JPH03125414A - 回転体中の損傷検出方法及びその方法に使用する圧電素子用回転トランス - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子（ピエゾ素子）を用いて回転体中に
おけるクランク、傷、金属疲労等の損傷を非接触により
検出する損傷検出方法及びその方法に適した圧電素子用
回転トランスに関する。

〔従来の技術〕

工作機械において切削加工の自動化や無人化を推し進め
るうえで、工具等の損傷状態を監視することが重要であ
る。従来、例えば、工作機械の工具等の回転体中におけ
るクラック、傷、金属疲労等の損傷を検出する方法には
、渦電流、Ｘ線、超音波等を用いる種々の方法がある。

これらの検出方法は、いずれも装置が大型化すると共に
、回転体の被測定部分に近接させるか、あるいは接触さ
せなければならない。従って、精度よくこれらの損傷を
検出することが困難である。特に、時間的経過中におい
て発生する金属疲労等を検出するためには、連続検出す
る必要があり、また高速回転体中において検出すること
は困難である。

これに対して、いわゆる圧電（ピエゾ）効果を利用した
圧電素子を用いた検出方法では、この圧電素子に所定の
電圧を印加して弾性波を発生させ、回転体中におけるク
ランク、傷、金属疲労等の損傷部分に与え、他の圧電素
子でその損傷部分を通過する弾性波を検出し、その検出
波の遅れ時間、波形歪、減衰量等により検出する方法が
ある。この方法は、圧電素子が小型にでき、検出感度も
すぐれている。

しかし、一般に固定側から回転体中に配置した圧電素子
に電力を供給し、かつ回転体中に配置した他の圧電素子
で損傷部分からの弾性波を電気信号に変換して固定側で
受信するために、固定側と回転側との電気信号の伝達手
段として機械的接触により行うスリップリング等を用い
る方法では、高速回転において雑音のために検出の信輔
性が低くなる。特に、受信においては、電圧が最低０．
１ｍＶレベルになるため、０．００５ｍＶ程度のいわゆ
る白色雑音（ホワイトノイズ）に対して、０．０１ｍＶ
程度までの検出が必要になる。

又、一般に加速度や振動等の測定に圧電素子を用いる場
合に、検出に使用する信号は、例えば、１０ｋＨｚ程度
の低共振周波数が多いが、このような低共振周波数を使
用したのでは、クラック、傷、金属疲労等の損傷を検出
するには、波長が長く分解能が低いため微小な変化量を
検出することが困難である。

〔発明が解決しようとする課題〕

すなわち、回転体中におけるクランク、傷、金属疲労等
の損傷の検出を圧電素子を用いてスリップリング等で行
う方法では、雑音のために検出の信軌性が低く、また、
弾性波の検出において、微小な変化量を検出することが
できなかった。

そこで本発明は、回転体中におけるクラック、傷、金属
疲労等の損傷状態を精度よく検出することができる回転
体中の損傷検出方法及びその方法に使用する圧電素子用
回転トランスを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、電圧供給回路から供給する矩形波信号を
、微分トランスの特性を持つ電圧供給用回転トランスを
介して、回転体中に配置した発信用圧電素子に供給し、
この発信用圧電素子で発生した弾性波を回転体中の損傷
部分に与え、この損傷部分を通る弾性波を同様に回転体
中に配置した受信用圧電素子で検出し、この検出信号を
電圧検出用回転トランスで検出することを特徴とする非
接触による回転体中の損傷検出方法及び磁路の２ケ所に
空隙を形成し、１次巻線に接する鉄芯と２次巻線に接す
る鉄芯とに分離した構造を有し、入力側インピーダンス
が１．２ＫΩ〜ＩＭΩの電圧供給回路、出力側インピー
ダンスが１０”Ω〜１ｏｌＯΩの発信用圧電素子に対し
、それぞれインピーダンス整合を有し微分トランスの特
性を持つ電圧供給用回転トランスと、前記と同様の構造
を有し、入力側インピーダンスが１０”Ω〜１０１０Ω
の受信用圧電素子、出力側インピーダンスが２０にΩ以
上の増幅器又は測定器に対し、それぞれインピーダンス
整合を有する電圧検出用回転トランスとを備えたことを
特徴とする圧電素子用回転トランスによって達成される
。

〔作用〕

本発明によれば、まず固定側の電圧供給回路の矩形波信
号が、電圧供給用回転トランスで微分波として回転体中
に配置した発信用圧電素子に供給され、ここで微分波が
弾性波に変換され、回転体中の損傷部分に与えられ、こ
の損傷部分を通過した弾性波が、同様に回転体中に配置
した受信用圧電素子により受信され、この受信信号を電
圧検出用回転トランスを介して固定側で検出することで
、非接触により回転体中の損傷を検出することができる
。また、圧電素子用回転トランスを、それぞれ入力側及
び出力側のインピーダンスを整合させた電圧供給用回転
トランスと電圧検出用回転トランスで構成したことで、
損傷の検出に適した圧電素子用回転トランスを実現でき
る。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の一実施例により具体的に説明する
。

