(57)【要約】【課題】  センサケーブルの敷設が容易で、低コストに製造でき、センサケーブル長手方向に加わる振動を高い分解能で検出できる光ファイバ振動センサを提供する。【解決手段】  光源１５より出射し、第１の光カプラ１８、偏光子２１、第２の光カプラ１９を順次伝搬して分岐した２つの光信号を、位相変調器２２を含む光ファイバループ１２に左右回りに入射し、その戻り光信号を第２の光カプラ１９、偏光子２１、第１の光カプラ１８を介して受光器１６で光電変換し、信号処理ユニット２３で信号を検出してデータを出力するサニャック干渉型の光ファイバセンサにおいて、光ファイバループ１２の一部を振動計測用のセンサケーブル１２ａとして用いた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源より出射し、第１の光カプラ、偏光子、第２の光カプラを順次伝搬して分岐した２つの光信号を、位相変調器を含む光ファイバループに左右回りに入射し、その戻り光信号を第２の光カプラ、偏光子、第１の光カプラを介して受光器で光電変換し、信号処理ユニットで信号を検出してデータを出力するサニャック干渉型の光ファイバセンサにおいて、  光ファイバループの一部を振動計測用のセンサケーブルとして用いたことを特徴とする光ファイバ振動センサ。
【請求項２】
光源より出射し、光カプラを伝搬して分岐した２つの光信号を、位相変調器を含む光ファイバループに左右回りに入射し、その戻り光信号を光カプラを介して受光器で光電変換し、信号処理ユニットで信号を検出してデータを出力するサニャック干渉型の光ファイバセンサにおいて、
上記光ファイバループの一部を振動計測用のセンサケーブルとして用いたことを特徴とする光ファイバ振動センサ。
【請求項３】
上記光ファイバループの中央部を除く光ファイバ部分を振動計測用のセンサケーブルとして用いる請求項１または２記載の光ファイバ振動センサ。
【請求項４】
上記信号処理ユニットには、受光器で検出された振動データの出力レベルを判定し、予め設定された値以上の出力レベルが検出された場合に、警報器等が作動する信号を出力する処理部が設けられる請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバ振動センサ。
【請求項５】
上記光源、受光器、偏光子、光カプラに接続される光ファイバ及び光ファイバループは偏波面保持光ファイバからなる請求項１〜４いずれかに記載の光ファイバ振動センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバに加わる機械的な振動を検知する光ファイバ振動センサに係り、特に、サニャック干渉型の光ファイバ振動センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動を計測する手段として光ファイバグレーティング（ＦＢＧ：optical Fiber Bragg Grating ）を用いたセンサがある。
【０００３】
ＦＢＧは光ファイバのコアに長手方向に周期的な屈折率変化を与えることで形成される回折格子であり、光ファイバを伝搬する特定の波長帯を反射し、他の波長帯を透過させるものである。
【０００４】
ＦＢＧを用いた振動センサは、ＦＢＧが形成された光ファイバをセンサケーブルとしており、そのセンサケーブルに振動（歪み）が加わると、センサケーブルが伸縮し、ＦＢＧの格子間隔が変化し、ＦＢＧに入射させた光の反射波長が格子間隔に合わせて波長シフトするので、ＦＢＧでの反射波長の変化からＦＢＧに加わった歪みを計測するものである（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
これを利用して、それぞれ回折格子間隔の異なるＦＢＧを複数多点接続したセンサケーブルをフェンス等に設置し、フェンス内への侵入者を検知するシステムが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２０２２７２号公報
【特許文献２】特開平６−１９４１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＦＢＧを用いた振動センサは以下のような問題がある。
【０００８】
ＦＢＧを用いた振動センサは長尺のセンサケーブルにＦＢＧが点在して形成されている。よって、ＦＢＧが計測できる振動（歪み）は点であるため、センサケーブル長手方向の振動を検出するにはセンサケーブルに均一な張力を加えて保持する必要がある。さらに、センサケーブルは、温度変化により伸縮するため、張力を加える機構やその管理が煩雑になってしまう。
