(57)【要約】【課題】コストの大幅な上昇を伴うことなく光ファイバに対する外力の作用位置を検出することができる外力検出装置を提供する。【解決手段】光源１１及び変調器１２からなる光源装置は強度が変調された測定光を出力し、この測定光は光ファイバ部１４に入力される。受光器１５は、光ファイバ部１４に測定光を入力して得られる戻り光を受光する。光ファイバ部１４は、伝送用光ファイバ２１ａ〜２１ｄと伝送用光ファイバ２１ａ〜２１ｄに対して分岐して設けられた分岐光ファイバ２３ａ〜２３ｅ等からなる。分岐光ファイバ２３ａ〜２３ｅには、外力の作用の有無によって光を透過する状態と光を吸収する状態との何れかに切り替わる光センサと、受光器１５に戻る戻り光の振幅を所定の値にする減衰器とを含むセンサモジュール２４ａ〜２４ｅが設けられている。【選択図】図１
2008020342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強度が変調された測定光を出力する光源装置と、前記測定光を光伝送路に入力させて得られる戻り光を受光する受光装置と、前記受光装置からの受光信号の位相を検出して前記光伝送路に対する外力の作用の有無を判定する判定装置とを備える外力検出装置において、
前記光伝送路に対して分岐して設けられた少なくとも１つの分岐光伝送路と、
前記分岐光伝送路の途中部位に設けられ、外力の作用の有無によって戻り光の変化を生じさせるとともに、前記受光装置に受光される戻り光の振幅を所定の値にするセンサモジュールと
を備えることを特徴とする外力検出装置。
【請求項２】
前記センサモジュールは、外力の作用の有無によって光を透過する状態と光を吸収する状態との何れかに切り替わる光センサと、
前記分岐光伝送路から前記受光装置に戻る戻り光の振幅を所定の値にする減衰器と
を備えることを特徴とする請求項１記載の外力検出装置。
【請求項３】
前記分岐光伝送路に設けられた各々の減衰器は、前記分岐光伝送路の各々から前記受光装置に戻る戻り光の振幅が一定の値になるように減衰量が設定されていることを特徴とする請求項２記載の外力検出装置。
【請求項４】
前記光センサと前記減衰器とは一体にされていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の外力検出装置。
【請求項５】
前記光源装置は、光源と、当該光源の出力光を所定の被変調信号を用いて強度変調した強度変調光を、前記測定光として出力する光変調手段とを備え、
前記判定装置は、前記受光信号の包絡線と、前記被変調信号の包絡線との位相差を検出する位相検出器と、当該位相検出器の位相検出信号に基づいて前記外力の作用の有無を判定する判定部とを備える
ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の外力検出装置。
【請求項６】
前記判定部は、前記位相検出信号の変化に基づいて、前記光センサの何れに外力が作用したか否かを判定することを特徴とする請求項５記載の外力検出装置。
【請求項７】
前記分岐光伝送路は、その末端に前記測定光を反射して反射光を発生させる反射部材を備えることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の外力検出装置。
【請求項８】
前記分岐光伝送路の末端は、前記測定光を反射して反射光を発生させる反射端とされていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の外力検出装置。
【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外力の有無を検出する外力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバに光を入射して、その内部で発生する散乱光又は終端に到達する透過光の特性を分析することによって光ファイバの状態変化を検出する光ファイバセンシング技術の研究・開発が盛んに行われている。この技術の一種として、光ファイバに対して外力が作用した位置を検出する外力検出装置がある。この外力検出装置は、例えば以下の特許文献１に開示されている通り、敷地境界に設置されたフェンスを乗り越えて敷地内に侵入する侵入者、又はフェンスを破壊して敷地内に侵入する侵入者を検知する防犯システムに応用することができる。