第１図は本発明実施例の損傷検出方法を示す図である。

同図において、固定側に配置される電圧供給回路１１か
ら所定の送信波である電気信号が電圧供給用回転トラン
ス１２を介して回転体側に配置された発信用圧電素子１
３に与えられ、この発信用圧電素子１３から生じた弾性
波が回転体側の損傷部分である被測定対象１４を通り、
同じ回転体側に配置された受信用圧電素子１５で受信さ
れ、電気信号が電圧検出用回転トランス１６を介して固
定側に配置された電圧検出回路１７で検出される。そし
て、電圧供給回路１１から与えられる送信波に対し、電
圧検出回路１７で受信される検出波の遅れ時間、波形歪
、減衰量等を測定することで、被測定対象１４の損傷状
態が検出される。

以下、上記の検出方法と、その検出に適した電圧供給用
回転トランス１２及び電圧検出用回転トランス１６につ
いて詳細に説明する。

第２図は本発明実施例の電圧供給用及び電圧検出用の回
転トランスの構造を示す図である。

回転トランスは、内側鉄芯１２ａ　（１６ａ）と、外側
鉄芯１２ｂ　（１６ｂ）と、内側コイル１２ｃ（１６ｃ
）と、外側コイル１２ｄ　（１５ｄ）等とから構成され
ている。上記内側鉄芯１２ａ（１６ａ）は、外径部が段
差状に形成され、その小径部分に接して内側コイル１２
ｃ　（１６ｃ）が設けられ、また外側鉄芯１２ｂ　（１
６ｂ）は、内径部が段差状に形成され、大径部分に接し
て外側コイル１２ｄ（１６ｄ）が設けられている。また
、内側鉄芯１２ａ　（１６ａ）と外側鉄芯１２ｂ（１６
ｂ）には、コイルのリード線を引き出すための孔１２ｅ
（１６ｅ）　、　１２ｆ　（１６ｆ）が形成されている
。内側鉄芯１２ａ（１６ａ）と外側鉄芯１２ｂ（１６ｂ
）とは、それぞれ所定の空隙ｔ、ｔ＋を形成するように
組み合わされており、互いに接触することなく回転でき
、かつ分離できるように形成されている。

そして、まず、電圧供給回路１１では、分解能を良くす
るために、１５０ｋＨｚ程度の共振周波数の信号を用い
て信転性を高める必要がある。そのための、入力側の電
圧供給回路１１を構成する発振器のインピーダンスは低
く、また出力側は圧電素子（発信用圧電素子１３）であ
るため、１０８〜１０１０Ω程度の高インピーダンスで
ある。電圧供給回路１１から出力される送信波形は、矩
形波であり、その波形の立上がりに対するインパルスに
対応した材料の減衰カーブが得られる波形を生ずるよう
、いわゆる微分波形が必要となる。これらの要件に合わ
せ、入力側の電圧供給回路１１のインピーダンスが１．
２ＫΩ〜ＩＭΩで、出力側の発信用圧電素子１３のイン
ピーダンスが１０”〜１０１０Ωに対する微分トランス
が必要になる。一般に、微分トランスにおいて等価回路
は、第３図に示すように、抵抗値ｒの抵抗器Ｉ８と、並
列接続されたインダクタンスＬのコイル１９及び容量Ｃ
のコンデンサ２０とが接続された回路となる。そして、
入力電圧ｖ　（む）と出力電圧ｅ　（ｔ）の比（ｅ／Ｖ
）の値は、第４図に示すように、ｒと■−を固定したと
きのＣの変化に対する応答は、ｋの値により種々の波形
となることが知られている。なお、ここで に＝１／２　ｒ　・　（Ｌ／Ｃ）”” である。ここで必要な出力波形は、第４図においてに＝
ωのような波形である。これはコンデンサ２０の容量（
Ｃ）成分を小さくすることである。このことは１次巻線
（外側コイル１２ｄ）と２次巻線（内側コイル１２ｃ）
とを離して巻線する必要がある。本実施例の電圧供給用
回転トランス１２は、１次巻線と２次巻線が分離してい
るために理論的に０ は合っているが、より微分トランスの特性を引き出すた
めには、インダクタンス量を小さくしなければならない
。一般に、圧電素子を駆動するための発振器は、電圧出
力であり電流は２〜２０ｍＡ程度のため、この圧電素子
を駆動するためには、トランス自体のインピーダンスは
、１．２ＫΩ〜ＩＭΩで高くなければならない。そのた
めにある程度の巻線量が必要となるため、インダクタン
ス成分を低くさせ、リラクタンス成分を高くする必要が
ある。