【０００９】
ＦＢＧを製造する際には、大出力の紫外光レーザと微細加工された位相マスクが必要であり、光ファイバコーティングのリムーブ、リコート及び光学的な調整等、複雑な工程を経るため、コスト高になってしまう。
【００１０】
ＦＢＧで反射される光の出力は小さいため、光ファイバセンサの分解能が向上しない。
【００１１】
ＡＳＥ（増幅自然放出）光源等のスペクトル幅の広い光源や、光導波路型の波長フィルタを用いて振動センサを構成するので高価になってしまう。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、センサケーブルの敷設が容易で、低コストに製造でき、かつ、センサケーブル長手方向に加わる振動を高い分解能で検出できる光ファイバ振動センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光源より出射し、第１の光カプラ、偏光子、第２の光カプラを順次伝搬して分岐した２つの光信号を、位相変調器を含む光ファイバループに左右回りに入射し、その戻り光信号を第２の光カプラ、偏光子、第１の光カプラを介して受光器で光電変換し、信号処理ユニットで信号を検出してデータを出力するサニャック干渉型の光ファイバセンサにおいて、光ファイバループの一部を振動計測用のセンサケーブルとして用いた光ファイバ振動センサである。
【００１４】
請求項２の発明は、光源より出射し、光カプラを伝搬して分岐した２つの光信号を、位相変調器を含む光ファイバループに左右回りに入射し、その戻り光信号を光カプラを介して受光器で光電変換し、信号処理ユニットで信号を検出してデータを出力するサニャック干渉型の光ファイバセンサにおいて、上記光ファイバループの一部を振動計測用のセンサケーブルとして用いた光ファイバ振動センサである。
【００１５】
請求項３の発明は、上記光ファイバループの中央部を除く光ファイバ部分を振動計測用のセンサケーブルとして用いる請求項１または２記載の光ファイバ振動センサである。
【００１６】
請求項４の発明は、上記信号処理ユニットには、受光器で検出された振動データの出力レベルを判定し、予め設定された値以上の出力レベルが検出された場合に、警報器等が作動する信号を出力する処理部が設けられる請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバ振動センサである。
【００１７】
請求項５の発明は、上記光源、受光器、偏光子、光カプラに接続される光ファイバ及び光ファイバループは偏波面保持光ファイバからなる請求項１〜４いずれかに記載の光ファイバ振動センサである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、センサケーブルの敷設が容易で、低コストで構成でき、センサケーブル長手方向に加わる振動を高分解能で検出できるといった優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２０】
図１（ａ），図１（ｂ）は本発明に係る光ファイバ振動センサの好適な実施の形態を示した模式図である。
【００２１】
図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、光ファイバ振動センサ１０は、振動センサ本体部１１と振動センサ本体部１１に接続されて光閉回路を形成する光ファイバループ１２とを備える。本実施の形態では２個の光コネクタ１３，１３により振動センサ本体部１１と光ファイバループ１２が接続されている。光ファイバで光閉回路を形成した光ファイバループ１２は、その一部が振動計測用のセンサケーブル１２ａとなる。
【００２２】
振動センサ本体部１１は、光源１５、受光器１６、第１の光カプラ１８、偏光子２１、第２の光カプラ１９及びこれらを光学的に接続する接続用光ファイバ１７、並びに信号処理ユニット２３が筐体１４内に収容されてなる。
【００２３】
