(57)【要約】  ハウジング（２４）内の空洞（３１）に宙吊りした質量体（２２）は線形加速度に応答して検出軸に沿い移動する。質量体（２２）とハウジング（２４）の間に接続した弾性支持部材（３２〜３５）が検出軸に沿う質量体（２２）の変位に応答する反作用を質量体（２２）に及ぼす。光ファイバ（１６）が質量体（２２）とハウジング（２４）の間に接続され、検出軸に沿う質量体（２２）の変位が光ファイバ（１６）の一方の区分（１３）を伸長させかつ他方の区分（１５）を縮小させる。光ファイバ（１６）内に形成した一対の光ファイバブラッグ格子（１２，１４）は光ファイバ（１６）がガイドする光信号を反射するように配置されている。質量体（２２）の加速度は反射された光信号の波長を調整して加速度が決定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に空洞（３１）を有するハウジング（２４）と、空洞（３１）内に宙吊りにして検出軸に沿う線形加速度に応答して検出軸に沿い可動に配置した質量体（２２）とを含む光ファイバ加速度変換器（１０）において、
質量体（２２）とハウジング（２４）の間を接続して検出軸に沿う質量体（２２）の変位に応答して反作用を質量体（２２）に及ぼすようにした複数の弾性支持部材（３２〜３５）、
質量体（２２）の第１の側面（２０）とハウジング（２４）の間を接続する第１区分（１３）および質量体（２２）の第２の側面（２６）とハウジング（２４）の間を接続する第２区分（１５）を有して検出軸に沿う質量体（２２）の変位が第１および第２区分（１３，１５）の一方を伸長させると共に他方を縮小させる光ファイバ（１６）、
光ファイバ（１６）の第１区分（１３）内に形成されて光ファイバ（１６）内を伝播する光信号の第１区分を反射させる第１の光ファイバブラッグ格子（１２）であって、反射した光信号の第１区分は検出軸に沿う質量体（２２）の加速度によって調整された波長Λ１を有するもの、および
光ファイバ（１６）の第２区分（１５）内に形成されて光ファイバ（１６）内を伝搬する光信号の第２区分を反射させる第２の光ファイバブラッグ格子（１４）であって、反射した第２区分は検出軸に沿う質量体（２２）の加速度によって調整された波長Λ２を有すると共に、反射した第１ならびに第２区分は質量体（２２）の加速度決定のために処理される波長差Λ１−Λ２を有するもの、
をもって特徴とする光ファイバ加速度変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般に加速度測定のための技術に、特に、線形加速度測定用の光ファイバ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の線形加速度に敏感な光ファイバ装置を提供しようとする試みは、個々の部品を製造するための微小光学技術を伴ってきた。このような技術は労力の集中を要し、したがって高価である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明はホログラフ技術を用いて製造するのに安価で、高度に正確な光ファイバ振動加速度計を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明による光ファイバ加速度変換器は、内部に空洞を有し、その空洞内に質量体を宙吊りにしたハウジングを含む。質量体は検出軸に沿う線形加速度に応答して検出軸に沿い可動に配置される。複数の弾性支持部材が質量体とハウジングの間を接続する。弾性支持部材は検出軸に沿う質量体の変位に応答して質量体に反作用を及ぼすように配置される。光ファイバが質量体の第１の側面とハウジングの第１の側壁部分との間に接続した第１の区分と、質量体の第２の側面とハウジングの第２の側壁部分との間に接続した第２の区分とを有し、検出軸に沿う質量体の変位が光ファイバの第１と第２の区分の一方を伸長させ、他方を縮小させる。光信号源が広帯域の光信号入力を光ファイバに与えるように配置される。光ファイバブラッグ格子が光ファイバ内に形成され、光信号の一区分を反射させる。反射した区分は検出軸に沿う質量体の加速度によって調整された波長を有する。反射した信号は質量体の加速度を決定するために処理される。
【０００５】
本発明による光ファイバ加速度変換器は更に、光ファイバの第１区分内に形成された第１光ファイバブラッグ格子と、光ファイバの第２区分内に形成された第２光ファイバブラッグ格子とを含んでもよく、これら第１と第２光ファイバブラッグ格子は夫々異なる波長Λ１およびΛ２を反射させ、質量体の加速度を決定するために処理される波長差Λ１−Λ２を生成する。
【０００６】
本発明による複数の光ファイバ加速度変換器が多種の列構造に組み合わされ、そのような列で定義される区域による複数の場所での加速度測定の可能性を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１に示すように、光ファイバ加速度変換器１０は質量体２２と、プッシュプル形式で作動する２個の光ファイババッグ格子（ＦＢＧ）１２および１４を含む。これらＦＢＧ１２および１４は光ファイバ１６内の区分１３および１５に形成される。ＦＢＧ１２および１４と質量体２２はハウジング２４の空洞３１内に取り付けられる。
