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【発明の名称】 多軸振動板型光ファイバ加速度センサ
【発明者】 【氏名】新藤 雄吾
【要約】 【課題】測定対象物が液体中の場合にも、その振動加速度を検出し、長期的な信頼性が得られ、コストのかからない多軸振動板型光ファイバ加速度センサを提供する。

【解決手段】多面体の筐体５６と、多面体の筐体５６の各面にそれぞれ取り付けられた振動板３０〜３５と、各振動板により支えられた錘５７と、各振動板の外側又は内側に取り付けられ、該振動板のたわみ振動により伸縮するファイバコイル４０〜４５とを備え、測定用レーザ光のパルスを、各振動板の互いに対向する位置に取り付けられたファイバコイルごとに、所定の遅延を持たせて導入し、各振動板の対向する位置に取り付けられたファイバコイルを通過したレーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の干渉光として出力する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 測定用レーザ光を多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部に入力し、該センサ部が印加された振動に基づき出力する干渉光を光・電気変換した後に復調処理して振動加速度を検出する振動板型光ファイバ加速度センサにおいて、前記多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部は、多面体の筐体と、前記多面体の筐体の各面にそれぞれ取り付けられた振動板と、前記各振動板により支えられた錘と、前記各振動板の外側又は内側に取り付けられ、該振動板のたわみ振動により伸縮する光ファイバとを備え、前記測定用レーザ光のパルスを、前記各振動板の互いに対向する位置に取り付けられた光ファイバごとに、所定の遅延を持たせて導入し、前記各振動板の対向する位置に取り付けられた光ファイバを通過した前記レーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の干渉光として出力することを特徴とする多軸振動板型光ファイバ加速度センサ。
【請求項２】 測定用レーザ光を多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部に入力し、該センサ部が印加された振動に基づき出力する干渉光を光・電気変換した後に復調処理して振動加速度を検出する振動板型光ファイバ加速度センサにおいて、前記多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部は、多面体の筐体と、前記多面体の筐体の互いに対向する面の一方の面にそれぞれ取り付けられた振動板と、前記各振動板により支えられた錘と、前記各振動板の外側及び内側に取り付けられ、該振動板のたわみ振動により伸縮する光ファイバとを備え、前記測定用レーザ光のパルスを、前記各振動板の外側と内側に取り付けられた光ファイバごとに、所定の遅延を持たせて導入し、前記各振動板の外側と内側に取り付けられた光ファイバを通過した前記レーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の干渉光として出力することを特徴とする多軸振動板型光ファイバ加速度センサ。
【請求項３】 測定用レーザ光を多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部に入力し、該センサ部が印加された振動に基づき出力する干渉光を光・電気変換した後に復調処理して振動加速度を検出する振動板型光ファイバ加速度センサにおいて、前記多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部は、多面体の筐体と、前記多面体の筐体の各面にそれぞれ取り付けられた振動板と、前記各振動板により支えられた錘と、前記各振動板の外側及び内側に取り付けられ、該振動板のたわみ振動により伸縮する光ファイバとを備え、前記測定用レーザ光のパルスを、前記各振動板の外側と内側に取り付けられた光ファイバごとに、所定の遅延を持たせて導入し、前記各振動板の外側と内側に取り付けられた光ファイバを通過した前記レーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の干渉光として出力することを特徴とする多軸振動板型光ファイバ加速度センサ。
【請求項４】 測定用レーザ光を多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部に入力し、該センサ部が印加された振動に基づき出力する干渉光を光・電気変換した後に復調処理して振動加速度を検出する振動板型光ファイバ加速度センサにおいて、前記多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部は、多面体の筐体と、前記多面体の筐体の各面にそれぞれ取り付けられた振動板と、前記各振動板により支えられた錘と、前記各振動板の外側及び内側に取り付けられ、該振動板のたわみ振動により伸縮する光ファイバとを備え、前記測定用レーザ光のパルスを、互いに対向する振動板の一方の振動板の外側と内側に取り付けられた光ファイバごとに、所定の遅延を持たせて導入し、前記測定用レーザ光が導入された振動板の外側の光ファイバ及びその対向する振動板の内側の光ファイバを通過した前記レーザ光と前記測定用レーザ光が導入された振動板の内側の光ファイバ及びその対向する振動板の外側の光ファイを通過した前記レーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の干渉光として出力することを特徴とする多軸振動板型光ファイバ加速度センサ。
