(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に固定されるベース（２２）と、前記ベースの上に互いに対向するように立設された一対の腕部（２３、２４）と、前記ベースの上で且つ前記一対の腕部に挟まれる位置に立設され、先端側を前記腕部に接離させる方向に弾性変形させる弾性変形部（２５）と、前記弾性変形部の先端に支持された重り部（２８）とを有し、前記被測定物から前記ベースに加えられる振動を受けて、前記弾性変形部の先端に支持された前記重り部の位置を変位させるファイバ支持体（２１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記腕部の一方と前記重り部との間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって固定されたセンサ用光ファイバ（１）と、
前記光ファイバ支持体の他方の腕部と前記重り部との間に、前記センサ用光ファイバの張力による前記弾性変形部の変形と前記重り部の変位を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で固定されたバランス力付与手段（３０、１′、１ｂ）とを備えた振動検出器。
【請求項２】
前記弾性変形部が板バネ（２６、２６Ａ、２６Ｂ）で形成されていることを特徴とする請求項１記載の振動検出器。
【請求項３】
前記弾性変形部を形成する板バネは、互いに対向する一対の板バネ（２６Ａ、２６Ｂ）であることを特徴とする請求項２記載の振動検出器。
【請求項４】
前記バランス力付与手段は、前記他方の腕部と前記重り部の間に固定された光ファイバ（３０、１′、１ｂ）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動検出器。
【請求項５】
前記バランス力付与手段としての光ファイバが、ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ′）を有する光ファイバ（１′）であって、該グレーティング部が前記他方の腕部と前記重り部の間に固定されていることを特徴とする請求項４記載の振動検出器。
【請求項６】
前記バランス力付与手段としての光ファイバが、前記センサ用光ファイバの非グレーティング部（１ｂ）であって、該非グレーティング部が前記他方の腕部と前記重り部の間に固定されていることを特徴とする請求項４記載の振動検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバのコアにグレーティング部が形成されたセンサ用光ファイバをそのグレーティング部に張力をかけた状態でファイバ支持体を支持し、そのファイバ支持体で被測定物の振動を受けてグレーティング部に伸縮による歪みを加え、反射波長を変化させる振動検出器において、センサ用光ファイバのグレーティング部に負荷された張力自体によりファイバ支持体自身が変形し、グレーティング部にかかる張力が低下することを抑制すると共に、ファイバ支持体とセンサ用光ファイバによって決まる振動検出器の機械的振動に対する応答帯域の変化を抑制するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から変位、速度、加速度、温度などの検出器としての種々の電気式センサが用いられているが、これらの電気式センサは、落雷や電磁ノイズに弱いため、その使用環境が限定される。そこで、近年では落雷や電磁ノイズの影響を受けない光ファイバセンサに関心が集まっており、特に、光ファイバのコアにファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部を有するセンサ用光ファイバは、感度が高い等の理由から注目されている。
【０００３】
センサ用光ファイバに形成されたグレーティング部は、特定波長の光を反射し、他の波長の光を通過させる。この反射波長はブラッグ波長と呼ばれ、グレーティング部に加えられた歪みや温度により変化する。このため歪みセンサや温度センサとして利用することができる。
【０００４】
例えば、次の特許文献１、２には、センサ用光ファイバのグレーティング部を挟んだ２つの位置を接着剤等で支持体に固定し、温度や歪みによるブラッグ波長の変化を測定する方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０１４４９１号公報
【特許文献２】特開２００３−３０２２５６号公報
【０００６】
なお、グレーティング部を有する光ファイバを歪みセンサとして用いる場合、そのグレーティング部に張力がかからなくなると、そのブラッグ波長は変化しなくなり、そのグレーティング部はセンサとして正常に動作しなくなる。
【０００７】
したがって、センサ用光ファイバのグレーティング部には通常、予め所定の張力を与えた状態（プリテンションという）で支持体に固定し、たとえ、圧縮方向の張力が加わったとしても、プリテンションが消費されるまではその変位に対応したブラッグ波長の変化を得ることができるようにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のようなセンサ構造では、ファイバ支持体の構造としてプリテンションを保持するだけの剛性が必要である。
【０００９】
しかし、ファイバ支持体の剛性が高くなると、その共振周波数が高くなり、機械的振動に対する応答帯域は広がるものの、ファイバの伸縮が抑制されるため応答強度が極端に低下してしまい、被測定物から伝播された振動を高Ｓ／Ｎ比で検出できなくなり、振動の周波数や振幅を精度良く測定できなくなってしまう。