【０００３】
従来、防犯システムでは、機械的なテンションセンサ、振動センサ、赤外線遮断センサ、電界センサ等のセンサが外力検出装置として用いられることが多かった。しかしながら、これらは広域監視を行う場合において雷や電磁ノイズに対する信頼性にやや難があったため、近年では信頼性向上の観点から、光ファイバセンシング技術を応用した外力検出装置が用いられている。光ファイバセンシング技術を応用した外力検出装置としては、例えばＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）センサを用いたものや、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectmeters）装置により光ファイバの切断箇所を検出するものが提案されている。そして、ＦＢＧセンサはフェンスに取り付けられて外力の作用の有無を検知し、ＯＴＤＲ装置はフェンスに取り付けられて破壊の有無を検知する。
【０００４】
ここで、ＦＢＧセンサとは、光ファイバの光が通るコア部において、一定の長さにわたって屈折率の周期的な変化（ブラッグ格子）を形成したものであり、広帯域の光を光ファイバに入射して、その反射光の特定波長成分（ＦＧＢの格子間隔及び屈折率に応じた特定の波長成分）の変化を検出することにより、センサ部に歪が生じているか否かを検出するものである。また、ＯＴＤＲ装置とは、光ファイバに光を入射させて、その戻り光の強度変化をモニタして光ファイバの切断箇所を検出するものである。
【特許文献１】特開２００５−３２２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のＦＢＧセンサでは特定波長を高精度に検出する必要があり、上記のＯＴＤＲ装置では微弱な後方散乱光を高精度に検出する必要がある。このため、光ファイバセンシング技術を応用した従来の外力検出装置は装置は、コストが高くなる傾向があるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、コストの大幅な上昇を伴うことなく光ファイバに対する外力の作用位置を検出することができる外力検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の外力検出装置は、強度が変調された測定光を出力する光源装置（１１、１２）と、前記測定光を光伝送路（２１ａ〜２１ｄ）に入力させて得られる戻り光を受光する受光装置（１５）と、前記受光装置からの受光信号の位相を検出して前記光伝送路に対する外力の作用の有無を判定する判定装置（１６、１７）とを備える外力検出装置（１０）において、前記光伝送路に対して分岐して設けられた少なくとも１つの分岐光伝送路（２３ａ〜２３ｅ）と、前記分岐光伝送路の途中部位に設けられ、外力の作用の有無によって戻り光の変化を生じさせるとともに、前記受光装置に受光される戻り光の振幅を所定の値にするセンサモジュール（２４ａ〜２４ｅ）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、光源装置から出力された測定光は、光伝送路中を伝播しつつ一部が分岐光伝送路に分岐される。分岐光伝送路中を伝播する測定光は、分岐光伝送路の途中部位に設けられたセンサモジュールに入力され、外力の作用の有無によって戻り光の変化が生じる。センサモジュールからの戻り光は所定の振幅にされて受光装置で受光される。
ここで、本発明の外力検出装置は、前記センサモジュールが、外力の作用の有無によって光を透過する状態と光を吸収する状態との何れかに切り替わる光センサ（２６）と、前記分岐光伝送路から前記受光装置に戻る戻り光の振幅を所定の値にする減衰器（２７）とを備えることが望ましい。
また、本発明の外力検出装置は、前記分岐光伝送路に設けられた各々の減衰器は、前記分岐光伝送路の各々から前記受光装置に戻る戻り光の振幅が一定の値になるように減衰量が設定されていることを特徴としている。
また、本発明の外力検出装置は、前記光センサと前記減衰器とは一体にされていることを特徴としている。
