格子１５は、格子間隔ｄおよび屈折率ｎに基づく波長λＲの光だけを反射する特性を有している。
【００４３】
光ファイバセンサ７が設けられるブレード４に荷重が作用し、ブレード４に歪が生じると、ブレード４の歪に追従して光ファイバセンサ７も同様に歪を生じる。ブラッグ格子１５が歪を生じると、ブラッグ格子１５の格子間隔ｄが変化する。これによって反射する光の波長λＲが、図５（２）に示すように、歪の大きさに対応してシフトすなわち変化する。このようにブラッグ格子１５は、ブレード４に作用する荷重によって光学的特性が変化し、ブレード４に作用する荷重に対応した波長λＲの光を反射する。
【００４４】
したがって図５（１）に示すように、外力が作用していない歪のない自然状態においてブラッグ格子１５が反射する波長λＲおよびその近傍の波長を含む光信号を、ブラッグ格子１５を有する光ファイバセンサ７に送信し、反射して戻ってくる光信号を受信して、その光信号の波長からブラッグ格子１５における歪を求めることができる。これによってブレード４の歪を求め、ブレード４に作用する荷重を求めることが可能になる。
【００４５】
光ファイバセンサ７には、複数のブラッグ格子１５が、相互に間隔をあけて、具体的には一定間隔毎に、形成されている。これら各ブラッグ格子１５は、ブレード４への荷重の作用状態に関わらず、反射する光の波長が互いに異なるように、格子間隔ｄおよび屈折率ｎが設定されている。詳細に説明すると、各ブラッグ格子１５が、外力の作用していない自然状態において反射する波長λＲ含み、かつブレード４に作用する荷重の変化に伴って各ブラッグ格子１５において反射する光の波長λＲが変化する範囲を、各ブラッグ格子１５の反射波長帯域として、各ブラッグ格子１５の反射波長帯域が相互に異なるように形成される。
【００４６】
本実施の形態では、光ファイバセンサ７におけるコアの屈折率は、全長にわたって同一の屈折率に形成され、各ブラッグ格子１５における屈折率ｎは同一である。各ブラッグ格子１５は、自然状態における格子間隔ｄが相互に異なるように形成され、相互に異なる反射波長帯域の波長λＲの光を反射するように構成されている。
【００４７】
レーザ発信器１０は、光路形成体に評価用光信号を送信する送信手段である。このレーザ発信器１０は、各ブラッグ格子１５における反射波長帯域の波長成分を含むレーザ光を発生し、そのレーザ光を評価用光信号として、光ファイバセンサ７に、光ファイバセンサ７の一端部から送信する。
【００４８】
光計測器１１は、レーザ発信器１０から送信され、光ファイバセンサ７を通過することによって各ブラッグ格子１５における光学的特性に対応した信号となる評価用光信号を受信し、受信した評価用光信号からブレード４に作用する荷重に対応した評価情報を取得する取得手段である。レーザ発信器１０によって光ファイバセンサ７に送信される評価用光信号は、各ブラッグ格子１５によって、各ブラッグ格子１５に対応した波長成分の光信号が反射して戻ってくる。光計測器１１は、このように反射して戻る評価用光信号を、光ファイバセンサ７の一端部から受信する。
【００４９】
受信される評価用光信号は、各ブラッグ格子１５の歪に対応した波長成分を有している。各ブラッグ格子１５の歪は、ブレード４の各ブラッグ格子１５が配置される部位（以下「評価部位」という場合がある）の歪と同一である。この歪は、ブレード４に荷重が作用することによって発生し、歪の大きさは荷重に対応している。したがって受信される評価用光信号は、ブレード４の評価部位に作用する荷重に対応した評価情報として、歪を表す評価情報を有している。光計測器１１は、受信した評価用光信号から、その評価用光信号に含まれる波長成分に基づいて、ブレード４における各評価部位の歪を表す評価情報を取得する。つまり光ファイバセンサ７内で反射して戻る評価用光信号を受信することによって、ブレード４における歪を生じている部位およびその歪の大きさを検出することができる。
【００５０】
このように各ブラッグ格子１５を形成した光ファイバセンサ７を用いる構成では、１つの光ファイバセンサ７、１つのレーザ発信器１０および１つの光計測器１１によって、複数の箇所における荷重に関する情報、すなわち歪を取得することができる。これによって簡単かつ小形の構成で装置を実現することができ、評価対象物であるブレード４への、形状および寸法の影響を可及的に小さくするこができる。したがってブレード４などの航空機の構成部材が評価対象物であっても、空力的な影響を与えることがなく、好適に用いることができる。
【００５１】
データ処理器１２は、評価情報を変換する情報変換手段であって、本実施の形態では、光計測器１１からの歪を表す評価情報に基づいて、最終的にブレード４に作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報に変換する。このデータ処理器１２は、歪→荷重変換部１６と、荷重頻度算出部１７とを有する。
【００５２】
歪→荷重変換部１６は、光計測器１１から歪を表す評価情報が与えられ、この評価情報が表す歪に基づいて、評価部位におけるブレード４に作用した荷重を算出する。このように歪→荷重変換部１６は、評価情報を、荷重を表す評価情報に変換する。
【００５３】
荷重頻度算出部１７は、歪→荷重変換部１６から荷重を表す評価情報が与えられ、この評価情報に基づいて、荷重頻度分布を算出する。荷重頻度分布は、ブレード４の運用中、換言すればブレード４がヘリコプタの飛行に用いられている間に、ブレード４に作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す。ブレード４には、変動しながら作用する繰返し荷重が作用しており、荷重頻度分布は、ブレード４の運用中に、荷重の大きさ毎にその大きさの荷重が作用した回数（以下、「サイクル数」という場合がある）を表す。
【００５４】
データ収集ユニット８では、レーザ発信器１０から光ファイバセンサ７に評価用信号を送信し、反射して戻る評価用信号を光計測器１１で受信して、歪を検出する情報取得作業を、ブレード４の運用中に、予め設定される時間間隔毎に実行している。情報取得作業を実行する時間間隔は、任意に設定することが可能である。本実施の形態では、データ収集ユニット８の性能上可能な最も短い時間間隔で情報取得作業を実行している。このように取得される歪に基づいて、荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を荷重頻度算出部１７によって求めている。
【００５５】
図６は、荷重の履歴の一例を模式的に示すグラフである。荷重頻度分布を算出するにあたっては、公知の各種方法を用いることができるが、本実施の形態では、たとえばレインフロー法（rain flow method）を用いる。前述のように、光ファイバセンサ７にレーザ発信器１０から評価用信号を送信し、反射して戻る評価信号を光計測器１１で受信して、各評価部位における歪の時刻歴データを得ることができる。
【００５６】
全ての評価部位において荷重頻度分布を求めるようにしてよいが、演算量を少なくするために、本実施の形態では、ブレード４に予め設定される強度評定部における荷重頻度分布を、ブレード４の荷重頻度分布として求める。強度評定部は、任意に設定することができ、たとえば安全性を高くするために、経験上既知であるブレード４において酷使される部位に設定してもよい。
【００５７】
強度評定部における歪の時刻歴データを得るにあたっては、予め、たとえばブレード４の製造時に、強度評定部の歪と各評価部位における歪との関係を、較正試験によって取得する。この較正試験の結果を用いて、各評価部位における歪の時刻歴データから評定部における歪の時刻歴データを得ることができる。このような各評価部位における歪の時刻歴データから評定部における歪の時刻歴データを求めているので、評定部における歪を高精度に求め、信頼性の高い情報取得が可能になる。この評定部における歪の時刻歴データを得る演算は、歪→荷重変換部１６で行われる。
【００５８】
歪→荷重変換部１６では、さらに評定部における歪の時刻歴データに基づいて、評定部における荷重の時刻歴データを算出する。具体的には、歪の時刻歴データから、既知であるブレード４のヤング率Ｅを用いて、次式（２）のεに歪を代入し、応力Ｓの時刻歴データを算出する。
Ｓ＝Ｅ×ε …（２）
応力Ｓは、ブレード４に作用する荷重に相当する。
【００５９】
図６は、荷重の履歴である応力の履歴を、横軸に応力をとり、縦軸に下方へ向かうにつれて時刻が経過するように時刻をとって示す。図６のように軸をとって、応力の時刻歴データ、すなわち応力の履歴を示すと、左右に蛇行するような折れ線グラフとなる。
【００６０】
このような応力の履歴を示す折れ線を屋根に見立て、その上を流れ落ちる雨粒の流路の１つ１つを荷重頻度、すなわち荷重の作用したサイクル数０．５回と計数する。その荷重の大きさは、その流路長に対応する値とする。荷重の大きさは、平均応力と変動応力とを含む。
【００６１】
雨粒は、各屋根の付け根から流れ始めるものとし、左（右）向きの流れに関しては、自身よりも右（左）から発した流れにぶつかると停止するものとする。つまり流路は、各屋根の付け根が始点となり、自身と同一方向の流れであってかつ自身よりも上流側から流れてくる流れにぶつかる位置が終点となる。平均応力は、各流路の始点の応力および終点の応力の合計を２で除した値であり、変動応力は、各流路の始点の応力および終点の応力のうち大きい方から小さい方を減算した値である。このような計数の仕方がレインフロー法であり、このように計数して、荷重頻度分布を求める。
表１は、図６の例について求めた計数値を示す。
【００６２】
【表１】
【００６３】
この表１のようなデータから、同一応力毎に、作用した応力毎まとめて、サイクル数すなわち荷重作用回数を加算して、荷重頻度分布を求める。たとえば表１における▲１▼および▲２▼は、同一応力であり、この応力に置ける荷重サイクル数を１（＝０．５＋０．５）回とする。このようにして、ブレード４の運用中に、荷重の大きさ毎にその大きさの荷重が作用した回数を表す荷重頻度分布を求める。このような荷重頻度分布を求める演算は、荷重頻度算出部１７で行われる。
【００６４】
また図６の例では、ブレード４を用いた１回の飛行における荷重の履歴、すなわち応力の履歴の一部を示しているが、１回の飛行に関してみる場合には、その１回の飛行における荷重、すなわち応力の最大値と最小値から、平均応力と変動応力とを算出し、これらの応力におけるサイクル数に、１回として計数する。
【００６５】
データ記録器１３は、評価情報を記憶する記憶手段である。本実施の形態では、データ記録器１３に、荷重頻度算出部１７から荷重頻度分布を表す評価情報が与えられ、データ記録器１３は、この荷重頻度分布を表す評価情報を、読出し可能に記録している。
【００６６】
このデータ記録器１３は、記録している評価情報を、出力する出力手段としての機能を備えている。評価情報を出力するための構成は、たとえば記録している評価情報をメモリカードなどの記録媒体に記録する構成であってもよいし、プラグインなどと呼ばれるように他の装置に有線で接続されて有線送信する構成であってもよいし、電波および赤外線などの電磁波を用いて無線送信する構成であってもよい。
【００６７】
地上ユニット６は、たとえばパーソナルコンピュータによって実現され、情報取得装置５によって取得された評価情報に基づいて、ブレード４の残りの寿命を求める装置である。この地上ユニット６は、荷重頻度分布入力器２０と、等価残寿命演算器２１とを有する。
【００６８】
荷重頻度分布入力器２０は、評価情報を入力する入力手段である。この荷重頻度分布入力器２０は、情報取得装置５によって所得され、出力される評価情報、したがって荷重頻度分布を表す評価情報を受取って入力する。荷重頻度分布入力器２０は、たとえば評価情報が記録されたメモリカードなどの記録媒体から評価情報を読取る構成であってもよいし、プラグインなどと呼ばれるように他の装置に有線で接続されて有線受信する構成であってもよいし、電波および赤外線などの電磁波を用いて無線受信する構成であってもよいが、情報取得装置５のデータ記録器１３における出力のための構成に対応する構成とされる。
【００６９】
等価残寿命演算器２１は、荷重頻度分布入力器２０から入力される評価情報が与えられ、この荷重頻度分布を表す評価情報に基づいて、ブレード４の残りの寿命を演算する演算手段である。等価残寿命演算器２１は、入力される評価情報とブレード４の疲労曲線とに基づいて、線形累積損傷則を用いて、ブレード４の残りの寿命を演算する。
【００７０】
