(57)【要約】【課題】光ファイバを交換しても良好な性能を維持することができる振動検出装置を提供する。【解決手段】振動検出膜に検出光を照射してその反射光に基づき振動検出膜の変位に関する情報を光量の変化として含む戻り光を取得するセンサ部３０と、検出光をセンサ部に供給するとともに、センサ部が取得した戻り光を受け取る光源部２０と、センサ部及び光源部間に介在し、検出光及び戻り光の伝送を行う、交換可能な光伝送路５とを備えた振動検出装置において、光源部が受け取った戻り光の光量に基づき、光源部が供給する検出光の光量を調整する調整手段２１〜２４を設ける。【選択図】図１
2008203225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動検出膜に検出光を照射してその反射光に基づき前記振動検出膜の変位に関する情報を光量の変化として含む戻り光を取得するセンサ部と、
前記検出光を前記センサ部に供給するとともに、前記センサ部が取得した戻り光を受け取る光源部と、
前記センサ部及び光源部間に介在し、前記検出光及び戻り光の伝送を行う、交換可能な光伝送路と、
前記光源部が受け取った戻り光の光量に基づき、前記光源部が供給する検出光の光量を所定の値に調整するための調整手段とを具備することを特徴とする振動検出装置。
【請求項２】
前記光源部が受け取った戻り光の光量を電気信号に変換する変換手段を備え、
前記調整手段は、前記変換手段からの電気信号に基づき、前記検出光の光量の調整を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
【請求項３】
前記変換手段からの電気信号における所定値以上の周波数の成分を除去するフィルタを備え、
前記調整手段は、前記電気信号のうちの前記フィルタを通過した成分に基づき、前記検出光の光量の調整を行うものであることを特徴とする請求項２に記載の振動検出装置。
【請求項４】
前記光源部は前記検出光を発する半導体レーザを備え、
前記半導体レーザの駆動電流はレーザ発振閾値以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交換可能な光伝送路を介して供給される検出光を振動検出膜に照射してその反射光に基づき、振動検出膜の変位に関する情報を光量の変化として含む戻り光を前記光伝送路を介して取得する振動検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような振動検出装置として、光ファイバを介して伝送される検出光を、光ファイバの端部に設けられた射出口から照射して振動検出膜上に集光させ、その反射光を再度集光させて前記射出口から取り入れ、これを、振動検出膜の変位情報を有する戻り光として取得するようにしたものが知られている。光ファイバを経て取得される戻り光は、振動検出膜の振動を表わす電気信号に変換される。
【０００３】
このような振動検出装置においては、一般的な光電変換素子を使用した機器の場合と同様に、装置の特性上、振動を検出していない場合の戻り光の光量として、最適な光量がある。戻り光の光量がこれより小さいと、振動検出時に、戻り光を変換して得られる電気信号の強度が小さくなり、その結果、電気信号のＳ／Ｎ比が悪化する。また逆に、戻り光の光量が大きい場合には、不要な反射等の影響により、やはり電気信号のＳ／Ｎ比が悪化するという性質がある。
【０００４】
なお、対象物に検出光を照射してその反射光に基づき、対象物の振動を検出する装置としては他に、たとえば、検出光としてレーザ光を用い、光源及び対象物間の複合共振により生成された光の光量に基づき、光源からのレーザ光と、対象物からの反射光との位相差が一定となるようにレーザ光の波長又は光路長を変化させ、その変化量に基づいて対象物の振動を検出するようにしたものも知られている（たとえば引用文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２２１２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の光ファイバを用いた振動検出装置によれば、検出光及び戻り光の伝送路である光ファイバとして、たとえば１００［ｍ］の長さのものを用いたときに性能上最適な戻り光の光量が得られるレーザ光源を用いている場合に、光ファイバを１０００［ｍ］の長さのものに交換したとすると、光ファイバにおける光の減衰量が１００［ｍ］の場合よりも大きいので、戻り光の光量が、振動検出に最適な光量よりも小さくなる。逆に、１０００［ｍ］の長さの光ファイバを用いたときに性能上最適な戻り光の光量が得られるレーザ光源を用いている場合に、光ファイバを１００［ｍ］の長さのものに交換したとすると、光ファイバによる光の減衰量が１０００［ｍ］の場合よりも小さいので、戻り光の光量が、振動検出に最適な光量よりも大きくなる。すなわち、いずれの場合も、戻り光を変換して取られる電気信号のＳ／Ｎが悪化することになる。
