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JP-2026077687-A - 回転シャフトの回転位置を測定するための画像ベースのセンサ

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Abstract

【課題】一般に、回転機械に関し、より詳細には、回転機械の回転位置を判定し、並びに／又は回転機械の速度及びトルクを測定するための非接触センサシステムに関する。 【解決手段】非接触センサは、回転可能なシャフトの表面の一部の画像データを取得するように構成された画像センサと画像センサに通信可能に結合された電子制御ユニットと、を含む。電子制御ユニットは、画像センサから複数のフレームを有する画像データを受信して、画像データを電子制御ユニットのメモリ要素に記憶し、画像データの第１フレームに現れる１つ以上の表面特徴と、画像データの第２フレームに現れる同一の１つ以上の表面特徴との間の画像空間の変化を判定し、変化と、画像空間と物体空間との間で定量的に特徴付けられた関係に基づいて、画像データの第２フレームのキャプチャ時における回転シャフトの回転位置を決定し、回転シャフトの回転位置を記憶する。 【選択図】図１

Inventors

  • マイケル ラトバーグ

Assignees

  • シーエーエムエックス パワー リミティド ライアビリティ カンパニー

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20260206
Priority Date
20210223

Claims (20)

  1. 回転シャフトの表面の一部の画像データをキャプチャするように構成されている画像センサと、 前記画像センサに通信可能に結合された電子制御ユニットであって、 複数の画像フレームを備える画像データを前記画像センサから受信して、前記画像データを前記電子制御ユニットのメモリ要素に記憶し、 前記画像データの第１フレームに現れる１つ以上の表面特徴と、前記画像データの第２フレームに現れる同一の１つ以上の表面特徴との間の画像空間内での変化を判定し、 前記変化及び画像空間と物体空間との間で定量的に特徴付けられた関係に基づいて、前記画像データの前記第２フレームのキャプチャ時における前記回転シャフトの回転位置を判定し、 前記画像データの前記第２フレームの前記キャプチャ時における前記回転シャフトの前記回転位置を、前記電子制御ユニットの前記メモリ要素に記憶する、よう構成されている電子制御ユニットと、を備える 非接触センサ。
  2. 前記画像データの前記第２フレームは、前記画像データの前記第１フレームがキャプチャされる回転に続く前記回転シャフトの回転中にキャプチャされる、請求項１に記載の非接触センサ。
  3. 前記回転シャフトの表面を斜めに照明するように構成された照明装置をさらに備え、前記画像センサは、前記回転シャフトの前記照明された表面の一部から画像データをキャプチャするよう構成されている、 請求項１に記載の非接触センサ。
  4. 前記回転シャフトの表面に衝突する前記照明装置から放射された光の光路の入射角は、衝突点における前記回転シャフトの表面に接する平面に対して３５度から５５度の間である、請求項３に記載の非接触センサ。
  5. 前記照明装置は、１．０ｍｍ 2 より大きい発光面積を有するＬＥＤである、請求項３又は４に記載の非接触センサ。
  6. 前記照明装置は、約６１０ｎｍと約６７０ｎｍとの間の中心波長を有する光を放射する、請求項３又は４に記載の非接触センサ。
  7. 前記照明装置は、前記照明装置から前記回転シャフトの表面に放射される光の光路を形成する１つ以上の光学素子を介して、前記回転シャフトの表面を斜めに照明し、前記１つ以上の光学素子は、非球面屈折レンズ要素、両凸若しくは平凸球面屈折レンズ要素、又はミラー要素のうちの少なくとも１つを含む、請求項３又は請求項４に記載の非接触センサ。