本実施例の電圧供給用回転トランス１２は、磁路長を４
ｃｍ、空隙（ｔ、ｔ’　）を０．２ｍｍとし比較的太き
（とり、断面積を７．０９７２　ｃ　ｍ−２小さくして
、リラクタンス成分を比較的に高くするようにした。

第５図は本発明実施例の電圧供給用回転トランスの特性
を示す図である。

同図において、電圧供給回路１１の発振器から出力され
る矩形波が電圧供給用回転トランス１２Ｋ入力すると、
その矩形波の立ち上がり及び立ち下がりに対応した微分
波が得られ、この微分波を所定の材料に与えると、イン
パルスに対応した材料の減衰カーブが得られた。

次に、電圧検出用回転トランス１６に対しては、入力側
は、圧電素子（受信用圧電素子１５）であるため１０８
〜１０１０Ω程度の高インピーダンスであり、出力側は
電圧検出回路１７である検出器（測定用アンプ）のため
、２０にΩ程度の低インピーダンスである。そして、一
般に、圧電素子による検出において、圧電素子の特性か
ら等価回路は、第６図のように、出力電圧がＥｏで抵抗
値がＲＰ　　（ｌＯ１′〜１０Ｉ０Ω程度）の圧電素子
自身の抵抗器２１に、インピーダンス量Ｌｐの回転トラ
ンスのコイル２２が並列に接続され、この回転トランス
の出力側に負荷側の並列接続の容量ＣＬのコンデンサ２
３及び抵抗値がＲＬの抵抗器２４が接続されている。

ここで、出力電圧Ｅｏは負荷側の抵抗器２４の抵抗値Ｒ
！、によって決まる。コンデンサ２３の容量ＣＬは、負
荷容量とケーブル容量との和であり、高周波及び中間周
波の領域においては、負荷にかかる電圧Ｅ０はＣＬによ
って定まってしまい周波数に無関係であるが、低周波の
領域においては、負荷１ ２ にかかる電圧ＥｏはＣＬとＲＬの並列インピーダンスに
よって定まり周波数依存性であり、第７図に示すように
周波数にほぼ比例する。また、低周波数応答は、抵抗器
２４の負荷抵抗ＲＬの増加によってよくなる特性である
が、ここで受信用圧電素子１５の起電圧Ｅ。部分に挿入
される電圧検出用回転トランス１６は、受信用圧電素子
１５側を１次側とする電圧検出用回転トランスのコイル
によるインダクタンス量■、Ｐが並列に入った合成イン
ピーダンス量となる。

しかし、ここで本実施例の電圧検出用回転トランス１６
を挿入したことで、減衰及び圧電素子の特性を失っては
ならなく、圧電素子の特性として、その出力インピーダ
ンスは１００Ω以下であり、この条件において電圧検出
用回転トランス１６は、圧電素子に加わる周波数１５０
　ＫＨｚに対し、受信用圧電素子１５側の１次側を低イ
ンピーダンスにするために、インダクタンス量を低くす
る巻線とした。

これは、受信用圧電素子１５の抵抗器Ｒｐが十分に大き
な値のために、コイルの誘導リアクタンス量ＸＰと比較
したとき、Ｒｐ　）　Ｘ　ｐとなる。そして、合成イン
ピーダンスＩＺ１は、 Ｚ　ｌ　＝Ｒｐ　ＸＰ　／　（ＲＰ　”　＋Ｘｐ　２）
　””となり、ＲＰ　）　Ｘ　ｐの条件から、第８図に
おいて、ＺｌはＸＰに依存した量となる。従って、本実
施例の回転トランスを使用しない場合のインピーダンス
Ｍ１００Ωより小さくすることができる。また、２次側
は負荷として２０にΩ以上としてあり、この負荷に対し
て本実施例の電圧検出用回転トランス１６は、整合イン
ピーダンス特性を示すため、１次側での起電圧を損失を
少なくして２次側に伝達するトランスである。本実施例
の電圧検出用回転トランス１６は、磁路長を４．５ｃｍ
、空隙を０．１４ｍｍ、断面積を２．９９７　ｃ　ｍ−
２とした。