【０００７】
本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、光ファイバを交換しても良好な性能を維持することができる振動検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するため、第１の発明に係る振動検出装置は、振動検出膜に検出光を照射してその反射光に基づき前記振動検出膜の変位に関する情報を光量の変化として含む戻り光を取得するセンサ部と、前記検出光を前記センサ部に供給するとともに、前記センサ部が取得した戻り光を受け取る光源部と、前記センサ部及び光源部間に介在し、前記検出光及び戻り光の伝送を行う、交換可能な光伝送路と、前記光源部が受け取った戻り光の光量に基づき、前記光源部が供給する検出光の光量を所定の値に調整するための調整手段とを具備することを特徴とする。振動検出装置による振動検出の対象としては、たとえば、気体、液体、又は固体の可聴帯域や、可聴帯域外の高周波の振動が該当する。
【０００９】
この構成において、振動検出膜が振動していない非検出時の戻り光の光量の値として、最適な振動検出感度を与える値が存在する。この値に対応する出力の検出光により良好な感度で振動検出を行っているときに、光伝送路をより長いものや短いものに交換すると、光伝送路における光の減衰量が増加し又は減少するので、そのままでは、振動検出装置の感度が劣化する。そこで、光源部が受け取った戻り光の光量に基づき、非検出時の戻り光の光量が光伝送路の交換の前後で一致するように、光源部による検出光の出力を手動で又は自動で調整することによって、光伝送路の交換後も、交換前と同様の良好な感度で振動検出を行うことができる。
【００１０】
第２の発明に係る振動検出装置は、第１発明において、前記光源部が受け取った戻り光の光量を電気信号に変換する変換手段を備え、前記調整手段は、前記変換手段からの電気信号に基づき、前記検出光の光量の調整を行うものであることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明に係る振動検出装置は、第２発明において、前記変換手段からの電気信号における所定値以上の周波数の成分を除去するフィルタを備え、前記調整手段は、前記電気信号のうちの前記フィルタを通過した成分に基づき、前記検出光の光量の調整を行うものであることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明に係る振動検出装置は、第１〜第３のいずれかの発明において、前記光源部は前記検出光を発する半導体レーザを備え、前記半導体レーザの駆動電流はレーザ発振閾値以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、戻り光の光量に基づき、検出光の光量を調整する調整手段を設けたため、光伝送路の交換により光伝送路の長さが変化しても、装置の検出感度を常に良好に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る振動検出装置の構成を示すブロック図である。同図に示すようにこの装置は、振動の検出に用いる検出光の供給を行うとともに、その戻り光を受光する受発光部１０を備えた光源装置２０、光源装置２０から供給される検出光に対して振動に関する情報を付与し、これを戻り光として光源装置２０に返送するセンサ部３０、並びに光源装置２０及びセンサ部３０間に介在し、供給される検出光及び返送される戻り光の伝送を行う光ファイバ５を備える。光ファイバ５としては、たとえば、長さが１０００［ｍ］のＧＩファイバを用いることができる。
【００１５】
図２は受発光部１０及びセンサ部３０の構成を示す。同図に示すように、受発光部１０は、検出光を生成する光源素子１１、光源素子１１からの検出光を集光させ、光ファイバ５の一端面（以下、「第１端面」という。）に入射させる集光素子１２、光ファイバ５の第１端面を受発光部１０に接続するコネクタ１３、集光素子１２及びコネクタ１３間に設けられた方向選択性反射素子１４、方向選択性反射素子１４で反射された戻り光を集光させる集光素子１５、及び、集光素子１５により集光された戻り光を電気信号に変換する受光素子１６を備える。