  8. 前記電子制御ユニットはさらに、 前記画像データの前記第１フレームのキャプチャ時における前記回転シャフトの回転位置と、前記画像データの前記第２フレームの前記キャプチャ時における前記回転シャフトの回転位置との間の前記回転シャフトが横断する回転距離、及び前記画像データの前記第１フレームの取得時間と前記画像データの前記第２フレームの取得時間との間の経過時間に基づいて前記回転シャフトの回転速度を計算し、 前記回転速度を前記電子制御ユニットの前記メモリ要素に記憶する、よう構成されている、 請求項１－４のいずれか１項に記載の非接触センサ。
  9. 前記経過時間は、前記第１フレームから前記第２フレームまでのフレーム数及び前記画像センサのフレームレートに基づいて判定される、請求項８に記載の非接触センサ。
  10. 前記画像センサは、モノクロＣＭＯＳ画像センサである、請求項１－４のいずれか１項に記載の非接触センサ。
  11. 前記画像センサは、赤色から近赤外スペクトル範囲での応答が増強されたモノクロＣＭＯＳ画像センサである、請求項１－４のいずれか１項に記載の非接触センサ。
  12. 前記画像センサの光路は、前記回転シャフトの表面上の衝突点において、前記回転シャフトの半径を名目上たどる、請求項１－４のいずれか１項に記載の非接触センサ。
  13. 前記画像センサの画素配列は、前記画像センサからの画像データの列が前記回転シャフトの回転方向と名目上一列に並ぶよう、整列されている、請求項１－４のいずれか１項に記載の非接触センサ。
  14. 前記画像センサの画素配列は、複数の画素を備え、前記電子制御ユニットによって受信される前記画像データは、前記画素配列の複数の前記画素の総数よりも少ない数により定められる、請求項１－４のいずれか１項に記載の非接触センサ。
  15. 複数の画像フレームを備える画像データを画像センサから受信して、前記画像データを電子制御ユニットのメモリ要素に記憶し、 前記画像データの第１フレームに現れる１つ以上の表面特徴と、前記画像データの第２フレームに現れる同一の１つ以上の表面特徴との間の画像空間内での変化を判定し、 前記変化及び画像空間と物体空間との間で定量的に特徴付けられた関係に基づいて、前記画像データの前記第２フレームのキャプチャ時における回転シャフトの回転位置を判定し、 前記画像データの前記第２フレームの前記キャプチャ時における前記回転シャフトの前記回転位置を、前記電子制御ユニットの前記メモリ要素に記憶する、 方法。
  16. 前記画像データの前記第１フレームのキャプチャ時における前記回転シャフトの回転位置と、前記画像データの前記第２フレームの前記キャプチャ時における前記回転シャフトの回転位置との間の前記回転シャフトが横断する回転距離、及び前記画像データの前記第１フレームの取得時間と前記画像データの前記第２フレームの取得時間との間の経過時間に基づいて前記回転シャフトの回転速度を計算し、 前記回転速度を前記電子制御ユニットの前記メモリ要素に記憶する、 ことをさらに備える、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記経過時間は、前記第１フレームから前記第２フレームまでのフレーム数及び前記画像センサのフレームレートに基づいて判定される、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記画像センサは、モノクロＣＭＯＳ画像センサである、請求項１５－１７のいずれか１項に記載の方法。
  19. 前記画像センサは、赤色から近赤外スペクトル範囲での応答が増強されたモノクロＣＭＯＳ画像センサである、請求項１５－１７のいずれか１項に記載の方法。
  20. 前記画像センサの画素配列が、前記画像センサからの画像データの列が前記回転シャフトの回転方向と名目上一列に並ぶよう、整列されている、請求項１５－１７のいずれか１項に記載の方法。