好ましくは、本発明の外力検出装置は、前記光源装置が、光源（１１）と、当該光源の出力光を所定の被変調信号を用いて強度変調した強度変調光を、前記測定光として出力する光変調手段（１２）とを備え、前記判定装置が、前記受光信号の包絡線と、前記被変調信号の包絡線との位相差を検出する位相検出器（１６）と、当該位相検出器の位相検出信号に基づいて前記外力の作用の有無を判定する判定部（１７）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の外力検出装置は、前記判定部が、前記位相検出信号の変化に基づいて、前記光センサの何れに外力が作用したか否かを判定することを特徴としている。
更に、本発明の外力検出装置は、前記分岐光伝送路が、その末端に前記測定光を反射して反射光を発生させる反射部材（２５）を備えており、或いは、前記分岐光伝送路の末端が、前記測定光を反射して反射光を発生させる反射端とされていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、特定波長や微弱な後方散乱光を高精度に検出する必要がないため、外力の作用位置をコストの大幅な上昇を伴うことなく検出することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による外力検出装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による外力検出装置の全体構成を示す模式図である。図１に示す通り、本実施形態の外力検出装置１０は、光源１１、変調器１２、サーキュレータ１３、光ファイバ部１４、受光器１５、位相検出器１６、及び判定部１７を備えている。
【００１０】
光源１１は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）又はＬＤ（Laser Diode）であり、一定の振幅、波長の光を射出する。変調器１２は、光源１１が射出した光を、所定周波数の被変調信号により強度変調し、測定光としてサーキュレータ１３へ射出する。また、変調器１２は、被変調信号Ｓｍを位相検出器１６に出力する。尚、変調器１２は、上記の通り、光源１１から射出された光を変調するものであっても良く、或いは例えばＬＥＤに対して変調した電流を供給するように、光源１１を直接変調するものであっても良い。後者の場合には、強度変調された測定光が直接ＬＥＤから射出されることになる。
【００１１】
サーキュレータ１３は、変調器１２から射出される測定光（或いは、光源１１から直接射出される測定光）を光ファイバ部１４へ射出するとともに、光ファイバ部１４から測定光の進行方向と逆向きに戻ってくる戻り光（反射光）を受光器１５へ射出する。
【００１２】
光ファイバ部１４は、複数の伝送用光ファイバ２１ａ〜２１ｄ（光伝送路）、複数の光カプラ２２ａ〜２２ｄ、複数の分岐光ファイバ２３ａ〜２３ｅ（分岐光伝送路）、及び複数のセンサモジュール２４ａ〜２４ｅを備える。尚、図１においては、図示の都合上、一部が曲げられた状態の光ファイバ部１４を図示しているが、光ファイバ部１４は一直線状に配置してもよく、その配置は任意である。
【００１３】
光カプラ２２ａ〜２２ｄは、４つの入出力端を備えており、入力される光を合分波して出力する。光カプラ２２ａの１つの入出力端は、伝送用光ファイバ２１ａによってサーキュレータ１３に接続されている。また、伝送用光ファイバ２１ｂによって光カプラ２２ａ，２２ｂが接続されており、伝送用光ファイバ２１ｃによって光カプラ２２ｂ，２２ｃが接続されており、伝送用光ファイバ２１ｄによって光カプラ２２ｃ，２２ｄが接続されている。
【００１４】
分岐光ファイバ２３ａは一方の端部にセンサモジュール２４ａが設けられており、他方の端部が光カプラ２２ａに接続されている。また、分岐光ファイバ２３ａは一方の端部にセンサモジュール２４ｂが設けられており、他方の端部が光カプラ２２ｂに接続されている。同様に、分岐光ファイバ２３ｃは一方の端部にセンサモジュール２４ｃが設けられており、他方の端部が光カプラ２２ｃに接続されている。更に、分岐光ファイバ２３ｄ，２３ｅは一方の端部にセンサモジュール２４ｄ，２４ｅがそれぞれ設けられており、他方の端部が光カプラ２２ｄの異なる入出力端にそれぞれ接続されている。つまり、複数の分岐光ファイバ２３ａ〜２３ｅは、伝送用光ファイバ２１ａ〜２１ｄに対して分岐した状態にある。