【請求項５】 前記多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部からの各軸の干渉光が入力され、その干渉光を電気信号に変換する光・電気変換器と、前記光・電気変換器の出力信号のパルスの遅延に基づいて、各軸のデータに分離するチャンネル分離器と、前記チャンネル分離器の出力信号を各軸のデータごとに復調処理して各軸に対する振動加速度を検出する復調器とを備えることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の多軸振動板型光ファイバ加速度センサ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動加速度による光ファイバの長さ変化を光の位相変化として干渉計で検出する光ファイバ加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】振動計測の中で、振動加速度の計測を対象にするものは非常に多く、振動加速度センサの公知文献としては、例えば「センサハンドブック、片岡ら著、昭和６１年初版、培風館発行、４５６−４６２頁」があり、この文献に各種加速度センサや振動センサが説明されている。
【０００３】図６は従来の一般的な振動加速度センサの構成を示す模式説明図であり、一般的な振動加速度センサは、図６に示すようなサイズモ系で構成されている。サイズモ系とは“基礎わく２００に１個または複数個のバネ要素２０１を介して１つの錘２０２を取り付けた系”を言う。この系に、固有振動数ｆ0 より低い周波数ｆの振動が基礎わく２００に加わると、錘２０２は基礎わく２００に対して相対的に振動する。錘２０２の相対変位量ｘと加速度αの間に次式の関係がある。
ｘ＝α／（２πｆ0 ）2 （但しｆ＜ｆ0 の場合）
したがって、サイズモ系の基礎わく２００に対する錘２０２の相対変位ｘを測定すれば、加速度αを求めることができる。
【０００４】錘の振動を検出する方式の一つに圧電型の振動加速度センサがある。この圧電型振動加速度センサは、圧電素子（図示せず）をベースと錘の間にサンドイッチに挾み、圧電素子の歪みによって生ずる電圧を測定するようになっている。他にサーボ型、歪みゲージ型の振動加速度センサもあり、これらは錘の変位を電流や抵抗変化量等の電気信号で検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の加速度センサ、例えば圧電型の振動加速度センサでは、振動加速度による錘の変位を圧電素子の電圧変化等の電気信号で検出するようになっているから、特に液体中での適用には電気的な絶縁処理が必要であり、この絶縁処理後の絶縁性の劣化によるセンサの破壊を防ぎ、長時間の測定を保証する長期的信頼性が得られにくいという問題があった。また、電気信号では長距離伝送が難しいという問題もあった。さらに、多軸の加速度を測定するためには、コストがかかってしまうという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に係る多軸振動板型光ファイバ加速度センサは、測定用レーザ光を多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部に入力し、センサ部が印加された振動に基づき出力する干渉光を光・電気変換した後に復調処理して振動加速度を検出する振動板型光ファイバ加速度センサにおいて、多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部は、多面体の筐体と、多面体の筐体の各面にそれぞれ取り付けられた振動板と、各振動板により支えられた錘と、各振動板の外側又は内側に取り付けられ、該振動板のたわみ振動により伸縮する光ファイバとを備え、測定用レーザ光のパルスを、各振動板の互いに対向する位置に取り付けられた光ファイバごとに、所定の遅延を持たせて導入し、各振動板の対向する位置に取り付けられた光ファイバを通過したレーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の干渉光として出力するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の実施の形態１に係る多軸振動板型光ファイバ加速度センサの構成を示す図、図２は多軸振動板型光ファイバ加速度センサの外観を示す図であり、図１、２では３軸の振動板型光ファイバ加速度センサを示している。図において、１はレーザ光を出力するレーザ、２はレーザ１から出力されたレーザ光をパルス化して出力するパルスゲート、３、４、５、６、７は光カプラ、１０は光ファイバ、１１、１２は遅延ファイバ、１３、１４、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６は光ファイバ、３０、３１、３２、３３、３４は振動板、４０、４１、４２、４３、４４はファイバコイル、５０、５１、５２、５３はミラーであり、振動板３４及びファイバコイル４４に対向する位置に、振動板３５及びファイバコイル４５（図示せず）が配置され、ファイバコイル４４、４５にミラー５４、５５（図示せず）を設けている。５６は筐体、５７は錘、６０は光・電気変換器（図ではＯ／Ｅと書す）、６１はｘ、ｙ、ｚ方向に対応した信号を分離するチャンネル分離器、６２は復調器である。
【０００８】次に、図１の構成と各構成素子間の信号の流れについて説明する。まず、立方体状の筐体５６はその各面にそれぞれ振動板３０〜３５を取り付ける。そして、筐体５６の立方体の内側にある錘５７は６枚の振動板３０〜３５で支えられている。