図７は、疲労曲線の一例を示すグラフである。地上ユニット６は、疲労強度記憶器であるＳ−Ｎ曲線記憶器２２をさらに有しており、このＳ−Ｎ曲線記憶器２２には、予め求められたブレード４の疲労強度を表す疲労曲線が記憶されている。Ｓ−Ｎ曲線とも呼ばれる疲労曲線（以下「Ｓ−Ｎ曲線」という場合がある）は、コンポーネント（ここでブレード４）の疲労強度を示すものであり、繰返し荷重で発生するコンポーネントの変動応力および平均応力に対する破壊までの荷重の繰返し回数（サイクル数）を、グラフ化して示すものである。
【００７１】
具体的に述べると、Ｓ−Ｎ曲線は、図７に示すように、変動応力に対する破壊までのサイクル数を示すものである。変動応力が一定であっても、平均応力が異なれば、破壊までのサイクル数が変化する。図７には、図解を容易にするために、１つの平均応力におけるＳ−Ｎ曲線を示しているが、実際には各平均応力毎に、線が描かれる。したがって、Ｓ−Ｎ曲線は、変動応力および平均応力に対する破壊までのサイクル数を示すものである。
【００７２】
このＳ−Ｎ曲線は、コンポーネントの構成によって異なるものであり、ブレード４に対応する構成の試料に対する試験によってＳ−Ｎ曲線が取得され、そのＳ−Ｎ曲線がＳ−Ｎ曲線記憶器２２に記憶されている。図７には、ブレード４がガラス繊維強化複合材料（ＧＦＲＰ）から成る場合のＳ−Ｎ曲線を示す。
【００７３】
本実施の形態では、線形累積損傷則として、マイナーの累積損傷則（以下「マイナー則」という場合がある）を採用する。マイナー則は、材料の疲労破壊に関する法則であり、航空機の疲労強度設計に用いられている。
【００７４】
１つのコンポーネント（ここではブレード４）に作用する荷重は、１つの大きさの変動応力および平均応力の荷重ではなく、様々な大きさの変動応力および平均応力の荷重を含んでいる。１つの大きさの変動応力および平均応力の荷重だけが作用するのであれば、Ｓ−Ｎ曲線から、破壊までのサイクル数を直接求めることができるが、様々な変動応力および平均応力の荷重がそれぞれ異なるサイクル数で作用する場合には、破壊に関する評価を、Ｓ−Ｎ曲線から直接求めることができない。そこでこのような場合には、マイナー則によって破壊に関する評価、すなわち強度に関する評価を求める。
【００７５】
マイナー則では、荷重頻度分布から得られる１つの応力レベル（変動応力および平均応力の組合わせ）に１つずつ番号を与え、その番号をｉ（＝１〜ｋ；ｋは応力レベルの数）として、変動応力Ｓａｉおよび平均応力Ｓｍｉの実際のサイクルル数（ｉ番目のサイクル数）ｎｉと、前記変動応力Ｓａｉおよび平均応力Ｓｍｉに対応する破壊に至るまでのサイクル数Ｎｉとの比をとり、それらの比を全て総和することによって累積損傷Ｄを算出する。累積損傷Ｄは、次式（３）で表される。
【００７６】
【数１】
【００７７】
このようにして求められる累積損傷Ｄが１になるとき、そのコンポーネント（ブレード４）が破壊するとみなす。
【００７８】
等価残寿命演算器２１は、Ｓ−Ｎ曲線記憶器２２に記憶されるＳ−Ｎ曲線と、入力される評価情報の荷重頻度分布から、前述のマイナー則によって、ブレード４の累積損傷Ｄを算出する。そしてこの累積損傷Ｄから、ブレード４の残りの寿命を算出する。
【００７９】
残りの寿命（以下「等価残寿命」という場合がある）Ｔｒは、ブレード４の安全寿命Ｔｓと累積損傷Ｄを用いて、次式（４）によって算出される。
Ｔｒ＝Ｔｓ×（１−Ｄ） …（４）
安全寿命Ｔｓは、亀裂などの機械的損傷を生じることなく用いることができる、疲労強度を保証できる期間であり、ブレード４の設計時に、その構成に基づいて設定される。
【００８０】
このようにして求められる等価残寿命は、表示手段を用いて表示することができる。図１には、表示手段は図示されていないが、地上ユニット６が表示手段を備えるようにしてもよい。
【００８１】
図８は、光ファイバセンサ７の有用性を確認するための試験装置３０を示すブロック図である。試験装置３０は、試験用の光ファイバ３１を埋め込んだ供試体３２に、引張試験機３３によって引張荷重を与え、このときの荷重を引張試験機３３で検出するとともに、歪を変位計３４で検出し、さらに光ファイバ３１の一端部に光源３５から入射した光の強度を光検知器３６で検出するように構成されている。
【００８２】
図９は、試験装置３０を用いた試験結果の一例を示すグラフである。図９には、荷重のサイクル数と光強度との関係を示す。また試験装置３０を用いた試験結果を、図７に、前述のＳ−Ｎ曲線に加えて示す。図７に示すように、光ファイバ３１は、ブレード４の疲労強度よりも高い疲労強度を有していることがわかる。また、図９に示すように、光ファイバ３１は、繰返し荷重が作用しても、光信号の伝達に影響を受けないことがわかる。これらから、光ファイバを用いた光ファイバセンサ７の有用性が明らかである。
【００８３】
図１０は、光ファイバセンサ７を構成する光ファイバ７ａ，７ｂの一例を示す断面図である。図１０（１）は、シングルモードの光ファイバ７ａを示し、図１０（２）は、マルチモードの光ファイバ７ｂを示す。シングルモードの光ファイバ７ａは、伝送損失が小さく、長距離通信に適したファイバであり、コア４０ａの外径が８．５μｍであり、クラッド４１ａの外径が４０μｍであり、被膜４２ａの外径が５２μｍである。マルチモードの光ファイバ７ａは、接続が容易であり、ネットワークケーブルに適したファイバであり、コア４０ｂの外径が２０μｍであり、クラッド４１ｂの外径が４０μｍであり、被膜４２ｂの外径が５２μｍである。
【００８４】
本実施の形態では、シングモードおよびマルチモードのいずれでもよいが、図１０に示すような、クラッド外径が４０μｍであり、被膜外径が５２μｍの細径の光ファイバが用いられる。このような細径の光ファイバ７ａ，７ｂは、ブレード４に埋め込んでも、ブレード４の強度に影響を与えない小さい外径である。
【００８５】
図１１は、光ファイバの複合材に対する強度への影響を確認する試験方法を説明するための断面図である。この試験では、供試体４５に光ファイバ４６を埋め込み、この埋め込み領域の中途部に内径が０．６４ｃｍの空隙を形成して、光ファイバに垂直な方向に引張荷重を与える。
【００８６】
図１２は、図１１の試験の結果を示すグラフである。横軸は、光ファイバの外径を示し、縦軸は、標準化された強度を示す。図１２にから明らかなように、光ファイバの外径が１００μｍ程度であれば、強度に大きな影響を与えないことが分かる。
【００８７】
図１３は、光ファイバの複合材に対する強度への影響を確認する、図１１とは異なる試験の結果を示すグラフである。図１３から明らかなように、クラッドの外径が４０μｍの光ファイバは、光ファイバが埋め込まれていない状態と同様の強度を示すことが分かる。
【００８８】
また光ファイバセンサ７の被膜がポリイミドから構成されるので、熱に強い光ファイバセンサ７を実現することができる。この光ファイバセンサ７は、ブレード４の成型時の熱にも耐え得ることが可能であり、埋め込み成型に好適に用いることができる。
【００８９】
図１４は、光ファイバセンサ７と、データ収集ユニット８との接続構造を示す断面図である。光ファイバセンサ７は、全体がブレード４に埋め込まれた状態で設けられる。この光ファイバセンサ７の一端部５０は、ブレード４の長手方向一端部５１の端面５２から退避して配置されている。ブレード４の一端部５１には、端面５２で開口する嵌合管５４が設けられており、光ファイバセンサ７の一端部５０は、嵌合管５４の中途部まで挿入された状態で設けられる。
【００９０】
光ファイバセンサ７の一端部５０に、半径方向外方から覆うフェルール５６が設けられている。嵌合管５４内には、半径方向に弾発的に変形可能な挟持部材、たとえば断面形状が略Ｃ字状の挟持部材５７が設けられており、光ファイバセンサ７の一端部５０は、挟持部材５７の中途部まで挿入され、挟持部材５６によってフェルール５４が弾発的に挟持されている。したがって光ファイバセンサ７の一端部５０が間接的に挟持された状態にある。
【００９１】
レーザ発信器１０および光計測器１１には、光カプラなどを介して、共通の接続用光ファイバ６０が光伝達可能に接続されている。レーザ発信器１０は、接続用光ファイバ６０に評価用光信号を送信することができ、光計測器１１は、接続用光ファイバ６０から評価用光信号を受信することができるように構成されている。
【００９２】
接続用光ファイバ６０のレーザ発信器１０および光計測器１１とは反対側の端部６１には、半径方向外方から覆うフェルール６２が設けられている。接続用光ファイバ６０の端部６１は、嵌合管５４内に挿入され、かつ挟持部材５７に挿入され、挟持部材５６によってフェルール６２が弾発的に挟持されている。したがって接続用光ファイバセンサ６０の端部６１が間接的に挟持された状態にある。
【００９３】
この状態で光ファイバセンサ７と、接続用光ファイバ６０とは、同軸に配置され、かつ当接されて配置される。これによって光ファイバセンサ７と、接続用光ファイバ６０との間で、評価用光信号の伝達が可能である。このような構造を介して、光ファイバセンサ７と、レーザ光発信器１０および光計測器１１が接続され、前述のような検出を可能にしている。
【００９４】
本実施の形態によれば、ブレード４に光ファイバセンサ７が設けられ、レーザ発信器１０から評価用光信号が送信され、その評価用光信号が光計測器１１で受信される。光ファイバセンサ７は、光ファイバを用いて構成され、評価対象物に作用する荷重によって光学的特性が変化するブラッグ格子１５が形成されている。評価用光信号は、ブラッグ格子１５における光学的特性に対応した信号となり、光計測器１１で受信される。受信した評価用光信号からブレード４に作用する荷重に対応した評価情報が、光計測器１１によって取得される。
【００９５】
ブラッグ格子１５は、ブレード４に作用する荷重に対応して歪を生じ、これによって光学的特性が変化する構成であり、光計測器１１で取得される評価情報は、歪を表す評価情報である。このような評価情報が、データ処理器１２で、荷重を表す評価情報に変換され、さらに荷重頻度分布を表す評価情報に変換される。このようにして、ブレード４に設けられる情報取得装置５によって、評価情報が取得される。
【００９６】
このような評価情報が、地上ユニット６に与えられて、入力される。地上ユニット６では、情報取得装置５によって取得された評価情報に基づいて、ブレード４の等価残寿命が演算される。等価残寿命の演算は、Ｓ−Ｎ曲線に基づいて、マイナー則を用いて演算される。このようにして等価残寿命が高精度に演算され、寿命を評価することができる。
【００９７】
等価残寿命Ｔｒの算出例を以下に示す。今、安全寿命が１０００時間に設定されるブレード４があるとする。このブレード４を用いて１００時間飛行したとき（実飛行時間Ｔａが１００）、前述のようにして算出した累積損傷Ｄが０．０５であったとする。この場合の等価残寿命Ｔｒは、前記式（４）に値を代入して求めると、式（５）で示すように９５０時間となる。
Ｔｒ＝１０００×（１−０．０５）＝９５０ …（５）
【００９８】
すでに１００時間を飛行しているので、この場合のブレード４は、１０５０（＝９５０＋１００）時間の飛行に用いることができることになる。つまり安全寿命に達した時点で廃棄する場合に比べて、５０時間、寿命が延びたことになる。
【００９９】
さらに実飛行時間Ｔａが１０００時間に達したとき、その累積損傷Ｄが０．５であったとする。この場合の等価残寿命Ｔｒは、前記式（４）に値を代入して求めると、式（６）で示すように５００時間となる。
Ｔｒ＝１０００×（１−０．５）＝５００ …（６）
【０１００】
すでに安全寿命の１０００時間を飛行しているが、この時点であと５００時間の飛行に耐え得ると評価されるので、この場合のブレード４は、１５００（＝５００＋１０００）時間の飛行に用いることができることになる。つまり安全寿命に達した時点で廃棄する場合に比べて、５００時間、寿命が延びたことになる。
【０１０１】
このような等価残寿命Ｔｒは、あくまで設計時に設定した安全寿命に基づいて、ブレード４に設計で想定した荷重がどのように実際に作用したかを検出して累積損傷Ｄを求め、残りの寿命を求めているものであり、実荷重を監視することによって設計時に想定した荷重を変更して寿命を判断するものではない。
【０１０２】
このようにブレード４の荷重および運用状態を監視し、ブレード４の等価残寿命を高精度に評価することによって、ブレード４が無駄に廃棄されてしまうことを確実に防ぐことができる。
【０１０３】
また光ファイバセンサ７を用いることによって、箔形歪ゲージを用いる構成に比べて、強度的な信頼性が高く、変位駆動される評価対象物の寿命評価に好適に用いることができる。しかも光ファイバセンサ７を利用する構成では、ノイズが少なく、高精度な評価が可能になる点からも、ブレード４の寿命評価に好適に用いることができる。
【０１０４】
さらにデータ収集ユニット８が、ブレード４に設けられており、変位駆動されるブレード４とヘリコプタの機体内部などの固定位置とにわたって配線する必要がなく、ブレード４の評価に好適に実施することができる。さらにデータ収集ユニット４がデータ記録器１３を備えており、地上ユニット６が無くても評価情報の取得が可能であり、後刻地上ユニットに評価情報を与えて、寿命を評価することができ、飛行するヘリコプタのブレード４の寿命評価に好適である。