【００１０】
また、ファイバ支持体の剛性が被測定物の剛性に比べて無視できなくなると、被測定物に生じる変位が支持体の影響を受けてしまうため、被測定物自体の周波数応答を正確に測定することが困難になる。
【００１１】
例えば図９（ａ）のように、被測定物２に固定されてその振動を受けるベース１２の上に、腕部１４と板バネ１５とを互いに対向するように立設し、板バネ１５の先端に重り部１６を支持する構造のファイバ支持体１１を考え、腕部１４と重り部１６の間にセンサ用光ファイバ１をそのグレーティング部１ａが挟まれる状態で所望のプリテンションＴを付与した状態で固定して振動検出する場合を考える。
【００１２】
しかし、この構造の場合、センサ用光ファイバ１に負荷されたプリテンションは、図９（ｂ）のように板バネ１５のわたみ変形によりβだけ消費されて所望より小さい値Ｔ−βになってしまうと共に、ファイバ支持体１１およびセンサ用光ファイバ１で決まる共振周波数も同変形に伴い変化してしまう。
【００１３】
特に、低い周波数領域の振動を感度良く検知しようとすると、重り部１６を支える板バネ１５のバネ定数を低くし、板バネ１５自体を柔らかくしなければならないため、プリテンションのほとんどが板バネ１５の変形により消費されてしまう。
【００１４】
本発明は、上記問題を解決して、ファイバ支持体の変形によるプリテンションの減少を抑制した状態でセンサ用光ファイバを支持でき、被測定物の振動をその周波数によらず重り部の変位に効率的に変換でき、該振動の周波数と振幅を高精度で検出できる振動検出器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】
【００１５】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の振動検出器は、
被測定物に固定されるベース（２２）と、前記ベースの上に互いに対向するように立設された一対の腕部（２３、２４）と、前記ベースの上で且つ前記一対の腕部に挟まれる位置に立設され、先端側を前記腕部に接離させる方向に弾性変形させる弾性変形部（２５）と、前記弾性変形部の先端に支持された重り部（２８）とを有し、前記被測定物から前記ベースに加えられる振動を受けて、前記弾性変形部の先端に支持された前記重り部の位置を変位させるファイバ支持体（２１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記腕部の一方と前記重り部との間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって固定されたセンサ用光ファイバ（１）と、
前記光ファイバ支持体の他方の腕部と前記重り部との間に、前記センサ用光ファイバの張力による前記弾性変形部の変形と前記重り部の変位を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で固定されたバランス力付与手段（３０、１′、１ｂ）とを備えている。
【００１６】
また、本発明の請求項２の振動検出器は、請求項１記載の振動検出器において、
前記弾性変形部が板バネ（２６、２６Ａ、２６Ｂ）で形成されていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項３の振動検出器は、請求項２記載の振動検出器において、
前記弾性変形部を形成する板バネは、互いに対向する一対の板バネ（２６Ａ、２６Ｂ）であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項４の振動検出器は、請求項１〜３のいずれかに記載の振動検出器において、
前記バランス力付与手段は、前記他方の腕部と前記重り部の間に固定された光ファイバ（３０、１′）であることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項５の振動検出器は、請求項４記載の振動検出器において、
前記バランス力付与手段としての光ファイバが、ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ′）を有する光ファイバ（１′）であって、該グレーティング部が前記他方の腕部と前記重り部の間に固定されていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項６の振動検出器は、請求項４記載の振動検出器において、
前記バランス力付与手段としての光ファイバが、前記センサ用光ファイバの非グレーティング部（１ｂ）であって、該非グレーティング部が前記他方の腕部と前記重り部の間に固定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
このように構成したため、本発明の振動検出器は、ファイバ支持体の弾性変形部の変形によるプリテンションの減少を抑制した状態でセンサ用光ファイを固定でき、被測定物の振動をその周波数によらず重り部の変位に効率的に変換でき、高精度で該振動の周波数と振幅を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した振動検出器２０の構造を示している。
【００２３】
この振動検出器２０は、被測定物２に固定されるファイバ支持体２１で、センサ用光ファイバ１を所望張力のある状態で支持する構造を有している。
【００２４】