【０００９】また、光ファイバ（ここでは、渦巻き状に巻いたファイバコイル４０〜４５）を振動板３０〜３５に、全てのファイバコイル４０〜４５が筐体５６の外側（又は内側）に向くように取り付ける。
【００１０】そして、レーザ１から出射されてパルスゲート２でパルス化され、光ファイバ１０中を伝搬するレーザ光は、光カプラ３により２つに分岐され、その一方のレーザ光は遅延ファイバ１１を伝搬して、光カプラ４により２つに分岐され、そのその一方のレーザ光は遅延ファイバ１２を伝搬する。そして、光カプラ３により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ５により２つに分岐され、筐体５６の立方体の向かい合う面のファイバコイル４０、４１の一端にそれぞれ入射され、光カプラ４により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ６により２つに分岐され、筐体５６の立方体の向かい合う面のファイバコイル４２、４３の一端にそれぞれ入射され、遅延ファイバ１２を伝搬するレーザ光は、光カプラ７により２つに分岐され、筐体５６の立方体の向かい合う面のファイバコイル４４、４５の一端にそれぞれ入射される。
【００１１】そして、ファイバコイル４０〜４５の他端にはミラー５０〜５５が接続されており、このミラー５０〜５５でファイバコイル４０〜４５を伝搬してきたレーザ光を反射させて、光カプラ５、６、７により筐体５１の立方体の向かい合う面のファイバコイル４０−４１、４２−４３、４４−４５を伝搬してきたレーザ光を干渉させることによって、干渉計を構成し、その結果、ｘ、ｙ、ｚ軸に３つの干渉計を構成している。
【００１２】そして、レーザ１からのレーザ光をパルスゲート２によりパルス化し、遅延ファイバ１１、１２を使用することによって、各軸の干渉計を時分割で多重化している。そして、光カプラ５、６、７で生成された干渉光は光カプラ３で合成され、光ファイバ２６を伝搬して、光・電気変換器６０により電気信号に変換し、チャンネル分離器６１によって各軸干渉光の光パルスをチャンネル分離した後に、復調器６２によって復調された出力信号が得られる。なお、光カプラ３からミラー５０〜５５までの各素子により、本発明の多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部が構成される。
【００１３】次に、この実施の形態の動作について説明する。図１の多軸振動板型光ファイバ加速度センサは、筐体５６が基礎わく、振動板３０〜３５の弾性がバネにそれぞれ対応しサイズモ系を構成している。例えば、３軸振動板型光ファイバ加速度センサのｘ方向に固有振動数以下の振動が加わると、錘５７は筐体５６に対しｘ方向に振動する。この時、ｘ方向のファイバコイル４０、４１は、振動板３０、３１のたわみ振動により互いに逆方向に伸縮し、干渉計を構成する２つのファイバコイル４０−４１の間に長さの差が生じる。
【００１４】一方ｙ、ｚ軸方向の振動板３２、３３、３４、３５にたわみ振動は起きにくく、また変形したとしてもファイバコイルが互いに同じ方向に伸縮することになるので２つのファイバコイルの間に長さの差は生じない。したがって、ｘ軸方向の振動加速度αにより干渉計の２つの光ファイバの間に長さの差が生じ、２つの光ファイバ中を伝搬しているレーザ光の間に位相差φ(t) が生じる。この位相差φ(t) の値の大小によって、光カプラ５の出力する干渉光を光・電気変換器６０を介して変換し、チャンネル分離器６１で分離された電気信号も変化するから、この電気信号を復調器６２が復調処理することによりｘ軸方向の振動加速度αを求めることができる。同様に、ｙ軸方向の振動ではｙ軸の干渉計のみが、ｚ軸方向の振動ではｚ軸の干渉計のみが振動加速度を検出する。
【００１５】また、遅延ファイバ１１、１２を介して各軸の干渉計を接続しているため、各軸の干渉計を伝搬し、光・電気変換器６０に到達する光パルスには伝搬時間差が生じるようになっており、したがって、光・電気変換器６０により光・電気変換した後、チャンネル分離器６１により各軸の光パルスを分離し復調処理を行うようにすることにより、１つのレーザで３軸の加速度を求めることができるようになっている。
【００１６】以上のように、この実施の形態では、サイズモ系の錘の振動を光ファイバの長さ変化として検出するので過速度センサ部に電気回路を用いずに振動加速度を測定できる。また、光ファイバを伝送路としても利用すれば、レーザ１や光・電気変換器６０等の電気部品を陸上に設置し、光カプラ３からミラー５０〜５５までの多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部を液体中に設置して運用することも可能になる。したがって、液体中の加速度測定でも長期信頼性が得られ、さらに測定結果である干渉光の長距離伝送も可能になる。
【００１７】また、立方体の６面に振動板を取り付け、互いに向かい合う面に取り付けたファイバコイルで干渉計を構成した３軸振動板型光ファイバ加速度センサは３軸の加速度を検出でき、同様に４面であれば２軸の加速度を検出できる。また、光パルスと遅延ファイバを用いて時分割の多重化を行っているので、各軸ごとにレーザや光・電気変換器を用意する必要が無く低コストでシステムを構成できる。