【００１５】
次に、分岐光ファイバ２３ａ〜２３ｅの各々に接続されたセンサモジュール２４ａ〜２４ｅについて説明する。尚、センサモジュール２４ａ〜２４ｅの構成は同様の構成であるため、以下ではセンサモジュール２４ａについて説明し、センサモジュール２４ｂ〜２４ｅについては説明を省略する。図２は、センサモジュール２４ａの構成を示すブロック図である。図２に示す通り、センサモジュール２４ａは、分岐光ファイバ２３ａの端部に設けられた反射部材２５、光センサ２６、及び減衰器２７を含んで構成される。
【００１６】
反射部材２５は、分岐光ファイバ２３ａ内を伝播してきた測定光を反射する。測定光が反射部材２５で反射されることにより、測定光はその伝播方向と逆向きに進行する反射光となる。尚、この反射部材２５は、分岐光ファイバ２３ａの端部にミラー等の光学部材を取り付けたものであっても良く、或いは分岐光ファイバ２３ａの端面そのもの（反射端）であっても良い。分岐光ファイバ２３ａの端面そのものを反射端として用いれば、例えば分岐光ファイバ２３ａの延長等にも柔軟に対処することができる。
【００１７】
光センサ２６は、外力が作用しない状態では測定光がコアからクラッドに漏れてクラッドで吸収される状態にあり、外力が作用すると分岐光ファイバ２３ａの内部を進行する測定光及び反射光を透過させる状態になる。つまり、光センサ２６に外力が作用していない状態では、センサモジュール２４ａ内で反射光は生じないが、光センサ２６に外力が作用するとセンサモジュール２４ａ内で反射光が生ずることになる。
【００１８】
減衰器２７は、光センサ２６を透過した測定光、及び反射部材２５で反射された反射光を所定量だけ減衰させる。ここで、センサモジュール２４ａ〜２４ｅの各々に設けられる減衰器２７の減衰器は既知である。例えば、センサモジュール２４ａ〜２４ｅの各々に設けられる減衰器２７の減衰量は、各センサモジュール２４ａ〜２４ｅで生じた反射光のうち受光器１５に入射する反射光の強度がそれぞれ同一となるよう設定されている。尚、センサモジュール２４ａ〜２４ｅに設けられる各減衰器２７の減衰量は、受光器１５に入射する各反射光の強度が完全に同一となるよう設定されていることが望ましいが、検出誤差の範囲内であれば、ある程度の誤差は認められる。
【００１９】
受光器１５は、サーキュレータ１３を介して入射される反射光を光電変換することにより、反射光の光強度に応じた電圧信号Ｓｒを位相検出器１６へ出力する。この電圧信号Ｓｒは、反射光の包絡線を示す電気信号である。前述の通り、センサモジュール２４ａ〜２４ｅが備える光センサ２６の各々に外力が作用しない状態では、受光器１５に反射光が入射しないため、受光器１５が出力する電圧信号Ｓｒの位相は不定状態となる。これに対し、センサモジュール２４ａ〜２４ｅが備える光センサ２６の１つ又は複数に外力が作用すると、受光器１５に反射光が入射し、受光器１５は反射光の包絡線の位相に応じた位相の電圧信号Ｓｒを出力する。
【００２０】
位相検出器１６は、受光器１５から入力された電圧信号Ｓｒと、変調器１２から入力される被変調信号Ｓｍとの位相差を検出し、検出信号を判定部１７へ出力する。図３は、位相検出器１６の内部構成を示すブロック図である。図３に示す通り、位相検出器１６は、ロックインアンプと同様の構成であり、ＰＳＤ（Phase Sensitive Detecter：同期検波回路）３１ａ，３１ｂ、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３２ａ，３２ｂ、位相シフタ３４、及び位相検出部３３を備えている。
【００２１】
ＰＳＤ３１ａは受光器１５から出力される電圧信号Ｓｒと変調器１２から出力される被変調信号Ｓｍとを乗算する。ＬＰＦ３２ａは、カットオフ周波数が電圧信号Ｓｒ及び被変調信号Ｓｍの周波数よりも十分低いカットオフ周波数特性を有し、このカットオフ周波数以下の成分の信号Ｘのみを透過させる。位相シフタ３４は、変調器１２から出力される被変調信号Ｓｍの位相を９０度だけずらす（シフトさせる）。