ファイバ支持体２１は、被測定物にネジや接着材で固定されるベース２２と、ベース２２の上面側に、互いに対向するようにほぼ平行に立設された一対の腕部２３、２４と、ベース２２の上面側で且つ一対の腕部２３、２４に挟まれる位置に立設され、先端側を腕部２３、２４に接離させる方向に弾性変形させる弾性変形部２５と、弾性変形部２５の先端に支持された重り部２８とを有している。
【００２５】
このファイバ支持体２１は、例えば金属や半導体基板あるいは合成樹脂等により一体的に形成され、ベース２２および腕部２３、２４は、ファイバの張力では変形しない程度の剛性を有しているものとする。
【００２６】
弾性変形部２５は、ベース２２の上面側に突設されたバネ支持部２２ａに下端側が固定され、且つ互いに平行に対向する状態で立設された一対の板バネ２６Ａ、２６Ｂにより形成されている。
【００２７】
一対の板バネ２６Ａ、２６Ｂは、その表面を腕部２３、２４にそれぞれ対向させる向きで支持されており、その弾性により先端側を腕部２３、２４に対して接近・離反させる方向にのみ変形する。
【００２８】
なお、この実施形態では、弾性変形部２５を互いに対向する一対の板バネ２６Ａ、２６Ｂで形成した例を示すが、後述するように１枚の板バネ２６で弾性変形部２５を形成してもよく、また３枚以上の板バネで構成することも可能である。また、ここではベース２２の上面から突出する板バネ支持部２２ａにより板バネ２６Ａ、２６Ｂの下端を支持する構造としたが、板バネ２６Ａ、２６Ｂの下端をベース２２の平坦部分で直接支持する構造であってもよい。なお、ベース２２からみた重り部２５の高さは、一対の腕部２３、２４の高さと等しくなるように設定されている。
【００２９】
上記構造のファイバ支持体２１の場合、被測定物２の振動を受けて、板バネ２６Ａ、２６Ｂの自由端側に支持されている所定重量の重り部２８にベース２２の長手方向の力が加わると、板バネ２６Ａ、２６Ｂが弾性変形し、重り部２８が腕部２３、２４の間で揺れ動くことになる。
【００３０】
この重り部２８を揺らせる力を検出するために、ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部１ａを有するセンサ用光ファイバ１が用いられている。
【００３１】
センサ用光ファイバ１は、そのグレーティング部１ａを挟む２点において、所定の張力（プリテンション）Ｔを持って一方の腕部２３の上端面と重り部２８の上端面の間に固定されている。
【００３２】
また、他方の腕部２４の上端面と重り部２８の上端面の間には、センサ用光ファイバ１に付与されたプリテンションＴとほぼ等しい張力Ｔ′を付与して、センサ用光ファイバ１に付与されたプリテンションＴによる弾性変形部２５の変形および重り部２８の変位を規制するバランス力付与手段としての光ファイバ３０が固定されている。なお、ここでは、腕部２３、２４と重り部２８に対するセンサ用光ファイバ１および光ファイバ３０の固定を接着剤３１によって行っているが、各ファイバ表面がメタライズ加工されている場合には、腕部２３、２４、重り部２８に半田付けして固定することもできる。
【００３３】
このように、センサ用光ファイバ１に付与されたプリテンションＴによる弾性変形部２５と変形と重り部２８の変位が、バランス力付与手段としての光ファイバ３０に付与された張力Ｔ′により規制された状態でセンサ用光ファイバ１を支持しているので、そのプリテンションが消費されることなく、広い測定範囲を得ることができる。
【００３４】
なお、図示しないが、この振動検出器２０を用いた測定系としては、例えば広帯域光源から光サーキュレータや光カプラを介してセンサ用光ファイバ１の一端側に入射し、そのセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａで反射して一端側に戻ってきた光を、光サーキュレータや光カプラを介して波長計測器に入射する構成や、可変波長光源で波長掃引した光を光サーキュレータを介してセンサ用光ファイバ１の一端側に入射し、そのセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａで反射して一端側に戻ってきた光を、光サーキュレータを介して受光器に入射し、受光器への入射光強度がピークになるタイミングにおける可変波長光源の掃引波長を検出する構成等が考えられる。そして、反射光波長の変位速度や変位量から被測定物の振動速度や振動振幅を求めることができる。
【００３５】
上記構造の振動検出器２０が図２（ａ）のように被測定物２の上に固定されているときに、被測定物２が方向Ａに移動した場合、それに伴ってファイバ支持体２１の腕部２３、２４も方向Ａに移動するが、重り部２８は慣性により直ぐには移動できない。つまり、重り部２８は相対的に腕部２４側に変位したことになり、この変位により、センサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａに対する張力がＴ＋αに増し、その増分αに応じてブラッグ波長が長くなる。このとき逆に光ファイバ３０の張力はＴ′−αに減少する。
【００３６】
また、図２（ｂ）のように、被測定物２が方向Ａと逆のＢ方向に移動した場合、それに伴ってファイバ支持体２１の腕部２３、２４も方向Ｂに移動するが、重り部２８は慣性により直ぐには移動できない。つまり、重り部２８は相対的に腕部２３側に変位したことになり、この変位により、センサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａに対する張力がＴ−αに減少し、その減少分αに応じてブラッグ波長が短くなる。このとき逆に光ファイバ３０の張力はＴ′＋αに増加する。
