(57)【要約】  特に干渉計と共に使用することを意図した光ファイバ加速度計（１）が記載される。加速度計（１）は、コンプライアントシリンダ法を用いるが、シリンダ（７）のコアに振動質量体（１３）を提供することにより、結果として感度の改善と、軸外入力の排除がもたらされる。【選択図】図２
2007519901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプライアント材料からなるシリンダ内に同軸に拘束された振動質量体を備え、
前記シリンダが円周方向に光ファイバで巻かれている、
ことを特徴とする光ファイバ加速度計。
【請求項２】
前記振動質量体による前記シリンダの圧縮により光ファイバ内の応力が増大される、
請求項１に記載の加速度計。
【請求項３】
前記振動質量体が円板形部分で覆われている、
請求項１または２に記載の加速度計。
【請求項４】
前記振動質量体が張力部材によりベースプレートに固定されている、
請求項１ないし３のいずれかに記載の加速度計。
【請求項５】
前記シリンダと前記ベースプレートとの間にスペーサーが設けられている、
請求項４に記載の加速度計。
【請求項６】
前記スペーサーが前記ベースプレートと一体化されている、
請求項５に記載の加速度計。
【請求項７】
前記光ファイバが単一の層に巻かれている、
請求項１ないし６のいずれかに記載の加速度計。
【請求項８】
前記ベースプレートがプラットフォーム又は構造体と一体化されている、
請求項１ないし７のいずれかに記載の加速度計。
【請求項９】
前記振動質量体が、コンプライアント材料からなる第１及び第２のシリンダ内に同軸に拘束され、前記各シリンダは光ファイバで円周方向に巻かれている、
請求項１ないし８のいずれかに記載の加速度計。
【請求項１０】
前記振動質量体が、前記コンプライアントシリンダの少なくとも１つの端部で支持するように作動中に配置される第１の円周上に位置する受け部材を備えている、
請求項９に記載の加速度計。
【請求項１１】
前記第１の円周上に位置する受け部材が、前記コンプライアントシリンダの両方のそれぞれの端部で支持するように動作時に配置される、
請求項１０に記載の加速度計。
【請求項１２】
前記第２のコンプライアントシリンダの端部で支持するように動作時に配置される第２の円周上に位置する受け部材を備える、
請求項１０に記載の加速度計。
【請求項１３】
前記振動質量体の外部表面及び１つ又はそれ以上のコンプライアントシリンダの内部表面が、１つ又はそれ以上のシリンダの軸方向圧縮による内方への変形を防止するような形状にされている、
請求項１ないし１２のいずれかに記載の加速度計。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかに記載の加速度計を備えた光干渉計。
【請求項１５】
円周方向に光ファイバが巻かれたコンプライアント材料からなるシリンダ内に同軸に拘束された振動質量体を準備し、前記振動質量体の軸方向変位により前記シリンダが変形して前記光ファイバ内に誘起される応力を変化させるようにすることを含む、
ことを特徴とする加速度の測定方法。
【請求項１６】
円周方向に光ファイバが巻かれたコンプライアント材料からなる第１及び第２のシリンダ内に同軸に拘束された振動質量体を準備し、前記振動質量体の軸方向変位により前記各シリンダが変形して前記それぞれの光ファイバ内に誘起される応力を変化させるようにすることを含む、
ことを特徴とする加速度の測定方法。
【請求項１７】
前記振動質量体が前記各シリンダを圧縮することにより前記それぞれの光ファイバ内の応力が増大する、
請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
添付図面を参照して本明細書に実質的に記載されたような光ファイバ加速度計。
【請求項１９】
添付図面を参照して本明細書に実質的に記載されたような光干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加速度計に関し、詳細には干渉計で使用するための光アフィバー加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
セキュリティ、地震探査、及び機械の状態モニタなどの分野において極めて低いレベルの振動を監視する必要性により、従来よりも更に高感度の加速度計の開発が加速されてきた。光ファイバ技術は、干渉法技術に基づく光ファイバ加速度計の形態でこの特定の分野に応用されてきた。このような干渉計に組み込まれる場合、光ファイバ加速度計の設計におけるコンプライアントシリンダの手法は特に効果的である。既知の一手法では、振動質量体は、２つのコンプライアントシリンダにより所定位置に保持され、各シリンダの円周の周りにシングルモードの光ファイバが巻かれ、該シリンダが干渉計のアームを形成する。別の手法では、図１に示されているように振動質量体４が荷重された単一のコンプライアントシリンダ２は、光ファイバ６で円周方向に巻かれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の方法は一般に認められているが、加速度計の感度を現在達成されている感度よりも更に高め、詳細には構成要素のサイズを大きくすることなく感度を高める必要性が依然としてある。本発明は、ファイバが巻かれたコンプライアントシリンダ加速度計の感度を高めると同時に、追加コスト及び構造の複雑化を回避するように努めている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
