JP6959027B2 - クリアランス計測装置、クリアランス計測センサ及びクリアランス計測方法 - Google Patents

Description

本開示は、円筒形状を有するケーシングの内周面と、ケーシング内を回転する回転体の外周面と、の間に形成されるクリアランスを計測するためのクリアランス計測装置、当該クリアランス計測装置に使用可能なクリアランス計測センサ、及び、当該クリアランス計測装置によって実施可能なクリアランス計測方法に関する。

ケーシング内を回転体が回転する、蒸気タービン、ガスタービン又はターボチャージャのような回転機械が知られている。ケーシングの内周面と、ケーシング内を回転する回転体の外周面との間に、所定のクリアランスが設定されており、然るべき性能を発揮するために、クリアランスの値を適正に保つことが重要とされている。

特許文献１では、回転機械である圧縮機において、ロータが備える動翼とケーシングとの間のチップクリアランスを非接触センサを用いて計測することが開示されている。

特開２００３−２５４０９１号公報

特許文献１のようにクリアランスを計測するための非接触センサとしては、例えば、光センサが用いられる。例えば、動翼の外周面に外周面と反射率の異なるマーカを設置し、光センサの光ファイバから照射されたレーザ光を動翼の外周面に照射し、その反射光量の変化に基づいてマーカが所定位置を通過したことを検出する。そして、この検出結果からマーカが異なる２つの所定位置間を通過する通過時間を求め、動翼の回転時間などとともに、ケーシングと動翼とのクリアランスが算出される。

このような光学的な計測手法では、動翼の外周面に設置されたマーカからの反射光に基づいてクリアランスの算出が行われる。マーカからの反射光には正反射光及び散乱光が含まれるが、光が照射されるマーカ近傍における表面性状が変化すると、特に散乱光が変化し、計測結果が不安定になり、計測誤差を招く要因となっている。

本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、回転機械におけるクリアランス測定を精度よく、且つ、安定的に実施可能なクリアランス計測装置、クリアランス計測センサ及びクリアランス計測方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るクリアランス計測装置は上記課題を解決するために、円筒形状を有するケーシングの内周面と、前記ケーシング内を回転する回転体の外周面と、の間に形成されるクリアランスを計測するためのクリアランス計測装置であって、前記ケーシングに固定され、前記回転体の外周面に向けて第１波長を有する光を出射する第１照射部と、前記ケーシングに固定され、前記回転体の外周面に向けて前記第１波長と異なる第２波長を有する光を出射する第２照射部と、前記回転体の外周面から、前記第１照射部の照射光に対応する反射光を受光する第１受光部と、前記回転体の外周面から、前記第２照射部の照射光に対応する反射光を受光する第２受光部と、前記第１受光部で受光した反射光を、前記第１波長に対応する透過帯域を有する第１フィルタ部を介して受信する第１受信部と、前記第２受光部で受光した反射光を、前記第２波長に対応する透過帯域を有する第２フィルタ部を介して受信する第２受信部と、前記第１受信部及び前記第２受信部の受信結果に基づいて、前記第１受光部及び前記第２受光部における前記回転体の検出タイミングの時間差に基づいて前記クリアランスを計測する計測部と、を備える。

上記（１）の構成によれば、第１照射部及び第２照射部は、回転体の外周面に向けて、それぞれ第１波長及び第２波長を有する光を照射し、回転体の外周面からの反射光が第１受光部及び第２受光部で受光される。第１受光部では、第１照射部の照射光に対応する反射光を受光し、第１フィルタ部を介して第１受信部に送ることにより、反射光に含まれる第２波長成分を除去する。第２受光部では、第２照射部の照射光に対応する反射光を受光し、第２フィルタ部を介して第２受信部に送ることにより、反射光に含まれる第１波長成分を除去する。これにより、第１受信部及び第２受信部では、第１受光部及び第２受光部で反射光に含まれる不要な波長成分を除去した結果が得られる。その結果、回転体の外周面の性状によらず、精度よく、且つ、安定的なクリアランス計測が可能となる。

（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記第１受光部及び前記第２受光部は、互いの光軸が前記ケーシングの内部空間を外部から隔離する隔離壁の内表面上で交差するように配置され、前記第１受光部は、前記第１照射部から照射された光による前記外周面からの正反射光が受光可能なように配置され、前記第２受光部は、前記第２照射部から照射された光による前記外周面からの正反射光が受光可能なように配置される。

上記（２）の構成によれば、第１受光部及び第２受光部は、このような構成で配置されることにより、第１受光部及び第２受光部では、それぞれ第１照射部及び第２照射部の照射光の正反射成分を的確に受光できる。正反射光成分は散乱光成分に比べて、回転体の外周面の性状によらず、安定的な計測結果が得られるため、より精度のよい計測が可能となる。

（３）幾つかの実施形態では上記（１）又は（２）の構成において、前記第１照射部は、前記第１照射部の光路上に配置され、前記第１波長に対応する励起波長を有する第１蛍光体を含み、前記第２照射部は、前記第２照射部の光路上に配置され、前記第２波長に対応する励起波長を有する第２蛍光体を含む。

上記（３）の構成によれば、第１照射部及び第２照射部は、それぞれの光路上に配置された第１蛍光体及び第２蛍光体によって、照射光の波長を第１波長及び第２波長に設定できる。

