(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された光を分岐結合素子によって分岐して、ループ状に配置した光ファイバの両端それぞれから入射させてこのループ状光ファイバ中を時計周りと反時計回りに伝搬させ、前記ループ状光ファイバ中を伝搬した時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記分岐結合素子によって結合して受光素子に入射させ、この受光素子からの前記時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光との位相差による干渉光の変化を電気信号として出力する光ファイバループ干渉計を用いた振動・衝撃検出装置において、
地盤に配置された第１及び第２の支点と、前記第１の支点に一端を固定されたワイヤと、前記第２の支点に支持され前記ワイヤの他端側が巻き付けられた回転部と、該回転部に定ピッチで取り付けられた加振部と、前記回転部が回転した際に前記加振部により加振され特定の周波数で振動する共振体とを含み、前記ループ状の光ファイバの一部を前記共振体に接触させて成る変位検出機構を備え、
前記第１及び第２の支点の間隔が広くなると前記ワイヤが引き出されることで前記回転部が回転し、その結果前記加振部で加振された前記共振体の振動を前記光ファイバの振動に変換し、これに起因する干渉光の変化を前記光ファイバループ干渉計から周波数信号として出力し、該周波数信号の発生回数により前記第１及び第２の支点の間隔の変動量を求めることを特徴とする振動・衝撃検出装置。
【請求項２】
光源から出射された光を分岐結合素子によって分岐して、ループ状に配置した光ファイバの両端それぞれから入射させてこのループ状光ファイバ中を時計周りと反時計回りに伝搬させ、前記ループ状光ファイバ中を伝搬した時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記分岐結合素子によって結合して受光素子に入射させ、この受光素子からの前記時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光との位相差による干渉光の変化を電気信号として出力する光ファイバループ干渉計を用いた振動・衝撃検出装置において、
地盤に配置された第１及び第２の支点と、前記第１の支点に一端を固定されたワイヤと、前記第２の支点に支持され前記ワイヤの他端側が巻き付けられると共にこれを巻き取る方向に付勢された歯車状の回転部と、該回転部の歯によりその回転方向に応じて２方向に加振される加振棒と、前記２方向の加振に対応するように配置され該加振捧により互いに異なる周波数で振動する第１及び第２の共振体とを含み、前記ループ状の光ファイバの一部を前記第１及び第２の共振体に接触させて成る変位検出機構を備え、
前記第１及び第２の支点の間隔が広くなると、前記ワイヤが引き出されることで前記第１及び第２の共振体の一方が前記加振棒により振動し、逆に前記第１及び第２の支点の間隔が狭くなると、前記ワイヤが巻き取られることで前記第１及び第２の共振体の他方が前記加振棒により振動することから、発生振動を前記光ファイバの振動に変換し、これに起因する干渉光の変化を前記光ファイバループ干渉計から周波数信号として出力し、該周波数信号の発生回数と検出周波数により前記第１及び第２の支点の間隔の変動量と変位方向を求めることを特徴とする振動・衝撃検出装置。
【請求項３】
請求項１あるいは２記載の振動・衝撃検出装置において、前記変位検出機構を異なる場所に複数設け、それぞれの共振体の周波数を異なるように選択し、各変位検出機構に対して１本の光ファイバを直列的に接触させることで、複数箇所の同時検出を行うことを特徴とする振動・衝撃検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はループ状に配置した光ファイバにて構成する光ファイバループ干渉計を利用して地盤の振動や衝撃、特に斜面の崩壊を検出する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
山間部を通過する山岳道路は平野部の道路に比べ道路両側に急傾斜斜面が多く、降雨によって発生する地すベりや地震による落石、土砂流出といった斜面崩壊が発生しやすい状況にある。また、山岳道路はカーブが多いため見通しも悪く、斜面崩壊が生じたとしても遠くからの目視による発見は困難である。このような理由から山岳道路の斜面崩壊を事前に捉えることを目的として各種の検出装置が用いられている。
【０００３】