【００２２】
ＰＳＤ３１ｂは受光器１５から出力される電圧信号Ｓｒと位相シフタ３４から出力される信号とを乗算する。ＬＰＦ３２ｂは、ＬＰＦ３２ａと同様に、カットオフ周波数が電圧信号Ｓｒ及び被変調信号Ｓｍの周波数よりも十分低いカットオフ周波数特性を有し、このカットオフ周波数以下の成分の信号Ｙのみを透過させる。位相検出部３３は、ＬＰＦ３２ａから出力される信号Ｘ及びＬＰＦ３２ｂから出力される信号Ｙに基づいて、受光器１５から出力される電圧信号Ｓｒと、変調器１２から出力される被変調信号Ｓｍとの位相差を検出し、検出信号を判定部８へ出力する。
【００２３】
次に、位相検出器１６の検出原理について具体的に説明する。いま、受光器１５から出力される電圧信号Ｓｒをｓｉｎ（ωｔ＋α）とし、変調器１２から出力される被変調信号Ｓｍをｃｏｓ（ωｔ＋β）とする。これらの信号がＰＳＤ３１ａで乗算されると、以下の（１）式で表される信号が得られる。
【数１】
2008020342.tif 000003
【００２４】
上記（１）式で示される信号をＬＰＦ３２ａに入力して、電圧信号Ｓｒ及び被変調信号Ｓｍの周波数よりも十分低いカットオフ周波数以上の成分を除去すると、以下の（２）式で示される信号Ｘが得られる。
【数２】
2008020342.tif 000004
【００２５】
また、変調器１２から出力される被変調信号Ｓｍが位相シフタ３４に入力されると、位相シフタ３４からは電圧信号Ｓｒに対して位相が９０度だけずれた信号（ｃｏｓ（ωｔ＋β））が出力される。受光器１５から出力される電圧信号Ｓｒと位相シフタ３４から出力される信号がＰＳＤ３１ｂで乗算されると、以下の（３）式で表される信号が得られる。
【数３】
2008020342.tif 000005
【００２６】
上記（３）式で示される信号をＬＰＦ３２ｂに入力して、電圧信号Ｓｒ及び被変調信号Ｓｍの周波数よりも十分低いカットオフ周波数以上の成分を除去すると、以下の（４）式で示される信号Ｙが得られる。
【数４】
2008020342.tif 000006
【００２７】
ここで、α−β＝φとして、ＬＰＦ３２ａ，３２ｂから出力される信号Ｘ，Ｙを位相空間に図示すると図４の通り表される。図４は、ＬＰＦ３２ａ，３２ｂから出力される信号Ｘ，Ｙを位相空間に表した図である。尚、図４中のＲは、ＬＰＦ３２ａ，３２ｂから出力される信号Ｘ，Ｙを合成した信号の大きさである。この信号の大きさＲ及びＬＰＦ３２ａ，３２ｂの出力Ｘ，Ｙの位相φは以下の（５）式で示される。
【数５】
2008020342.tif 000007
位相検出部３３は、ＬＰＦ３２ａ，３２ｂから出力される信号Ｘ，Ｙから、上記の（５）式を用いて変調器１２から出力される被変調信号Ｓｍと受光器１５から出力される電圧信号Ｓｒとの位相差φ（＝α−β）を求める。
【００２８】
判定部１７は、位相検出器１６から入力される検出信号に基づいて、光ファイバ部１４への外力の作用の有無を判定する。この判定部１７は、位相検出器１６の出力する検出信号（アナログ信号）を量子化するＡ／Ｄ変換器、所定の判定処理プログラムを記憶する記憶部、Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号としての検出データに上記判定処理プログラムに基づく判定処理を施すＣＰＵ（Central Processing Unit）、及びこのＣＰＵによる判定処理結果を外部に出力する出力部等から構成されている。
【００２９】
次に、本実施形態の外力検出装置１０による外力検出の原理について説明する。変調器１２が強度変調に用いる被変調信号の波長λは、その被変調信号の周波数をｆ、光の速度をｃ、光ファイバ部１４の屈折率（伝送用光ファイバ２１ａ〜２１ｄ及び分岐光ファイバ２３ａ〜２３ｅの屈折率）をｎとすると、下記の式（６）で表される。
【数６】
2008020342.tif 000008
【００３０】
更に、光源１１からサーキュレータ１３までの距離と、サーキュレータ１３から受光器１５までの距離とを同距離とし、光源１１からセンサモジュール２４ａ〜２４ｅに設けられた反射部材２５の何れかまでの距離をＬとすると、光源１１から受光器１５までの距離は、２Ｌと表される。この距離２Ｌと、被変調信号の波長λとの関係は、下記の式（７）で表される。