（４）幾つかの実施形態では上記（３）の構成において、前記第１照射部及び前記第２照射部には、共通の光源部から出力される光源光が光カプラによって分光されて供給される。

上記（４）の構成によれば、第１照射部及び第２照射部から照射される互いに異なる波長の照射光を、共通の光源からの光源光に基づいて生成できる。このような構成は、第１照射部及び第２照射部が別々の光源を有する場合に比べて装置構成をシンプルにすることができる。

（５）幾つかの実施形態では上記（１）又は（２）の構成において、前記第１照射部には第１光源部から出力され、前記第１波長を有する光源光が供給され、前記第２照射部には第２光源部から出力され、前記第２波長を有する光源光が供給される。

上記（５）の構成によれば、第１発光部及び第２発光部は、それぞれの第１波長及び第２波長に対応する独立した第１光源部及び第２光源部を有することにより、柔軟な装置構成で信頼性に優れたクリアランス計測装置を実現できる。また上記（４）の構成のように装置内部に波長変換のための蛍光体を設ける必要がないため、装置の内部構成をシンプルにすることができ、小型化にも有利である。

（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、前記第１照射部、前記第２照射部、前記第１受光部及び前記第２受光部は、隔離壁を介して前記ケーシングの内部空間に配置される。

上記（６）の構成によれば、第１照射部、第２照射部、第１受光部及び第２受光部は隔離壁によって、計測対象であるクリアランスに対してケーシング内に隔離される。そのため、蒸気タービン、ガスタービン又はターボチャージャのようにクリアランスが高温・高圧の過酷な条件下になる場合であっても、第１照射部、第２照射部、第１受光部及び第２受光部を好適に保護し、良好な計測が可能となる。

（７）幾つかの実施形態では上記（１）から（６）のいずれか一構成において、前記第１照射部及び前記第２照射部の光路上に拡散板が配置される。

上記（７）の構成によれば、第１照射部及び第２照射部の光路上に拡散板が配置されることにより、第１照射部及び第２照射部からの照射光は拡散板を透過する際に拡散され、配光特性のばらつきが低減される。クリアランス計測では、照射光が外周面上の凹凸による鏡面反射の影響を受けてうまく捉えることができない場合があり、回転体の通過時間に誤差が生じることがある。本構成では、このような特徴を有することで、計測領域を通過する回転体表面の鏡面反射を抑え、クリアランスを正確に計測できる。

（８）幾つかの実施形態では上記（１）から（６）のいずれか一構成において、前記第１照射部及び前記第２照射部は、複数の光ファイバを含む光ファイバ集合体である。

上記（８）の構成によれば、第１照射部及び第２照射部は複数の光ファイバを含む光ファイバ集合体であることにより、より広い照射面が得られ、上記（７）のような拡散板を用いることなく、均質な光の照射が可能となる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係るクリアランス計測センサは上記課題を解決するために、円筒形状を有するケーシングの内周面と、前記ケーシング内を回転する回転体の外周面と、の間に形成されるクリアランスを検知するためのクリアランス計測センサであって、前記ケーシングに固定可能なセンサ本体と、前記センサ本体の内部空間に収容され、前記回転体の外周面に向けて第１波長を有する光を出射する第１照射部と、前記センサ本体の内部空間に収容され、前記回転体の外周面に向けて前記第１波長と異なる第２波長を有する光を出射する第２照射部と、前記センサ本体の内部空間に収容され、前記回転体の外周面からの反射光を、前記第１波長に対応する透過帯域を有する第１フィルタ部を介して受光する第１受光部と、前記センサ本体の内部空間に収容され、前記回転体の外周面からの反射光を、前記第２波長に対応する透過帯域を有する第２フィルタ部を介して受光する第２受光部と、を備え、前記第１照射部は、前記第１照射部の光路上に配置され、前記第１波長に対応する励起波長を有する第１蛍光体を含み、前記第２発光部は、前記第２照射部の光路上に配置され、前記第２波長に対応する励起波長を有する第２蛍光体を含む。

上記（９）の構成は、ケーシングと該ケーシング内を回転する回転機械に適用することにより、上述のクリアランス計測装置（上記各種形態を含む）を好適に実現できる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係るクリアランス計測方法は上記課題を解決するために、円筒形状を有するケーシングの内周面と、前記ケーシング内を回転する回転体の外周面と、の間に形成されるクリアランスを計測するためのクリアランス計測方法であって、前記回転体の外周面に向けて第１波長を有する光と、前記第１波長と異なる第２波長を有する光とをそれぞれ出射するステップと、前記回転体の外周面からの反射光を、前記第１波長に対応する透過帯域を有する第１フィルタを介して受光するとともに、前記第２波長に対応する透過帯域を有する第２フィルタを介して受光するステップと、前記第１波長を有する光の反射光の検出タイミングと、前記第２波長を有する光の反射光の検出タイミングとの時間差に基づいて前記クリアランスを計測するステップと、を備える。

上記（１０）の方法は、上述のクリアランス計測装置（上記各種形態を含む）によって好適に実施可能である。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、回転機械におけるクリアランス測定を精度よく、且つ、安定的に実施可能なクリアランス計測装置、クリアランス計測センサ及びクリアランス計測方法を提供できる。