光源１５及び受光器１６にはそれぞれ光ファイバ１７ａ，１７ｂが接続され、両光ファイバ１７ａ、１７ｂは共に光分岐結合素子である光カプラ１８に接続されている。光カプラ１８，１９は１×２入出力ポートを有する光ファイバカプラである。第１の光カプラ１８の一端側の２つの入出力ポートに、光ファイバ１７ａ，１７ｂがそれぞれ接続される。光カプラ１８の他端側の１入出力ポートには光ファイバ１７ｃが接続され、光ファイバ１７ｃは、その一部が偏光子を形成して第２の光カプラ１９の１入出力ポートに接続されている。第２の光カプラ１９の他端側の２入出力ポートには長尺の光ファイバの両端がそれぞれ接続され、この光ファイバはループ（閉回路）状の光ファイバループ１２となっている。
【００２４】
光ファイバループ１２の一端側に設けた位相変調器２２は、光ファイバループ１２を互いに反対方向に伝搬する光波間に相対的に時間遅れのある位相変調をかけるものである。本実施の形態では、位相変調器２２は、振動子とする円筒状のＰＺＴ（ピエゾセラミック）に光ファイバループ１２の一部を巻き付けて形成し、ＰＺＴへ印加する電圧によりＰＺＴに巻き付けた光ファイバを伸縮させて伝搬光の位相を変調するものとした。
【００２５】
信号処理ユニット２３は、光源１５の駆動、受光器１６で検出された光信号が光電変換された電気信号の処理、位相変調器２２の変調レベル制御、処理結果の出力等をするものであり、光源１５、受光器１６及び光位相変調器２２と電気的に接続されている。
【００２６】
偏光子２１は、第１及び第２の両光カプラ１８，１９間を接続する光ファイバ１７ｃの一部をコイル状に形成すると共に、コアの複屈折を大きくしたファイバ型の偏光子である。
【００２７】
光源１５、受光器１６、偏光子２１及び光カプラ１８、１９に接続される光ファイバ１７及び光ファイバループ１２は偏波面保存光ファイバで構成するのが好ましい。
【００２８】
本実施の形態に係る光ファイバ振動センサ１０は、サニャック効果を原理とした光ファイバジャイロを応用したものであり、振動センサ本体部１１に接続される光ファイバループ１２の一部を振動計測用のセンサケーブル１２ａとして用いたことに特徴がある。
【００２９】
図２に示すように、光ファイバジャイロ２５は、ループ状に閉じた光ファイバ（光ファイバループ）２６が回転を受けたとき、光ファイバ２６を右回りに伝搬する光と左回りに伝搬する光との間に回転角速度に比例した位相差が生じるサニャック効果を利用して、光ファイバループ２６の回転角速度を測定するものである。
【００３０】
光ファイバジャイロ２５の光ファイバループ２６は、回転角速度と同様に、外部の急激な温度変化、振動、音等に対して感度を有する。これら回転角速度以外の要因による位相変化を低減する対策として、通常、光ファイバループ２６を、ループの中心部分から一側をＳ（右）巻きし、他側をＺ（左）巻きする対称巻き技術を施している。また、光ファイバループ２６に掛かる振動や衝撃を緩衝するべく熱硬化性樹脂等で光ファイバループ２６を固定する樹脂ポッティングが施されている。
【００３１】
本実施の形態の光ファイバ振動センサ１０は、光ファイバループの振動によって、左右回り光間に位相差が発生し、光ファイバジャイロにおける回転角速度に相当する振動データを出力するものである。
【００３２】
光ファイバ振動センサ１０では、センサケーブル１２ａの回転角速度に対する感度を必要とせず、そのため光ファイバループ１２を中央部分１２ｃに対して一側を右巻き、他側を左巻きにし、左巻き及び右巻きの両光ファイバループがそれぞれ囲む面積を等しくするのが好ましい。
【００３３】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００３４】
光源１５より出射された光Ｌ１は、第１の光カプラ１８を伝搬し、偏光子２１で直線偏光にされ、第２の光カプラ１９に入射する。第２の光カプラ１９では、光Ｌ１が２つに分岐されて、光ファイバループ１２の互いに異なる端に入射する。ここで、光ファイバループ１２に入射した２つの光のうち、一方を右回り光Ｌｃｗ、他方を左回り光Ｌｃｃｗとする。
【００３５】
左右両回り光Ｌｃｃｗ，Ｌｃｗはそれぞれ位相変調器２２で光の位相を変調され、光ファイバループ１２を１周して第２の光カプラ１９へ再び入射する。
【００３６】
第２の光カプラ１９へ入射した各々左右両回り光Ｌｃｃｗ，Ｌｃｗは、第２の光カプラ１９で干渉して干渉光Ｌ２となる。干渉光Ｌ２は、偏光子２１を伝搬して第１の光カプラ１８へ入射し、再び２つの光に分岐され、分岐された光の一方は受光器１６で検出される。
【００３７】
第２の光カプラ１９で干渉する２つの光Ｌｃｗ，Ｌｃｃｗが同位相であれば、第２の光カプラに入射する光Ｌ１と、第２の光カプラを出射する干渉光Ｌ２は、光カプラ１８，１９での放射損失等を除き、光強度は等しく検出される。