【０１０５】
さらにデータ記録器１３には、たとえば過去の全ての荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報が記録しておくようにしてもよい。この場合、記憶される評価情報に基づいて寿命を評価すれば、そのブレード４の寿命を評価することができる。過去の一部の荷重の履歴に基づく荷重頻度分布が別途に記憶されていると、これを併せて評価しなければならず、ブレード４を識別して、別途に記憶される荷重頻度分布を対応付けて管理しておかなければならない。これに対して過去の全ての荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を記憶しておけば、ブレード４を識別して管理しなくても、そのブレード４の寿命を評価することができる。さらに具体的に述べると、たとえば点検補修時などに、ブレード４がロータから取外され、元のロータとは異なるロータに組み込まれることがあっても、つまりブレード４が取外された後、別のヘリコプタの機体に取り付けられることがあっても、ブレード４を識別して管理しておかなくても、ブレード４の寿命を評価することができる。
【０１０６】
もちろん、データ記録器１３に過去の全ての荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報を記録しておくことは、あくまで一例であり、たとえば前回の寿命の評価時以後の荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報を記録しておくようにしてもよい。この場合には、評価時に、その評価時以前の荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報についは、データ記録器１３と異なる記録手段に別途記録しておき、この記録手段に記録される評価情報と、データ記録器１３に記録される評価情報を併せて評価するようにすればよい。このようにデータ記録器１３には、過去の一部の荷重頻度分布を表す評価情報を記録しておく構成であってもよい。
【０１０７】
また寿命の評価は、前述のような点検補修時に実行されてもよいし、たとえば1日毎、1週間毎、１ヵ月毎など、定期的に実行されてもよいし、たとえば１回毎、２回毎、５回毎など、予め定める飛行回数毎に実行されてもよい。このように寿命の評価は、任意にまたは必要に応じて実行すればよい。また寿命の評価を実行するにあたって、ブレード４をロータから取外して実行してもよいが、ブレード４を取外さずに、ロータに組み込まれたままの状態で実行してもよい。
【０１０８】
さらに光ファイバセンサ７は、ブレード４に埋め込まれて設けられるので、評価情報を、高精度にかつ確実に取得することができる。しかもブレード４は、複合材料から成るので、光ファイバセンサ７を埋め込み成型でき、光ファイバセンナ７の埋め込み作業を容易にすることができる。さらに光ファイバセンサ７は、ブレード４に強度影響を与えない小径の光ファイバが用いられて構成されるので、ブレード４に埋め込んで設けても、ブレード４の機械的特性を損なうことがなく、ブレード４を光ファイバセンサ７が設けられていないブレード４と同様に用いることができる。
【０１０９】
また光ファイバセンサ７は、前述の図１４に示すような埋め込み構造で設けられるので、ブレード４の成型にあたって、光ファイバセンサ７が、成型操作に制限を与えてしまうことがなく、埋め込み成型しない場合とほぼ同様の装置で、同様の作業によって成型することができ、ブレード４を容易に製造することができる。またブレード４の製造時に光ファイバセンサ７が損傷するおそれがないうえ、ブレード４の製造後に光ファイバセンサ７を端面研磨する必要がない。また嵌合孔に接続用光ファイバ６０を挿入するだけで、光ファイバセンサ７への接続が可能であり、大形のコネクタなどを用いる必要がない。したがって光ファイバセンサ７に対する接続構造においても、ブレード４の機械的特性が損なわれることを防ぐことができる。
【０１１０】
また本発明の実施の他の形態として、データ収集ユニット８は、損傷判定機能を有する損傷判定手段を備える構成であってもよい。損傷判定手段は、たとえば歪→荷重変換部１６によって兼ねられ、ブレード４の損傷、たとえば接合部における剥離および接合部以外における亀裂などを検出する。
【０１１１】
詳細に述べると、ブレード４が損傷すると、この損傷に伴なって光ファイバセンサ７も損傷する。光ファイバセンサ７が損傷すると、その損傷部位での評価用光信号の伝播が不可能になるので、評価情報に基づいて損傷の有無を判定し、損傷を検出することができる。
【０１１２】
損傷判定手段は、損傷の存在を検出すると、その検出結果をデータ記録器１３に与える。データ記録器１３では、検出結果を記録し、損傷が存在することを表す情報（損傷情報）を地上ユニット６に与える。地上ユニット６では、荷重頻度分布入力器２０によって損傷情報が入力されると、損傷情報を図示しない報知手段によって報知され、操作者が容易かつ早期に把握することができる。本発明の装置は、ブレード４の等価残寿命を演算して、飛行中にブレード４の損傷を生じないようにするために用いられるものであるが、ブレード４の製造時の不良および予測できない要因などによって、万一、演算による寿命よりも前に損傷を生じた場合には、このような損傷のモニタリングによって、損傷を早期に検出することができ、より高い安全性を確保することができる。
【０１１３】
このようにして損傷が検出されと、寿命の評価が本来の目的を達成できなくなるので、以後の荷重頻度分布の算出など、データ収集ユニット８における寿命評価のための演算処理を中止して、データ記録器１３から損傷情報だけを地上ユニット６に与えるようにしてもよい。また損傷が存在する場合においても、荷重頻度分布を演算し、等価残寿命を演算してもよい。
【０１１４】
また本発明の実施のさらに他の形態として、光計測器１１が、評価用光信号を受信するときに、ブレード４および光ファイバセンサ７の温度による歪への影響を考慮して、信号が表す歪を補正するようにしてもよい。これによってさらに高精度な等価残寿命の演算が可能になる。
【０１１５】
上述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば本発明の設備は、ブレードに限らず、ハブなどのロータをはじめとする他の機構を構成するコンポーネントなどの評価対象物の寿命を評価するために用いられてもよい。もちろんヘリコプタ以外で用いられる構成であってもよい。また光路形成体は、評価対象物に埋め込まずに、表面部に接着などによって直接固定する構成であってもよい。この場合も好適に、かつ確実に評価情報を取得することができる。
【０１１６】
さらに光ファイバセンサは、ブラッグ格子を利用することによって、一本のセンサで複数箇所における評価情報の取得が可能になるが、ブラッグ格子以外を利用する光路形成体を用いるようにしてもよい。この場合、複数箇所での評価情報を取得できる構成であってもよいし、一箇所だけで評価情報を取得できる構成であってもよい。もちろん１つだけブラッグ格子が形成される光路形成体であってもよい。
【０１１７】
また地上ユニットなどの寿命演算装置は、必ずしも地上に設けられる必要はなく、ヘリコプタなど、情報取得装置が設けられる場所に設置されてもよい。また情報取得装置は、少なくとも光路形成体と送信手段と取得手段とが設けられていればよく、情報収集ユニットの他の手段は、寿命演算装置に設けられていてもよい。この場合、取得した歪を表す評価情報を逐次、寿命演算装置に送信するようにしてもよいし、情報収集ユニットに歪を表す評価情報を記録する記録器を設けるようにしてもよい。また可能であるならば、寿命演算装置の構成を、評価対象物に設けるようにしてもよい。
【０１１８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、評価対象物に光路形成体が設けられ、この光路形成体に、送信手段から評価用光信号が送信され、その評価用光信号が取得手段で受信される。光路形成体は、光ファイバを用いて構成され、評価対象物に作用する荷重によって光学的特性が変化する特性変化部が形成されている。送信手段から送信された評価用光信号は、特性変化部における光学的特性に対応した信号となり、取得手段で受信される。受信した評価用光信号から評価対象物に作用する荷重に対応した評価情報が、取得手段によって取得される。この評価情報を用いることによって、評価対象物の荷重および運用状態を監視し、評価対象物の寿命を評価することができる。
【０１１９】
このように評価対象物に作用する荷重に対応した評価情報を得るにあたって、光ファイバを用いて構成される光路形成体を利用している。このような構成は、箔形歪ゲージを用いる構成に比べて、強度的な信頼性が高く、変位駆動される評価対象物の寿命評価に好適に用いることができる。しかも光路形成体を利用する構成では、ノイズが少なく、高精度な評価が可能になる点からも、評価対象物の寿命評価に好適に用いることができる。さらに送信手段および取得手段を含む情報収集ユニットが、評価対象物に設けられており、変位駆動される評価対象物と固定位置とにわたって配線する必要がなく、変位駆動される評価対象物の評価に好適に実施することができる。
また情報収集ユニットには、評価情報を記憶する記憶手段が設けられる。これによって記憶手段に評価情報を記憶しておき、必要に応じて、評価対象物の寿命を評価することができる。特に荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報が記憶される場合には、記憶される評価情報から、評価対象物の荷重および運用状態を把握して、評価対象物の寿命を的確に評価することができる。さらに評価対象物に設けられる情報収集ユニット内の記憶手段に、荷重の履歴に基づく評価情報を記憶させておくことによって、評価対象物を識別して管理しなくても、その評価対象物の寿命を評価することができる。
【０１２０】
また特性変化部が、ロータに作用する荷重に対応して歪を生じ、この歪を生じることによって特性変化部の光学的特性が変化する。したがって取得手段が評価用光信号から取得する評価情報は、特性変化部の歪を表しており、この評価情報を情報変換手段で変換することによって、ロータに作用した荷重を算出することができる。このようにして、ロータの荷重および運用状態の監視を実現することができる。
【０１２１】
また情報変換手段によって、ロータに作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報に変換される。この評価情報に基づいて、ロータの荷重および運用状態を把握して、ロータを評価することによって、ロータの寿命を評価することができる。
さらに光路形成体は、特性変化部が強度評定部に配置され、この強度評定部がロータの酷使される部位に設定されている。これによって前述のように荷重頻度分布を求めるにあたって、強度評定部における荷重頻度分布を求めるようにすることによって、多数の部位の荷重頻度分布を求める場合に比べて、演算量を少なくすることができる。しかも強度評定部をロータにおける酷使される部位に設定しておくことによって安全性を高くすることができる。
【０１２３】
また本発明によれば、光路形成体は、ロータに直接装着されるので、ロータに作用する荷重に対応した評価情報を、確実に取得することができる。
【０１２４】
また本発明によれば、光路形成体は、ロータに埋め込まれて設けられるので、ロータに作用する荷重に対応した評価情報を、確実に取得することができる。ロータは、複合材料から成るので、光路形成体を埋め込み成型でき、光路形成体のロータへの埋め込み作業を容易にすることができる。しかも光路形成体は、ロータに強度影響を与えない小径の光ファイバが用いられて構成されるので、ロータに埋め込んで設けても、ロータの機械的特性を損なうことがなく、ロータを光路形態体が設けられていないロータと同様に用いることができる。
【０１２５】
また本発明によれば、光路形成体がロータを製造する装置の動作を阻害しないので、光路形成体を埋め込んだロータを容易に製造することができる。またロータの製造時に光伝達媒体が損傷するおそれがないうえ、ロータ製造後に光路形成体を端面研磨する必要がない。また嵌合孔に他の光路形成体を挿入するだけで、ロータに埋め込まれた光路形成体への接続が可能であり、大形のコネクタなどを用いる必要がない。したがって光路形成体に対する接続構造においても、ロータの機械的特性が損なわれることを防ぐことができる。
【０１２６】
また本発明によれば、ロータの損傷を早期に検出することができる。
