(57)【要約】【課題】  振動計測における指向性を制御できる振動計測装置を提供する。【解決手段】  この装置は、光源と導波路２と検出部とを備えている。光源は、導波路２に入力光を入力するものである。導波路２は、例えば光ファイバにより構成されている。導波路２は、計測すべき振動が加えられる長円部１２０を有している。  長円部１２０は、入力光が通過するものとなっている。検出部は、長円部１２０を通過した導波路２からの出力光と入力光との間での周波数変化を検出する。  長円部１２０は、円弧部１２１と直線部１２２とを備えている。  円弧部１２１の曲率半径ｒと、直線部１２２の長さｌとの比ｌ／Ｒを調整することにより、振動計測における指向性を制御することができる。【選択図】 図２
2005283469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力部と導波路と検出部とを備えており、
前記入力部は、前記導波路に入力光を入力するものであり、
前記導波路は、計測すべき振動が加えられる長円部を有し、
前記長円部は、前記入力光が通過するものとなっており、
前記検出部は、前記長円部を通過した前記導波路からの出力光と前記入力光との間での周波数変化を検出するものであることを特徴とする振動計測装置。
【請求項２】
前記長円部は、二つの円弧部と、これら二つの円弧部の開口部分を繋ぐ二つの直線部とを備えていることを特徴とする請求項１記載の振動計測装置。
【請求項３】
前記導波路は光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の振動計測装置。
【請求項４】
前記長円部は、前記光ファイバを周回することにより形成されていることを特徴とする請求項３記載の振動計測装置。
【請求項５】
振動計測における指向性を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動計測装置。
【請求項６】
請求項２記載の振動計測装置を用いた振動計測方法であって、前記円弧部の曲率半径Ｒと前記直線部の長さｌとの比を調整することにより、振動計測における指向性を制御することを特徴とする振動計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を計測するための装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物体中を伝播する弾性波（弾性振動）や機械構造物の振動を計測するために、従来
からピエゾなどの圧電素子を用いた振動センサが用いられている。しかしながら、こ
の技術では、測定可能な周波数帯域が限られていたり、付加的質量が被測定物に影響を
与えたり、ゲージ長を大きくとれないといった問題があった。
【０００３】
また、レーザドップラ光ファイバセンサを振動センサに応用することが提案されている。この方法の原理は、概略次の通りである。まず、光ファイバの一端に光源を接続する。ファイバの他端には、入力光を反射してファイバに戻す反射鏡を取り付ける。光ファイバに振動が加わると、ファイバの伸縮に伴い、ファイバ中での光路長が変化する。光路長の時間変化をｄＬ／ｄｔとすると、ファイバ端で反射する光は、ドップラー効果により、ｄＬ／ｄｔに比例して、その周波数が変化する。したがって、ファイバ端からの反射光と入力光との周波数変化を計測することで、振動を計測することができる。このようなセンサは、広帯域ではあるが、低感度であるという解決課題を有している。
【０００４】
ところで、本発明者は、光ファイバを湾曲させ、この湾曲部に振動を与えて、入力光と、ファイバを通過した出力光との間での周波数変化を観察した。その結果、湾曲部において、微少振動に対応した周波数変化が発生しているという知見を既に得ている。
【０００５】
この知見に基づき、本発明者は、下記特許出願を行っている。
【特許文献１】国際公開WO03/002956公報
【０００６】
この文献記載の技術の概要を、図１に基づいて説明する。この振動計測装置は、入力部１と光ファイバ２と検出部３とＡＯＭ（Acoustic Optical Modulator）４とを備えている。
【０００７】
入力部１は、光ファイバ２に入力光を入力するものである。具体的には、入力部１は、半導体や気体などを用いたレーザである。入力部１は、カプラ２１を介して光ファイバ２に接続されている。入力部１とカプラ２１との間には、入力光の一部をＡＯＭ４に送るためのハーフミラー１１が配置されている。
【０００８】
光ファイバ２は、計測すべき振動が加えられる湾曲部２０を有している。湾曲部２０は、光ファイバ２を周回することによって形成されている。湾曲部２０は、振動を計測すべき箇所に配置される。例えば、湾曲部２０は、接着剤や接着テープなどの固定手段により、被計測箇所に固定される。
【０００９】
