JPH01269060A - 回転速度検出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転速度を感知するための、例えばタービン
内及びタービンそのものの回転速度を検出するためのも
のである。

米国特許第４．６３７，２６４号で高橋他は、それぞれ
半径方向に光学格子を有する１対の回転板を使用した光
学トルク検出器を開示している。トルクの変化は光学格
子の半径方向の内側と外側との区域の間でのモアレ光線
縞パターンの変位から検出される。

米国特許第３，８８６　、３５４号でスイーデン（Ｓｗ
ｉｄｅｎ）他は、車の車輪の如き回転装置の速度を光学
的に走査する装置を開示しており、回転ディスクブロッ
クの不透明及び透明域を外周に交互に置いて、光線を発
信する。

米国特許第４，６２４，５７０号でベルトリニ（Ｂｅｒ
ｔｏｌｌｉｎｉ）は、目標に隣接した液体内にお互いに
４５°の端面で置かれた入力及び出力光学繊維を有し、
入力繊維から出力繊維へ光が反射される繊維光学表示感
知器を開示している。

米国特許第４，７０４．５２３号で内円は、複数の光ト
ランスミッションと光保護域とを備えた回転板を有する
光学回転エンコーダ装置を開示している。

本発明によれば、部材の回転によって周期的に遮断され
る経路内を進む電磁放射線を用い、可視放射線には不透
過であるが赤外線放射線は透過する材料が該経路内にあ
り、電磁放射線が赤外線放射線であることを特徴とする
部材の回転速度を検出する方法が提供される。

本発明によれば又、速度に依存する信号を創出するよう
に、電磁放射線に関する予め定められた経路を遮断する
ために周期的に配置され、且つ可視光線不透過材料の被
覆が該経路中にあり、そして電磁放射線が該被覆によっ
て実質上減衰されないような波長の赤外線放射線である
ことを特徴とする回転部材の速度を感知するための速度
検出器が提供される。

繊維の光学的速度検出装置と方法、及びタービンエンジ
ン等、本発明に関する全ては、添付図を参照して、以下
例として詳述する。

〔実施例〕

概括的には、述べられる装置での赤外線の放射線は、タ
ービンエンジン駆動シャフトの回転速度を監視するため
に、該シャフトに隣接して置かれたｆｌＪｌ斜端を有す
るそれぞれ光学繊維を貫通される。

赤外線放射線は人力光学繊維を通ってチョッパ（ｃｈｏ
ｐｐｅｒ）に隣接配置された傾斜端に連続発信される。

チョッパはタービンエンジンのコンプレッサー駆動シャ
フトに据付けられている。切り刻まれた、即ちチョップ
された赤外線放射線は、監視システムに結合された出力
繊維の傾斜端へ通される。タービンエンジンの運転中、
光学繊維の傾斜端とチョッパとは、オイル、燃焼ガス、
及びその上の被覆を形成する粒子にさらされる。タービ
ンエンジンは通例約３００°Ｆ以上の温度で運転する。

回転速度の監視の正確さは光学繊維の端部に形成する炭
素質コーティングによって大きく減少されることはない
、このコーティング（被覆）は可視光には不透過である
が赤外線放射線には透過性である。

第１図でのより明確な参照では、タービンエンジン１０
がシャフト１４上に据付けられたコンプレッサーブレー
ド１２を包含して示されている。

タービンブレード１６はシャフト１４上に据付けられて
いる。燃料１８はポンプ２２によって燃料タンク２０か
ら燃料ライン２４を通って燃焼室２６内に供給され、そ
こで圧縮空気と共に燃やされる。燃料の燃焼生成物は、
シャフト１４とシャフト１４上に据付けられたコンプレ
ッサーブレード１２とを回転するタービンブレード１６
を横断して排出される。