また本発明によれば、ロータに作用する荷重に対応した評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命が、演算手段によって演算される。このようにして評価情報に基づいて、ロータの寿命を評価することができる。
【０１２７】
また本発明によれば、取得される評価情報と、ロータの疲労曲線とに基づいて、線形累積損傷則を用いて、ロータの残りの寿命が演算される。疲労曲線および線形累積損傷則を用いることによって、評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命を、高精度に演算して求めることができる。したがってロータが無駄に廃棄されてしまうことを確実に防ぐことができる。
【０１２９】
また本発明によれば、情報取得装置によって損傷の存在が検出されると、寿命演算装置よって損傷の存在が報知される。これによって操作者が損傷の存在を容易にかつ早期に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の評価設備１を示すブロック図である。
【図２】評価設備１を示す斜視図である。
【図３】ヘリコプタのロータ２の一部を示す斜視図である。
【図４】光ファイバセンサ７に形成されるブラッグ格子１５を模式的に示す断面図である。
【図５】ブラッグ格子１５の特性を説明するために評価用光信号の一例を示すグラフである。
【図６】荷重の履歴の一例を模式的に示すグラフである。
【図７】疲労曲線の一例を示すグラフである。
【図８】光ファイバセンサ７の有用性を確認するための試験装置３０を示すブロック図である。
【図９】試験装置３０を用いた試験結果の一例を示すグラフである。
【図１０】光ファイバセンサ７を構成する光ファイバ７ａ，７ｂの一例を示す断面図である。
【図１１】光ファイバの複合材に対する強度への影響を確認する試験方法を説明するための断面図である。
【図１２】図１１の試験の結果を示すグラフである。
【図１３】光ファイバの複合材に対する強度への影響を確認する、図１１とは異なる試験の結果を示すグラフである。
【図１４】光ファイバセンサ７と、データ収集ユニット８との接続構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 評価設備
２ ロータ
４ ブレード
５ 情報取得装置
６ 地上ユニット
７ 光ファイバセンサ
８ データ収集ユニット
１０ レーザ発信器
１１ 光計測器
１２ データ処理器
１３ データ記録器
１５ ブラッグ格子
２０ 荷重頻度分布入力器
２１ 等価残寿命演算器
２２ Ｓ−Ｎ曲線記憶器
５４ 嵌合管
５６，６２ フェルール
５７ 挟持部材
６０ 接続用光ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘリコプタのロータに作用する荷重に基づいて、そのロータの寿命を評価するための情報取得装置および評価設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリコプタのロータを構成するブレードおよびハブなどのコンポーネントは、安全寿命設計が採用されており、実際の荷重および運用履歴に関わらず、飛行時間が、予め定められた廃棄時間（安全寿命）に達した時点で、交換されている。廃棄時間（安全寿命）は、そのコンポーネントの疲労強度を保証できる時間に設定されており、コンポーネントの実際の荷重および運用履歴では、強度的な限界に達していなくても廃棄される場合があり、無駄が多く、コスト高になっていた。この点に鑑み、コンポーネントをできるだけ強度的な限界一杯まで用いることができるように、コンポーネントの荷重および運用状態を監視する技術が望まれている。
【０００３】
ヘリコプタの健全性および運用状態をモニタリングするシステムとして、健全性および運用モニタリングシステム（Health and Usage Monitoring System：ＨＵＭＳ）が採用されているが、採用されているＨＵＭＳは、コンポーネントに作用する荷重を直接監視することができる構成ではない。したがってコンポーネントの荷重および運用状態について正確に把握することができず、やはり、無駄が多くなってしまう。
【０００４】
またコンポーネントに作用する荷重を監視するにあたって、コンポーネントに箔形歪ゲージを設けて、歪から荷重を求めることが考えられるが、ロータに箔形歪ゲージを適用することはできない。詳細に述べると、コンポーネントは、過酷な状況下で、たとえば２０００時間という長時間にわたって、飛行に用いられるものであり、箔形歪ゲージの強度的な信頼性では、耐え得ることができない。またロータが回転される状態では、箔形歪ゲージによる検出値のノイズが多くなり、コンポーネントの荷重および運用状態について正確に把握することができないという欠点もある。
【０００５】
またマイケルソン型光ファイバ干渉計を用い、その光ファイバ干渉計のセンサ部を、繊維強化複合材積層板に埋め込む内部歪測定方法が知られている。この内部歪測定方法では、前記センサ部よる干渉光の強度変化を測定することによって、繊維強化複合材積層板の内部歪を測定している（たとえば特許文献１参照）。
【０００６】
また間隔をあけたポイント間にあるどこかのポイントにおいて、構造体に生じる物理的な変位を監視する方法が知られている。この方法は、前記間隔をあけたポイント間における構造の物理的な変位が光ファイバの物理的な変位に帰着するように、前記間隔をあけたポイント間にわたって連続的に、前記構造の表面に光ファイバを設ける。この光ファイバイに光信号を送信し、光ファイバから反射して戻ってくる光信号を受信する。受信した光信号には、光ファイバの物理的な変位が反映されており、この光信号から、構造における移動の位置および大きさを特定している（たとえば特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−３６１１２６号公報
【特許文献２】
欧州特許第２７８１４３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に示される技術では、繊維強化複合材積層板の歪を計測することは可能であるが、光源などが、繊維強化複合材積層板と別体に設けられる構成であり、配線の配置などの理由から、この構成をそのままロータに適用することができない。特許文献２に示される技術もまた、特許文献１の技術と同様に、光源からの配置について考慮されておらず、この構成をそのままロータに適用することはできない。このようにヘリコプタロータのコンポーネントなどの変位駆動される対象物の荷重および運用状態を監視することができる技術は確立されていない。
【０００９】
したがって本発明の目的は、ヘリコプタのロータに作用する荷重および運用状態を監視し、そのロータの寿命を評価することができるようにするための情報取得装置および評価設備を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、ロータハブに複数のブレードが分解可能に設けられかつ回転駆動されるヘリコプタのロータの寿命を評価するための評価情報を取得する情報取得装置であって、
ロータに設けられ、光ファイバを用いて構成され、ロータに作用する荷重に対応して歪を生じ、この歪を生じることによって光学的特性が変化する特性変化部を有し、ロータの酷使される部位に設定される強度評定部に特性変化部を配置する光路形成体と、
ロータに設けられる情報収集ユニットであって、
光路形成体に評価用光信号を送信する送信手段と、
光路形成体を通過することによって特性変化部における光学的特性に対応した信号となる評価用光信号を受信し、受信した評価用光信号から歪を表す評価情報を取得する取得手段と、
取得手段によって取得される歪を表す評価情報に基づいて、ロータに作用した荷重を算出し、ロータに作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報に変換する情報変換手段と、
情報変換手段によって変換された評価情報を記憶する記憶手段とを有する情報収集ユニットとを含むことを特徴とする情報取得装置である。
【００１１】
本発明に従えば、ロータに光路形成体が設けられ、この光路形成体に、送信手段から評価用光信号が送信され、その評価用光信号が取得手段で受信される。光路形成体は、光ファイバを用いて構成され、ロータに作用する荷重によって光学的特性が変化する特性変化部が形成されている。送信手段から送信された評価用光信号は、特性変化部における光学的特性に対応した信号となり、取得手段で受信される。受信した評価用光信号からロータに作用する荷重に対応した評価情報が、取得手段によって取得される。この評価情報を用いることによって、ロータの荷重および運用状態を監視し、ロータの寿命を評価することができる。
【００１２】
このようにロータに作用する荷重に対応した評価情報を得るにあたって、光ファイバを用いて構成される光路形成体を利用している。このような構成は、箔形歪ゲージを用いる構成に比べて、強度的な信頼性が高く、変位駆動されるロータの寿命評価に好適に用いることができる。しかも光路形成体を利用する構成では、ノイズが少なく、高精度な評価が可能になる点からも、ロータの寿命評価に好適に用いることができる。さらに送信手段および取得手段を含む情報収集ユニットが、ロータに設けられており、変位駆動されるロータと固定位置とにわたって配線する必要がなく、変位駆動されるロータの評価に好適に実施することができる。
また情報収集ユニットには、評価情報を記憶する記憶手段が設けられる。これによって記憶手段に評価情報を記憶しておき、必要に応じて、ロータの寿命を評価することができる。さらに評価情報として、荷重の履歴を表す評価情報を扱うので、記憶される評価情報から、ロータの荷重および運用状態を把握して、ロータの寿命を的確に評価することができる。またロータに設けられる情報収集ユニット内の記憶手段に、荷重の履歴に基づく評価情報が記憶させておくことによって、ロータを識別して管理しなくても、そのロータの寿命を評価することができる。
【００１４】
また特性変化部が、ロータに作用する荷重に対応して歪を生じ、この歪を生じることによって特性変化部の光学的特性が変化する。したがって取得手段が評価用光信号から取得する評価情報は、特性変化部の歪を表しており、この評価情報を情報変換手段で変換することによって、ロータに作用した荷重を算出することができる。このようにして、ロータの荷重および運用状態の監視を実現することができる。
【００１６】
また情報変換手段によって、ロータに作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報に変換される。この評価情報に基づいて、ロータの荷重および運用状態を把握して、ロータを評価することによって、ロータの寿命を評価することができる。
さらに光路形成体は、特性変化部が強度評定部に配置され、この強度評定部がロータの酷使される部位に設定されている。これによって前述のように荷重頻度分布を求めるにあたって、強度評定部における荷重頻度分布を求めるようにすることによって、多数の部位の荷重頻度分布を求める場合に比べて、演算量を少なくすることができる。しかも強度評定部をロータにおける酷使される部位に設定しておくことによって安全性を高くすることができる。
【００１９】
請求項２記載の本発明は、光路形成体は、ロータに直接装着されることを特徴とする。
【００２０】
本発明に従えば、光路形成体は、ロータに直接装着されるので、ロータに作用する荷重に対応した評価情報を、確実に取得することができる。
【００２１】
請求項３記載の本発明は、ロータは、複合材料から成り、
光路形成体は、ロータに埋め込まれて設けられ、ロータに強度影響を与えない小径の光ファイバが用いられて構成されることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、光路形成体は、ロータに埋め込まれて設けられるので、ロータに作用する荷重に対応した評価情報を、確実に取得することができる。ロータは、複合材料から成るので、光路形成体を埋め込み成型でき、光路形成体のロータへの埋め込み作業を容易にすることができる。しかも光路形成体は、ロータに強度影響を与えない小径の光ファイバが用いられて構成されるので、ロータに埋め込んで設けても、ロータの機械的特性を損なうことがなく、ロータを光路形態体が設けられていないロータと同様に用いることができる。
【００２３】