【００１８】実施の形態２．図３は本発明の実施の形態２に係る多軸振動板型光ファイバ加速度センサの構成を示す図であり、図３では３軸の振動板型光ファイバ加速度センサを示している。図において、１はレーザ光を出力するレーザ、２はレーザ１から出力されたレーザ光をパルス化して出力するパルスゲート、３、４、５、６、７は光カプラ、１０は光ファイバ、１１、１２は遅延ファイバ、１３、１４、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６は光ファイバ、３０、３２は振動板、４０、４１、４２、４３はファイバコイル、５０、５１、５２、５３はミラーであり、振動板３０及び振動板３２に直交する位置に、振動板３５及びファイバコイル４４、４５（図示せず）が配置され、ファイバコイル４４、４５にミラー５４、５５（図示せず）を設けている。５６は筐体、５７は錘、６０は光・電気変換器（図ではＯ／Ｅと書す）、６１はｘ、ｙ、ｚ方向に対応した信号を分離するチャンネル分離器、６２は復調器である。
【００１９】次に、図３の構成と各構成素子間の信号の流れについて説明する。まず、立方体状の筐体５６の互いに直交する３面にそれぞれ振動板３０、３２、３４を取り付ける。そして、筐体５６の立方体の内側にある錘５７は３枚の振動板３０、３２、３４で支えられている。
【００２０】また、光ファイバ（ここでは、渦巻き状に巻いたファイバコイル４０〜４５）を振動板３０、３２、３４の表裏に取り付ける。
【００２１】そして、レーザ１から出射されてパルスゲート２でパルス化され、光ファイバ１０中を伝搬するレーザ光は、光カプラ３により２つに分岐され、その一方のレーザ光は遅延ファイバ１１を伝搬して、光カプラ４により２つに分岐され、そのその一方のレーザ光は遅延ファイバ１２を伝搬する。そして、光カプラ３により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ５により２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３０の表裏に取り付けられたファイバコイル４０、４１の一端にそれぞれ入射され、光カプラ４により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ６により２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３２の表裏に取り付けられたファイバコイル４２、４３の一端にそれぞれ入射され、遅延ファイバ１２を伝搬するレーザ光は、光カプラ７により２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３４の表裏に取り付けられたファイバコイル４４、４５の一端にそれぞれ入射される。
【００２２】そして、ファイバコイル４０〜４５の他端にはミラー５０〜５５が接続されており、このミラー５０〜５５でファイバコイル４０〜４５を伝搬してきたレーザ光を反射させて、光カプラ５、６、７により筐体５１の立方体の振動板３０、３２、３４の表裏に取り付けられたファイバコイル４０−４１、４２−４３、４４−４５を伝搬してきたレーザ光を干渉させることによって、干渉計を構成し、その結果、ｘ、ｙ、ｚ軸に３つの干渉計を構成している。
【００２３】そして、レーザ１からのレーザ光をパルスゲート２によりパルス化し、遅延ファイバ１１、１２を使用することによって、各軸の干渉計を時分割で多重化している。そして、光カプラ５、６、７で生成された干渉光は光カプラ３で合成され、光ファイバ２６を伝搬して、光・電気変換器６０により電気信号に変換し、チャンネル分離器６１によって各軸干渉光の光パルスをチャンネル分離した後に、復調器６２によって復調された出力信号が得られる。なお、光カプラ３からミラー５０〜５５までの各素子により、本発明の多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部が構成される。
【００２４】次に、この実施の形態の動作について説明する。図３の多軸振動板型光ファイバ加速度センサは、筐体５６が基礎わく、振動板３０、３２、３４の弾性がバネにそれぞれ対応しサイズモ系を構成している。例えば、３軸振動板型光ファイバ加速度センサのｘ方向に固有振動数以下の振動が加わると、錘５７は筐体５６に対しｘ方向に振動する。この時、ｘ方向のファイバコイル４０、４１は、振動板３０のたわみ振動により互いに逆方向に伸縮し、干渉計を構成する２つのファイバコイル４０−４１の間に長さの差が生じる。
【００２５】一方ｙ、ｚ軸方向の振動板３２、３４にたわみ振動は起きにくく、また変形したとしてもファイバコイルが互いに同じ方向に伸縮することになるので２つのファイバコイルの間に長さの差は生じない。したがって、ｘ軸方向の振動加速度αにより干渉計の２つの光ファイバの間に長さの差が生じ、２つの光ファイバ中を伝搬しているレーザ光の間に位相差φ(t) が生じる。この位相差φ(t) の値の大小によって、光カプラ５の出力する干渉光を光・電気変換器６０を介して変換し、チャンネル分離器６１で分離された電気信号も変化するから、この電気信号を復調器６２が復調処理することによりｘ軸方向の振動加速度αを求めることができる。同様に、ｙ軸方向の振動ではｙ軸の干渉計のみが、ｚ軸方向の振動ではｚ軸の干渉計のみが振動加速度を検出する。
【００２６】また、遅延ファイバ１１、１２を介して各軸の干渉計を接続しているため、各軸の干渉計を伝搬し、光・電気変換器６０に到達する光パルスには伝搬時間差が生じるようになっており、したがって、光・電気変換器６０により光・電気変換した後、チャンネル分離器６１により各軸の光パルスを分離し復調処理を行うようにすることにより、１つのレーザで３軸の加速度を求めることができるようになっている。