検出部３は、湾曲部２０を通過した、光ファイバ２からの出力光と、入力部１からの入力光との間での周波数変化を検出するものである。具体的には、ハーフミラー１１、ＡＯＭ４（後述）、ハーフミラー３１を介して送られた入力光と、光ファイバ２からの出力光とのビートをとり、ビート周波数の変化を検出できるようになっている。これにより、入出力光間の周波数変化を検出している。検出部３は、カプラ２２を介してファイバ２に接続されている。
【００１０】
ＡＯＭ４は、入力光周波数ｆ０を変化させて、ｆ０＋ｆＭ（ｆＭは正負を含む。）とすることができるようになっている。そのようなＡＯＭの構成は周知である。
【００１１】
この装置を用いた振動計測方法は以下の通りである。
まず、ファイバ２の湾曲部２０を、任意の固定手段（例えば接着剤）を用いて、被計測箇所に配置する。一方、ファイバ２には、入力部１から入力光を送っておく。この状態で、湾曲部２０に振動（弾性波）が加わると、振動に応じて、湾曲部２０を通過する光の周波数が変化する。すなわち、出力光の周波数が変化する。この周波数変化を検出部３で検出する。これにより、湾曲部２０に加えられた振動を周波数変化として検出することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、本発明者は、前記の知見に加えて、振動計測における指向性を制御できる、円弧部の形状についての知見を得た。
【００１３】
本発明は、この知見に基づいてなされたもので、振動計測における指向性を制御できる振動計測装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る振動計測装置は、入力部と導波路と検出部とを備えている。前記入力部は、前記導波路に入力光を入力するものである。前記導波路は、計測すべき振動が加えられる長円部を有している。前記長円部は、前記入力光が通過するものとなっている。前記検出部は、前記長円部を通過した前記導波路からの出力光と前記入力光との間での周波数変化を検出するものである。
【００１５】
前記長円部は、二つの円弧部と、これら二つの円弧部の開口部分を繋ぐ二つの直線部とを備えることができる。
【００１６】
前記導波路は、例えば光ファイバである。
【００１７】
前記長円部は、前記光ファイバを周回することにより形成することもできる。
【００１８】
前記振動計測装置は、振動計測における指向性を有していてもよい。
【００１９】
本発明に係る振動計測方法は、前記振動計測装置における前記円弧部の曲率半径Ｒと前記直線部の長さｌとの比を調整することにより、振動計測における指向性を制御する構成となっている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、振動計測における指向性を制御できる振動計測装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の一実施形態に係る振動計測装置および計測方法について、図２を参照しながら以下に説明する。この実施形態の説明においては、特許文献１に記載きさいされた、図１の装置と同様の構成については、同一符号を付して説明を簡略化する。
【００２２】
この振動計測装置では、図１の湾曲部２０に代えて、長円部１２０が用いられている。長円部１２０は、１本の導波路としての光ファイバ２を長円状に周回させることにより構成されている。長円部１２０は、二つの円弧部１２１と、これら二つの円弧部１２１の開口部分を繋ぐ二つの直線部１２２とを備えている。直線部１２２どうしは、この実施形態ではほぼ平行となっている。
【００２３】
直線部１２２としては、曲率半径が円弧部１２１に対して有意に大きい（つまり直線に近い）形状であればよい。また、円弧部１２１の曲率は一定でなくても良い。したがって、長円部１２０の形状としては、扁平な楕円状であってもよい。
【００２４】
光ファイバ２の種類としては、特に限定されず、例えばＧＩ型、ＳＩ型、シングルモード型、マルチモード型などの適宜のものが利用可能である。また、光ファイバ２に代えて、他の種類の導波路（例えば中空金属パイプや、ガラス基板にマイクロ加工された光路）を用いることも可能である。
【００２５】
光ファイバ２またはそれに代わる導波路の材質としては、可逆的変形すなわち弾性変形をするものが好ましい。弾性体には、鋼などの金属材料、ガラスやセラミック、プラスチックなどの、ほとんど全ての工業材料が含まれる。
【００２６】
つぎに、前記装置を用いた振動計測方法の一例を説明する。
まず、ファイバ２の長円部１２０を、任意の固定手段（例えば接着剤や接着テープ）を用いて、被計測箇所に配置する。固定手段は任意である。また、長円部１２０に振動が伝達できれば、長円部１２０は固定されていなくても良い。
【００２７】
一方、ファイバ２には、入力部１から入力光を送っておく。この状態で、長円部１２０に振動（弾性波）が加わると、振動に応じて、長円部１２０を通過する光の周波数が変化する。すなわち、出力光の周波数が変化する。この周波数変化を検出部３で検出する。これにより、長円部部２０に加えられた振動を周波数変化として検出することができる。長円部１２０において検出できる振動は、原理的には、円弧部１２１の半径方向へのベクトル成分を有する振動であると考えられる。