従って、本発明の１つの態様によれば、円周方向に光ファイバが巻かれたコンプライアント材料からなるシリンダ内に同軸に拘束された振動質量体（seismic mass:サイスミックマス）を備える光ファイバ加速度計が提供される。
【０００５】
加速度計は、実際には場合によっては加速度計が装備されるプラットフォーム又は構造体の一体化部分であるプレート上に取付けられるのが好ましい。張力部材が加速度計をプレートに対して保持するのが好都合である。張力部材は、ボルト又は他の良く知られた張力構成部品とすることができる。同様に、張力部材は、筐体により形成され、或いは加速度計に作用することができる。張力部材は、コンプライアント材料ワッシャを介して加速度計に作用する一方で、剛体支持リングをプレートとシリンダとの間に介在させて相対移動を確実に可能にするのが有利である。
【０００６】
シリンダ用のコンプライアント材料は、ヤング係数が比較的低いがポワソン比が０．５に近く、その結果、加速度計の剛性は、シリンダ自体よりも円周方向の巻きつけから生じることになる点は認識されるであろう。従って、シリンダに作用する特定の力において、ファイバ内に誘起される歪が大きいほど、加速度計の感度が高くなる。更に、振動質量体をシリンダ内に同軸に拘束することにより、シリンダが曲がるか、或いはシリンダ軸に対して直交する加速度に対し不利に働く、従来技術の装置において見られる傾向が制限される。有利には、これにより、１つの軸における感度を最重視した加速度計を組み入れる装置の性能の向上につながる。
【０００７】
更に、シリンダの壁厚を低減することにより、加速度計の感度を更に高めることができることが分かる。これまで従来技術の装置では、振動質量体及び／又は振動質量体を支持するシリンダの高さを増すことにより感度を高めようとしてきた。いずれの方法も、感度を望ましい高さに高めると同時に上述の直交加速度に対する感度が増大するとう問題を抱える可能性があり、結果として加速度計の大きさが増大することになる。構成要素を小型化する傾向に関しては、本発明は、所与の体積及び質量に対して従来技術装置の性能改善を可能にするのに役立つ。
【０００８】
本発明はまた、上記で説明された装置の全ての機能を実行する方法段階を含む、該装置を動作させる方法に関する。
【０００９】
詳細には、本発明の別の態様によれば、円周方向に光ファイバが巻かれたコンプライアント材料からなるシリンダ内に同軸に拘束された振動質量体を準備し、振動質量体の軸方向変位によりシリンダが変形して光ファイバ内に誘起される応力を変化させるようにすることを含む、加速度の測定方法が提供される。
【００１０】
円周方向に光ファイバが巻かれたコンプライアント材料からなる第１及び第２のシリンダ内に同軸に拘束された振動質量体を準備し、振動質量体の軸方向変位により各シリンダが変形してそれぞれの光ファイバ内に誘起される応力を変化させるようにすることを含む、加速度の測定方法も提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
当業者には明らかなように好ましい特徴を必要に応じて組み合わせることができ、本発明の態様のいずれかと組み合わせることができる。ここで本発明を理解する一助として、その特定の実施形態を添付図面を参照しながら例証として説明する。
【００１２】
次に図２を参照すると、光ファイバ加速度計１は、ベースプレート３上に剛体の支持リング５を介して取付けられる。リング５は、ベースプレート３にレリーフとして形成することができ、或いは場合によっては、より好都合な別個の構成要素として設けることができ、これにより異なる大きさの加速度計をベースプレート３上に取付けることができる。ベースプレート３自体は、剛体の材料、一般的には鋼材で製造されるが、当業者に対し他の材料及び複合材を提案することができる。更に、本明細書におけるベースプレートに関記載は、プラットフォーム又は他の構造体に加速度計を直接取付けることも含む。
【００１３】
支持リング５は、コンプライアントシリンダ部材７の第１端面と接している。シリンダ部材は、比較的薄い壁９と、振動質量体１３を中に受けることができるような同軸空間１１とを有する。コンプライアントシリンダ部材７は、軸方向での低レベルの荷重により変形することができるような比較的低いヤング係数を有する材料で形成される。一般的には、ゴム又はゴム状材料を用いることができる。このような材料はまた、ポワソン比が最大値の０．５に近く、シリンダ７において軸方向応力を円周方向の応力に効率的に伝達することができることを意味する。理想的には、シリンダの内部表面と振動質量体の外部表面とは、シリンダが該シリンダの軸上圧縮で内方に変形するのを防ぐような形状にされる。
【００１４】