空気は燃焼室２６内に搬入される前にコンプレッサーブ
レード１２によって圧縮される。速度怒知器２８はシャ
ツ１−１４の回転速度を監視する。

歯３０が、赤外線放射線発射ダイオード３０から放射さ
れ、且つ入力光学繊維３４を通って運ばれる赤外線放射
線の連続光線を切り刻む、チョッ六歯３０に隣接する光
学繊維３４の端部は、シャフト１４を横切って放射線を
反射するために繊維３４の中心軸に対して約４５°に傾
斜されている。

第２図は光学繊維３４及び３８に隣接したシャフト１４
上の歯３０の拡大図である。歯３０は、入力光学繊維３
４の４５°１頃斜端部から繊維３８の中心軸に対して４
５°で傾斜された出力光学繊維３８の端面４２へ反射さ
れている赤外線の放射線を中断するチョッパとして作用
する。光学繊維に４５°１頃斜した端部を使用すること
で、狭いスペースでの繊維の使用が可能となり、回転速
度監視に必要なスペースを減少する。端面４２の平面と
端面４０の平面とは約９０＠の角度で交わる。繊維３４
と３８とは金属管７０内で治具（ｊｉｇ）７２によって
支えられている。

入力光学繊維の４５°傾斜端部に隣接した下面４０゛は
、赤外線放射線が実質上発散することなしに出力光学繊
維の平面４２′に進むことを可能にする。従って、赤外
線放射線の照準は平面４０゛と４２゛とによって維持さ
れる。光学繊維は円筒壁を有しているので、放射線は若
し平面４０゛と４２゛がなければ焦点合せされるだろう
。このような放射線の焦点合せは、出力繊維が放射線の
焦点にある平面の近（に置かれることが必要となるよう
に、システムの構成の実用性を実質上よケ杉な（するだ
ろう。

本発明の好適実施例では、赤外線放射線は光学繊維３４
を通って繊維３４の中心軸に４５°の角度で傾斜した面
４０に進む。面４０から、反射された赤外線放射線は繊
維３４を横切って平面４０゛を通って進む、平面４０”
と４２”の面は、実質上平行であり、そして面４０から
反射される赤外線放射線によって約９０″′の角度で和
文わる。下面４２゛を通過した後、赤外線放射線は傾斜
面４２から出力光学繊維３８内へ屈折される。

チョッパ歯３０はシャフト１４の回転軸から等距離に位
置決めされている。歯３０のそれぞれは、等長であり、
且つ隣接歯がそれぞれから等距離である。歯３０によっ
て切り刻まれる赤外線放射線はタービンガス体３６を貫
通して出力光学繊維３８中に進む。

切り刻まれた、即ちチョップされた赤外線放射線は、光
学繊維の傾斜端４０及び４２に関して、炭素質被覆又は
オイルのフィルム及びタービンガス体からの燃焼生成物
によっては重大な障害を受けない。可視光線に関して、
炭素質被覆の不透過性は記述される本システムでその使
用を実質上効力無くするか非実用的にする。光学繊維３
日からの切り刻まれた赤外線放射線は、カウンター４８
に電気導線４６で接続されている光ダイオード４４によ
って電流に変換される。カウンター４８は電気導線５０
によってエンジン速度表示盤５２（第１図）に接続され
ている。

作業員は表示盤５２を見ることによってシャフト１４の
回転速度を視覚的に観察出来る。作業員は駆動シャフト
１４の速度を変化させるために、燃焼室２６への燃料の
容積測定流速が調整出来る。

カウンター４８は電気導線５４によってコンパレータ（
比較測定器）に接続されており、そして当面の制限回転
速度とシャフト１４の回転速度とを比較する。該制限値
は経験に基いて設定され、制限値はその速度が或限界に
到達するか超過すればシャフト１４が破損する速度であ
る。駆動シャフトの回転速度が所定制限に達した時、コ
ンパレータ５６はポンプ２２のスイッチを開くために電
気導線５日を通して信号を伝え、導管２４内の燃料の流
れを止めるためにポンプを止める。この事は、更にエン
ジンに対するｔｌ傷、例えば正常運転及び設計限界の速
度よりはるかに過大な回転速度によってブレード１６が
破損することを防止する。