【０００８】
ＦＢＧ１２は質量体２２の第１の側面２０とハウジング２４との間に接続される。ＦＢＧ１４はハウジング２４と、質量体２２の第１の側面２０とは反対側の第２の側面２６との間に接続される。ＦＢＧ１２は通路２８内において接着性結合剤のような適宜の手段によりハウジング２４に固着される。ＦＢＧ１４は通路３０内において接着性結合剤のような適宜の手段によりハウジング２４に固着される。光ファイバ１６の一部１８は質量体２２の貫通路１９の内面もしくは溝（図示しない）内に接着剤で固着するなどの適宜手段で質量体２２に固着される。質量体２２は複数の弾性部材３２〜３５によりハウジング２４内の空洞３１の内部に支持される。弾性部材は図示のようにスプリングで、あるいは適宜の長手弾性体材料で形成すればよい。
【０００９】
ＦＢＧ１２及び１４の形成に適した構造と製造技術は当業において周知である。ＦＢＧ１２及び１４は光ファイバ１６の選択的な長さ１５及び１７における屈折率の周期的または非周期的摂動を形成することによって生成される。屈折率摂動は主として光ファイバ１６のコア（またはガイド領域）に影響を及ぼす。適切な摂動を発生する幾つかの方法がある。最も有り触れた方法は特定のドーパントを含む光ファイバの感光性を利用するものである。ゲルマニアをドープした石英光ファイバがアルゴンイオンレーザ照射の露光に敏感であり、４８８ｎｍで２光子吸収の結果の原因となったことが発見されている。早期の研究が、グレン他の米国特許第４７２５１１０号、ミード他の米国特許第６８３６５９２号、バイロンの米国特許第６３１０９９６号、ヒル他の米国特許第４４７４４２７号が記載するＦＢＧ装置の製造に現在用いられるホログラフライテイング方法に至っており、これら特許の記載は本発明の説明に参照されている。
【００１０】
ＵＶ光線が位相マスク、プリズム干渉計或いは他の方法のいずれかを用いて干渉を受ける。干渉された光線は絞られ、光ファイバのコア領域にフォーカスされる。コア上に形成された干渉パターンは明暗帯の連続であり、それらの間隔は等間隔或いはチャープの何れかである。前者の場合は高度な周期パターンを形成するが、後者は非周期的（或いはチャープされた）パターンを発生させる。明帯はドープされたコア材と相互に作用して露光された隣接領域に屈折率変化を生じさせるが、暗帯の下の領域は影響を受けずに残る。これが周期的な屈折率摂動の原因となるものである。干渉周期を変化させることによって、格子期間Λｇが次いで変化し、ＦＢＧフィルタで反射またはＦＢＧフィルタを透過する波長を変化させる。屈折率摂動の強度がＦＢＧの透過ならびに反射特性を支配する。
【００１１】
図１に戻って、形成されたＦＢＧ１２および１４は特別な光波長に対する反射あるいは拒否フィルタとして使用される。ＦＢＧが反応した特定の波長λＢｒａｇｇは屈折率摂動の周期により支配され、下記の第１式で表現される。
λＢｒａｇｇ＝２Λｇηｅｆｆ                                        （１）
ここにηｅｆｆは光ファイバの有効屈折率であり、Λｇは屈折率摂動の周期である。
【００１２】
ＦＢＧ１２および１４は反射性あるいは透過性のいずれかの装置として製造される。ここで説明する装置は格子のいずれかの型で作動する。
【００１３】
光ファイバ加速度（または振動）変換器１０を形成するために、ＦＢＧ１２および１４は縦列に並べて使用され、プッシュプル方式に配列される。この配列においてＦＢＧ１２および１４は静的環境にあるときは波長を整合させることを必要としないが、それは、検出に重要な要素が動的環境における二つのＦＢＧ１２および１４間の波長差であってそれらの絶対波長変位ではないためである。
【００１４】
質量体２２はスプリング３２〜３５が呈する制動と共に加速度あるいは振動により励起されたときに検出ハウジング２４内で可動とされる。ＦＢＧ１２および１４は質量体２２とハウジング２４に強固に固着される。質量体２２が励起され、動かされると、ＦＢＧ１２及び１４は交互に引張りと圧縮の状態にされる。ＦＢＧを引張り状態にすると格子周期Λｇが大きくなるが、圧縮状態にすると格子周期は小さくなる。従って格子周期の変位は等式（１）を適用すれば判るように、ろ過された波長を駆動する。
【００１５】
処理のために戻された信号は波長が調整される。戻された両信号からの相対的な時間依存波長差を取ることによって最初の振動（加速）記号が見つかる。この形態の利点は単独のＦＢＧを用いるより装置の感度が２倍に増えることである。これは、一つのＦＢＧの場合の百分率の汚点は波長において対応する百分率変化を生じるために起きる。二つのＦＢＧ１２及び１４を異なる形態で用いることによって、与えられた同じ歪に対し２倍の感度を生じる。そこで波長差信号は
Δλ＝２ηｅｆｆ（Λｇ．１−Λｇ．２）                              （２）
【００１６】