請求項４記載の本発明は、光路形成体は、端部が、ロータの外表面から内方に退避した状態で、ロータの表面部に設けられる嵌合管に挿入されて設けられることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、光路形成体がロータを製造する装置の動作を阻害しないので、光路形成体を埋め込んだロータを容易に製造することができる。またロータの製造時に光伝達媒体が損傷するおそれがないうえ、ロータ製造後に光路形成体を端面研磨する必要がない。また嵌合孔に他の光路形成体を挿入するだけで、ロータに埋め込まれた光路形成体への接続が可能であり、大形のコネクタなどを用いる必要がない。したがって光路形成体に対する接続構造においても、ロータの機械的特性が損なわれることを防ぐことができる。
【００２５】
請求項５記載の本発明は、評価情報に基づいて、ロータにおける損傷の有無を判定する損傷判定手段を含むことを特徴とする。
本発明に従えば、ロータの損傷を早期に検出することができる。
【００２６】
請求項６記載の本発明は、前述の報取得装置と、
情報取得装置によって取得される評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命を演算する演算手段を備える寿命演算装置とを含むことを特徴する評価装置である。
【００２７】
本発明に従えば、ロータに作用する荷重に対応した評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命が、演算手段によって演算される。このようにして評価情報に基づいて、ロータの寿命を評価することができる。
【００２８】
請求項７記載の本発明は、演算手段は、情報取得装置によって取得される評価情報と、ロータの疲労曲線とに基づいて、線形累積損傷則を用いて、ロータの残りの寿命を演算することを特徴とする。
【００２９】
本発明に従えば、取得される評価情報と、ロータの疲労曲線とに基づいて、線形累積損傷則を用いて、ロータの残りの寿命が演算される。疲労曲線および線形累積損傷則を用いることによって、評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命を、高精度に演算して求めることができる。したがってロータが無駄に廃棄されてしまうことを確実に防ぐことができる。
【００３２】
請求項８記載の本発明は、情報取得装置は、評価情報に基づいてロータにおける損傷の有無を判定する損傷判定手段を備え、損傷の存在を検出したときに、損傷の存在を表す情報を寿命演算装置に与え、
寿命演算装置は、損傷の存在を表す情報が与えられると、損傷の存在を表す情報を報知する報知手段を備えることを特徴とする。
【００３３】
本発明に従えば、情報取得装置によって損傷の存在が検出されると、寿命演算装置よって損傷の存在が報知される。これによって操作者が損傷の存在を容易にかつ早期に把握することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の評価設備１を示すブロック図である。図２は、評価設備１を示す斜視図である。図３は、ヘリコプタのロータ２の一部を示す斜視図である。評価設備１は、変位駆動されて用いられる評価対象物の機械的強度に基づく寿命を評価するための設備であり、変位駆動されることによって評価対象物に作用する荷重を監視し、評価対象物の運用状態を監視して、評価対象物の残りの寿命を求める。
【００３５】
ヘリコプタのロータ２は、ロータハブ（以下単に「ハブ」という）３に複数（たとえば４つ）のロータブレード（以下単に「ブレード」という）４が設けられて構成される。このようなロータ２は、ハブ３に原動機から駆動力が伝達されて変位駆動、具体的には、回転軸線Ｌ２まわりに回転駆動される。本実施の形態では、このようなロータ２を構成するコンポーネントであるブレード４を評価対象物として、このブレード２の荷重および運用状態を監視して残りの寿命を求めるために、評価設備１が用いられる。したがって本実施の形態では、評価設備１は、ヘリコプタロータ用荷重運用モニタリングングシステムである。
【００３６】
評価設備１は、光ファイバセンサ７を用いた先進的荷重運用モニタリング（Advanced Load and Usage Monitoring : ＡＬＵＭ）システムであって、情報取得装置５と、寿命演算装置６とを含んで構成される。評価設備１のうち、少なくとも情報取得装置５は、ヘリコプタに搭載される。本実施の形態では、情報取得装置５は、ヘリコプタに搭載されて機上構成体として用いられ、寿命演算装置６は、地上に設けられて地上構成体として用いられる。以下、寿命演算装置６を地上ユニット６という場合がある。
【００３７】
情報取得装置５は、ブレード４の残りの寿命を評価するための評価情報を取得する装置であり、評価情報は、ブレード４の荷重および運用状態、つまりブレード４がどのような荷重が作用する状況下で運用されているかを示す情報である。この情報取得装置５は、ブレード４に設けられる光ファイバセンサ７と、ブレード４に設けられるデータ収集ユニット８とを有する。
【００３８】
光ファイバセンサ７は、評価情報を得るための評価用光信号が通過する光路を形成する光路形成体である。データ収集ユニット８は、評価用信号から評価情報を収集するための情報収集ユニットである。データ収集ユニット８には、レーザ発信器１０、光計測器１１、データ処理器１２、データ記録器１３および動力源（図示せず）が設けられる。動力源は、データ収集ユニット８を駆動するための駆動源である。データ収集ユニット８は、たとえば電力で駆動される構成であり、動力源は電源である。この電源は、たとえば太陽電池単体で実現されてよいが、太陽電池とバッテリとを組合わせて実現されてもよし、またバッテリ単体で実現されてもよい。少なくとも太陽電池を用いれば、飛行しながら電力を得ることができ好適である。
【００３９】
図４は、光ファイバセンサ７に形成されるブラッグ格子１５を模式的に示す断面図である。図５は、ブラッグ格子１５の特性を説明するために評価用光信号の一例を示すグラフであり、図５（１）はブラッグ格子１５に到達した信号ＩＯを示し、図５（２）は、ブラッグ格子１５で反射される信号を示す。図５（１）および図５（２）において、横軸は波長λを示し、縦軸は強度を示す。
【００４０】
図１および図２を併せて参照して、光ファイバセンサ７は、たとえば、ブレード４に、長手方向の一端部から他端部まで延び、他端部で湾曲して折返され、一端部まで延びるように大略的にＵ字状に配置される。ブレード４の長手方向一端部は、たとえばハブ３に連結される内方側の端部である。また光ファイバセンサ７は、ブレード４に埋め込まれて設けられる。ブレード４は、たとえば繊維強化複合材料から成り、光ファイバセンサ７は、ブレード４の成型時に埋め込み成型されて、ブレード４に埋め込まれて設けられる。
【００４１】
この光ファイバセンサ７は、光ファイバを用いて構成され、その光ファイバの中途部にブラッグ格子１５が設けられるブラッグ格子形光ファイバ（Fiber Bragg Grating : ＦＢＧ）センサである。特性変化部であるブラッグ格子１５は、軸線方向に格子間隔ｄを有して形成される回折格子である。このブラッグ格子１５は、次式（１）で示される波長λＲの光を反射し、残余の光を透過する特性を有している。
λＲ＝２×ｄ×ｎ …（１）
【００４２】
ここでｎは、ブラッグ格子１５が形成される部分における光ファイバのコアにおける屈折率である。式（１）から分かるように、ブラッグ格子１５は、格子間隔ｄおよび屈折率ｎに基づく波長λＲの光だけを反射する特性を有している。
【００４３】
光ファイバセンサ７が設けられるブレード４に荷重が作用し、ブレード４に歪が生じると、ブレード４の歪に追従して光ファイバセンサ７も同様に歪を生じる。ブラッグ格子１５が歪を生じると、ブラッグ格子１５の格子間隔ｄが変化する。これによって反射する光の波長λＲが、図５（２）に示すように、歪の大きさに対応してシフトすなわち変化する。このようにブラッグ格子１５は、ブレード４に作用する荷重によって光学的特性が変化し、ブレード４に作用する荷重に対応した波長λＲの光を反射する。
【００４４】
したがって図５（１）に示すように、外力が作用していない歪のない自然状態においてブラッグ格子１５が反射する波長λＲおよびその近傍の波長を含む光信号を、ブラッグ格子１５を有する光ファイバセンサ７に送信し、反射して戻ってくる光信号を受信して、その光信号の波長からブラッグ格子１５における歪を求めることができる。これによってブレード４の歪を求め、ブレード４に作用する荷重を求めることが可能になる。
【００４５】
光ファイバセンサ７には、複数のブラッグ格子１５が、相互に間隔をあけて、具体的には一定間隔毎に、形成されている。これら各ブラッグ格子１５は、ブレード４への荷重の作用状態に関わらず、反射する光の波長が互いに異なるように、格子間隔ｄおよび屈折率ｎが設定されている。詳細に説明すると、各ブラッグ格子１５が、外力の作用していない自然状態において反射する波長λＲ含み、かつブレード４に作用する荷重の変化に伴って各ブラッグ格子１５において反射する光の波長λＲが変化する範囲を、各ブラッグ格子１５の反射波長帯域として、各ブラッグ格子１５の反射波長帯域が相互に異なるように形成される。
【００４６】
本実施の形態では、光ファイバセンサ７におけるコアの屈折率は、全長にわたって同一の屈折率に形成され、各ブラッグ格子１５における屈折率ｎは同一である。各ブラッグ格子１５は、自然状態における格子間隔ｄが相互に異なるように形成され、相互に異なる反射波長帯域の波長λＲの光を反射するように構成されている。
【００４７】
レーザ発信器１０は、光路形成体に評価用光信号を送信する送信手段である。このレーザ発信器１０は、各ブラッグ格子１５における反射波長帯域の波長成分を含むレーザ光を発生し、そのレーザ光を評価用光信号として、光ファイバセンサ７に、光ファイバセンサ７の一端部から送信する。
【００４８】
光計測器１１は、レーザ発信器１０から送信され、光ファイバセンサ７を通過することによって各ブラッグ格子１５における光学的特性に対応した信号となる評価用光信号を受信し、受信した評価用光信号からブレード４に作用する荷重に対応した評価情報を取得する取得手段である。レーザ発信器１０によって光ファイバセンサ７に送信される評価用光信号は、各ブラッグ格子１５によって、各ブラッグ格子１５に対応した波長成分の光信号が反射して戻ってくる。光計測器１１は、このように反射して戻る評価用光信号を、光ファイバセンサ７の一端部から受信する。
【００４９】
受信される評価用光信号は、各ブラッグ格子１５の歪に対応した波長成分を有している。各ブラッグ格子１５の歪は、ブレード４の各ブラッグ格子１５が配置される部位（以下「評価部位」という場合がある）の歪と同一である。この歪は、ブレード４に荷重が作用することによって発生し、歪の大きさは荷重に対応している。したがって受信される評価用光信号は、ブレード４の評価部位に作用する荷重に対応した評価情報として、歪を表す評価情報を有している。光計測器１１は、受信した評価用光信号から、その評価用光信号に含まれる波長成分に基づいて、ブレード４における各評価部位の歪を表す評価情報を取得する。つまり光ファイバセンサ７内で反射して戻る評価用光信号を受信することによって、ブレード４における歪を生じている部位およびその歪の大きさを検出することができる。
【００５０】
このように各ブラッグ格子１５を形成した光ファイバセンサ７を用いる構成では、１つの光ファイバセンサ７、１つのレーザ発信器１０および１つの光計測器１１によって、複数の箇所における荷重に関する情報、すなわち歪を取得することができる。これによって簡単かつ小形の構成で装置を実現することができ、評価対象物であるブレード４への、形状および寸法の影響を可及的に小さくするこができる。したがってブレード４などの航空機の構成部材が評価対象物であっても、空力的な影響を与えることがなく、好適に用いることができる。
【００５１】
データ処理器１２は、評価情報を変換する情報変換手段であって、本実施の形態では、光計測器１１からの歪を表す評価情報に基づいて、最終的にブレード４に作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報に変換する。このデータ処理器１２は、歪→荷重変換部１６と、荷重頻度算出部１７とを有する。
【００５２】
歪→荷重変換部１６は、光計測器１１から歪を表す評価情報が与えられ、この評価情報が表す歪に基づいて、評価部位におけるブレード４に作用した荷重を算出する。このように歪→荷重変換部１６は、評価情報を、荷重を表す評価情報に変換する。
【００５３】
荷重頻度算出部１７は、歪→荷重変換部１６から荷重を表す評価情報が与えられ、この評価情報に基づいて、荷重頻度分布を算出する。荷重頻度分布は、ブレード４の運用中、換言すればブレード４がヘリコプタの飛行に用いられている間に、ブレード４に作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す。ブレード４には、変動しながら作用する繰返し荷重が作用しており、荷重頻度分布は、ブレード４の運用中に、荷重の大きさ毎にその大きさの荷重が作用した回数（以下、「サイクル数」という場合がある）を表す。