第９図及び第１０図は本発明実施例の電圧供給用回転ト
ランスと電圧検出用回転トランスをジェットエンジンの
ブレードの金属疲労の検出に使用したものである。

第９図において、３１は回転軸、３２は回転軸３１内に
設けられた電気部品などの収納部、３３は図示し３ ４ ないＡＥセンサに接続されるコネクタであり、電圧供給
用回転トランス１２の内側鉄芯１２ａは、回転軸３１の
外側にキー３４とナツト３５で固定された内側ケース３
６に取付けられ、また外側鉄芯１２ｂは、フランジ３７
に固定された外側ケース３Ｂに取付けられている。

また、第１０図において、４１は中空の回転軸、４２は
フランジ、４３はベアリング、４４はベアリングケース
、４５はフランジ４２Ｋ設けられた外部接続端子、４６
は回転軸４１の端部に設けられた中継端子であり、電圧
検出用回転トランス１６の内側鉄芯１６ａは、回転軸４
１の外径部分にベアリング４３とともに回転軸４１の端
部からベアリング抑え４７により固定され、また外側鉄
芯１６ｃは、ベアリングケース４４に固定されている。

上記構成では、回転体中に配置した２個の発振用圧電素
子１３及び受信用圧電素子１５と、電圧供給用回転トラ
ンス１２及び電圧検出用回転トランス１６を用いたため
に、非接触により回転体中の金属等のクラック、傷、金
属疲労等の損傷を非破壊で検査することができ、検出の
信頼性を向上できた。

また、圧電素子に１５０ｋＨｚ程度の共振周波数を使用
するため、より波長が短くなり分解能が高くなった。

なお、本実施例においては、ジェットエンジンのブレー
ドの金属疲労の検出を例に説明したが、本発明の適用範
囲はこれに限らず、工作機械の工具等を含む回転体中の
損傷状態について検出ができる。

〔発明の効果〕

以上説明した様に本発明によれば、固定側から供給する
矩形波信号を、電圧供給用回転トランスで回転体中の発
信用圧電素子に供給して弾性波を発生し、回転体中の損
傷部分に与え、この損傷部分を通過した弾性波を、同様
に回転体中に配置した受信用圧電素子で受信し、この受
信信号を電圧検出用回転トランスを介して固定側で検出
するため、非接触により回転体中の損傷を検出すること
ができる。また、圧電素子用回転トランスを、そ５ ６ れぞれ入力側及び出力側のインピーダンスを整合させた
電圧供給用回転トランスと電圧検出用回転トランスで構
成したため、損傷検出に適した圧電素子用回転トランス
を実現できる効果がある。

第９図は本発明実施例の金属疲労検出用の電圧供給用回
転トランス側を示す図、 第１０図は本発明実施例の金属疲労検出用の電圧検出用
回転トランス側を示す図である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の損傷検出方法を示す図、第２図
は本発明実施例の回転トランスの構造を示す図、 第３図は本発明実施例の微分トランスの等価回路図、 第４図は第３図のｒとＬを固定したときのＣの変化に対
する応答を示す図、 第５図は本発明実施例の微分トランスの特性を示す図、 第６図は本発明実施例の受信側の等価回路図、第７図は
第６図の負荷側の周波数応答特性を示す図、 第８図は第６図の圧電素子側の周波数応答特性を示す図
、 図中、 １１は電圧供給回路、 １２は電圧供給用回転トランス、 １３は発信用圧電素子、 １４は被測定対象、 １５は受信用圧電素子、 １６は電圧検出用回転トランス、 １７は電圧検出回路 を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電圧供給回路から供給する矩形波信号を、微分ト
   ランスの特性を持つ電圧供給用回転トランスを介して、
   回転体中に配置した発信用圧電素子に供給し、この発信
   用圧電素子で発生した弾性波を回転体中の損傷部分に与
   え、この損傷部分を通る弾性波を同様に回転体中に配置
   した受信用圧電素子で検出し、この検出信号を電圧検出
   用回転トランスで検出することを特徴とする非接触によ
   る回転体中の損傷検出方法。
2. （２）磁路の２ケ所に空隙を形成し、１次巻線に接する
   鉄芯と２次巻線に接する鉄芯とに分離した構造を有し、
   入力側インピーダンスが１．２ＫΩ〜１ＭΩの電圧供給
   回路、出力側インピーダンスが１０＾８Ω〜１０＾１＾
   ０Ωの発信用圧電素子に対し、それぞれインピーダンス
   整合を有し微分トランスの特性を持つ電圧供給用回転ト
   ランスと、 前記と同様の構造を有し、入力側インピーダンスが１０
   ＾８Ω〜１０＾１＾０Ωの受信用圧電素子、出力側イン
   ピーダンスが２０ＫΩ以上の増幅器又は測定器に対し、
   それぞれインピーダンス整合を有する電圧検出用回転ト
   ランスとを備えたことを特徴とする圧電素子用回転トラ
   ンス。