第２図に関するより詳細な参照で、入力繊維３４と出力
繊維３８とが金属管７０内で治具７２によって保持され
ており、そこで治具７２は、繊維を貫通する通路と歯３
０に適応させるために機械加工された溝とを備えたアル
ミニウムの如き金属で好適に製造されたブロックである
。繊維が通路内へにかわずけされた後、突出している繊
維端部は、光学繊維の中心軸に対して４５°の角度をな
す治具７２の下面と同一平面とするために研磨仕上げさ
れる。

赤外線放射線（ＩＲ）の源３２が赤外線放射線を供給す
る０例えば、９４０ｎｓ（ナノメータ）の赤外線を放射
するダイオードが放射線源内で入力繊維３４の端部に、
赤外線放射線を射入するために用いられ、そして入力繊
維を通して放射線が４５゜に研磨された面に伝わり、そ
の点で繊維の側面へ偏向されてタービンガス体３６内に
注がれる。歯３０が繊維の傾斜端面を通り過ぎて動く時
に、歯の間のスペースは出力繊維の傾斜端への赤外線放
射線の伝送を許す、繊維３４及び３８の傾斜端面４０及
び４２上のオイル及び燃焼生成物の存在は、実質上赤外
線放射線の伝送の邪魔をしない。傾斜端面４０及び４２
での温度は、タービンエンジンの運転中１４９℃（３０
０°Ｆ）より大となるだろう。このような温度では、傾
斜端面４０及び４２上でオイル及び燃焼生成物は可視光
線を透かさない炭素質フィルムを形成する。

好ましくは、本記述のシステムで用いられる赤外線放射
線は実質上７８０ｎｍ　（ナノメータ）より大きな波長
と３００．０ＯＯｎｓ＋より小さな波長の１つ又はそれ
以上から成っており、より好都合には、使用赤外線放射
線は実質上約８５０ｎｍ以上の波長と２００．０００ｎ
ｏ＋以下の波長の１つ又はそれ以上から成り立っている
。最も好ましくは、使用赤外線放射線は実質上約７８ｏ
ｎ−より大と約２．５００ｎｏ＋より小の１つ又はそれ
以上の波長から成っている。この最も好ましい範囲で、
９００ｎｍ以上の波長は好ましく、そして１．１１００
ｎ以上の波長は最も適している。

第３図は波長の関数として可視光線と赤外線放射線との
フィルムを通る強度の曲線を示している。

このフィルムはガラス板上に焼かれた炭素質残留物であ
る。炭素質残留物の焼かれたフィルムを通して伝導され
る光と赤外線放射線の強度は、可視光線（６００ｎｍ）
の波長から赤外線放射線（１、１０１００ｎの短波長ま
でに増大することを表わしている。約１．１００ｒｖか
ら３００．　ＯＯＯｎｍの波長を有する赤外線放射線は
、実質上完全にフィルムを通して伝導される。殆どない
が、非常に少ない可視光線がフィルムを４して伝導され
るが、しかし赤外線放射線はフィルムによっては実質上
妨害されない。

所定の運転温度に関して、極端なバックグラウンドノイ
ズ（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｎｏｉｓｅ）が、エンジン
１０から放射される黒体放射（ｂｌａｃｋ　ｂｏｄｙ　
ｒａｄｉａｔｉｏｎ）でのピークのあたりで高強度の赤
外線放射線波長の範囲内に存在する。赤外線放射線の放
射ダイオード３２から放射される波長の監視は、波長の
監視が極限のバックグラウンドノイズによって左右され
るので、この高い強力な波長の範囲内であってはならな
い。例えば、３００℃（５７２°Ｆ）のエンジン運転温
度では黒体放射でのピークが約５．０００ｎｍで生ずる
。従って、約４９００ｎｍから５１００ｎｍの範囲内で
の波長を放射する赤外線放射線源の使用は、ノイズで左
右される。しかしながら十分に低い、及び高いエンジン
運転温度では、４９００ｎｍから５１００ｎｍの範囲の
波長での波長監視の使用は、黒体放射からの妨害で左右
されることはない。