Description

（政府による支援宣言） 本発明の一部は、海軍省によって授与された契約番号Ｎ６８３３５－１６－Ｃ－０４９５の下で、政府の支援を受けて作成された。政府は、本発明に一定の権利を有する。 （関連出願への相互参照） 本出願は、２０２１年２月２３日に出願された「IMAGE-BASED SENSOR FOR MEASURING ROTATIONAL POSITION OF A ROTATING SHAFT」と題する米国特許出願第１７/１８３０６８号、及び２０２０年４月２３日に出願された「IMAGE-BASED SENSOR FOR MEASURING ROTATIONAL POSITION OF A ROTATING SHAFT」と題する米国特許仮出願第６３/０１４２３６号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。 本明細書は、一般に、回転機械に関し、より詳細には、回転機械の回転位置を判定し、並びに／又は回転機械の速度及びトルクを測定するための非接触センサシステムに関する。 回転シャフトの瞬間的な回転位置を正確に測定することは、基本的な検出機能である。シャフト回転位置データストリームを数値的に微分して、瞬間的なシャフト回転速度の測定値を得ることができる。トルクが掛かっている回転シャフト上の軸方向に離れた２点からの回転位置データストリームを使用して、瞬間的なねじりシャフトのたわみを計算することができる。トルクとシャフトのねじりたわみとの間の量的な関係が特徴付けられている場合、ねじりシャフトのたわみを使用して、シャフト上の瞬間的なトルクを計算することができる。 回転機械における瞬間的なシャフト回転位置、回転速度及びトルクの測定は、条件に基づく保守のための部品使用のトラッキング及び異常検出、事象診断、同期自動化、リアルタイム制御のためのフィードバック、並びにシステムダイナミクスの特徴付けを含むが、これらに限定されない用途を有する。 シャフトの回転位置、回転速度及び／又はトルクを測定するための、種々の確立された実験的検出技術がある。これらは、磁気及び光学エンコーダ、レゾルバ、ホール効果センサ、歪みゲージ、可変磁気抵抗センサ、渦電流センサ、磁歪センサ、並びに表面弾性波センサを含む。しかしながら、これらの技術はいずれも、回転体自体に部品を取り付ける必要があり、並びに／又は回転シャフトの材料及び／若しくは設計上の制約を必要とする。 既存の技術によって課される要件及び制限は、いくつかの用途には実用的ではない。このような用途の一例は、既存の航空機駆動シャフトであり、回転体に何らかの変更を加えると、コストの掛かるプロセス変更及び再認定試験を必要とする。したがって、瞬間的な回転位置を測定することができ、さらに、回転シャフトを形成する材料に関係なく、変更されていない回転シャフトの回転速度及びトルクを判定することができる非接触センサが必要とされている。 以下の要約は、本開示に特有の革新的な特徴のいくつかの理解を容易にするために提供され、完全な説明であることを意図するものではない。明細書、特許請求の範囲、図面及び要約を全体として捉えることによって、本開示の様々な態様を充分に理解することができる。 第１の態様において、非接触センサは、回転シャフトの表面の一部の画像データをキャプチャするように構成された画像センサと、回転シャフトの表面の一部の画像データをキャプチャするように構成されている画像センサと、前記画像センサに通信可能に結合された電子制御ユニットを含む。前記電子制御ユニットは、複数の画像フレームを備える画像データを前記画像センサから受信して、前記画像データを前記電子制御ユニットのメモリ要素に記憶し、前記画像データの第１フレームに現れる１つ以上の表面特徴と、前記画像データの第２フレームに現れる同一の１つ以上の表面特徴との間の画像空間内での変化を判定し、前記変化及び画像空間と物体空間との間で定量的に特徴付けられた関係に基づいて、前記画像データの前記第２フレームのキャプチャ時における前記回転シャフトの回転位置を判定し、前記画像データの前記第２フレームの前記キャプチャ時における前記回転シャフトの前記回転位置を、前記電子制御ユニットの前記メモリ要素に記憶する、よう構成されている。 いくつかの態様では、方法は、複数の画像フレームを備える画像データを画像センサから受信して、前記画像データを電子制御ユニットのメモリ要素に記憶し、前記画像データの第１フレームに現れる１つ以上の表面特徴と、前記画像データの第２フレームに現れる同一の１つ以上の表面特徴との間の画像空間内での変化を判定し、前記変化及び画像空間と物体空間との間で定量的に特徴付けられた関係に基づいて、前記画像データの前記第２フレームのキャプチャ時における回転シャフトの回転位置を判定し、前記画像データの前記第２フレームの前記キャプチャ時における前記回転シャフトの前記回転位置を、前記電子制御ユニットの前記メモリ要素に記憶する。 いくつかの態様では、システムは、演算装置に通信可能に結合された第１非接触センサ及び第２非接触センサを含む。前記第１非接触センサは、回転シャフトの表面の第１部分の画像データをキャプチャするように構成されている第１画像センサを含み、前記第２非接触センサは、前記回転シャフトの表面の第２部分の画像データをキャプチャするように構成されている第２画像センサを含み、前記第１部分及び前記第２部分は、前記回転シャフトに沿って軸方向に分離される。