【数７】
2008020342.tif 000009
【００３１】
ここで、Ｎは正の整数であり、ｌはｌ＜λなる関係を満たすある長さである。被変調信号の波長λを位相角２πラジアンに対応させると、長さｌがφラジアンに相当するときには、長さｌは以下の（８）式で表される。
【数８】
2008020342.tif 000010
上記（８）式中における位相角φは、光源１１から射出された測定光を基準としたときの受光器１５に受光される反射光の包絡線の位相差を示している。
【００３２】
本実施形態では、図１に示す通り、複数のセンサモジュール２４ａ〜２４ｅが設けられており、これらに設けられた光センサ２６の複数に外力が作用して複数の反射光が生ずることもある。このため、受光器１５で受光された反射光が、何れのセンサモジュール２４ａ〜２４ｅで生じたかを判定する必要がある。
【００３３】
いま、センサモジュール２４ａ〜２４ｅで生ずる反射光であって受光器１５で受光される反射光の振幅（包絡線の最大値）をそれぞれＰＡ〜ＰＥとし、位相をそれぞれφＡ〜φＥとすると、受光器１５で受光される反射光は以下の（９）式で表される。
【数９】
2008020342.tif 000011
【００３４】
受光器１５から出力される電圧信号Ｓｒは、上記（９）式に表される反射光の振幅に比例した信号になり、上記（９）式中の位相φＡ〜φＥを検出することができれば、受光器１５で受光された反射光が何れのセンサモジュール２４ａ〜２４ｅで生じたものであるか、即ちセンサモジュール２４ａ〜２４ｅに設けられた何れの光センサ２６に外力が作用したのかを検出することができる。しかしながら、各反射光の振幅ＰＡ〜ＰＥが異なっている場合には、振幅が大きい成分が支配的になって他の成分（振幅が小さな成分）を検出することが困難になる。
【００３５】
いま、センサモジュール２４ａ〜２４ｅの各々に減衰器２７が設けられておらず、受光器１５には振幅が異なる反射光が入射する場合を考える。図５は、受光器１５に入射する振幅が異なる反射光の一例を示す図である。尚、図５においては、横軸に時間をとり、縦軸に振幅をとっている。図５（ａ）は、センサモジュール２４ａで生じた反射光のうちの受光器１５に入射する反射光Ｒ１の振幅の時間変化の一例を示す図である。図５（ｂ）は、センサモジュール２４ｂで生じた反射光のうちの受光器１５に入射する反射光Ｒ２の振幅の時間変化の一例を示す図である。同様に、図５（ｃ）〜図５（ｅ）は、センサモジュール２４ｃ〜２４ｅで生じた反射光のうちの受光器１５に入射する反射光Ｒ３〜Ｒ５の振幅の時間変化の一例を示す図である。図５（ｆ）は、受光器１５に入射する反射光Ｒ１〜Ｒ５を合成した反射光Ｒ０を示す図である。
【００３６】
図５（ａ）〜図５（ｆ）においては、比較のために一定振幅の参照光ＳＲを図示している。尚、各反射光Ｒ０〜Ｒ５の振幅は参照光ＳＲの振幅で正規化している。また、図５（ａ）〜図５（ｅ）では、縦軸のスケールを変えて図示しているため、各図に図示された参照光ＳＲの波形は一見すると異なっているが、参照光ＳＲの波形は同一である点に注意されたい。
【００３７】
センサモジュール２４ａ〜２４ｅに設けられた光センサ２６の全てに外力が作用している状態を考え、この状態において測定光がサーキュレータ１３から光ファイバ部１４に入射したとすると、センサモジュール２４ａ〜２４ｅの各々で反射光が生じ、その反射光は光サーキュレータ１３を介して受光器１５に順に入射する。測定光が各センサモジュール２４ａ〜２４ｅの反射部材２５に到達するまでの光路長には差があり、また、各センサモジュール２４ａ〜２４ｅで生じた反射光が受光器１５に到達するまでの光路長には差があるため、図５（ａ）〜図５（ｅ）に示す通り、反射光Ｒ１〜Ｒ５の順で順に受光器１５に入射する。
【００３８】
また、図５（ａ）〜図５（ｅ）に示す通り、反射光Ｒ１の振幅が最も大きく、反射光Ｒ２〜Ｒ４の順で次第に振幅が小さくなり、反射光Ｒ５の振幅が最も小さいとする。これらの反射光Ｒ１〜Ｒ５を合成した図５（ｆ）に示される反射光Ｒ０を参照すると、反射光Ｒ１が支配的になり、他の反射光Ｒ２〜Ｒ５を殆ど判別することはできない。このように、反射光Ｒ１〜Ｒ５の振幅の差が大きい場合には、位相検出器１６では前述した（９）式中の位相φＢ〜φＥを検出することが困難になる。