従来、この種の検出には、危険が予想される箇所を予め設定し、直接斜面表面の移動量を測定する斜面移動量測定器や、斜面の傾斜変化を測定する傾斜測定器のような斜面崩壊検出用センサを設置する方法が多く用いられている。しかし、センサの検出範囲が限定されるため、広範囲に及ぶ変化を検出するには検出装置及び監視所への専用回線が多数必要となり、費用及び長期にわたる保守の面で問題があった。
【０００４】
そこで、上記に代わるものとして光ファイバを用いて閉ループを構成し、光ファイバのある長さの特定区間に特定張力を与えて固定した状態でその区間に振動が加わると、ループ状光ファイバ上でリング干渉が生じることを利用して、特定区間の長さ、張力及び光ファイバの質量に応じた周波数を検出することで振動した区間を特定する装置が本出願人により提案されている（特願２００１−５０８）。
【０００５】
図７を参照して、上記提案による『光ループ干渉計を用いた衝撃・振動位置検知装置』について説明する。
【０００６】
図７において、ループ状光ファイバを敷設された監視対象区間を六つのそれぞれ区間長の異なる区間に分け、この分けられた監視区間毎に、光ファイバ２を固定部６にて所定の張力状態で固定し、弦を構成している。図７に示すように、光ファイバ２をループ状に接続した線路１において、光ファイバループ干渉計１０の発光素子３から出力された光は光分岐結合素子（光カプラ）４により、時計回りと反時計回りに分岐される。これらの分岐光は時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光として線路１の光路を伝搬した後、光分岐結合素子４により結合され、受光素子５に入射される。この時、時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光の二つの光は同等の光路長であるため受光素子５に入射される光はある一定の干渉状態にある。
【０００７】
ここで、前記弦を構成した光ファイバ２に振動を与えると、振動の周波数が弦の光ファイバの張力状態に応じた共振周波数に一致すると弦の光ファイバ２が強く振動する。あるいは、光ファイバ２に衝撃を加えたり、光ファイバ２が構成している弦をはじいたりすると、その弦の固有振動の周波数で光ファイバ２が振動する。この振動により、光ファイバの光路長が変化することで光ファイバ中の伝搬光の位相が変化して上記の一定であった干渉状態に変化が生じる。この干渉状態の変化は受光素子５で検出することができる。
【０００８】
ここで、２点間に張られた光ファイバ（弦の糸に相当）の共振周波数、すなわち固有振動の周波数ｆ（Ｈｚ）は、次の式で表される。
【０００９】
ｆ＝（ｎ／２Ｌ）・（ｓ／ρ）1/2 （但し、ｎ＝１，２，３，…）
但し、Ｌは光ファイバの弦の長さ、ｓは光ファイバの弦の張力、ρは光ファイバの単位長当たりの質量（Ｋｇ／ｍ）である。また、ｎは振動の次数であり、この振動のモードは両端が固定された弦の振動の定在波である。
【００１０】
図７において、例えば監視区分Ｌ１の光ファイバ２に街撃や振動が加わった場合に最も低い周波数信号が検出され、監視区分Ｌ６の光ファイバ２に衝撃や振動が加わった場合には最も高い周波数信号が検出される。この検出した周波数の違いで、どの監視区分に衝撃や振動が加わったのか判断できる。
【００１１】
図８に光ファイバループ干渉計１０の構成を示す。図８に示すように、光コネクタ１３Ａ、１３Ｂは、ループ状光ファイバの線路１の両端にそれぞれ接続される。光出力安定化回路１１は発光素子３の光出力値を一定に保つ制御回路であり、光アイソレータ１２は、光の方向性結合器であって、発光素子３からの光を光分岐結合素子４に入力すると共に、光分岐結合素子４から発光素子３への光の入力を阻止する（但し、無くても可）。周波数測定部１５は増幅回路１４を経由した受光素子５からの出力信号の周波数を測定する部分（スペクトルアナライザ等）である。
【００１２】
前述したように、弦を構成する光ファイバ２に衝撃や振動を加えると、その弦の固有振動周波数で光ファイバ２が振動する。この振動に対応して受光素子５から出力される電気信号に変化が生じる。この電気信号の周波数は光ファイバ２の固有振動周波数に対応する。周波数測定部１５で測定した周波数ｆｉを判定処理部１７へ入力する。判定処理部１７は、予めメモリ１６に記憶している監視区分毎の周波数ｆ１，ｆ２，・・・と、入力された周波数ｆｉとを比較して、どの監視区分に振動が加わったのか判断する。判定結果は、警報等の表示回路１８に入力される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この装置は保守の面から見た場合は、以下のような構造上の問題が残されている。例えば、ループ状光ファイバに張力を加えた状態で固定しているため緩みが生じたりして長期的な信頼性が望めない。また、過大な振動入力が加わった場合に断線のおそれがある。さらに、張力を加えた弦構成であるため、低周波数で共振させる場合には張力を加える弦にある程度の長さが必要となる。