振動質量体（seismic mass:サイスミックマス）１３は、ベースプレート３に固定されるボルト１５の形態の張力部材により保持される。図示しない１つの実施形態では、張力部材は、筐体又は缶体で構成されるが、他の形状の張力部材を用いても良いことが当業者には容易に理解できる。ボルト１５は、ゴム状材料のゴムパッド１７により最も容易に提供されるエラストマー系部材を介して、振動質量体１３上に載置される。振動質量体１３自体は、ほぼ円板状部分１９がコンプライアントシリンダ部材７の第２端面２１上に載るような形状にされる。使用中、振動質量体１３に作用する加速力は、シリンダ部材７に結合される変位を引き起こす。張力部材１５が無い場合には、加速度を感知することにより円板状部分１９が付勢されて第２端面２１と接触しないようにされる、シリンダ部材７への変位結合が存在しないことになる。実際、張力部材１５は、初期変位でシリンダ部材７を予荷重する。予測される加速度の範囲に応じて、張力部材１５により与えられる張力レベルを変更することにより、予荷重を変えることができる。
【００１５】
シリンダ部材７は、ある長さの光ファイバ２３で巻かれる。この巻きは、１つ又は複数の層にすることができる。光ファイバ２３は、シリンダ７の外部表面２５のまわりに巻くことができ、機械的に、又は接着により、或いは別の方法又は組み合わせた方法により固定して、可能な限り完全にファイバ２３とシリンダ表面２５との間の滑りの可能性を最小限にするのを保証することができる。
【００１６】
光ファイバ２３は、円周方向の変形に抗してシリンダ部材７を拘束し、その結果ファイバ２３内に一定のレベルの周方向応力を発生させることはわかる。この周方向応力は、光ファイバ２３の物理的特性を変え、加速度計を光干渉計（図３）の１つのアームに組み込むことにより、加速度計１に作用する加速度に比例した応力値を求めることができる。
【００１７】
この構成において、振動質量体の変位によるコンプライアントシリンダの圧縮は、光ファイバ内の応力を効果的に増加させ、逆に、コンプライアントシリンダの膨張は、光ファイバ内の応力を減少させる。
【００１８】
図３は、加速度の測定に使用される光干渉計３０の１つの要素として加速度計１を示している。この実施形態では、レーザー光線３１の発生源、光ファイバケーブルの２つのアームを結合するカプラ３２、及びディスプレイ３５への出力が備えられている。アーム３３の一方は、加速度計１を含み、アーム３４の他方は、分極補正器３６を含む。当業者であればこの干渉計が単に例証に過ぎず、本発明の加速度計を多くの干渉計応用において配備することができることがわかるので、このような干渉計３０の運転は、当業者には明らかである。
【００１９】
更に当業者であれば、上述の実施形態により参照された加速度による軸外の作用に対する改善を認識するであろうが、このような入力の悪影響を最小限にするために別の手段をとることができる。これに応じて、軸上の感度を維持しながら、軸外からの入力に対して張力部材と振動質量体との間にシムを加えることができる。
【００２０】
次に図４を参照すると、別の実施形態において、振動質量体１１は、コンプライアント材料からなる２つの別個のシリンダ２、６内に同軸で配置されている。各シリンダは、別個の長さの光ファイバ４及び７により囲まれている。センサの中心に最も近い２つのコンプライアントシリンダの端面は各々、振動質量体１９から外方に延びる受け部材（この場合、該質量体からの円周方向突出部の形態）上に載る。図示の実施形態では、単一の受け部材が、各シリンダの１つの端部に載置して示されているが、明らかに２つの別個の受け部材は、それぞれのコンプライアントシリンダの各々を支持するのに用いることができる。受け部材は、質量体の円周近傍で厳密に均一な形状である必要はなく、単に質量体の軸方向変位の作用をコンプライアントシリンダの各々に十分に伝達すればよい。各コンプライアントシリンダの反対側の端部は、別個の支持リング５（或いは、より一般的には端部支持部材）と接触し、該支持リングは２つの端部プレート３に取り付けられ、そのプレートの一方は加速度計のいずれかの端部に載置されている。張力装置１５は、加速度計が静止している時にコンプライアントシリンダの両方が圧縮状態であるように、２つの端部プレートを共に引っ張るのに使用される。この図では、張力装置は、ボルト１５の形態で示されているが、上述のように他の形態を取ってもよい。
【００２１】
当業者が認識するように、１つの軸方向の加速は、１つのコンプライアントシリンダの軸方向圧縮を増大させ他方の軸方向圧縮を減少させるので、２つのファイバコイル４、７に誘起される作用は、大きさが等しく感知方向が反対である。当業者によって更に認識されるように、図３の２つのファイバコイル３３及び３４が干渉計の２つの異なるアームに使用される場合、２つのコイルの変化は加算されるので、加速度計の感度は、単一のコイルが干渉計の１つのアームで使用された場合の２倍となる。この実施形態はまた、加速度計が軸に対して直交する加速を受ける場合、ファイバコイルが干渉計の別個アームで使用されるときに２つのファイバコイル内に誘起されるあらゆる信号が相殺される傾向があるといった利点を有する。
【００２２】
前記の実施形態におけるように、この構成においては、振動質量体の変位によるコンプライアントシリンダの圧縮は、シリンダの周りに巻かれた光ファイバ内の応力を効果的に増加させる。逆に、コンプライアントシリンダに加わる圧縮が減少すると、光フィアバ内の応力が減少する。振動質量体及びその周りのコンプライアントシリンダがほぼ円形の断面であることは好都合であるが、装置の動作においては必須ではなく、例えば楕円を含む他の断面も同様に可能である。