本発明の少なくとも一実施形態に係るクリアランス計測装置を備える回転機械の全体構成を示す概略図である。 関連技術に係るクリアランス計測センサの軸方向断面図である。 図２のクリアランス計測センサから計測部に入力される受光信号の信号強度に関するグラフである。 第１実施形態に係るクリアランス計測センサの内部構造を模式的に示す断面図である。 図４の計測部に入力される受光信号の計測結果の一例である。 図５の比較例である。 第２実施形態に係るクリアランス計測センサの内部構造を模式的に示す断面図である。 第３実施形態に係るクリアランス計測センサの内部構造を模式的に示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の少なくとも一実施形態に係るクリアランス計測装置を備える回転機械の全体構成を示す概略図である。回転機械１は、略円筒形状を有するケーシング２と、ケーシング２内に回転可能に配置された回転体４と、を備える。ケーシング２の内周面２ａと、回転体４の外周面４ａとの間には、クリアランスｄが設けられており、回転軸６に接続された回転体４が、ケーシング２内で回転可能に構成されている。

回転機械１は、例えば、蒸気タービン、ガスタービン又はターボチャージャである。この場合、回転体４は、回転軸６の周方向に沿って所定間隔で並べて設けられた複数の動翼を備えており、駆動時には、これらの複数の動翼によって回転体４の外周面４ａが形成される。

クリアランス計測装置１０は、ケーシング２の内周面２ａと、回転体４の外周面４ａとの間に設けられるクリアランスｄを計測するためのクリアランス計測センサ１２を備える。クリアランス計測センサ１２は光学センサであり、先端にある検出面Ｐ（図４を参照）が回転体４の外周面４ａに対向するように、ケーシング２に固定して配置される。回転機械１が蒸気タービン、ガスタービン又はターボチャージャである場合、クリアランス計測センサ１２は、ケーシング２及び回転体（動翼）４の間の高温・高圧の環境下にあるクリアランスｄに曝されることとなる。

クリアランス計測センサ１２は、照射用光ファイバ１４を介して光源部１６に接続されている。光源部１６は照射光を発光可能な発光素子を含む。発光素子は、例えば所定波長を有するレーザ光源である。光源部１６からの照射光は、照射用光ファイバ１４を介してクリアランス計測センサ１２に送られ、回転体４の外周面４ａに向けて照射される。

クリアランス計測センサ１２からの照射光は、回転体４の外周面４ａにおいて反射され、その反射光の一部が、クリアランス計測センサ１２によって受光される。このとき回転体４の外周面４ａからの反射光は、回転体４の外周面４ａの周方向（回転方向）に変化する形状あるいは模様に依存した、所定の強度周期を有する。ここで「形状」とは、例えば、回転体４がタービンである場合には動翼の形状であり、「模様」とは、例えば外周面４ａとは反射率の異なるマーカ（耐熱ペイント等）を付すことによって明暗を設けるものを示す。

回転体４の外周面４ａからの反射光は、クリアランス計測センサ１２で受光され、第１受光用光ファイバ２０ａ及び第２受光用光ファイバ２０ｂを介して、第１受信部２２ａ及び第２受信部２２ｂにそれぞれ入力される。第１受信部２２ａ及び第２受信部２２ｂに入力された反射光は信号強度に応じた電気的な受光信号に変換されて計測部２４に送られ、クリアランスｄの計測演算に用いられる。

計測部２４は、クリアランス計測センサ１２の計測結果に基づいてクリアランスｄを計測する演算ユニットであり、例えばコンピュータのような半導体デバイスを利用した電子演算装置から構成される。計測部２４は、予めインストールされたプログラムに基づいて本発明の少なくとも一実施形態に係るクリアランス計測方法を実施することにより、本発明の少なくとも一実施形態に係るクリアランス計測装置１０を実現するように構成されている。例えば、計測部２４はクリアランス計測センサ１２に対して発光信号を出力することにより、回転体４の外周面４ａへの照射光の照射タイミングを制御するとともに、回転体４の外周面４ａからの反射光に対応する受光信号を取得し、クリアランスｄの演算を行う。

ここで図２を参照して、関連技術に係るクリアランス計測センサを参考に、クリアランスｄの計測原理について説明する。図２は関連技術に係るクリアランス計測センサの軸方向断面図である。尚、図２では、本発明の少なくとも一実施形態に係るクリアランス計測センサ１２と対応する構成には共通の符号を付し、重複する説明は適宜省略することとする。

関連技術に係るクリアランス計測センサは、検出面Ｐが回転体４の外周面４ａに対向するように配置されており、光源部１６に接続された照射用光ファイバ１４と、第１受信部２２ａに接続された第１受光用光ファイバ２０ａと、第２受信部２２ｂに接続された第２受光用光ファイバ２０ｂと、を備える。

照射用光ファイバ１４は、一端が光源部１６に接続され（図１を参照）、他端の端面が検出面Ｐまで延びている。光源部１６から出力された照射光は、照射用光ファイバ１４を介して伝達され、検出面Ｐから、回転体４の外周面４ａに対して照射される。