【００２８】
また、ＡＯＭ４を用いることにより、検出部３に入力される入力光の周波数を変えることができる。ＡＯＭ４での周波数変化量を変えることにより、長円部１２０を通過した光の周波数変化が正方向なのか負方向なのかを知ることができる。
【００２９】
ここまでの動作は、前記した特許文献１記載の技術と同様である。ただし、本実施形態の装置では、下記の理由により、振動計測における指向性を得ることができる。しかも、この指向性は、円弧部１２１の曲率半径Ｒと直線部１２２の長さｌとの比率を変えることにより制御されうる。その理由を以下に記載する。
【００３０】
図３に模式的に示すような、伸縮・湾曲が可能な任意の導波路Γの一端Ａ（光源）から光を入射し、他端Ｂ（観測点）で観測した場合、光のドップラー効果により生じる光の周波数変化fDは次式のように表される。
2005283469.tif 000003
【００３１】
ただし、f0とc0は、光源の周波数と真空中における光の速度、neqは光の導波路の等価屈折率、ベクトルvは線素dsの変位速度ベクトル、κは線素dsの曲率、ベクトルrとベクトルnはそれぞれ、線素dsの単位方向ベクトルと単位法線ベクトルである。
【００３２】
なお、図３における導波路Γの端Ａと端Ｂには、光源（入力部）と検出部とが取り付けられているものとする。この場合、両端は動かない（あるいは導波路と一緒に動く）ので、上式の第１項は零となる。導波路の一部を被測定物に貼り付けた場合、湾曲部以外の導波路での変形・伸縮が無視できる場合は、近似的に両端Ａ、Ｂは、貼り付けられた湾曲部の端とみなすことができる。
【００３３】
以下に、いくつかの導波路形状について感度の計算を行う。ただし、測定対象領域（積分領域）においてひずみ速度分布は一様であると仮定し、ｘ、ｙ方向軸ひずみ速度をそれぞれ
2005283469.tif 000004
せん断ひずみ速度を
2005283469.tif 000005
とする。
【００３４】
（１）円形状の場合
図４に示すような、真円ループ状導波路の場合のひずみ速度と周波数シフトの関係の理論式は以下の通りである。なお、ここでλは任意の比例定数である。ただし、物理的には、λは、導波路中の光の波長に相当している。
2005283469.tif 000006
【００３５】
ループがＮ巻の場合、湾曲部と振動発生部との間に存在するコーティング層や接着層などでのひずみの伝達係数（較正係数）をKaとして、fDは以下のようになる。
2005283469.tif 000007
【００３６】
ただし、Ravは、Ｎ巻したループの半径の平均値である。Ｎ巻では感度がＮ倍となる。また真円形状の場合、座標系の取り方によらない、いわゆる主ひずみ速度を計測している。つまり指向性はない。
【００３７】
（２）Ｕ字型の場合
図５に示すような、長さlの直線部と半径Rの半円部からなる、Ｕ字型導波路の場合の理論式は次のようになる。
2005283469.tif 000008
【００３８】
長手方向（ｘ方向）と横方向（ｙ方向）のひずみの感度の比Ｓxyは、
2005283469.tif 000009
となり、l/Rの比が大きいほど、指向性と長手方向の感度はともに高くなる。
【００３９】
（３）長円形状の場合
図２に示すような、両端が半径Ｒで平行部の長さがｌの長円形状の場合の理論式は次式となる。
2005283469.tif 000010
【００４０】
感度の比Ｓxyは、以下のように表せる。
2005283469.tif 000011
【００４１】
長円形状の場合においても、指向性と感度がl/Rに比例して大きくなることは、Ｕ字型と同じである。Ｎ巻の場合は、全体の感度がＮ倍になることは、真円の場合と同じである。せん断ひずみ速度成分はドップラー周波数シフトには影響を与えない。
【００４２】
したがって、本実施形態の装置によれば、ｌ／Ｒの比を調整することにより、振動計測における指向性を制御することができるという利点がある。他の構成および利点は、特許文献１記載の技術と同様である。
【００４３】
なお、前記実施形態の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来の振動計測装置の概略を説明するための説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る振動計測装置における長円部の形状を示す説明図である。
【図３】導波路形状に基づく指向性制御を説明するための説明図である。
【図４】導波路形状に基づく指向性制御を説明するための説明図である。
【図５】導波路形状に基づく指向性制御を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  入力部
２  光ファイバ
２０  湾曲部
３  検出部
１２０  長円部
１２１  円弧部
１２２  直線部
【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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