【００５４】
データ収集ユニット８では、レーザ発信器１０から光ファイバセンサ７に評価用信号を送信し、反射して戻る評価用信号を光計測器１１で受信して、歪を検出する情報取得作業を、ブレード４の運用中に、予め設定される時間間隔毎に実行している。情報取得作業を実行する時間間隔は、任意に設定することが可能である。本実施の形態では、データ収集ユニット８の性能上可能な最も短い時間間隔で情報取得作業を実行している。このように取得される歪に基づいて、荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を荷重頻度算出部１７によって求めている。
【００５５】
図６は、荷重の履歴の一例を模式的に示すグラフである。荷重頻度分布を算出するにあたっては、公知の各種方法を用いることができるが、本実施の形態では、たとえばレインフロー法（rain flow method）を用いる。前述のように、光ファイバセンサ７にレーザ発信器１０から評価用信号を送信し、反射して戻る評価信号を光計測器１１で受信して、各評価部位における歪の時刻歴データを得ることができる。
【００５６】
全ての評価部位において荷重頻度分布を求めるようにしてよいが、演算量を少なくするために、本実施の形態では、ブレード４に予め設定される強度評定部における荷重頻度分布を、ブレード４の荷重頻度分布として求める。強度評定部は、任意に設定することができ、たとえば安全性を高くするために、経験上既知であるブレード４において酷使される部位に設定してもよい。
【００５７】
強度評定部における歪の時刻歴データを得るにあたっては、予め、たとえばブレード４の製造時に、強度評定部の歪と各評価部位における歪との関係を、較正試験によって取得する。この較正試験の結果を用いて、各評価部位における歪の時刻歴データから評定部における歪の時刻歴データを得ることができる。このような各評価部位における歪の時刻歴データから評定部における歪の時刻歴データを求めているので、評定部における歪を高精度に求め、信頼性の高い情報取得が可能になる。この評定部における歪の時刻歴データを得る演算は、歪→荷重変換部１６で行われる。
【００５８】
歪→荷重変換部１６では、さらに評定部における歪の時刻歴データに基づいて、評定部における荷重の時刻歴データを算出する。具体的には、歪の時刻歴データから、既知であるブレード４のヤング率Ｅを用いて、次式（２）のεに歪を代入し、応力Ｓの時刻歴データを算出する。
Ｓ＝Ｅ×ε …（２）
応力Ｓは、ブレード４に作用する荷重に相当する。
【００５９】
図６は、荷重の履歴である応力の履歴を、横軸に応力をとり、縦軸に下方へ向かうにつれて時刻が経過するように時刻をとって示す。図６のように軸をとって、応力の時刻歴データ、すなわち応力の履歴を示すと、左右に蛇行するような折れ線グラフとなる。
【００６０】
このような応力の履歴を示す折れ線を屋根に見立て、その上を流れ落ちる雨粒の流路の１つ１つを荷重頻度、すなわち荷重の作用したサイクル数０．５回と計数する。その荷重の大きさは、その流路長に対応する値とする。荷重の大きさは、平均応力と変動応力とを含む。
【００６１】
雨粒は、各屋根の付け根から流れ始めるものとし、左（右）向きの流れに関しては、自身よりも右（左）から発した流れにぶつかると停止するものとする。つまり流路は、各屋根の付け根が始点となり、自身と同一方向の流れであってかつ自身よりも上流側から流れてくる流れにぶつかる位置が終点となる。平均応力は、各流路の始点の応力および終点の応力の合計を２で除した値であり、変動応力は、各流路の始点の応力および終点の応力のうち大きい方から小さい方を減算した値である。このような計数の仕方がレインフロー法であり、このように計数して、荷重頻度分布を求める。
表１は、図６の例について求めた計数値を示す。
【００６２】
【表１】
この表１のようなデータから、同一応力毎に、作用した応力毎まとめて、サイクル数すなわち荷重作用回数を加算して、荷重頻度分布を求める。たとえば表１における▲１▼および▲２▼は、同一応力であり、この応力に置ける荷重サイクル数を１（＝０．５＋０．５）回とする。このようにして、ブレード４の運用中に、荷重の大きさ毎にその大きさの荷重が作用した回数を表す荷重頻度分布を求める。このような荷重頻度分布を求める演算は、荷重頻度算出部１７で行われる。
【００６４】
また図６の例では、ブレード４を用いた１回の飛行における荷重の履歴、すなわち応力の履歴の一部を示しているが、１回の飛行に関してみる場合には、その１回の飛行における荷重、すなわち応力の最大値と最小値から、平均応力と変動応力とを算出し、これらの応力におけるサイクル数に、１回として計数する。
【００６５】
データ記録器１３は、評価情報を記憶する記憶手段である。本実施の形態では、データ記録器１３に、荷重頻度算出部１７から荷重頻度分布を表す評価情報が与えられ、データ記録器１３は、この荷重頻度分布を表す評価情報を、読出し可能に記録している。
【００６６】
このデータ記録器１３は、記録している評価情報を、出力する出力手段としての機能を備えている。評価情報を出力するための構成は、たとえば記録している評価情報をメモリカードなどの記録媒体に記録する構成であってもよいし、プラグインなどと呼ばれるように他の装置に有線で接続されて有線送信する構成であってもよいし、電波および赤外線などの電磁波を用いて無線送信する構成であってもよい。
【００６７】
地上ユニット６は、たとえばパーソナルコンピュータによって実現され、情報取得装置５によって取得された評価情報に基づいて、ブレード４の残りの寿命を求める装置である。この地上ユニット６は、荷重頻度分布入力器２０と、等価残寿命演算器２１とを有する。
【００６８】
荷重頻度分布入力器２０は、評価情報を入力する入力手段である。この荷重頻度分布入力器２０は、情報取得装置５によって所得され、出力される評価情報、したがって荷重頻度分布を表す評価情報を受取って入力する。荷重頻度分布入力器２０は、たとえば評価情報が記録されたメモリカードなどの記録媒体から評価情報を読取る構成であってもよいし、プラグインなどと呼ばれるように他の装置に有線で接続されて有線受信する構成であってもよいし、電波および赤外線などの電磁波を用いて無線受信する構成であってもよいが、情報取得装置５のデータ記録器１３における出力のための構成に対応する構成とされる。
【００６９】
等価残寿命演算器２１は、荷重頻度分布入力器２０から入力される評価情報が与えられ、この荷重頻度分布を表す評価情報に基づいて、ブレード４の残りの寿命を演算する演算手段である。等価残寿命演算器２１は、入力される評価情報とブレード４の疲労曲線とに基づいて、線形累積損傷則を用いて、ブレード４の残りの寿命を演算する。
【００７０】
図７は、疲労曲線の一例を示すグラフである。地上ユニット６は、疲労強度記憶器であるＳ−Ｎ曲線記憶器２２をさらに有しており、このＳ−Ｎ曲線記憶器２２には、予め求められたブレード４の疲労強度を表す疲労曲線が記憶されている。Ｓ−Ｎ曲線とも呼ばれる疲労曲線（以下「Ｓ−Ｎ曲線」という場合がある）は、コンポーネント（ここでブレード４）の疲労強度を示すものであり、繰返し荷重で発生するコンポーネントの変動応力および平均応力に対する破壊までの荷重の繰返し回数（サイクル数）を、グラフ化して示すものである。
【００７１】
具体的に述べると、Ｓ−Ｎ曲線は、図７に示すように、変動応力に対する破壊までのサイクル数を示すものである。変動応力が一定であっても、平均応力が異なれば、破壊までのサイクル数が変化する。図７には、図解を容易にするために、１つの平均応力におけるＳ−Ｎ曲線を示しているが、実際には各平均応力毎に、線が描かれる。したがって、Ｓ−Ｎ曲線は、変動応力および平均応力に対する破壊までのサイクル数を示すものである。
【００７２】
このＳ−Ｎ曲線は、コンポーネントの構成によって異なるものであり、ブレード４に対応する構成の試料に対する試験によってＳ−Ｎ曲線が取得され、そのＳ−Ｎ曲線がＳ−Ｎ曲線記憶器２２に記憶されている。図７には、ブレード４がガラス繊維強化複合材料（ＧＦＲＰ）から成る場合のＳ−Ｎ曲線を示す。
【００７３】
本実施の形態では、線形累積損傷則として、マイナーの累積損傷則（以下「マイナー則」という場合がある）を採用する。マイナー則は、材料の疲労破壊に関する法則であり、航空機の疲労強度設計に用いられている。
【００７４】
１つのコンポーネント（ここではブレード４）に作用する荷重は、１つの大きさの変動応力および平均応力の荷重ではなく、様々な大きさの変動応力および平均応力の荷重を含んでいる。１つの大きさの変動応力および平均応力の荷重だけが作用するのであれば、Ｓ−Ｎ曲線から、破壊までのサイクル数を直接求めることができるが、様々な変動応力および平均応力の荷重がそれぞれ異なるサイクル数で作用する場合には、破壊に関する評価を、Ｓ−Ｎ曲線から直接求めることができない。そこでこのような場合には、マイナー則によって破壊に関する評価、すなわち強度に関する評価を求める。
【００７５】
マイナー則では、荷重頻度分布から得られる１つの応力レベル（変動応力および平均応力の組合わせ）に１つずつ番号を与え、その番号をｉ（＝１〜ｋ；ｋは応力レベルの数）として、変動応力Ｓａｉおよび平均応力Ｓｍｉの実際のサイクルル数（ｉ番目のサイクル数）ｎｉと、前記変動応力Ｓａｉおよび平均応力Ｓｍｉに対応する破壊に至るまでのサイクル数Ｎｉとの比をとり、それらの比を全て総和することによって累積損傷Ｄを算出する。累積損傷Ｄは、次式（３）で表される。
【００７６】
【数１】
このようにして求められる累積損傷Ｄが１になるとき、そのコンポーネント（ブレード４）が破壊するとみなす。
【００７８】
等価残寿命演算器２１は、Ｓ−Ｎ曲線記憶器２２に記憶されるＳ−Ｎ曲線と、入力される評価情報の荷重頻度分布から、前述のマイナー則によって、ブレード４の累積損傷Ｄを算出する。そしてこの累積損傷Ｄから、ブレード４の残りの寿命を算出する。
【００７９】
残りの寿命（以下「等価残寿命」という場合がある）Ｔｒは、ブレード４の安全寿命Ｔｓと累積損傷Ｄを用いて、次式（４）によって算出される。
Ｔｒ＝Ｔｓ×（１−Ｄ） …（４）
安全寿命Ｔｓは、亀裂などの機械的損傷を生じることなく用いることができる、疲労強度を保証できる期間であり、ブレード４の設計時に、その構成に基づいて設定される。
【００８０】
このようにして求められる等価残寿命は、表示手段を用いて表示することができる。図１には、表示手段は図示されていないが、地上ユニット６が表示手段を備えるようにしてもよい。
【００８１】
図８は、光ファイバセンサ７の有用性を確認するための試験装置３０を示すブロック図である。試験装置３０は、試験用の光ファイバ３１を埋め込んだ供試体３２に、引張試験機３３によって引張荷重を与え、このときの荷重を引張試験機３３で検出するとともに、歪を変位計３４で検出し、さらに光ファイバ３１の一端部に光源３５から入射した光の強度を光検知器３６で検出するように構成されている。
【００８２】
図９は、試験装置３０を用いた試験結果の一例を示すグラフである。図９には、荷重のサイクル数と光強度との関係を示す。また試験装置３０を用いた試験結果を、図７に、前述のＳ−Ｎ曲線に加えて示す。図７に示すように、光ファイバ３１は、ブレード４の疲労強度よりも高い疲労強度を有していることがわかる。また、図９に示すように、光ファイバ３１は、繰返し荷重が作用しても、光信号の伝達に影響を受けないことがわかる。これらから、光ファイバを用いた光ファイバセンサ７の有用性が明らかである。
【００８３】
図１０は、光ファイバセンサ７を構成する光ファイバ７ａ，７ｂの一例を示す断面図である。図１０（１）は、シングルモードの光ファイバ７ａを示し、図１０（２）は、マルチモードの光ファイバ７ｂを示す。シングルモードの光ファイバ７ａは、伝送損失が小さく、長距離通信に適したファイバであり、コア４０ａの外径が８．５μｍであり、クラッド４１ａの外径が４０μｍであり、被膜４２ａの外径が５２μｍである。マルチモードの光ファイバ７ａは、接続が容易であり、ネットワークケーブルに適したファイバであり、コア４０ｂの外径が２０μｍであり、クラッド４１ｂの外径が４０μｍであり、被膜４２ｂの外径が５２μｍである。
【００８４】
本実施の形態では、シングモードおよびマルチモードのいずれでもよいが、図１０に示すような、クラッド外径が４０μｍであり、被膜外径が５２μｍの細径の光ファイバが用いられる。このような細径の光ファイバ７ａ，７ｂは、ブレード４に埋め込んでも、ブレード４の強度に影響を与えない小さい外径である。
【００８５】