第１受光用光ファイバ２０ａは、一端が第１受信部２２ａに接続され（図１を参照）、他端の端面が検出面Ｐまで延びている。回転体４の外周面４ａで反射された反射光は、検出面Ｐで受光され、第１受光用光ファイバ２０ａを介して、第１受信部２２ａに伝達される。

第２受光用光ファイバ２０ｂは、一端が第２受信部２２ｂに接続され（図１を参照）、他端の端面が検出面Ｐまで延びている。回転体４の外周面４ａで反射された反射光は、検出面Ｐで受光され、第２受光用光ファイバ２０ｂを介して、第２受信部２２ｂに伝達される。

ここで照射用光ファイバ１４と第１受光用光ファイバ２０ａとは、光ファイバ群Ｘとして一組に纏められており、第１受光用光ファイバ２０ａの周囲を囲むように複数の照射用光ファイバ１４が配置されている。同様に、照射用光ファイバ１４と第２受光用光ファイバ２０ｂとは、光ファイバ群Ｙとして一組に纏められており、第２受光用光ファイバ２０ｂの周囲を囲むように複数の照射用光ファイバ１４が配置されている。これら光ファイバ群Ｘ，Ｙはクリアランス計測センサの略軸方向に沿って延びており、先端側（検出面Ｐ側）で互いの離間距離が広がるように傾斜して配設されている。図２では、光ファイバ群Ｘ，Ｙの端面がそれぞれＡ点、Ｂ点で示されており、Ａ点、Ｂ点において端面を垂直に通る仮想直線ａ、ｂが示されている。またクリアランス計測センサの基準点として、仮想直線ａ、ｂの交点Ｏが示されており、交点Ｏにおける仮想直線ａ、ｂの交差角がαとして示されている。

尚、光ファイバ群Ｘ，Ｙは上述したように複数の光ファイバから構成されるが、図２では簡略化のために、光ファイバＸ，Ｙの先端面の位置は、それぞれＡ点及びＢ点にまとめて一点として見做している。また図２では、回転体４がタービンである場合を例に、外周面４ａを形成する動翼２６が示されている。ここでＣ点は、動翼２６の外側端面における角部（二つの角部のうち回転方向前方側の角部）が仮想直線ａと交わる点であり、Ｄ点は動翼２６の外側端面における角部（二つの角部のうち回転方向前方側の角部）が仮想直線ｂと交わる点である。

このような光ファイバ群Ｘ，Ｙでは、それぞれ照射用光ファイバ１４の端面から外周面４ａに対して照射光を照射し、その反射光を第１受光用光ファイバ２０ａ及び第２受光用光ファイバ２０ｂで受光する。図３は図２のクリアランス計測センサから計測部２４に入力される受光信号の信号強度に関するグラフである。図３では、横軸が時間を示し、縦軸が信号強度を示している。

図３に示されるように、受光信号は、回転体４の外周面４ａ上の測定点（動翼の回転方向前方側の角部）がＣ点からＤ点に移動するために要する時間Δtに対応する２つの信号ピークが検出されている。ここで回転体４の回転周期をＴ、回転体４の半径をＲとすると、クリアランスｄは次式

により算出される。

このように関連技術に係るクリアランス計測センサでは、回転体４の外周面４ａがＣ点からＤ点に移動するために要する時間Δｔを検出し、上記（１）式に基づいてクリアランスｄを算出する。そのため、クリアランスｄを精度よく検出するためには、時間Δｔを精度よく、且つ、安定的に検出することが要求される。発明者の鋭意研究によれば、回転体４の外周面４ａからの反射光は、照射光の照射領域近傍における表面性状が変化すると、計測結果が不安定になり、計測誤差を招く要因となることが判明した。発明者は、このような問題に鑑み、光の照射領域近傍における表面性状の影響を低減することで、クリアランス測定を精度よく、且つ、安定的に実施可能なクリアランス計測装置を考案した。

（第１実施形態）
図４は第１実施形態に係るクリアランス計測センサ１２の内部構造を模式的に示す断面図である。クリアランス計測センサ１２は、検出面Ｐが回転体４の外周面４ａに対向するように配置されており、光源部１６に接続された第１照射用光ファイバ１４ａ及び第２照射用光ファイバ１４ｂと、第１受信部２２ａ及び第２受信部２２ｂにそれぞれ接続された第１受光用光ファイバ２０ａ及び第２受光用光ファイバ２０ｂと、を備える。

クリアランス計測センサ１２は略円筒形状のセンサ本体１３を有する。センサ本体１３は、一端側に設けられた第１開口部１５から内部空間１７に、第１照射用光ファイバ１４ａ、第２照射用光ファイバ１４ｂ、第１受光用光ファイバ２０ａ及び第２受光用光ファイバ２０ｂが導入されている。内部空間１７に導入された第１照射用光ファイバ１４ａ、第２照射用光ファイバ１４ｂ、第１受光用光ファイバ２０ａ及び第２受光用光ファイバ２０ｂは、それぞれの先端が、センサ本体１３の他端側に設けられた第２開口部１９に向けて配置されている。

第２開口部１９は透過性材料からなる隔離壁２１によって閉じられており、内部空間１７がクリアランスｄから隔離されている。そのため、クリアランスｄが高温・高圧の過酷な環境にある場合でも、内部空間１７に収容された各光ファイバを的確に保護し、良好な信頼性が確保されている。
尚、隔離壁２１に使用される透過性材料としては例えばダイヤモンドやサファイア等がある。