【００２７】以上のように、この実施の形態では、サイズモ系の錘の振動を光ファイバの長さ変化として検出するのでセンサ部に電気回路を用いずに振動加速度を測定できる。また、光ファイバを伝送路としても利用すれば、レーザ１や光・電気変換器６０等の電気部品を陸上に設置し、光カプラ３からミラー５０〜５５までの多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部を液体中に設置して運用することも可能になる。したがって、液体中の加速度測定でも長期信頼性が得られ、さらに測定結果である干渉光の長距離伝送も可能になる。
【００２８】また、立方体の筐体の互いに直交する面に振動板を取り付け、各振動板の表裏に取り付けたファイバコイルで干渉計を構成した多軸振動板型光ファイバ加速度センサは２又は３軸の加速度を検出できる。また、光パルスと遅延ファイバを用いて時分割の多重化を行えば、各軸ごとにレーザや光・電気変換器を用意する必要が無く低コストでシステムを構成できる。
【００２９】また、振動板周囲の温度が変化しても、振動板が薄板であれば振動板内の温度分布がほぼ均一になる。光ファイバは温度により長さが変化するが、この型のセンサは振動板の表裏にファイバコイルを取り付けているので、温度が変化しても２本の光ファイバの長さの差は変化しない。したがって、温度変化の影響を受けにくいセンサになる。
【００３０】実施の形態３．図４は本発明の実施の形態３に係る多軸振動板型光ファイバ加速度センサの構成を示す図であり、図４では３軸の振動板型光ファイバ加速度センサを示している。図において、１はレーザ光を出力するレーザ、２はレーザ１から出力されたレーザ光をパルス化して出力するパルスゲート、３、４、５、６、７、７０、７１、７２、７３、７４、７５は光カプラ、１０は光ファイバ、１１、１２、１００、１０１、１０２は遅延ファイバ、１３、１４、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、９０、９１、９２、９３、９４、９５は光ファイバ、３０、３１、３２、３３、３４は振動板、４０、４１、４２、４３、４４、８０、８１、８２、８３はファイバコイル、５０、５１、５２、５３、１１０、１１１、１１２、１１３はミラーであり、振動板３０〜３３に直交する位置に、振動板３４、３５及びファイバコイル４４、４５、８４、８５（図示せず）が配置され、ファイバコイル４４、４５、８４、８５にミラー５４、５５、１１４、１１５（図示せず）を設けている。５６は筐体、５７は錘、６０は光・電気変換器（図ではＯ／Ｅと書す）、６１はｘ、ｙ、ｚ方向に対応した信号を分離するチャンネル分離器、６２は復調器である。
【００３１】次に、図４の構成と各構成素子間の信号の流れについて説明する。まず、立方体状の筐体５６はその各面にそれぞれ振動板３０〜３５を取り付ける。そして、筐体５６の立方体の内側にある錘５７は６枚の振動板３０〜３５で支えられている。また、光ファイバ（ここでは、渦巻き状に巻いたファイバコイル４０〜４５、８０〜８５）を振動板３０〜３５の表裏に取り付ける。
【００３２】そして、レーザ１から出射されてパルスゲート２でパルス化され、光ファイバ１０中を伝搬するレーザ光は、光カプラ３により２つに分岐され、その一方のレーザ光は遅延ファイバ１１を伝搬して、光カプラ４により２つに分岐され、そのその一方のレーザ光は遅延ファイバ１２を伝搬する。
【００３３】そして、光カプラ３により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ７０により２つに分岐され、その一方のレーザ光は遅延ファイバ１００を伝搬し、光カプラ４により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ７１により２つに分岐され、その一方のレーザ光は遅延ファイバ１０１を伝搬し、遅延ファイバ１２を伝搬するレーザ光は、光カプラ７２より２つに分岐され、その一方のレーザ光は遅延ファイバ１０２を伝搬する。
【００３４】そして、光カプラ７０により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ５により２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３０の表裏に取り付けられたファイバコイル４０、４１の一端にそれぞれ入射され、光カプラ７１により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ６により２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３２の表裏に取り付けられたファイバコイル４２、４３の一端にそれぞれ入射され、光カプラ７２により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ７により２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３４の表裏に取り付けられたファイバコイル４４、４５の一端にそれぞれ入射される。
【００３５】また、遅延ファイバ１００を伝搬するレーザ光は、光カプラ７３より２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３１の表裏に取り付けられたファイバコイル８０、８１の一端にそれぞれ入射され、遅延ファイバ１０１を伝搬するレーザ光は、光カプラ７４より２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３３の表裏に取り付けられたファイバコイル８２、８３の一端にそれぞれ入射され、遅延ファイバ１０２を伝搬するレーザ光は、光カプラ７５より２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３５の表裏に取り付けられたファイバコイル８４、８５の一端にそれぞれ入射される。