図１１は、光ファイバの複合材に対する強度への影響を確認する試験方法を説明するための断面図である。この試験では、供試体４５に光ファイバ４６を埋め込み、この埋め込み領域の中途部に内径が０．６４ｃｍの空隙を形成して、光ファイバに垂直な方向に引張荷重を与える。
【００８６】
図１２は、図１１の試験の結果を示すグラフである。横軸は、光ファイバの外径を示し、縦軸は、標準化された強度を示す。図１２にから明らかなように、光ファイバの外径が１００μｍ程度であれば、強度に大きな影響を与えないことが分かる。
【００８７】
図１３は、光ファイバの複合材に対する強度への影響を確認する、図１１とは異なる試験の結果を示すグラフである。図１３から明らかなように、クラッドの外径が４０μｍの光ファイバは、光ファイバが埋め込まれていない状態と同様の強度を示すことが分かる。
【００８８】
また光ファイバセンサ７の被膜がポリイミドから構成されるので、熱に強い光ファイバセンサ７を実現することができる。この光ファイバセンサ７は、ブレード４の成型時の熱にも耐え得ることが可能であり、埋め込み成型に好適に用いることができる。
【００８９】
図１４は、光ファイバセンサ７と、データ収集ユニット８との接続構造を示す断面図である。光ファイバセンサ７は、全体がブレード４に埋め込まれた状態で設けられる。この光ファイバセンサ７の一端部５０は、ブレード４の長手方向一端部５１の端面５２から退避して配置されている。ブレード４の一端部５１には、端面５２で開口する嵌合管５４が設けられており、光ファイバセンサ７の一端部５０は、嵌合管５４の中途部まで挿入された状態で設けられる。
【００９０】
光ファイバセンサ７の一端部５０に、半径方向外方から覆うフェルール５６が設けられている。嵌合管５４内には、半径方向に弾発的に変形可能な挟持部材、たとえば断面形状が略Ｃ字状の挟持部材５７が設けられており、光ファイバセンサ７の一端部５０は、挟持部材５７の中途部まで挿入され、挟持部材５６によってフェルール５４が弾発的に挟持されている。したがって光ファイバセンサ７の一端部５０が間接的に挟持された状態にある。
【００９１】
レーザ発信器１０および光計測器１１には、光カプラなどを介して、共通の接続用光ファイバ６０が光伝達可能に接続されている。レーザ発信器１０は、接続用光ファイバ６０に評価用光信号を送信することができ、光計測器１１は、接続用光ファイバ６０から評価用光信号を受信することができるように構成されている。
【００９２】
接続用光ファイバ６０のレーザ発信器１０および光計測器１１とは反対側の端部６１には、半径方向外方から覆うフェルール６２が設けられている。接続用光ファイバ６０の端部６１は、嵌合管５４内に挿入され、かつ挟持部材５７に挿入され、挟持部材５６によってフェルール６２が弾発的に挟持されている。したがって接続用光ファイバセンサ６０の端部６１が間接的に挟持された状態にある。
【００９３】
この状態で光ファイバセンサ７と、接続用光ファイバ６０とは、同軸に配置され、かつ当接されて配置される。これによって光ファイバセンサ７と、接続用光ファイバ６０との間で、評価用光信号の伝達が可能である。このような構造を介して、光ファイバセンサ７と、レーザ光発信器１０および光計測器１１が接続され、前述のような検出を可能にしている。
【００９４】
本実施の形態によれば、ブレード４に光ファイバセンサ７が設けられ、レーザ発信器１０から評価用光信号が送信され、その評価用光信号が光計測器１１で受信される。光ファイバセンサ７は、光ファイバを用いて構成され、評価対象物に作用する荷重によって光学的特性が変化するブラッグ格子１５が形成されている。評価用光信号は、ブラッグ格子１５における光学的特性に対応した信号となり、光計測器１１で受信される。受信した評価用光信号からブレード４に作用する荷重に対応した評価情報が、光計測器１１によって取得される。
【００９５】
ブラッグ格子１５は、ブレード４に作用する荷重に対応して歪を生じ、これによって光学的特性が変化する構成であり、光計測器１１で取得される評価情報は、歪を表す評価情報である。このような評価情報が、データ処理器１２で、荷重を表す評価情報に変換され、さらに荷重頻度分布を表す評価情報に変換される。このようにして、ブレード４に設けられる情報取得装置５によって、評価情報が取得される。
【００９６】
このような評価情報が、地上ユニット６に与えられて、入力される。地上ユニット６では、情報取得装置５によって取得された評価情報に基づいて、ブレード４の等価残寿命が演算される。等価残寿命の演算は、Ｓ−Ｎ曲線に基づいて、マイナー則を用いて演算される。このようにして等価残寿命が高精度に演算され、寿命を評価することができる。
【００９７】
等価残寿命Ｔｒの算出例を以下に示す。今、安全寿命が１０００時間に設定されるブレード４があるとする。このブレード４を用いて１００時間飛行したとき（実飛行時間Ｔａが１００）、前述のようにして算出した累積損傷Ｄが０．０５であったとする。この場合の等価残寿命Ｔｒは、前記式（４）に値を代入して求めると、式（５）で示すように９５０時間となる。
Ｔｒ＝１０００×（１−０．０５）＝９５０ …（５）
【００９８】
すでに１００時間を飛行しているので、この場合のブレード４は、１０５０（＝９５０＋１００）時間の飛行に用いることができることになる。つまり安全寿命に達した時点で廃棄する場合に比べて、５０時間、寿命が延びたことになる。
【００９９】
さらに実飛行時間Ｔａが１０００時間に達したとき、その累積損傷Ｄが０．５であったとする。この場合の等価残寿命Ｔｒは、前記式（４）に値を代入して求めると、式（６）で示すように５００時間となる。
Ｔｒ＝１０００×（１−０．５）＝５００ …（６）
【０１００】
すでに安全寿命の１０００時間を飛行しているが、この時点であと５００時間の飛行に耐え得ると評価されるので、この場合のブレード４は、１５００（＝５００＋１０００）時間の飛行に用いることができることになる。つまり安全寿命に達した時点で廃棄する場合に比べて、５００時間、寿命が延びたことになる。
【０１０１】
このような等価残寿命Ｔｒは、あくまで設計時に設定した安全寿命に基づいて、ブレード４に設計で想定した荷重がどのように実際に作用したかを検出して累積損傷Ｄを求め、残りの寿命を求めているものであり、実荷重を監視することによって設計時に想定した荷重を変更して寿命を判断するものではない。
【０１０２】
このようにブレード４の荷重および運用状態を監視し、ブレード４の等価残寿命を高精度に評価することによって、ブレード４が無駄に廃棄されてしまうことを確実に防ぐことができる。
【０１０３】
また光ファイバセンサ７を用いることによって、箔形歪ゲージを用いる構成に比べて、強度的な信頼性が高く、変位駆動される評価対象物の寿命評価に好適に用いることができる。しかも光ファイバセンサ７を利用する構成では、ノイズが少なく、高精度な評価が可能になる点からも、ブレード４の寿命評価に好適に用いることができる。
【０１０４】
さらにデータ収集ユニット８が、ブレード４に設けられており、変位駆動されるブレード４とヘリコプタの機体内部などの固定位置とにわたって配線する必要がなく、ブレード４の評価に好適に実施することができる。さらにデータ収集ユニット４がデータ記録器１３を備えており、地上ユニット６が無くても評価情報の取得が可能であり、後刻地上ユニットに評価情報を与えて、寿命を評価することができ、飛行するヘリコプタのブレード４の寿命評価に好適である。
【０１０５】
さらにデータ記録器１３には、たとえば過去の全ての荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報が記録しておくようにしてもよい。この場合、記憶される評価情報に基づいて寿命を評価すれば、そのブレード４の寿命を評価することができる。過去の一部の荷重の履歴に基づく荷重頻度分布が別途に記憶されていると、これを併せて評価しなければならず、ブレード４を識別して、別途に記憶される荷重頻度分布を対応付けて管理しておかなければならない。これに対して過去の全ての荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を記憶しておけば、ブレード４を識別して管理しなくても、そのブレード４の寿命を評価することができる。さらに具体的に述べると、たとえば点検補修時などに、ブレード４がロータから取外され、元のロータとは異なるロータに組み込まれることがあっても、つまりブレード４が取外された後、別のヘリコプタの機体に取り付けられることがあっても、ブレード４を識別して管理しておかなくても、ブレード４の寿命を評価することができる。
【０１０６】
もちろん、データ記録器１３に過去の全ての荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報を記録しておくことは、あくまで一例であり、たとえば前回の寿命の評価時以後の荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報を記録しておくようにしてもよい。この場合には、評価時に、その評価時以前の荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報についは、データ記録器１３と異なる記録手段に別途記録しておき、この記録手段に記録される評価情報と、データ記録器１３に記録される評価情報を併せて評価するようにすればよい。このようにデータ記録器１３には、過去の一部の荷重頻度分布を表す評価情報を記録しておく構成であってもよい。
【０１０７】
また寿命の評価は、前述のような点検補修時に実行されてもよいし、たとえば1日毎、1週間毎、１ヵ月毎など、定期的に実行されてもよいし、たとえば１回毎、２回毎、５回毎など、予め定める飛行回数毎に実行されてもよい。このように寿命の評価は、任意にまたは必要に応じて実行すればよい。また寿命の評価を実行するにあたって、ブレード４をロータから取外して実行してもよいが、ブレード４を取外さずに、ロータに組み込まれたままの状態で実行してもよい。
【０１０８】
さらに光ファイバセンサ７は、ブレード４に埋め込まれて設けられるので、評価情報を、高精度にかつ確実に取得することができる。しかもブレード４は、複合材料から成るので、光ファイバセンサ７を埋め込み成型でき、光ファイバセンナ７の埋め込み作業を容易にすることができる。さらに光ファイバセンサ７は、ブレード４に強度影響を与えない小径の光ファイバが用いられて構成されるので、ブレード４に埋め込んで設けても、ブレード４の機械的特性を損なうことがなく、ブレード４を光ファイバセンサ７が設けられていないブレード４と同様に用いることができる。
【０１０９】
また光ファイバセンサ７は、前述の図１４に示すような埋め込み構造で設けられるので、ブレード４の成型にあたって、光ファイバセンサ７が、成型操作に制限を与えてしまうことがなく、埋め込み成型しない場合とほぼ同様の装置で、同様の作業によって成型することができ、ブレード４を容易に製造することができる。またブレード４の製造時に光ファイバセンサ７が損傷するおそれがないうえ、ブレード４の製造後に光ファイバセンサ７を端面研磨する必要がない。また嵌合孔に接続用光ファイバ６０を挿入するだけで、光ファイバセンサ７への接続が可能であり、大形のコネクタなどを用いる必要がない。したがって光ファイバセンサ７に対する接続構造においても、ブレード４の機械的特性が損なわれることを防ぐことができる。
【０１１０】
また本発明の実施の他の形態として、データ収集ユニット８は、損傷判定機能を有する損傷判定手段を備える構成であってもよい。損傷判定手段は、たとえば歪→荷重変換部１６によって兼ねられ、ブレード４の損傷、たとえば接合部における剥離および接合部以外における亀裂などを検出する。
【０１１１】
詳細に述べると、ブレード４が損傷すると、この損傷に伴なって光ファイバセンサ７も損傷する。光ファイバセンサ７が損傷すると、その損傷部位での評価用光信号の伝播が不可能になるので、評価情報に基づいて損傷の有無を判定し、損傷を検出することができる。
【０１１２】
損傷判定手段は、損傷の存在を検出すると、その検出結果をデータ記録器１３に与える。データ記録器１３では、検出結果を記録し、損傷が存在することを表す情報（損傷情報）を地上ユニット６に与える。地上ユニット６では、荷重頻度分布入力器２０によって損傷情報が入力されると、損傷情報を図示しない報知手段によって報知され、操作者が容易かつ早期に把握することができる。本発明の装置は、ブレード４の等価残寿命を演算して、飛行中にブレード４の損傷を生じないようにするために用いられるものであるが、ブレード４の製造時の不良および予測できない要因などによって、万一、演算による寿命よりも前に損傷を生じた場合には、このような損傷のモニタリングによって、損傷を早期に検出することができ、より高い安全性を確保することができる。