第１照射用光ファイバ１４ａ及び第２照射用光ファイバ１４ｂは、一端が光源部１６に接続され（図１を参照）、他端の端面がセンサ本体１３の内部空間１７に配置されている。第１照射用光ファイバ１４ａ及び第２照射用光ファイバ１４ｂの照射側の先端には、それぞれ光源部１６から伝達された照射光を照射するための第１照射部１１ａ及び第２照射部１１ｂが設けられている。

内部空間１７において第１受光部２３ａ及び第２受光部２３ｂは、互いの光軸ｃ、ｄが隔離壁２１の内側表面上で交差するように配置されている。第１照射部１１ａから照射された光は、蛍光体２５ａにて蛍光発光し、外周面からの正反射光が第１受光部２３ａで受光可能なように、第１照射部１１ａと第１受光部２３ａとは配置されている。第２照射部１１ｂから照射された光は、蛍光体２５ｂにて蛍光発光し、外周面からの正反射光が第２受光部２３ｂで受光可能なように、第２照射部１１ｂと第２受光部２３ｂとは配置される。その結果、本実施形態では第１照射部１１ａ及び第２照射部１１ｂは左右対称（光学対称）な配置を有している。

第１照射部１１ａ及び第２照射部１１ｂから出力される照射光の光軸ａ、ｂ上には、第１蛍光体２５ａ及び第２の蛍光体２５ｂがそれぞれ配置されている。第１蛍光体２５ａ及び第２の蛍光体２５ｂは、第１照射用光ファイバ１４ａ及び第２照射用光ファイバ１４ｂから出力される照射光によって励起されることで、それぞれ第１波長λ１及び第２波長λ２を有する励起光を生成する。ここで第１波長λ１及び第２波長λ２は可視光帯域であり、互いに異なる波長である。第１蛍光体２５ａ及び第２の蛍光体２５ｂからの励起光は、隔離壁２１を透過して回転体４の外周面４ａに対して照射される。

尚、第１の蛍光体２５ａ及び第２の蛍光体２５ｂは、隔離壁２１より内側の内部空間１７において、回転体４の外周面４ａからの反射光が、第１の蛍光体２５ａ及び第２の蛍光体２５ｂに干渉することなく通過可能な程度に互いに間隔を隔てて配置されている。これにより、回転体４の外周面４ａからの反射光への影響を回避しながら、各照射光の波長を適切に変換できる。

尚、本実施形態では、共通の光源部１６から出力される光源光を、光カプラ２９によって分光して、第１照射用光ファイバ１４ａ及び第２照射用光ファイバ１４ｂに対して供給し、クリアランス計測センサ１２内に設けられた第１蛍光体２５ａ及び第２の蛍光体２５ｂにて、第１波長λ１及び第２波長λ２にそれぞれ波長変換を行うようにしている。これにより、光源部１６が一つで済むため、クリアランス計測センサ１２の外部構成をシンプルに構成することができる。

第１受光用光ファイバ２０ａ及び第２受光用光ファイバ２０ｂは、それぞれ一端が第１受信部２２ａ及び第２受信部２２ｂに接続され（図１を参照）、他端が内部空間１７に配置される。内部空間１７側の端部には、それぞれ外周面４ａからの反射光を受光するための第１受光部２３ａ及び第２受光部２３ｂが設けられており、第１受光部２３ａ及び第２受光部２３ｂで受光された反射光は、それぞれ第１受光用光ファイバ２０ａ及び第２受光用光ファイバ２０ｂを介して、第１受信部２２ａ及び第２受信部２２ｂに伝達されるように構成されている。

第１受光部２３ａ及び第２受光部２３ｂは、隔離壁２１を介して透過する反射光を受光可能な位置に配置されており、上述したように、特に、互いの光軸ｃ、ｄが隔離壁２１の内側表面上で交差するように配置されている。これにより、第１受光部２３ａは上述したように、第１照射部１１ａから照射された光による外周面からの正反射光が受光可能な位置に配置され、第２受光部２３ｂは、第２照射部１１ｂから照射された光による外周面からの正反射光が受光可能な位置に配置されている。その結果、本実施形態では第１受光部２３ａ及び第２受光部２３ｂは左右対称（光学対称）な配置を有しており、第２開口部１９に向けて互いの離間距離が狭まるように傾斜している。

第１照射部１１ａ、第２照射部１１ｂ、第１受光部２３ａ及び第２受光部２３ｂは、内部空間１７において、このような位置関係に配置されることにより、第１照射部１１ａからの照射光による反射光が第１受光部２３ａで受光されるとともに、第２照射部１１ｂからの照射光による反射光が第２受光部２３ｂで受光される。

図２を参照して上述した関連技術では、各光ファイバの幾何学的な位置関係により、第２受光用光ファイバ２０ｂでは正反射光成分を受光できるが、第１受光用光ファイバ２０ａでは正反射光成分を受光することができず、主に反射光の散乱光成分を受光することとなる。発明者の鋭意研究によれば、反射光の散乱光成分は照射光の照射領域近傍における表面性状が変化すると不安定となりやすく、計測誤差を招く要因となっている。