速度検査方法及び装置は取り巻く温度（例えば−１８℃
（０’Ｆ））での始動から３１６℃（６００°Ｆ）以上
の安定した運転温度までの全温度で作動する。好ましく
は、方法及びシステムは１４９℃（３００°Ｆ）以上で
作動される。より好適には、該方法及びシステムは２６
０℃（５００６Ｆ）以上で作動される。

本発明の他の特徴、利点、及び特有の実施例は、記述の
開示を読んだ後に通常の知識を働かせることにより容易
に明確になる。この事については、本発明の特有の実施
例がかなり詳細に記載されているとはいえ、これら実施
例の種々の変形例が、記載され、且つ請求された本発明
の範囲及び精神から外れることなしにもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の概略図であり；第２図は第１図の
装置でチョッパに隣接して保持された光学繊維の傾斜端
部の略示図であり、第３図は波長が６００ｎｍ　（可視
光線）から３００．０００ｎｍ　（赤外線）までで炭素
質残留フィルを通る可視光線と赤外線放射線の伝導強度
の曲線図である。 １０：タービンエンジン、 １２：コンプレッサーブレード、 １４：シャフト、　　　１６：タービンブレード１８：
燃料、　　　　２０：燃料タンク、２２：ポンプ、　　
　　２６：燃焼室、２８：速度感知器、　３０：歯、 ３２：赤外線放射線（ＩＲ）源、 ３４：入力光学繊維、３８：出力光学繊維、４０．４２
７傾斜端、　　４０′、４２’　：平面、４４：光ダイ
オード、４８：カウンター、５６：コンパレータ。 ＦＩＧ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、部材の回転によって周期的に中断される経路内を進
   む電磁放射線を用いる部材の回転速度の検出であって、
   可視光線に対しては不透過であるが赤外線放射線には透
   過性の材料が該経路内に存在し、そして電磁放射線が赤
   外線放射線であることを特徴とする回転速度検出方法。 ２、経路の内部及び隣接部の温度が約２６０℃である請
   求項１に記載の方法。 ３、赤外線放射線の波長が７８０ｎｍから２，５００ｎ
   ｍの間である請求項１に又は２に記載の方法。 ４、赤外線放射線の波長が９００ｎｍから１，１００ｎ
   ｍである請求項１に又は２に記載の方法。 ５、赤外線放射線の波長が７８０ｎｍから３００，００
   ０ｎｍである請求項１に又は２に記載の方法。 ６、赤外線放射線の波長が経路内に存在する黒体放射線
   の波長のピークよりも実質上低いか高く、それによって
   黒体放射線が赤外線放射線に有害な邪魔をしない請求項
   １から５までのいずれか１項に記載の方法。 ７、検出される速度を特定の速度と比較する段階を備え
   た請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。 ８、タービンエンジン（１０）内のシャフトの回転速度
   の検出に使用するために、速度依存信号を創出するよう
   に電磁放射線の予め定められた経路を周期的に中断する
   ためのチョッパ（３０）をシャフトが有し、材料がター
   ビン内で形成される炭素質の被覆又は堆積を含んでいる
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。 ９、速度依存信号を創出するように電磁放射線のための
   予め定められた経路を周期的に中断するために配置され
   た回転部材（１４）の速度を検出するものであって、該
   経路内には可視光線不透過材料の被覆が存在し、電磁放
   射線が該材料によって実質上減衰されないような波長の
   赤外線放射線であることを特徴とする回転速度検出装置
   。 １０、赤外線放射線の波長が経路内又は隣接部に存在す