【０１１３】
このようにして損傷が検出されと、寿命の評価が本来の目的を達成できなくなるので、以後の荷重頻度分布の算出など、データ収集ユニット８における寿命評価のための演算処理を中止して、データ記録器１３から損傷情報だけを地上ユニット６に与えるようにしてもよい。また損傷が存在する場合においても、荷重頻度分布を演算し、等価残寿命を演算してもよい。
【０１１４】
また本発明の実施のさらに他の形態として、光計測器１１が、評価用光信号を受信するときに、ブレード４および光ファイバセンサ７の温度による歪への影響を考慮して、信号が表す歪を補正するようにしてもよい。これによってさらに高精度な等価残寿命の演算が可能になる。
【０１１５】
上述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば本発明の設備は、ブレードに限らず、ハブなどのロータをはじめとする他の機構を構成するコンポーネントなどの評価対象物の寿命を評価するために用いられてもよい。もちろんヘリコプタ以外で用いられる構成であってもよい。また光路形成体は、評価対象物に埋め込まずに、表面部に接着などによって直接固定する構成であってもよい。この場合も好適に、かつ確実に評価情報を取得することができる。
【０１１６】
さらに光ファイバセンサは、ブラッグ格子を利用することによって、一本のセンサで複数箇所における評価情報の取得が可能になるが、ブラッグ格子以外を利用する光路形成体を用いるようにしてもよい。この場合、複数箇所での評価情報を取得できる構成であってもよいし、一箇所だけで評価情報を取得できる構成であってもよい。もちろん１つだけブラッグ格子が形成される光路形成体であってもよい。
【０１１７】
また地上ユニットなどの寿命演算装置は、必ずしも地上に設けられる必要はなく、ヘリコプタなど、情報取得装置が設けられる場所に設置されてもよい。また情報取得装置は、少なくとも光路形成体と送信手段と取得手段とが設けられていればよく、情報収集ユニットの他の手段は、寿命演算装置に設けられていてもよい。この場合、取得した歪を表す評価情報を逐次、寿命演算装置に送信するようにしてもよいし、情報収集ユニットに歪を表す評価情報を記録する記録器を設けるようにしてもよい。また可能であるならば、寿命演算装置の構成を、評価対象物に設けるようにしてもよい。
【０１１８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、評価対象物に光路形成体が設けられ、この光路形成体に、送信手段から評価用光信号が送信され、その評価用光信号が取得手段で受信される。光路形成体は、光ファイバを用いて構成され、評価対象物に作用する荷重によって光学的特性が変化する特性変化部が形成されている。送信手段から送信された評価用光信号は、特性変化部における光学的特性に対応した信号となり、取得手段で受信される。受信した評価用光信号から評価対象物に作用する荷重に対応した評価情報が、取得手段によって取得される。この評価情報を用いることによって、評価対象物の荷重および運用状態を監視し、評価対象物の寿命を評価することができる。
【０１１９】
このように評価対象物に作用する荷重に対応した評価情報を得るにあたって、光ファイバを用いて構成される光路形成体を利用している。このような構成は、箔形歪ゲージを用いる構成に比べて、強度的な信頼性が高く、変位駆動される評価対象物の寿命評価に好適に用いることができる。しかも光路形成体を利用する構成では、ノイズが少なく、高精度な評価が可能になる点からも、評価対象物の寿命評価に好適に用いることができる。さらに送信手段および取得手段を含む情報収集ユニットが、評価対象物に設けられており、変位駆動される評価対象物と固定位置とにわたって配線する必要がなく、変位駆動される評価対象物の評価に好適に実施することができる。
また情報収集ユニットには、評価情報を記憶する記憶手段が設けられる。これによって記憶手段に評価情報を記憶しておき、必要に応じて、評価対象物の寿命を評価することができる。特に荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報が記憶される場合には、記憶される評価情報から、評価対象物の荷重および運用状態を把握して、評価対象物の寿命を的確に評価することができる。さらに評価対象物に設けられる情報収集ユニット内の記憶手段に、荷重の履歴に基づく評価情報を記憶させておくことによって、評価対象物を識別して管理しなくても、その評価対象物の寿命を評価することができる。
【０１２０】
また特性変化部が、ロータに作用する荷重に対応して歪を生じ、この歪を生じることによって特性変化部の光学的特性が変化する。したがって取得手段が評価用光信号から取得する評価情報は、特性変化部の歪を表しており、この評価情報を情報変換手段で変換することによって、ロータに作用した荷重を算出することができる。このようにして、ロータの荷重および運用状態の監視を実現することができる。
【０１２１】
また情報変換手段によって、ロータに作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報に変換される。この評価情報に基づいて、ロータの荷重および運用状態を把握して、ロータを評価することによって、ロータの寿命を評価することができる。
さらに光路形成体は、特性変化部が強度評定部に配置され、この強度評定部がロータの酷使される部位に設定されている。これによって前述のように荷重頻度分布を求めるにあたって、強度評定部における荷重頻度分布を求めるようにすることによって、多数の部位の荷重頻度分布を求める場合に比べて、演算量を少なくすることができる。しかも強度評定部をロータにおける酷使される部位に設定しておくことによって安全性を高くすることができる。
【０１２３】
また本発明によれば、光路形成体は、ロータに直接装着されるので、ロータに作用する荷重に対応した評価情報を、確実に取得することができる。
【０１２４】
また本発明によれば、光路形成体は、ロータに埋め込まれて設けられるので、ロータに作用する荷重に対応した評価情報を、確実に取得することができる。ロータは、複合材料から成るので、光路形成体を埋め込み成型でき、光路形成体のロータへの埋め込み作業を容易にすることができる。しかも光路形成体は、ロータに強度影響を与えない小径の光ファイバが用いられて構成されるので、ロータに埋め込んで設けても、ロータの機械的特性を損なうことがなく、ロータを光路形態体が設けられていないロータと同様に用いることができる。
【０１２５】
また本発明によれば、光路形成体がロータを製造する装置の動作を阻害しないので、光路形成体を埋め込んだロータを容易に製造することができる。またロータの製造時に光伝達媒体が損傷するおそれがないうえ、ロータ製造後に光路形成体を端面研磨する必要がない。また嵌合孔に他の光路形成体を挿入するだけで、ロータに埋め込まれた光路形成体への接続が可能であり、大形のコネクタなどを用いる必要がない。したがって光路形成体に対する接続構造においても、ロータの機械的特性が損なわれることを防ぐことができる。
【０１２６】
また本発明によれば、ロータの損傷を早期に検出することができる。
また本発明によれば、ロータに作用する荷重に対応した評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命が、演算手段によって演算される。このようにして評価情報に基づいて、ロータの寿命を評価することができる。
【０１２７】
また本発明によれば、取得される評価情報と、ロータの疲労曲線とに基づいて、線形累積損傷則を用いて、ロータの残りの寿命が演算される。疲労曲線および線形累積損傷則を用いることによって、評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命を、高精度に演算して求めることができる。したがってロータが無駄に廃棄されてしまうことを確実に防ぐことができる。
【０１２９】
また本発明によれば、情報取得装置によって損傷の存在が検出されると、寿命演算装置よって損傷の存在が報知される。これによって操作者が損傷の存在を容易にかつ早期に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の評価設備１を示すブロック図である。
【図２】評価設備１を示す斜視図である。
【図３】ヘリコプタのロータ２の一部を示す斜視図である。
【図４】光ファイバセンサ７に形成されるブラッグ格子１５を模式的に示す断面図である。
【図５】ブラッグ格子１５の特性を説明するために評価用光信号の一例を示すグラフである。
【図６】荷重の履歴の一例を模式的に示すグラフである。
【図７】疲労曲線の一例を示すグラフである。
【図８】光ファイバセンサ７の有用性を確認するための試験装置３０を示すブロック図である。
【図９】試験装置３０を用いた試験結果の一例を示すグラフである。
【図１０】光ファイバセンサ７を構成する光ファイバ７ａ，７ｂの一例を示す断面図である。
【図１１】光ファイバの複合材に対する強度への影響を確認する試験方法を説明するための断面図である。
【図１２】図１１の試験の結果を示すグラフである。
【図１３】光ファイバの複合材に対する強度への影響を確認する、図１１とは異なる試験の結果を示すグラフである。
【図１４】光ファイバセンサ７と、データ収集ユニット８との接続構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 評価設備
２ ロータ
４ ブレード
５ 情報取得装置
６ 地上ユニット
７ 光ファイバセンサ
８ データ収集ユニット
１０ レーザ発信器
１１ 光計測器
１２ データ処理器
１３ データ記録器
１５ ブラッグ格子
２０ 荷重頻度分布入力器
２１ 等価残寿命演算器
２２ Ｓ−Ｎ曲線記憶器
５４ 嵌合管
５６，６２ フェルール
５７ 挟持部材
６０ 接続用光ファイバ
Claims (8)
- ロータハブに複数のブレードが分解可能に設けられかつ回転駆動されるヘリコプタのロータの寿命を評価するための評価情報を取得する情報取得装置であって、
ロータに設けられ、光ファイバを用いて構成され、ロータに作用する荷重に対応して歪を生じ、この歪を生じることによって光学的特性が変化する特性変化部を有し、ロータの酷使される部位に設定される強度評定部に特性変化部を配置する光路形成体と、
ロータに設けられる情報収集ユニットであって、
光路形成体に評価用光信号を送信する送信手段と、
光路形成体を通過することによって特性変化部における光学的特性に対応した信号となる評価用光信号を受信し、受信した評価用光信号から歪を表す評価情報を取得する取得手段と、
取得手段によって取得される歪を表す評価情報に基づいて、ロータに作用した荷重を算出し、ロータに作用した荷重の履歴に基づく荷重頻度分布を表す評価情報に変換する情報変換手段と、
情報変換手段によって変換された評価情報を記憶する記憶手段とを有する情報収集ユニットとを含むことを特徴とする情報取得装置。 - 光路形成体は、ロータに直接装着されることを特徴とする請求項１記載の情報取得装置。
- ロータは、複合材料から成り、
光路形成体は、ロータに埋め込まれて設けられ、ロータに強度影響を与えない小径の光ファイバが用いられて構成されることを特徴とする請求項１または２記載の情報取得装置。 - 光路形成体は、端部が、ロータの外表面から内方に退避した状態で、ロータの表面部に設けられる嵌合管に挿入されて設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の情報取得装置。
- 評価情報に基づいて、ロータにおける損傷の有無を判定する損傷判定手段を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の情報取得装置。
- 請求項１〜５のいずれか１つに記載の情報取得装置と、
情報取得装置によって取得される評価情報に基づいて、ロータの残りの寿命を演算する演算手段を備える寿命演算装置とを含むことを特徴とする評価設備。 - 演算手段は、情報取得装置によって取得される評価情報と、ロータの疲労曲線とに基づいて、線形累積損傷則を用いて、ロータの残りの寿命を演算することを特徴とする請求項６記載の評価設備。
- 情報取得装置は、評価情報に基づいてロータにおける損傷の有無を判定する損傷判定手段を備え、損傷の存在を検出したときに、損傷の存在を表す情報を寿命演算装置に与え、
寿命演算装置は、損傷の存在を表す情報が与えられると、損傷の存在を表す情報を報知する報知手段を備えることを特徴とする請求項６または７記載の評価設備。
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