【００３８】
一方、光が光ファイバループ１２を伝搬中に、センサケーブル１２ａの任意の箇所に振動が生じると、振動が生じた箇所では光ファイバの伸縮により伝搬光の位相が変化する。
【００３９】
第２の光カプラ１９に入射する２光の位相が異なる（位相差が生じる）と、受光器１６で受光される光の強度は、同位相で結合した光の強度とは異なって検出される。すなわち、受光器１６では、センサケーブル１２ａに振動がないときは常に略一定の光強度（零点）を検出しており、その一定の光強度と異なる光強度を検出したとき、センサケーブル１２ａで振動を検知したことになる。
【００４０】
本実施の形態では、光ファイバ振動センサ１０をサニャック干渉型で構成することにより、安価に製造できると共に、センサケーブル１２ａの敷設を容易にすることができる。また、受光器１６で検出される光信号の強度（出力）が大きく、高分解能で振動の計測をすることができる。さらに、センサケーブル長手方向に加わる振動をセンサケーブル１２ａの全長で検出することができるので広範囲をセンシングすることができる。また、センサケーブル１２ａに一定の張力を付与しなくとも、正確にセンサケーブル１２ａの振動を検知することができる。
【００４１】
光ファイバループ１２のループ中央部分（図中右端側）１２ｃでは、第２の光カプラ１９で分岐された右回り光Ｌｃｗ及び左回り光Ｌｃｃｗがループ中央部分１２ｃを同時刻に通過するため、振動による位相差が発生し難い。従って、光ファイバループ１２のループ中央部部分１２ｃは、センサとして機能する必要がない場所に敷設することが好ましい。光ファイバループ１２の中央部分を除いた部分をセンサケーブル１２ａとすることで、センサケーブル１２ａに加えられた振動による位相差が表れないといったことがなく、高い信頼性を有する。
【００４２】
光ファイバループ１２及び接続用の光ファイバ１７を慣用のシングルモード光ファイバで構成すると、光ファイバを伝搬する光の偏波が回転して（偏光状態が変化して）左右回り光が干渉しない場合がある。そこで、光ファイバループ１２及び接続用光ファイバを偏波面保存光ファイバで形成することで、左右回り光の偏波が回転することなく互いに干渉させることができる。
【００４３】
また、出力される振動データから左右両回り光Ｌｃｃｗ，Ｌｃｗ間の位相差を計算して、センサケーブル１２ａの振動があった箇所を検知することができる。
【００４４】
本実施の形態の光ファイバ振動センサ１０は、フェンス等に取り付けて、侵入検知等のセキュリティを目的とするセンサとして適用できる。
【００４５】
例えば、図３に示すように、フェンス３１の一端に収納ボックス３２を設け、収納ボックス３２に振動センサ本体１１を収納する。光ファイバループ１２の行きと折り返した後の帰りの２本を共にして形成したセンサケーブル１２ａは、フェンス３１の検知する範囲（例えば金網の部分）に固定される。光ファイバループ１２の中央部分はフェンス３１に設けられる終端ボックス３３に収納される。センサケーブル１２ａを固定する際、センサケーブル１２ａに均一な張力を付与する必要はなく、フェンス３１が振動した時にセンサケーブル１２ａが振動する程度に一体に固定すればよい。
【００４６】
図４に、信号処理ユニットから出力される振動データの一例を示す。
【００４７】
図４では、出力される振動データは、振動レベルを規格化し、デシベル表示している。センサケーブル１２ａに振動があれば、出力されたデータから振動を検知できる。図では、ある時間内にフェンス３１が３度振動したことを示している。
【００４８】
さらに、光ファイバ振動センサ１０は、一本の光ケーブルで広い範囲の振動を検知することができるので、侵入検知等のセキュリティを目的とする監視カメラの台数を少なくすることができる。
【００４９】
信号処理ユニット２３に警報器を接続して、その警報器をフェンス付近に設けると共に、信号処理ユニット２３に警報器を作動させる信号を出力する処理部を設けても良い。その処理部で、受光器１６で検出された振動データの出力レベルを判定し、予め設定された値以上の出力レベルが検出された場合に、警報器を作動させることができる。
【００５０】
また、出力される振動データは図４に示したように時間領域での振動を出力したものであるが、これをフーリエ変換し、周波数特性から振動の要因を分析してもよい。予め雨や風などの自然現象による振動で得られる周波数特性や、人的な要因による振動で得られる周波数特性等を分析し、それを基に振動の原因を推定できればより有効な振動センサとすることができる。