それに対し、本実施形態では、第１照射部１１ａ、第２照射部１１ｂ、第１受光部２３ａ及び第２受光部２３ｂがこのような位置関係に配置されることで、第１受光部２３ａ及び第２受光部２３ｂでは、ともに正反射光成分が受光可能に構成されている。そのため、照射領域近傍における表面性状に関わらず、安定的な計測結果が得られ、計測誤差が少ない高精度なクリアランス計測が可能となる。

また、この種のクリアランス計測センサでは、検出面Ｐが高温・高圧の環境にさらされることによって熱伸びが発生し、Ａ点とＢ点との離間距離Ｌが変化することがある。本実施形態では関連技術に比べて、Ａ点とＢ点との離間距離Ｌを小さくすることができる。そのため、上記（１）式において、離間距離Ｌを含む「−（１／２）Ｌ／ｔａｎ（α／２）」の項を小さくすることができ、計測精度を向上できる。

第１受光用光ファイバ２０ａ及び第２受光用光ファイバ２０ｂは、それぞれ第１受信部２２ａ及び第２受信部２２ｂとの間に、第１フィルタ部３０ａ及び第２フィルタ部３０ｂを備える。第１フィルタ部３０ａ及び第２フィルタ部３０ｂは、それぞれ第１波長λ１及び第２波長λ２に対応する透過帯域を有する。

第１受光部２３ａで受光される反射光には、目的とする第１照射部１１ａからの第１波長λ１を有する正反射光成分に加えて、少なからず第２照射部１１ｂからの第２波長λ２を有する散乱光成分が含まれる。このような第２波長λ２を有する散乱光成分は、第１受信部２２ａにとってノイズ成分となり、計測誤差を増大させる要因となる。そのため、第１フィルタ部３０ａによって、このような不要な散乱光成分をフィルタリングにより除去できる。これにより、第１受信部２２ａでは、目的とする第１照射部１１ａからの照射光による第１波長λ１を有する正反射光成分を抽出することができ、良好な計測精度が得られる。

同様に、第２受光部２３ｂで受光される反射光には、目的とする第２照射部１１ｂからの第２波長λ２を有する正反射光成分に加えて、少なからず第１照射部１１ａからの第１波長λ１を有する散乱光成分が含まれる。このような第１波長λ１を有する散乱光成分は、第２受信部２２ｂにとってノイズ成分となり、計測誤差を増大させる要因となる。そのため、第２フィルタ部３０ｂによって、このような不要な散乱光成分をフィルタリングにより除去できる。これにより、第２受信部２２ｂでは、目的とする第２照射部１１ｂからの第２波長λ２を有する正反射光成分を抽出することができ、良好な計測精度が得られる。

図５は図４の計測部２４に入力される受光信号の計測結果の一例であり、図６は図５の比較例である。図５に示されるように、本実施形態では第１受信部２２ａ及び第２受信部２２ｂにおいて、それぞれ第１波長λ１及び第２波長λ２に分離した検出を行うことで、受光信号の波形における歪みが少なく、両者の波形もまた類似な結果が得られた。これは、回転体４の外周面４ａを正確に捉えることができており、精度のよいクリアランス計測が可能であることを示している。

一方、図６の比較例は、第１受信部２２ａ及び第２受信部２２ｂにおいて第１フィルタ部３０ａ及び第２フィルタ部３０ｂを介さずに、第１受光部２３ａ及び第２受光部２３ｂから受光した結果に基づく受光信号を測定したものである。この場合、図５に比べて、計測された波形に歪みが生じており、両者の波形もまた大きく異なる結果となった。このように図５及び図６の計測結果を比較して明らかなように、本実施形態では、第１フィルタ部３０ａ及び第２フィルタ部３０ｂにおいてフィルタリングを行うことで、第１受信部２２ａ及び第２受信部２２ｂにて精度のよい検出が可能となることが実証された。

以上説明したように本実施形態によれば、回転体４の外周面４ａに対して第１波長λ１及び第２波長λ２を有する照射光をそれぞれ照射し、受光した反射光を、第１波長λ１及び第２波長λ２に対応したフィルタリング処理を実施する。これにより、照射面の性状に関わらず、時間Δtが良好に計測され、その結果、クリアランスｄを精度よく且つ安定的に計測できる。

（第２実施形態）
続いて第２実施形態に係るクリアランス計測センサ１２について説明する。図７は第２実施形態に係るクリアランス計測センサ１２の内部構造を模式的に示す断面図である。尚、以下の説明では上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付し、重複する説明は適宜省略することとする。

第２実施形態では、クリアランス計測センサ１２のセンサ本体１３に導入される第１照射用光ファイバ１４ａ及び第２照射用光ファイバ１４ｂは、独立した２つの第１光源部１６ａ及び第２光源部１６ｂを有する点において、上述の第１実施形態と異なる。第１光源部１６ａ及び第２光源部１６ｂは、それぞれ第１波長λ１及び第２波長λ２を有する照射光を出力する光源である。