【００３７】
したがって、被測定物２が方向Ａ、方向Ｂへの移動を交互に繰り返す振動状態のとき、その変位量に応じた波長幅でブラッグ波長が変化することになる。よってこの波長変化の幅から振動振幅を求めることができる。
【００３８】
なお、振動検出器２０の周波数応答特性は、重り部２８の質量、弾性変形部２５のバネ定数によって決まる。低周波領域の測定を目的とする場合には、重り部２８の質量を大きくするとともに、バネを柔らかくすることで対応でき、このようにバネを柔らかくしても上記のように張力がバランスした構造で重り部２８の変位が規制されているので、センサ用光ファイバ１のプリテンションＴは消費されない。また、高周波領域まで帯域を伸ばしたいのであれば、ばねを硬くすればよい。このような単純な構造であるため、例えば図３のように優れた周波数応答特性（平坦性）を容易に実現できる。
【００３９】
このように実施形態の振動検出器２０は、ファイバ支持体２１の弾性変形部２５の変形によるプリテンションの減少を抑制した状態でセンサ用光ファイバ１を固定でき、被測定物２の振動をその周波数によらず重り部２８の変位に効率的に変換でき、高精度で振動の周波数と振幅を検出することができる。
【００４０】
また、上記のようにバランス力付与手段として光ファイバ３０を用いて、周囲の温度、湿度などに対してセンサ用光ファイバ１と同等の伸縮特性をもたせることで、環境変化の影響をより受けないものにすることかできる。
【００４１】
前記実施形態では弾性変形部２５を２枚の板バネ２６Ａ、２６Ｂで形成していたが、図４のように１枚の板バネ２７で構成してもよく、また３枚以上の板バネで構成することも可能である。これは後述の変形例についても同様に適用できる。
【００４２】
また、図５のように、バランス力付与手段として光ファイバ３０の代わりにセンサ用光ファイバ１と同様にグレーティング部１ａ′を有する光ファイバ１′を用いてもよい。この場合、例えばセンサ用光ファイバ１と同一伸縮特性のものを用いることで、環境変化の影響をより受けにくくすることかできる。また、同一伸縮特性、同一反射特性の光ファイバ１′であればセンサ用としても用いることができ、例えば、測定用の光をスイッチで切り替えて光ファイバ１、１′に対して選択的に入射できるようにし、一方の光ファイバに異常が発生した場合に他方を使う等の利用が可能である。
【００４３】
また、図６のように、センサ用光ファイバ１のうちグレーティング部１ａが形成されていない非グレーティング部１ｂをバランス力付与手段として重り部２８と腕部２４の間に固定してもよい。この場合、所望のプリテンションＴをセンサ用光ファイバ１全体に与えた状態で腕部２３、２４と重り部２８に対して接着剤などで固定することで、グレーティング部１ａとバランス力付与手段を形成する非グレーティング部１ｂに等しいプリテンションを正確に与えることができる。
【００４４】
また、前記実施形態では、センサ用光ファイバ１とバランス力付与手段としての光ファイバ３０（または光ファイバ１′、非グレーティング部１ｂ）を腕部２３、２４と重り部２８の上端面に固定していたが、これは本発明を限定するものではなく、図７のように、腕部２３、２４および重り部２８の上部を貫通する穴４５、４６、４７に各ファイバを通した状態で接着固定してもよい。
【００４５】
また、図８のように、腕部２３、２４および重り部２８に設けたスリット５１、５２、５３にセンサ用光ファイバ１およびバランス力付与手段を構成する光ファイバ３０（１′、１ｂ）を通した状態で接着固定してもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、ファイバ支持体２１を一体構造としたが、ベース２２、腕部２３、２４、弾性変形部２５、重り部２８の少なくとも一部を別体で構成してもよい。また、バランス力付与手段としては上記ファイバ３０、１′、１ｂだけでなく、巻きバネ等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態の構成図
【図２】実施形態の動作説明図
【図３】振動周波数に対する波長変位の応答例を示す図
【図４】弾性変形部を１枚の板バネで形成した構成例を示す図
【図５】センサ用光ファイバと同等の光ファイバをバランス力付与手段とした例を示す図
【図６】センサ用光ファイバの非グレーティング部をバランス力付与手段とした例を示す図
【図７】ファイバの固定形態を変えた例を示す図
【図８】ファイバの固定形態を変えた例を示す図
【図９】センサ用光ファイバのプリテンションによる板バネの変形を示す図
【符号の説明】
【００４８】
１、１′……センサ用光ファイバ、１ａ、１ａ′……グレーティング部、１ｂ……非グレーティング部、２……被測定物、２０……振動検出器、２１……ファイバ支持体、２２……ベース、２３、２４……腕部、２５……弾性変形部、２６、２６Ａ、２６Ｂ……板バネ、２８……重り部、３０……光ファイバ、３１……接着剤、４５〜４７……穴、５１〜５３……スリット
【図１】
0005162275.tif 000002
【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】
0005162275.tif 000008
【図８】
0005162275.tif 000009
【図９】
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