【００１６】
光源素子１１としては、定格電流が５０［ｍＡ］で、レーザ発振閾値電流が４０［ｍＡ］程度のレーザダイオードを用い、３５［ｍＡ］程度の電流値により駆動させるようにしている。方向選択性反射素子１４は集光素子１２からの検出光を透過させるとともに、光ファイバ５の第１端面から射出される戻り光を集光素子１５の方へ反射する。
【００１７】
センサ部３０は光ファイバ５の他端面（以下、「第２端面」という。）をセンサ部３０に接続するコネクタ３１、音波等の振動原の振動に基づいて振動する振動検出膜３２、及び光ファイバ５の第２端面から射出される検出光を振動検出膜３２上に集光させ、その反射光を光ファイバ５の第２端面の位置において集光させることにより戻り光を光ファイバ５に送り込む集光素子３３を備える。
【００１８】
光源装置２０は受発光部１０の他に、図１に示されるように、光源素子１１に対して出力指令値ｉを付与することにより光源素子１１の出力を決定する光量調整回路２１、光量調整回路２１に対して調整入力ｒを与えるための調整器２２、受光素子１６からの電気信号ｅに基づき、振動検出膜３２の変位に対応する変位信号ｖ及び戻り光の光量を示す光量信号ｑを出力する光量検出回路２３、並びに、光量信号ｑに基づき、戻り光の光量を表示する出力計２４を備える。
【００１９】
図３は光量検出回路２３の構成を示すブロック図である。同図に示すように、光量検出回路２３は、微弱な電気信号ｅを増幅して変位信号ｖとする増幅器２３ａ、及び変位信号ｖを、１００［Ｈｚ］以上の成分を除去して光量信号ｑとするフィルタ定数が１００［Ｈｚ］以下のローパスフィルタ２３ｂを備える。
【００２０】
この構成において、光源素子１１から射出される検出光は、集光素子１２及び方向選択性反射素子１４を経て光ファイバ５の第１端面へ入射し、第２端面から射出する。第２端面から射出する検出光は集光素子３３を経て振動検出膜３２上に集光し、光スポットを形成して反射する。反射光は集光素子３３により光ファイバ５の第２端面の位置に集光し、光スポットを形成する。光スポットを形成する光のうちの第２端面に入射するものが戻り光となって光ファイバ５内を戻ってゆき、第１端面から射出する。第１端面から射出する戻り光は方向選択性反射素子１４によって方向転換し、集光素子１５を経て集光し、受光素子１６に入射する。入射する戻り光は、受光素子１６により電気信号ｅに変換される。電気信号ｅは増幅器２３ａを経て、変位信号ｖとなり、さらにローパスフィルタ２３ｂを経て光量信号ｑとなる。
【００２１】
このとき、振動源の振動によって振動検出膜３２が変位すると、振動検出膜３２上の光スポットは拡大又は縮小し、第２端面の位置における反射スポットも拡大又は縮小する。このとき、光ファイバ５の第２端面へ入射する反射光の光量は、変位前の反射スポットと変位後の反射スポットの面積比に反比例して変化する。つまり、振動検出膜３２の光スポット位置における変位量は、光ファイバ５の第２端面に入射する反射光の光量の変化となり、さらに変位信号ｖにおける変化量として検出されることになる。ただし、変位信号ｖにはノイズ成分が含まれるので、振動検出膜３２の光スポット位置における正しい変位量は、変位信号ｖにおけるノイズ成分を差し引いた部分（以下、「信号成分」という。）によって表される。
【００２２】
一方、変位信号ｖから１００［Ｈｚ］以上の成分が除去された光量信号ｑの出力値、すなわち実質的に振動の検出を行っていない場合の戻り光の光量に対応する値が、出力計２４によって表示される。操作員はこの表示を見て、出力計２４による表示値が所定値を超えており又は下回っている場合には、調整器２２を操作し、調整入力ｒの値を増大させ又は減少させることにより、出力計２４による表示値が所定値となるように調整する。この所定値は、振動検出膜３２における一定の変位に対する変位信号ｖの信号成分における変位をほぼ最大とする。つまり、出力計２４の表示値が所定値となるように調整することによって、振動検出装置の感度を良好に維持することができる。
【００２３】
なお、出力計２４による表示値の読取りを、振動検出膜３２を振動させずに行うのであれば、ローパスフィルタ２３ｂは不要であり、変位信号ｖのレベルをそのまま出力計２４によって読み取るようにしてもよい。
【００２４】