【００２３】
本明細書の教示を理解することで当業者には明らかなように、求められる効果を失うことなく得られるどのような範囲又は装置の有用性も拡張又は変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来技術の光ファイバ加速度計の側断面図である。
【図２】本発明による第１の光ファイバ加速度計の側断面図である。
【図３】図２の加速度計を組み入れた光干渉計の概略図である。
【図４】本発明による第２の光ファイバ加速度計の側断面図である。
【図１】
2007519901.tif 000003
【図２】
2007519901.tif 000004
【図３】
2007519901.tif 000005
【図４】
2007519901.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成18年9月15日(2006.9.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプライアント材料からなるシリンダ内に同軸に拘束された振動質量体を備え、
前記シリンダが円周方向に光ファイバで巻かれている、
ことを特徴とする光ファイバ加速度計。
【請求項２】
前記振動質量体による前記シリンダの圧縮により光ファイバ内の応力が増大される、
請求項１に記載の加速度計。
【請求項３】
前記振動質量体が円板形部分で覆われている、
請求項１または２に記載の加速度計。
【請求項４】
前記振動質量体が張力部材によりベースプレートに固定されている、
請求項１ないし３のいずれかに１項に記載の加速度計。
【請求項５】
前記シリンダと前記ベースプレートとの間にスペーサーが設けられている、
請求項４に記載の加速度計。
【請求項６】
前記スペーサーが前記ベースプレートと一体化されている、
請求項５に記載の加速度計。
【請求項７】
前記光ファイバが単一の層に巻かれている、
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の加速度計。
【請求項８】
前記ベースプレートがプラットフォーム又は構造体と一体化されている、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の加速度計。
【請求項９】
前記振動質量体が、コンプライアント材料からなる第１及び第２のシリンダ内に同軸に拘束され、前記各シリンダは光ファイバで円周方向に巻かれている、
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の加速度計。
【請求項１０】
前記振動質量体が、前記コンプライアントシリンダの少なくとも１つの端部で支持するように作動中に配置される第１の円周上に位置する受け部材を備えている、
請求項９に記載の加速度計。
【請求項１１】
前記第１の円周上に位置する受け部材が、前記コンプライアントシリンダの両方のそれぞれの端部で支持するように動作時に配置される、
請求項１０に記載の加速度計。
【請求項１２】
前記第２のコンプライアントシリンダの端部で支持するように動作時に配置される第２の円周上に位置する受け部材を備える、
請求項１０に記載の加速度計。
【請求項１３】
前記振動質量体の外部表面及び１つ又はそれ以上のコンプライアントシリンダの内部表面が、１つ又はそれ以上のシリンダの軸方向圧縮による内方への変形を防止するような形状にされている、
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の加速度計。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかに記載の加速度計を備えた光干渉計。
【請求項１５】
円周方向に光ファイバが巻かれたコンプライアント材料からなるシリンダ内に同軸に拘束された振動質量体を準備し、前記振動質量体の軸方向変位により前記シリンダが変形して前記光ファイバ内に誘起される応力を変化させるようにすることを含む、
ことを特徴とする加速度の測定方法。
【請求項１６】
前記振動質量体が前記シリンダを圧縮することにより前記光ファイバ内の応力が増大する、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記コンプライアント材料が、ラバーまたはラバー状材料である、
請求項１に記載の光ファイバ加速度計。
【請求項１８】
光ファイバ加速度計であって、
軸線方向に内部キャビティを有するコンプライアント材料のボディと、
該ボディの周りに周方向に巻かれた光ファイバと、
前記キャビティ内に配置された振動質量体と、を備え、
前記キャビネットの内面が、径方向に変位しないよう拘束されている、
ことを特徴とする光ファイバ加速度計。
【請求項１９】
前記キャビティの内面が、振動質量体によって拘束されている、
請求項１８に記載の光ファイバ加速度計。
【国際調査報告】
2007519901.tif 000007
2007519901.tif 000008
2007519901.tif 000009
2007519901.tif 000010