【００３９】
次に、センサモジュール２４ａ〜２４ｅの各々に減衰器２７が設けられており、しかもこれらの減衰器２７の減衰量が、各センサモジュール２４ａ〜２４ｅで生じた反射光のうち受光器１５に入射する反射光の強度がそれぞれ同一となるよう設定されている場合を考える。かかる場合においては、受光器１５で受光される反射光は以下の（１０）式で表される。
【数１０】
2008020342.tif 000012
上記（１０）式を参照すると、各反射波の振幅はＰ０と一定であるため、各反射波の位相φＡ〜φＥを検出することが可能となる。
【００４０】
図６は、受光器１５に入射する一定振幅の反射光の一例を示す図である。尚、図６においては、図５と同様に横軸に時間を、縦軸に振幅をそれぞれ取っている。また、図６（ａ）〜図６（ｅ）には、図５（ａ）〜図５（ｅ）と同様に、センサモジュール２４ａ〜２４ｅでそれぞれ生じた反射光のうちの受光器１５に入射する反射光Ｒ１〜Ｒ５の振幅の時間変化の一例を図示している。尚、図６（ｆ）は、受光器１５に入射する反射光Ｒ１〜Ｒ５を合成した反射光Ｒ０を示す図である。
【００４１】
また、図６（ａ）〜図６（ｆ）においても、比較のために一定振幅の参照光ＳＲを図示しており、各反射光Ｒ０〜Ｒ５の振幅は参照光ＳＲの振幅で同じくしている。図６（ａ）〜図６（ｅ）に示す通り、反射光Ｒ１〜Ｒ５の振幅は同一であるが、これらの反射光Ｒ１〜Ｒ５を合成した図６（ｆ）に示される反射光Ｒ０を参照すると、過渡的状態（受光器１５に入射する反射光の数が変化する状態）では、振幅が変化していることが分かる。
【００４２】
図７は、受光器１５に入射する各反射波の位相関係を説明するための図である。尚、図７（ａ）には、図６（ｆ）と同一の受光器１５に入射する反射光Ｒ１〜Ｒ５を合成した反射光Ｒ０を図示している。図７（ａ）中の期間Ｔ１では、センサモジュール２４ａで生じた反射光Ｒ１のみが受光器１５に入射する。このため、位相比較記１６が受光器１５から出力される電圧信号Ｓｒの位相を検出すれば、反射光が生じた位置（外力が作用した光センサ２６）を特定することができる。
【００４３】
これに対し、図７（ａ）中の期間Ｔ２では、センサモジュール２４ａで生じた反射光Ｒ１とセンサモジュール２４ｂで生じた反射光Ｒ２とが受光器１５に入射する。このため、反射光Ｒ０の振幅は、これらを合成したものとなる。ここで、反射光Ｒ１，Ｒ２を位相空間に表すと図７（ｂ）中のベクトルＶ１，Ｖ２で表され、反射光Ｒ０は、ベクトルＶ１，Ｖ２を合成したベクトルＶ１１で表される。
【００４４】
次に、図７（ａ）中の期間Ｔ３では、センサモジュール２４ａで生じた反射光Ｒ１、センサモジュール２４ｂで生じた反射光Ｒ２、及びセンサモジュール２４ｃで生じた反射光Ｒ３が受光器１５に入射する。従って、これらの反射光Ｒ１〜Ｒ３を合成した反射光Ｒ０を位相空間に表すと、図７（ｃ）に示す通り、ベクトルＶ１，Ｖ２を合成したベクトルＶ１１と反射光Ｒ３のベクトルＶ３とを合成したベクトルＶ１２で表される。
【００４５】
次いで、図７（ａ）中の期間Ｔ４では、センサモジュール２４ａで生じた反射光Ｒ１、センサモジュール２４ｂで生じた反射光Ｒ２、センサモジュール２４ｃで生じた反射光Ｒ３、及びセンサモジュール２４ｄで生じた反射光Ｒ４が受光器１５に入射する。従って、これらの反射光Ｒ１〜Ｒ４を合成した反射光Ｒ０を位相空間に表すと、図７（ｄ）に示す通り、ベクトルＶ１〜Ｖ３を合成したベクトルＶ１２と反射光Ｒ４のベクトルＶ４とを合成したベクトルＶ１３で表される。
【００４６】
更に、図７（ａ）中の期間Ｔ５では、センサモジュール２４ａで生じた反射光Ｒ１、センサモジュール２４ｂで生じた反射光Ｒ２、センサモジュール２４ｃで生じた反射光Ｒ３、センサモジュール２４ｄで生じた反射光Ｒ４、及びセンサモジュール２４ｅで生じた反射光Ｒ５が受光器１５に入射する。従って、これらの反射光Ｒ１〜Ｒ５を合成した反射光Ｒ０を位相空間に表すと、図７（ｅ）に示す通り、ベクトルＶ１〜Ｖ４を合成したベクトルＶ１３と反射光Ｒ５のベクトルＶ５とを合成したベクトルＶ１４で表される。