   る黒体放射線のピーク波長と実質上異なっており、それ
   によって黒体放射線が、検出する電磁放射線に有害な邪
   魔をしない請求項９に記載の装置。 １１、経路の内部及び隣接部を取り巻く温度が約２６０
   ℃以上である請求項９又は１０に記載の装置。 １２、ハウジング（１０）、燃焼室（２６）、回転駆動
   シャフト（１４）、コンプレッサー（１２）、及び駆動
   タービン（１６）を含むタービンエンジンの形態であっ
   て、駆動シャフト（１４）と共に回転するチョッパ装置
   （３０）、電磁放射線の源（３２）と放射線の検出体（
   ３８）との間で予め定められた経路を限定する手段（４
   ０、４２、４０′、４２′）とを含み、該経路がチョッ
   パの回転によって中断されるべく位置決めされ、それに
   よって検出体（３８）がチョッパの回転速度に応じた信
   号を創出し、そして該材料が可視的に不透明な炭素質材
   料の堆積又は被覆である請求項９又は１０に記載の装置
   。 １３、チョッパ（３０）に隣接するハウジング内の温度
   が２６０℃より大である、請求項１２に記載の装置。 １４、電磁放射線の波長がエンジン内及びエンジンから
   放射される黒体放射線のピーク波長と実質上異なってお
   り、それによって該黒体放射線が経路内での電磁放射線
   に有害な妨害を与えない、請求項１２又は１３に記載の
   装置。 １５、該経路を限定する手段が入力光学繊維（３４）と
   出力光学繊維（３８）とを含み、該源（３２）が赤外線
   放射線を入力繊維（３４）の第１端に、その後その第２
   端を通って出力繊維（３８）の第２端へ、そしてその後
   後者の繊維（３８）の第１端に位置決めされた検出体（
   ４４）に供給し、チョッパが回転するように該２つの第
   ２端間で通過するために位置決めされている、請求項１
   ２から１４までのいずれか１項に記載の装置。 １６、繊維（３４、３８）の少なくとも１つの第２端が
   、源（３２）と検出体（４４）間で通過する赤外線放射
   線を偏向するような角度に各繊維（３４又は３８）の中
   心軸に対し角度付けされた面（４０又は４２）で終わっ
   ている、請求項１５に記載の装置。 １７、繊維（３４、３８）の少なくとも１つの第２端が
   平面（４０′又は４２′）を含み、該面を通して赤外線
   放射線が通過する請求項１６に記載の装置。 １８、１つ又は各平面が１つ又は各角度面（４０、４２
   ）に直接近接している請求項１７に記載の装置。 １９、両方の第２端が該平面（４０′、４２′）を含み
   、それらがお互いに平行である請求項１７又は１８に記
   載の装置。 ２０、該第２端のそれぞれが該角度面（４０、４２）を
   含み、角度面がお互いに９０°の角度である請求項１５
   から１９までのいずれか１項に記載の装置。 ２１、炭素質被覆が該第２端の１つ又はそれぞれの被覆
   である請求項１５から２０までのいずれか１項に記載の
   装置。 ２２、速度コンパレータ（５６）が現実の速度を予め定
   められた制限速度と比較するために応答する速度コンパ
   レータ（５６）と、そして現実の速度が制限速度を越す
   場合にエンジンへの燃料の供給を遮断するための手段（
   ５８）とで特徴づけられた請求項１５から２１までのい
   ずれか１項に記載の装置。 ２３、赤外線放射線の波長が約７８０ｎｍから３００，
   ０００ｎｍの間である請求項９から２２までのいずれか
   １項に記載の装置。 ２４、赤外線放射線の波長が約９００ｎｍから約１，１
   ００ｎｍの間である請求項２３に記載の装置。 ２５、赤外線放射線の波長が約７８０ｎｍから２，５０
   ０ｎｍの間である請求項２４に記載の装置。