本実施形態によれば、振動検出膜３２の変位に関する情報を含む変位情報の伝送路として光ファイバ５を利用し、変位情報を戻り光として伝送するとともに、光量信号ｑのレベルを、良好な感度を与える所定値となるように調整することができるようにしたため、光ファイバ５を長さが異なるものや、材質が異なるものや、特性が異なるものに交換した場合でも、感度を劣化させることなく、良好に維持することができる。
【００２５】
たとえば、光ファイバ５として長さが１［ｍ］のものを用い、良好な感度で振動検出を行っていた場合に、その後、光ファイバ５を長さが１０００［ｍ］のものに交換すると、光ファイバ５における光の減衰量が増加するので、そのままでは、振動検出装置の感度が劣化するとともに、出力計２４による表示値が所定値を下回ることになるが、調整器２２により、出力計２４の表示値が所定値となるように調整することによって感度の劣化を防止することができる。逆に光ファイバを長さが短いものに交換した場合には、光ファイバ５における減衰量が減少して振動検出装置の感度が劣化し、出力計２４による表示値が所定値を下回ることになるが、この場合も、調整器２２により出力計２４の表示値が所定値となるように調整することによって感度の劣化を防止することができる。また、光量信号ｑのレベルを調整できるようにするために付加すべき構成も、複雑なものはなく、単純な構成のもので足りる。
【００２６】
また、光ファイバ５を、長さが１［ｍ］のものから１０００［ｍ］のものに交換した場合でも、変位情報の伝送を電気信号として行う場合に比べ、変位情報を大きく減衰させたり、その周波数特性を変化させたりすることなく行うことができる。したがって、振動検出装置の利用目的に応じ、光源装置２０及びセンサ部３０間の距離を大きくする必要がある場合でも、中継増幅器等を使用する必要なく、変位情報を支障なく伝送することができる。また、センサ部３０や、変位情報の伝送路、中継器等において電気を使用する必要がないので、可燃物中等において使用する振動、音等の検出を行うのに適した防爆型の振動検出装置を提供することができる。
【００２７】
また、変位信号ｖに基づき、フィルタ定数が１００［Ｈｚ］以下のローパスフィルタ２３ｂを介して光量信号ｑを取得するようにしたため、振動検出中であっても、変位信号ｖにおける１００［Ｈｚ］以上の成分の影響を排除して、実質的に振動検出膜３２の振動がない状態での光量信号ｑのレベルを取得し、これに基づいて光量信号ｑの調整を行うことができる。
【００２８】
図４は本発明の別の実施形態に係る振動検出装置の構成を示すブロック図である。図１の実施形態においては、光量調整回路２１が光原素子１１に付与する出力指令値ｉを操作員が調整するようにしているが、本実施形態では、出力計２４及び調整器２２の代わりに自動調整回路４１を設け、出力指令値ｉの調整を自動的に行うようにしている。すなわち自動調整回路４１は、光量検出回路２３からの光量信号ｑが所定値に一致するように、光量調整回路２１への調整入力ｒを調整するフィードバック制御を行う。他の点については図１の実施形態の場合と同様である。
【００２９】
本実施形態によれば、操作員の手間を要することなく、図１の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。特に、複数のセンサ部３０を交換しながら振動の検出を行う場合に、交換毎に操作員が手動で調整を行う必要がないので、便利である。
【００３０】
また、ローパスフィルタ２３ｂを経由することなく、変位信号ｖをそのまま光量信号ｑとして用いると、振動の検出中には、変位信号ｖ中の変位成分に反応して、光量変化が所定値となるように自動調整回路４１が働き、変位成分が打ち消されてしまうことにより振動の検出に悪影響を及ぼすことになるが、ローパスフィルタ２３ｂを経て光量信号ｑを取得するようにしているため、このような悪影響を防止することができる。すなわち、ローパスフィルタ２３ｂのフィルタ定数を適切に設定することにより、所望の周波数の振動の検出中であっても、戻り光の光量を支障なく調整し、常に良好な感度で振動検出を行うことができる。
【００３１】
図５は図１又は図４の振動検出装置により検出される振動における周波数特性を、比較例とともに例示するグラフである。横軸は信号の周波数［Ｈｚ］、縦軸は信号レベル［ｄＢ］である。実線グラフ５１は、図１又は図４の振動検出装置において、光ファイバ５として長さが１０［ｍ］のＧＩファイバを使用し、光量信号ｑが好ましい所定値となるように調整を行ってから振動検出を行った場合の変位信号ｖにおける信号成分の周波数特性を示す。破線グラフ５２は、光ファイバ５として長さが５００［ｍ］のＧＩファイバを使用した以外は同様の条件で振動検出を行った場合の変位信号ｖにおける信号成分の周波数特性を示す。つまり、実線グラフ５１及び破線グラフ５２は、図１又は図４の実施形態に従った検出結果を示している。