【００３６】そして、ファイバコイル４０〜４５、８０〜８５の他端にはミラー５０〜５５、１１０〜１１５が接続されており、このミラー５０〜５５、１１０〜１１５でファイバコイル４０〜４５、８０〜８５を伝搬してきたレーザ光を反射させて、光カプラ５、６、７、７３、７４、７５により筐体５１のの立方体の振動板３０〜３４の表裏に取り付けられたファイバコイル４０−４１、４２−４３、４４−４５、８０−８１、８２−８３、８４−８５を伝搬してきたレーザ光を干渉させることによって、干渉計を構成し、その結果、ｘ、ｙ、ｚ軸に６つの干渉計を構成している。
【００３７】そして、レーザ１からのレーザ光をパルスゲート２によりパルス化し、遅延ファイバ１１、１２、１００、１０１、１０２を使用することによって、各軸の干渉計を時分割で多重化している。そして、光カプラ５、６、７、７３、７４、７５で生成された干渉光は光カプラ３で合成され、光ファイバ２６を伝搬して、光・電気変換器６０により電気信号に変換し、チャンネル分離器６１によって各軸干渉光の光パルスをチャンネル分離した後に、復調器６２によって復調された出力信号が得られる。なお、光カプラ３からミラー５０〜５５、８０〜８５までの各素子により、本発明の多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部が構成される。
【００３８】次に、この実施の形態の動作について説明する。図４の多軸振動板型光ファイバ加速度センサは、筐体５６が基礎わく、振動板３０〜３５の弾性がバネにそれぞれ対応しサイズモ系を構成している。例えば、３軸振動板型光ファイバ加速度センサのｘ方向に固有振動数以下の振動が加わると、錘５７は筐体５６に対しｘ方向に振動する。この時、ｘ方向のファイバコイル４０、４１とファイバコイル８０、８１は、振動板３０、３１のたわみ振動により互いに逆方向に伸縮し、ｘ軸の各干渉計を構成する２つのファイバコイル４０−４１と２つのファイバコイル８０−８１の間に長さの差が生じる。
【００３９】一方ｙ、ｚ軸方向の振動板３２〜３５にたわみ振動は起きにくく、また変形したとしてもファイバコイルが互いに同じ方向に伸縮することになるので２つのファイバコイルの間に長さの差は生じない。したがって、ｘ軸方向の振動加速度αにより干渉計の２つの光ファイバの間に長さの差が生じ、２つの光ファイバ中を伝搬しているレーザ光の間に位相差φ(t) が生じる。
【００４０】この位相差φ(t) の値の大小によって、光カプラ５、７３の出力する干渉光を光・電気変換器６０を介して変換し、チャンネル分離器６１で分離された電気信号も変化するから、この電気信号を復調器６２が復調処理することによりｘ軸方向の振動加速度αを求めることができる。なお、このとき、振動板３０と振動板３１で構成される干渉計の感度を図４に示したように高感度と低感度となるように設定し、ダイナミックレンジを広くできるようにしている。同様に、ｙ軸方向の振動ではｙ軸の干渉計のみが、ｚ軸方向の振動ではｚ軸の干渉計のみが振動加速度を検出する。
【００４１】また、遅延ファイバ１１、１２、１００、１０１、１０２を介して各軸の干渉計を接続しているため、各軸の各干渉計を伝搬し、光・電気変換器６０に到達する光パルスには伝搬時間差が生じるようになっており、したがって、光・電気変換器６０により光・電気変換した後、チャンネル分離器６１により各軸の光パルスを分離し復調処理を行うようにすることにより、１つのレーザで３軸の加速度を求めることができるようになっている。
【００４２】以上のように、この実施の形態では、サイズモ系の錘の振動を光ファイバの長さ変化として検出するのでセンサ部に電気回路を用いずに振動加速度を測定できる。また、光ファイバを伝送路としても利用すれば、レーザ１や光・電気変換器６０等の電気部品を陸上に設置し、光カプラ３からミラー５０〜５５までの多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部を液体中に設置して運用することも可能になる。したがって、液体中の加速度測定でも長期信頼性が得られ、さらに測定結果である干渉光の長距離伝送も可能になる。
【００４３】また、立方体の６面に振動板を取り付け、互いに向かい合う面に取り付けたファイバコイルで干渉計を構成した３軸振動板型光ファイバ加速度センサは３軸の加速度を検出でき、同様に４面であれば２軸の加速度を検出できる。また、光パルスと遅延ファイバを用いて時分割の多重化を行えば、各軸ごとにレーザや光・電気変換器を用意する必要が無く低コストでシステムを構成できる。
【００４４】また、振動板周囲の温度が変化しても、振動板が薄板であれば振動板内の温度分布がほぼ均一になる。光ファイバは温度により長さが変化するが、この型のセンサは振動板の表裏にファイバコイルを取り付けているので、温度が変化しても２本の光ファイバの長さの差は変化しない。したがって、温度変化の影響を受けにくいセンサになる。
【００４５】また、センサの加速度感度は錘の重さを一定とした場合、振動板の板厚、ファイバコイルの長さにより変化するので、ファイバコイルの長さや板厚を調整し各軸に２つある干渉計を高感度型と低感度型とすることにより、センサのダイナミックレンジが広いセンサとすることができる。