この形態の他の利点は温度に不感性であることである。これもやはり、二つのＦＢＧ１２及び１４の間の相対的な波長変化の差のみが用いられ、絶対的な値ではないという事実から来るものである。温度による１個のＦＢＧの波長変位は下式で表わされる。
2008538607.tif 000003
（３）
二つのＦＢＧ間の波長差は下式のように表現される。
2008538607.tif 000004
（４）
ここに、αはＦＢＧの温度膨張係数である。等式（４）は下式に簡略化される。
2008538607.tif 000005
ここで温度条件は波長差とは静的なオフセットとしてのみ振舞うので、検出器の動的な動作には影響を与えない。
【００１７】
図２は図１とその説明に沿って形成した複数の光ファイバ加速度変換器Ａ１，Ａ２…ＡＮを含む第１センサ列４０を示す。センサ列４０は広帯域光信号源４４から光信号４２を受け取る線形列である。入力された光信号４２は光ファイバ４６を介して、逆方向への伝搬を阻止する光アイソレータ４８に伝搬する。
【００１８】
入力光信号４２は次いで、ポートＰ１〜Ｐ４を有するようにした光カプラ５０に伝播する。入力光信号４２は光カプラ５０のポートＰ１に入力される。光カプラ５０に入力された光信号４２の一部はクロス結合されてポートＰ４に出力され、そこでクロス結合信号はアブソーバ５２により吸収される。光ファイバ４６内に残る入力光信号４２の一部はポートＰ３において光カプラ５０から出力され、光ファイバ加速度変換器Ａ１，Ａ２…ＡＮに入力される。光ファイバ加速度変換器Ａ１，Ａ２…ＡＮの各々は波長ダブレット信号を光カプラ５０に戻す。戻されたダブレット信号の各々は対応する光ファイバ加速度変換器の加速度を示す。
【００１９】
戻ってくるダブレット信号は光カプラ５０へガイドされ、そこでポートＰ３からの戻されたダブレット信号はポートＰ２において光ファイバ５４に出力されるために結合される。光ファイバ５４は戻されたダブレット信号を光波長質問器５６にガイドして波長処理を行ない、所望の加速度情報を抽出する。
【００２０】
図３は、図１の第１センサ４０と同様の直線列６２ならびにこれも第１センサ列４０と同様の直線列６４とを含む第２センサ列６０を示す。広帯域光信号源６６が、入力信号を光アイソレータ７２にガイドするように配置した光ファイバ７０に光信号６８を供給する。入力された光信号は光アイソレータ７２を介して、ポートＰ１〜Ｐ４を有する光カプラ７４に伝播する。入力された光信号の第１区分７５は光ファイバ７０内に残り、ポートＰ３において光カプラから出力され、複数の光ファイバ加速度変換器Ａ１，Ａ３…ＡＮを含む直線列６２に入力される。入力された光信号の第２区分７６はポートＰ１からＰ３を光ファイバ７７にクロス結合して、複数の光ファイバ加速度変換器Ａ２，Ａ４…Ａ２Ｎを含む直線列６４に入力する。
【００２１】
直線列６２は戻されたダブレット信号の第１組を生成して光カプラ７４に逆に伝搬させ、そこでポートＰ２とクロス結合させて光ファイバ７７内に送る。直線列６４は戻されたダブレット信号の第２組を生成して光カプラ７４に戻させ、そこでポートＰ４からＰ２まで伝搬させる。戻されたダブレット信号の両組は光ファイバ７７内を伝搬して光波長質問器７８に至り、そこで戻されたダブレット信号は処理されて、両直線列６２および６４内での各光ファイバ加速度変換器における加速度についての数的データを得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による光ファイバ加速度変換器を示す横断面図。
【図２】本発明による複数の光ファイバ加速度変換器を包含する第１センサ列を示す図。
【図３】本発明による複数の光ファイバ加速度変換器を包含する第２センサ列を示す図。
【符号の説明】
【００２３】
１０    光ファイバ加速度変換器
１２    第１光ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）
１４    第２光ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）
１６    光ファイバ
２２    質量体
２４    ハウジング
３１    空洞
３２〜３５    弾性支持部材
４０    第１センサ列
Ａ１，Ａ２，Ａ３…ＡＮ    光ファイバ加速度変換器
４２    光信号
４４    広帯域光信号源
４６    光ファイバ
４８    光アイソレータ
５０    光カプラ
Ｐ１〜Ｐ４    ポート
５２    アブソーバ
５４    光ファイバ
５６    光波長質問器
６０    第２センサ列
６２    直線列
Ａ１，Ａ３，Ａ５…ＡＮ    光ファイバ加速度変換器
６４    直線列
Ａ２，Ａ４，Ａ６…Ａ２Ｎ    光ファイバ加速度変換器
６６    広帯域光信号源
６８    光信号
７０    光ファイバ
７２    光アイソレータ
７４    光カプラ
７７    光ファイバ
７８    光波長質問器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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