【００３２】
これに対し、一点鎖線のグラフ５３は、光ファイバ５に代えて長さが５００［ｍ］の電気ケーブルを用い、受光素子１６による光電変換をセンサ部３０側で行い、得られる電気信号を該電気ケーブルで光源装置２０側に伝送し、これに基づいて変位信号を取得した以外は同様の条件で振動検出を行った場合の変位信号における信号成分の周波数特性を、比較例として示す。
【００３３】
図５によれば、図１又は図４の実施形態において光ファイバ５を、１０［ｍ］のＧＩファイバから５００［ｍ］のＧＩファイバに交換した場合、実線グラフ５１及び破線グラフ５２によって示されるように、信号レベルが２〜３［ｄＢ］下がっているが、全帯域での周波数特性には変化がないことがわかる。これに対し、電気ケーブルを使用した比較例の一点鎖線グラフ５３による周波数特性においては、信号レベルの低下及び周波数特性の変化が大きく現れている。したがって、図１及び図４の実施形態によれば、一般的に使用されているＧＩファイバを使用し、５００［ｍ］以上の信号の伝送を行う場合においても、信号の減衰が非常に少なく、特に周波数特性についてもまったく劣化が生じないという顕著な効果を奏することがわかる。
【００３４】
図６は図１又は図４の振動検出装置により１［ｋＨｚ］の振動を検出する場合の性能特性グラフの一例を示す。左側縦軸は信号レベル［ｄＢ］、横軸は光源素子１１における動作電流［ｍＡ］、右側縦軸はレーザ電流［ｍＡ］である。実線グラフ６１は変位信号ｖの特性を示す。破線グラフ６２は変位信号ｖに含まれる不要信号の特性を示す。そして破線グラフ６３は光源素子１１におけるレーザ電流の特性を示す。この例では、半導体レーザのレーザ発振閾値は、破線グラフ６３の変曲点である約４３［ｍＡ］となっている。性能特性が良好な部分は、変位信号ｖのレベルと不要信号レベルとの差（Ｓ／Ｎ比）が大きい部分、すなわち実線グラフ６１及び破線グラフ６２間の間隔が広い部分である。この部分は、レーザ発振閾値よりやや低い部分に存在する。
【００３５】
したがって、光源素子１１として、光源面積が小さく、効率の良い集光を行うことができる半導体レーザを使用し、その動作電流をレーザ発振閾値以下とすることにより、安価で効率の高い、Ｓ／Ｎ比の良好な振動検出装置を提供することができることがわかる。具体的には、光源素子１１として、たとえば、定格電流が［５０ｍＡ］、レーザ発振閾値電流が４０［ｍＡ］程度のレーザダイオードを用い、［３５ｍＡ］程度の動作電流で使用すればよい。
【００３６】
図６の特性グラフにより得られるＳ／Ｎ比が良好な場合の動作電流によって光源素子１１を駆動した場合の光量信号ｑのレベルを最適な所定値とし、光ファイバ５の交換等に起因して光量信号ｑのレベルが該所定値からずれることがないように、調整器２２による手動調整や、自動調整回路４１による自動調整により動作電流の調整を行うことによって、良好な検出感度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る振動検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の装置における受発光部及びセンサ部の構成を示す構成図である。
【図３】図１の装置における光量検出回路の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係る振動検出装置の構成を示すブロック図である。
【図５】図１又は図４の振動検出装置により検出される振動における周波数特性を比較例とともに例示するグラフである。
【図６】図１又は図４の振動検出装置により１［ｋＨｚ］の振動を検出する場合の性能特性の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
５：光ファイバ、１０：受発光部、１１：光源素子、１２：集光素子、１３：コネクタ、１４：方向選択性反射素子、１５：集光素子、１６：受光素子、２０：光源装置、２１：光量調整回路、２２：調整器、２３：光量検出回路、２３ａ：増幅器、２３ｂ：ローパスフィルタ、２４：出力計、３０：センサ部、３１：コネクタ、３２：振動検出膜、３３：集光素子。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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