【００４６】実施の形態４．図５は本発明の実施の形態４に係る多軸振動板型光ファイバ加速度センサの構成を示す図であり、図５では３軸の振動板型光ファイバ加速度センサを示している。図において、１はレーザ光を出力するレーザ、２はレーザ１から出力されたレーザ光をパルス化して出力するパルスゲート、３、４、５、６、７は光カプラ、１０は光ファイバ、１１、１２は遅延ファイバ、１３、１４、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６は光ファイバ、３０、３１、３２、３３、３４は振動板、４０、４１、４２、４３、４４、８０、８１、８２、８３はファイバコイル、５０、５１、５２、５３はミラーであり、振動板３０〜３３に直交する位置に、振動板３４、３５及びファイバコイル４４、４５、８４、８５（図示せず）が配置され、ファイバコイル８４、８５にミラー５４、５５（図示せず）を設けている。５６は筐体、５７は錘、６０は光・電気変換器（図ではＯ／Ｅと書す）、６１はｘ、ｙ、ｚ方向に対応した信号を分離するチャンネル分離器、６２は復調器である。
【００４７】次に、図５の構成と各構成素子間の信号の流れについて説明する。まず、立方体状の筐体５６はその各面にそれぞれ振動板３０〜３５を取り付ける。そして、筐体５６の立方体の内側にある錘５７は６枚の振動板３０〜３５で支えられている。また、光ファイバ（ここでは、渦巻き状に巻いたファイバコイル４０〜４５、８０〜８５）を振動板３０〜３５の表裏に取り付ける。
【００４８】そして、レーザ１から出射されてパルスゲート２でパルス化され、光ファイバ１０中を伝搬するレーザ光は、光カプラ３により２つに分岐され、その一方のレーザ光は遅延ファイバ１１を伝搬して、光カプラ４により２つに分岐され、そのその一方のレーザ光は遅延ファイバ１２を伝搬する。そして、光カプラ３により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ５により２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３０の表裏に取り付けられたファイバコイル４０、４１の一端にそれぞれ入射され、光カプラ４により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ６により２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３２の表裏に取り付けられたファイバコイル４２、４３の一端にそれぞれ入射され、遅延ファイバ１２を伝搬するレーザ光は、光カプラ７により２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３４の表裏に取り付けられたファイバコイル４４、４５の一端にそれぞれ入射される。
【００４９】そして、筐体５６の立方体の振動板３０の表に取り付けられたファイバコイル４０の他端と筐体５６の立方体の振動板３１の裏に取り付けられたファイバコイル８１の一端が接続され、同様にファイバコイル４１の他端とファイバコイル８０の一端、ファイバコイル４２の他端とファイバコイル８３の一端、ファイバコイル４３の他端とファイバコイル８２の一端、ファイバコイル４４の他端とファイバコイル８５の一端、ファイバコイル４５の他端とファイバコイル８４一端が接続される。
【００５０】そして、ファイバコイル８０〜８５の他端にはミラー５０〜５５が接続されており、このミラー５０〜５５でファイバコイル８０〜８５を伝搬してきたレーザ光を反射させて、光カプラ５、６、７により筐体５１の立方体の振動板３０〜３５の表裏に取り付けられたファイバコイル４０−４１と８１−８０、４２−４３と８３−８２、４４−４５と８５−８４を伝搬してきたレーザ光を干渉させることによって、干渉計を構成し、その結果、ｘ、ｙ、ｚ軸に３つの干渉計を構成している。
【００５１】そして、レーザ１からのレーザ光をパルスゲート２によりパルス化し、遅延ファイバ１１、１２を使用することによって、各軸の干渉計を時分割で多重化している。そして、光カプラ５、６、７で生成された干渉光は光カプラ３で合成され、光ファイバ２６を伝搬して、光・電気変換器６０により電気信号に変換し、チャンネル分離器６１によって各軸干渉光の光パルスをチャンネル分離した後に、復調器６２によって復調された出力信号が得られる。なお、光カプラ３からミラー５０〜５５までの各素子により、本発明の多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部が構成される。
【００５２】次に、この実施の形態の動作について説明する。図５の多軸振動板型光ファイバ加速度センサは、筐体５６が基礎わく、振動板３０〜３５の弾性がバネにそれぞれ対応しサイズモ系を構成している。例えば、３軸振動板型光ファイバ加速度センサのｘ方向に固有振動数以下の振動が加わると、錘５７は筐体５６に対しｘ方向に振動する。この時、ｘ方向のファイバコイル４０、４１とファイバコイル８０、８１は、それぞれ振動板３０、３１のたわみ振動により互いに逆方向に伸縮し、干渉計を構成する２つのファイバコイル４０−４１と２つのファイバコイル８０−８１の間に長さの差が生じる。
【００５３】また、このとき、ファイバコイル４０−４１とファイバコイル８０−８１の接続を、図５に示すように、筐体５６の立方体の振動板３０の表に取り付けられたファイバコイル４０と筐体５６の立方体の振動板３１の裏に取り付けられたファイバコイル８１を接続し、筐体５６の立方体の振動板３０の裏に取り付けられたファイバコイル４１と筐体５６の立方体の振動板３１の表に取り付けられたファイバコイル８０を接続するようにして、センサの感度を上げるようにしている。
【００５４】一方ｙ、ｚ軸方向の振動板３２〜３５にたわみ振動は起きにくく、また変形したとしてもファイバコイルが互いに同じ方向に伸縮することになるので２つのファイバコイルの間に長さの差は生じない。したがって、ｘ軸方向の振動加速度αにより干渉計の２つの光ファイバの間に長さの差が生じ、２つの光ファイバ中を伝搬しているレーザ光の間に位相差φ(t) が生じる。この位相差φ(t) の値の大小によって、光カプラ５の出力する干渉光を光・電気変換器６０を介して変換し、チャンネル分離器６１で分離された電気信号も変化するから、この電気信号を復調器６２が復調処理することによりｘ軸方向の振動加速度αを求めることができる。同様に、ｙ軸方向の振動ではｙ軸の干渉計のみが、ｚ軸方向の振動ではｚ軸の干渉計のみが振動加速度を検出する。