第１光源部１６ａから出力される第１波長λ１を有する照射光は、第１照射用光ファイバ１４ａを介して伝達され、第１照射部１１ａから照射される。第１照射部１１ａから照射される照射光は、その光路上に配置された拡散板４０によって均質化され、透過性材料からなる隔離壁２１を通過して、回転体４の外周面４ａに照射される。そして、回転体４の外周面４ａからの反射光は、第１受光部２３ａによって受光され、第１受光用光ファイバ２０ａから第１フィルタ部３０aを介して、第１受信部２２ａで検出される。

第２光源部１６ｂから出力される第２波長λ２を有する照射光は、第２照射用光ファイバ１４ｂを介して伝達され、第２照射部１１ｂから照射される。第２照射部１１ｂから照射される照射光は、その光路上に配置された拡散板４０によって均質化され、透過性材料からなる隔離壁２１を通過して、回転体４の外周面４ａに照射される。そして、回転体４の外周面４ａからの反射光は、第２受光部２３ｂによって受光され、第２受光用光ファイバ２０ｂから第２フィルタ部３０bを介して、第２受信部２２ｂで検出される。

このように第２実施形態では、独立した２つの第１光源部１６ａ及び第２光源部１６ｂを有することにより、第１実施形態のようにセンサ本体１３の内部空間１７に第１蛍光体２５ａ及び第２蛍光体２５ｂを配置することなく、第１波長λ１及び第２波長λ２を有する照射光を照射できる。そのため、センサ構造をシンプル化することができ、また小型化にも有利である。

（第３実施形態）
続いて第３実施形態に係るクリアランス計測センサ１２について説明する。図８は第３実施形態に係るクリアランス計測センサ１２の内部構造を模式的に示す断面図である。尚、以下の説明では上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付し、重複する説明は適宜省略することとする。

第３実施形態では、クリアランス計測センサ１２のセンサ本体１３に導入される第１照射用光ファイバ１４ａ及び第２照射用光ファイバ１４ｂの先端に設けられた第１照射部１１ａ及び第２照射部１１ｂが、それぞれ複数の光ファイバを含む光ファイバ集合体５０ａである点において、上述の第２実施形態と異なる。

第１照射用光ファイバ１４ａは、第１光源部１６ａから出力された照射光をセンサ本体１３の内部空間に導入し、その先端に設けられた光ファイバ集合体５０ａから外周面４ａに向けて照射する。光ファイバ集合体５０ａは、複数の光ファイバの束であり、第１照射用光ファイバ１４ａによって伝達された照射光を分光して照射可能に構成されている。そのため、光ファイバ集合体５０ａでは、第２実施形態のように内部空間１７に拡散板４０を配置することなく、より広い照射面が得られ、均質な光の照射が可能となる。

第２照射用光ファイバ１４ｂも同様に、第２光源部１６ｂから出力された照射光をセンサ本体１３の内部空間に導入し、その先端に設けられた光ファイバ集合体５０ｂから外周面４ａに向けて照射する。光ファイバ集合体５０ｂは、複数の光ファイバの束であり、第２照射用光ファイバ１４ｂによって伝達された照射光を分光して照射可能に構成されている。そのため、光ファイバ集合体５０ｂでは、第２実施形態のように内部空間１７に拡散板４０を配置することなく、より広い照射面が得られ、均質な光の照射が可能となる。

以上説明したように本実施形態によれば、内部空間１７に拡散版４０を備えることなく、均質な照射光を照射し、精度のよいクリアランス計測ができる。そのため、クリアランス計測センサ１２の構成をシンプル化することができ、また小型化にも有利である。

本開示は、円筒形状を有するケーシングの内周面と、ケーシング内を回転する回転体の外周面と、の間に形成されるクリアランスを計測するためのクリアランス計測装置、当該クリアランス計測装置に使用可能なクリアランス計測センサ、及び、当該クリアランス計測装置によって実施可能なクリアランス計測方法に利用可能である。

１ 回転機械
２ ケーシング
４ 回転体
６ 回転軸
１０ クリアランス計測装置
１２ クリアランス計測センサ
１３ センサ本体
１４ 照射用光ファイバ
１５ 第１開口部
１６ 光源部
１９ 第２開口部
２０ 受光用光ファイバ
２１ 隔離壁
２２ 受信部
２４ 計測部
２５ 蛍光体
２６ 動翼
２９ 光カプラ
３０ フィルタ部
４０ 拡散板
５０ 光ファイバ集合体

Claims (11)