【００４７】
以上の通り、受光器１５に入射する反射光の数が変化すると、受光器１５に入射する反射光を合成した反射光Ｒ０の振幅及び位相が変化する。尚、この変化が現れるのは、変化が生じた過渡的なときのみであり、その数が変化しない定常状態では変化は現れない。サーキューレータ１３に対する光センサ２６各々の光学的な距離は既知であるため、位相検出器１６がその位相変化が生じたときにその位相を検出し、判定部１７がその位相をベクトルＶ１〜Ｖ５に分解する処理を行うことにより、何れのセンサモジュール２４ａ〜２４ｅで反射が生じたのか、即ち何れの光センサ２６に外力が作用したのかを判定することができる。以上の原理によって、光センサ２６を備えるセンサモジュール２４ａ〜２４ｅをそれぞれ異なる場所に敷設することにより、複数箇所での外力検出を可能とすることができる。
【００４８】
以上説明した通り、本実施形態によれば、特定波長や微弱な後方散乱光を高精度に検出する必要がないため、光ファイバに対する外力の作用位置をコストの大幅な上昇を伴うことなく検出することができる。また、上述したセンサモジュールを備える光ファイバ部１４を、例えば敷地境界に設置されたフェンス等に敷設することで、敷地内に侵入する侵入者を検知する防犯システムに応用することができる。
【００４９】
尚、上記実施形態では、５つのセンサモジュール２４ａ〜２４ｅを備える例について説明したが、センサモジュールの数は任意の数とすることができる。また、実施にあたっては、被変調信号として正弦波の他に矩形波を用いてもよく、また、変調方法として光源１１が射出する光に連続して被変調信号を重畳してもよいし、間欠的に被変調信号を重畳してもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では、光センサ２６は、外力が作用しない状態では測定光がコアからクラッドに漏れてクラッドで吸収される状態にあり、外力が作用すると分岐光ファイバの内部を進行する測定光及び反射光を透過させる状態になるものを例に挙げて説明した、しかしながら、外力が作用していない状態では分岐光ファイバの内部を進行する測定光及び反射光を透過させる状態になり、外力が作用している状態では測定光を吸収するものを用いることもできる。
【００５１】
更に、上記実施形態では、減衰量が既知の減衰器２７をセンサモジュールの各々に設けて、受光器１５に入射する反射光の振幅を一定にしていたが、光センサ２６に代えて既知の損失を有する光センサを用いれば減衰器２７を省略することが可能である。即ち、光センサと減衰器とを一体にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態による外力検出装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】センサモジュール２４ａの構成を示すブロック図である。
【図３】位相検出器１６の内部構成を示すブロック図である。
【図４】ＬＰＦ３２ａ，３２ｂから出力される信号Ｘ，Ｙを位相空間に表した図である。
【図５】受光器１５に入射する振幅が異なる反射光の一例を示す図である。
【図６】受光器１５に入射する一定振幅の反射光の一例を示す図である。
【図７】受光器１５に入射する各反射波の位相関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０              外力検出装置
１１              光源
１２              変調器
１５              受光器
１６              位相検出器
１７              判定部
２１ａ〜２１ｄ    伝送用光ファイバ
２３ａ〜２３ｅ    分岐光ファイバ
２４ａ〜２４ｅ    センサモジュール
２５              反射部材
２６              光センサ
２７              減衰器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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