前記演算装置はさらに、第１画像データを前記第１画像センサから受信し、第２画像データを前記第２画像センサから受信し、前記第１画像データ及び前記第２画像データはそれぞれ複数の画像フレームを備え、前記第１画像データの第１フレームに現れる１つ以上の表面特徴と、前記第１画像データの第２フレームに現れる同一の１つ以上の表面特徴との間の画像空間内での第１変化を判定し、前記第１変化及び前記第１画像センサの画像空間と物体空間との間で定量的に特徴付けられた第１関係に基づいて、前記第１画像データの前記第２フレームのキャプチャ時における前記回転シャフトの第１回転位置を判定し、前記第２画像データの第１フレームに現れる１つ以上の表面特徴と、前記第２画像データの第２フレームに現れる同一の１つ以上の表面特徴との間の画像空間内での第２変化を判定し、前記第２変化及び前記第１画像センサの画像空間と物体空間との間で定量的に特徴付けられた第２関係に基づいて、前記第２画像データの前記第２フレームのキャプチャ時における前記回転シャフトの第２回転位置を判定し、前記回転シャフトの前記第１回転位置と前記第２回転位置との間の角度差を計算し、これにより、前記回転シャフトの前記第１部分と前記第２部分との間の前記回転シャフトのねじりたわみを判定し、前記回転シャフトの前記ねじりたわみを前記演算装置のメモリ要素に記憶する、よう構成されている。 本明細書に記載された態様によって提供されるこれらの及び追加の目的及び利点は、図面と共に以下の詳細な説明を考慮してより完全に理解されるであろう。 [0013]図面に記載された実施形態は、例示的かつ典型的なものであり、特許請求の範囲によって規定される主題を限定することを意図するものではない。例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同じ参照番号で示され、以下の図面と関連して読まれることで理解することができる。 本明細書に示され説明される１つ以上の実施形態による、回転シャフトの回転位置を測定するための非接触センサの例示的な概略図である。本明細書に示され説明される１つ以上の実施形態による、共通の回転シャフトに沿って又は異なる回転シャフトに沿って回転位置を測定するための複数の非接触センサを実装する例示的なシステムを示す図である。本明細書に示され説明される１つ以上の実施形態による、非接触センサによって照明され、撮像される表面に沿った回転シャフトの例示的な平面図である。本明細書に示され説明される１つ以上の実施形態による、異なる回転位置で回転シャフト上の表面特徴をキャプチャする第１画像フレーム及び第２画像フレームの例示図である。本明細書に示され説明される１つ以上の実施形態による、画素配列内に配置された複数の画素を有する画像センサの例示図である。本明細書に示され説明される１つ以上の実施形態による、回転シャフトの回転位置及び回転シャフト上のトルクを測定するために、２つの別個の軸方向に分離された部分で監視される回転シャフトの例示的な平面図を示す図である。 本明細書に記載の装置、システム、及び方法は、一般に、回転シャフトの回転位置を測定するための非接触センサに関し、任意に、回転シャフトの表面上の領域を照明する照明装置を含み、照明装置からの光は回転シャフトの表面に斜めに入射するようになっている。画像センサ及び関連する結像光学系は、画像センサの視野が回転シャフトの表面の一部を含むように、任意には照明された領域内にあるように、光路を形成するように配置される。電子制御ユニットは、電子制御ユニットが画像センサから複数の画像フレームを備える画像データを受信して記憶するように、画像センサに通信可能に結合されている。電子制御ユニットは、１つ以上の信号処理アルゴリズム及び／又は画像処理アルゴリズムを実行して、複数の画像フレームにわたって回転シャフトの表面上の表面特徴を追跡する。電子制御ユニットは、本明細書に記載されるように、画像データの第１フレームに現れる１つ以上の表面特徴と、画像データの第２フレームに現れる同一の１つ以上の表面特徴との間の画像空間内での変化に基づいて、及び画像空間と対象空間との間で定量的に特徴づけられた関係に基づいて、回転シャフトの回転位置を計算し、かつメモリ要素内に出力及び／又は記憶する。回転シャフトの回転位置を判定するために使用される表面特徴は、自然に発生するか、偶発的に生成されるか、又は意図的に生成される。例えば、限定するものではないが、表面の特徴は、回転シャフトの製造及び／又は使用から生じる可能性のある、機械加工痕、塗装若しくは他の表面仕上げの欠陥、条痕、流線、変色等であってもよい。 次に、回転シャフトの回転位置を測定するための非接触センサについてより詳細に説明する。 ここで、同様の番号が同様の構造を示す図面を参照して、特に図１を参照すると、一実施形態による回転シャフト位置を判定するための例示的な非接触センサ100が示される。図示の非限定的な実施形態では、非接触センサ100は、照明装置駆動回路112によって駆動され、照明光学系113によって回転シャフト190の表面上に光路114に沿って集束された照明装置111を含み、光路114は、衝突点で表面に接する平面に対して斜めの入射角115で衝突する。非限定的な例として、入射角115は３５度と５５度との間であってもよい。いくつかの実施形態では、入射角は、０度より大きく９０度未満であってもよい。いくつかの実施形態では、入射角は、約５度、約１０度、約１５度、約２０度、約２５度、約３０度、約３５度、約４５度、約４５度、約６０度、約６５度、約７０度、約７５度、約８０度、約８５度、又は１度と８９度との間の任意の角度であってもよい。 照明装置111は、単色又は白色光ＬＥＤ又はＬＥＤアレイ、ダイオードレーザ、ファイバレーザ、及び白熱電球を含むが、これらに限定されない１つ以上の発光装置を備える。照明光学系113は、非球面屈折レンズ要素、両凸又は平凸球面屈折レンズ要素、他のレンズ、プリズム、ミラー、光ファイバ及びホログラフィック光学素子を含むが、これらに限定されない、照明装置111からの光を回転シャフト190の表面に向ける１つ以上の光学素子を備える。 非限定的な例として、照明装置111は、Ｌｕｍｉｎｕｓ ＳＳＴ－９０－Ｒなど、６１０ｎｍと６７０ｎｍとの間