【００５５】また、遅延ファイバ１１、１２を介して各軸の干渉計を接続しているため、各軸の干渉計を伝搬し、光・電気変換器６０に到達する光パルスには伝搬時間差が生じるようになっており、したがって、光・電気変換器６０により光・電気変換した後、チャンネル分離器６１により各軸の光パルスを分離し復調処理を行うようにすることにより、１つのレーザで３軸の加速度を求めることができるようになっている。
【００５６】以上のように、この実施の形態では、サイズモ系の錘の振動を光ファイバの長さ変化として検出するのでセンサ部に電気回路を用いずに振動加速度を測定できる。また、光ファイバを伝送路としても利用すれば、レーザ１や光・電気変換器６０等の電気部品を陸上に設置し、光カプラ３からミラー５０〜５５までの多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部を液体中に設置して運用することも可能になる。したがって、液体中の加速度測定でも長期信頼性が得られ、さらに測定結果である干渉光の長距離伝送も可能になる。
【００５７】また、立方体の６面に振動板を取り付け、互いに向かい合う面に取り付けたファイバコイルで干渉計を構成した３軸振動板型光ファイバ加速度センサは３軸の加速度を検出でき、同様に４面であれば２軸の加速度を検出できる。また、光パルスと遅延ファイバを用いて時分割の多重化を行えば、各軸ごとにレーザや光・電気変換器を用意する必要が無く低コストでシステムを構成できる。
【００５８】また、振動板周囲の温度が変化しても、振動板が薄板であれば振動板内の温度分布がほぼ均一になる。光ファイバは温度により長さが変化するが、この型のセンサは振動板の表裏にファイバコイルを取り付けているので、温度が変化しても２本の光ファイバの長さの差は変化しない。したがって、温度変化の影響を受けにくいセンサになる。
【００５９】また、筐体の立方体の対向する振動板の表裏に取り付けられたファイバコイルを図５に示すように接続しているので高感度のセンサとすることができる。また、立方体の筐体の互いに直交する面に振動板を取り付け、各振動板の表裏に取り付けたファイバコイルで干渉計を構成した多軸振動板型光ファイバ加速度センサは２又は３軸の加速度を検出できる。また、光パルスと遅延ファイバを用いて時分割の多重化を行えば、各軸ごとにレーザや光・電気変換器を用意する必要が無く低コストでシステムを構成できる。
【００６０】なお、実施の形態１〜４では筐体の形状を立方体として説明したが、筐体の形状は６面体に限ったものではなく、球および円筒等の多面体でもよい。また、実施の形態１〜４における光ファイバ加速度センサの時分割多重は、３軸に限ったものではなく、多点計測にも低コストで適用可能になる。
【００６１】また、実施の形態１〜４では、ファイバコイルを渦巻き状に巻いたものとして説明したが、ファイバコイルの形状は渦巻き状に限ったものではなく、直線など他の形状でもよい。また、実施の形態１〜４では、多重化方法を時分割で説明したが、これに限ったものではなく、ＷＤＭ（wavelength division multiplex ：波長分割多重）等の他の多重化方法を用いてもよい。
【００６２】また、実施の形態１〜４では、ミラーを使用した干渉計（マイケルソン型）を用いて、多軸振動板型光ファイバ加速度センサを構成しているが、その他の干渉計、例えば、２つの光カプラを使用した干渉計（マッハ・ツェンダ型）などの干渉計を用いて、多軸振動板型光ファイバ加速度センサを構成してもよい。
【００６３】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、多面体の筐体と、多面体の筐体の各面にそれぞれ取り付けられた振動板と、各振動板により支えられた錘と、各振動板の外側又は内側に取り付けられ、該振動板のたわみ振動により伸縮する光ファイバとを備えた多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部により、測定用レーザ光のパルスを、各振動板の互いに対向する位置に取り付けられた光ファイバごとに、所定の遅延を持たせて導入し、各振動板の対向する位置に取り付けられた光ファイバを通過したレーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の干渉光として出力するようにしたので、サイズモ系の錘の振動を光ファイバの長さ変化として検出しセンサ部に電気回路を用いずに振動加速度を測定することができ、また、多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部を液体中に設置しても、このセンサ部には電気信号を使用しないため長期的に信頼性のある測定器を構成できると共に、測定結果である干渉光の長距離伝送も可能になるという効果を有する。
【出願人】 【識別番号】００００００２９５
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
【出願日】 平成９年（１９９７）１２月９日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】佐々木 宗治 （外３名）
【公開番号】 特開平１１−１７４０７６
【公開日】 平成１１年（１９９９）７月２日
【出願番号】 特願平９−３３９００３