【００５１】
本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではない。
【００５２】
例えば、光源１５として、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いることで、センサケーブル１２から光源１５に向かって戻ってくる光（戻り光）とレイリー散乱光とが干渉して発生する干渉ノイズを低減することができる。
【００５３】
また、光カプラ１８，１９、偏光子２１及び位相変調器２２等はファイバ型のものを用いたが、導波路型の光カプラ、偏光子或いは位相変調器を用いて、それらを光ファイバに接続して光ファイバ振動センサを構成してもよい。
【００５４】
第１及び第２の光カプラ１８，１９として、１×２入出力ポートを有する光ファイバカプラを用いたが、２×２入出力ポートを有する光ファイバカプラを用いてもよい。
【００５５】
本実施の形態では、光ファイバループ１２の一部を用いて位相変調器２２を形成し、所定の周波数の正弦波電圧を印加して伝搬光の位相を変調するオープンループ型の光ファイバジャイロを基に光ファイバセンサ本体部１１を構成したが、検知される伝搬光の位相から位相変調器にフィードバックをかけるクローズドループ型の光ジャイロを基に振動センサ本体部を構成してもよい。
【００５６】
クローズドループ型の光ファイバ振動センサに用いる位相変調器としては、参考文献（熊谷、油原、梶岡「量産型光ファイバジャイロの開発とその応用」The Review of Laser Engineering,Vol1,No.4 April 1998,pp.304-309 ）に記載されているような電気光学効果を利用した位相変調器等が挙げられる。
【００５７】
図５は、本発明に係る光ファイバ振動センサの好適な第二の実施の形態を示した模式図である。
【００５８】
図５に示すように本実施の形態の光ファイバ振動センサ５０は、基本的な構成部分が、上述した図１の光ファイバ振動センサ１０とほぼ同様であり、同一構成部分には図１の場合と同一の符号を付してあるが、図１の第２の光カプラ１９及び偏光子２１を省略し、一つの光カプラ１８で光源１５、受光器１６及び光ファイバループ１２を接続した点において異なるものである。
【００５９】
本実施の形態の光ファイバ振動センサ５０も図１の光ファイバ振動センサ１０と同様の作用効果を有する。
【００６０】
本実施の形態の光ファイバ振動センサ５０は、図１の光ファイバ振動センサ１０に比べて振動センサ本体を構成する部品点数が少なのでより容易に構成できる。
【００６１】
ただし、本実施の形態の光ファイバ振動センサ５０には偏光子がないため、センサケーブル１２への入射光の偏光状態が不安定であり、検出される干渉光強度の零点の安定度が図１の光ファイバ振動センサ１０に比べて低くなる。そこで、例えば、光ファイバループ１２及び接続用の光ファイバ１７を偏波面保存光ファイバとし、光源１５と光カプラ１８の間に偏光子を挿入し、光ファイバループ１２に直線偏光の光信号を入射するようにして、干渉光強度の零点の安定度を良くしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】図１（ａ）は、本発明に係る好適な実施形態の光ファイバ振動センサを示す斜視図である。図１（ｂ）は、振動センサ本体の内部構成を説明する模式図である。
【図２】光ファイバジャイロの構成を示す模式図である。
【図３】光ファイバ振動センサの敷設例を示す平面図である。
【図４】センサケーブルに振動が発生したとき時の出力を示すグラフである。
【図５】本発明に係る好適な他の実施形態の光ファイバ振動センサを示す模式図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  光ファイバ振動センサ
１１  振動センサ本体
１２  光ファイバループ
１２ａ  センサケーブル
１４  筐体
１５  光源
１６  受光器
１８，１９  光カプラ
２１  偏光子
２２  位相変調器
２３  信号処理ユニット
【図１】
2006208080.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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