1. 円筒形状を有するケーシングの内周面と、前記ケーシング内を回転する回転体の外周面と、の間に形成されるクリアランスを計測するためのクリアランス計測装置であって、
   前記ケーシングに固定され、前記回転体の外周面に向けて第１波長を有する光を出射する第１照射部と、
   前記ケーシングに固定され、前記回転体の外周面に向けて前記第１波長と異なる第２波長を有する光を出射する第２照射部と、
   前記回転体の外周面からの反射光を、前記第１波長に対応する透過帯域を有する第１フィルタ部を介して受光する第１受光部と、
   前記回転体の外周面からの反射光を、前記第２波長に対応する透過帯域を有する第２フィルタ部を介して受光する第２受光部と、
   前記第１受光部及び前記第２受光部の受光結果に基づいて、前記第１受光部及び前記第２受光部における前記回転体の検出タイミングの時間差に基づいて前記クリアランスを計測する計測部と、
   を備え、
   前記第１受光部は、前記第１照射部から照射された光による前記外周面からの正反射光が受光可能なように配置され、
   前記第２受光部は、前記第２照射部から照射された光による前記外周面からの正反射光が受光可能なように配置され、
   前記第１受光部及び前記第２受光部は、互いの光軸が交差するように配置され、
   前記ケーシングの長手方向に平行で、且つ、前記第１受光部及び前記第２受光部の光軸の交点を通る基準線から見て、前記第１照射部は前記第２受光部側に配置され、前記第２照射部は前記第１受光部側に配置される、クリアランス計測装置。
2. 前記第１受光部及び前記第２受光部は、互いの前記光軸が前記ケーシングの内部空間を外部から隔離する隔離壁の内表面上で交差するように配置される、請求項１に記載のクリアランス計測装置。
3. 前記第１照射部は、前記第１照射部の光路上に配置され、前記第１波長に対応する励起波長を有する第１蛍光体を含み、
   前記第２照射部は、前記第２照射部の光路上に配置され、前記第２波長に対応する励起波長を有する第２蛍光体を含む、請求項１又は２に記載のクリアランス計測装置。
4. 前記第１蛍光体及び前記第２蛍光体は、前記外周面からの反射光が、前記第１蛍光体及び前記第２蛍光体に干渉することなく通過可能なように互いに間隔を隔てて配置されている、請求項３に記載のクリアランス計測装置。
5. 前記第１照射部及び前記第２照射部には、共通の光源部から出力される光源光が光カプラによって分光されて供給される、請求項３又は４に記載のクリアランス計測装置。
6. 前記第１照射部には第１光源部から出力され、前記第１波長を有する光源光が供給され、
   前記第２照射部には第２光源部から出力され、前記第２波長を有する光源光が供給される、請求項１又は２に記載のクリアランス計測装置。
7. 前記第１照射部、前記第２照射部、前記第１受光部及び前記第２受光部は、隔離壁を介して前記ケーシングの内部空間に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載のクリアランス計測装置。
8. 前記第１照射部及び前記第２照射部の光路上に拡散板が配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載のクリアランス計測装置。
9. 前記第１照射部及び前記第２照射部は、複数の光ファイバを含む光ファイバ集合体である、請求項１から７のいずれか一項に記載のクリアランス計測装置。
10. 円筒形状を有するケーシングの内周面と、前記ケーシング内を回転する回転体の外周面と、の間に形成されるクリアランスを検知するためのクリアランス計測センサであって、
    前記ケーシングに固定可能なセンサ本体と、
    前記センサ本体の内部空間に収容され、前記回転体の外周面に向けて第１波長を有する光を出射する第１照射部と、
    前記センサ本体の内部空間に収容され、前記回転体の外周面に向けて前記第１波長と異なる第２波長を有する光を出射する第２照射部と、
    前記センサ本体の内部空間に収容され、前記回転体の外周面からの反射光を、前記第１波長に対応する透過帯域を有する第１フィルタ部を介して受光する第１受光部と、
    前記センサ本体の内部空間に収容され、前記回転体の外周面からの反射光を、前記第２波長に対応する透過帯域を有する第２フィルタ部を介して受光する第２受光部と、
    を備え、
    前記第１照射部は、前記第１照射部の光路上に配置され、前記第１波長に対応する励起波長を有する第１蛍光体を含み、
    前記第２照射部は、前記第２照射部の光路上に配置され、前記第２波長に対応する励起波長を有する第２蛍光体を含み、
    前記第１受光部は、前記第１照射部から照射された光による前記外周面からの正反射光が受光可能なように配置され、
    前記第２受光部は、前記第２照射部から照射された光による前記外周面からの正反射光が受光可能なように配置され、
    前記第１受光部及び前記第２受光部は、互いの光軸が交差するように配置され、
    前記ケーシングの長手方向に平行で、且つ、前記第１受光部及び前記第２受光部の光軸の交点を通る基準線から見て、前記第１照射部は前記第２受光部側に配置され、前記第２照射部は前記第１受光部側に配置される、クリアランス計測センサ。
11. 円筒形状を有するケーシングの内周面と、前記ケーシング内を回転する回転体の外周面と、の間に形成されるクリアランスを計測するためのクリアランス計測方法であって、
    第１照射部及び第２照射部から前記回転体の外周面に向けて第１波長を有する光と、前記第１波長と異なる第２波長を有する光とをそれぞれ出射するステップと、
    前記回転体の外周面からの反射光の正反射光成分を、前記第１波長に対応する透過帯域を有する第１フィルタを介して第１受光部によって受光するとともに、前記第２波長に対応する透過帯域を有する第２フィルタを介して第２受光部によって受光するステップと、
    前記第１波長を有する光の反射光の検出タイミングと、前記第２波長を有する光の反射光の検出タイミングとの時間差に基づいて前記クリアランスを計測するステップと、
    を備え、
    前記第１受光部及び前記第２受光部は、互いの光軸が交差するように配置され、
    前記ケーシングの長手方向に平行で、且つ、前記第１受光部及び前記第２受光部の光軸の交点を通る基準線から見て、前記第１照射部は前記第２受光部側に配置され、前記第２照射部は前記第１受光部側に配置される、クリアランス計測方法。

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