【００１４】
本発明の課題は、大きな地盤変動にも対応可能であり、長期にわたる保守においても問題の生じにくい変位検出機構を備えた振動・衝撃検出装置を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の課題は、複数箇所の変位検出を１つの光ファイバループ干渉計にて実現可能な小型の変位検出機構を備えた振動・衝撃検出装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光源から出射された光を分岐結合素子によって分岐して、ループ状に配置した光ファイバの両端それぞれから入射させてこのループ状光ファイバ中を時計周りと反時計回りに伝搬させ、前記ループ状光ファイバ中を伝搬した時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記分岐結合素子によって結合して受光素子に入射させ、この受光素子からの前記時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光との位相差による干渉光の変化を電気信号として出力する光ファイバループ干渉計を用いた振動・衝撃検出装置において、地盤に配置された第１及び第２の支点と、前記第１の支点に一端を固定されたワイヤと、前記第２の支点に支持され前記ワイヤの他端側が巻き付けられた回転部と、該回転部に定ピッチで取り付けられた加振部と、前記回転部が回転した際に前記加振部により加振され特定の周波数で振動する共振体とを含み、前記ループ状の光ファイバの一部を前記共振体に接触させて成る変位検出機構を備え、前記第１及び第２の支点の間隔が広くなると前記ワイヤが引き出されることで前記回転部が回転し、その結果前記加振部で加振された前記共振体の振動を前記光ファイバの振動に変換し、これに起因する干渉光の変化を前記光ファイバループ干渉計から周波数信号として出力し、該周波数信号の発生回数により前記第１及び第２の支点の間隔の変動量を求めることを特徴とする振動・衝撃検出装置が提供される。
【００１７】
また、本発明によれば、光源から出射された光を分岐結合素子によって分岐して、ループ状に配置した光ファイバの両端それぞれから入射させてこのループ状光ファイバ中を時計周りと反時計回りに伝搬させ、前記ループ状光ファイバ中を伝搬した時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記分岐結合素子によって結合して受光素子に入射させ、この受光素子からの前記時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光との位相差による干渉光の変化を電気信号として出力する光ファイバループ干渉計を用いた振動・衝撃検出装置において、地盤に配置された第１及び第２の支点と、前記第１の支点に一端を固定されたワイヤと、前記第２の支点に支持され前記ワイヤの他端側が巻き付けられると共にこれを巻き取る方向に付勢された歯車状の回転部と、該回転部の歯によりその回転方向に応じて２方向に加振される加振棒と、前記２方向の加振に対応するように配置され該加振捧により互いに異なる周波数で振動する第１及び第２の共振体とを含み、前記ループ状の光ファイバの一部を前記第１及び第２の共振体に接触させて成る変位検出機構を備え、前記第１及び第２の支点の間隔が広くなると、前記ワイヤが引き出されることで前記第１及び第２の共振体の一方が前記加振棒により振動し、逆に前記第１及び第２の支点の間隔が狭くなると、前記ワイヤが巻き取られることで前記第１及び第２の共振体の他方が前記加振棒により振動することから、発生振動を前記光ファイバの振動に変換し、これに起因する干渉光の変化を前記光ファイバループ干渉計から周波数信号として出力し、該周波数信号の発生回数と検出周波数により前記第１及び第２の支点の間隔の変動量と変位方向を求めることを特徴とする振動・衝撃検出装置が提供される。
【００１８】
上記のいずれの振動・衝撃検出装置においても、前記変位検出機構を異なる場所に複数設け、それぞれの共振体の周波数を異なるように選択し、各変位検出機構に対して１本の光ファイバを直列的に接触させることで、複数箇所の同時検出を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、図１、図２を参照して、本発明による振動・衝撃検出装置を斜面崩壊検出装置として使用する場合の変位検出機構について説明する。図１は変位検出機構の構成例を示す平面図であり、図２はその正面図である。この変位検出機構は、斜面地盤にある距離を隔てて配置される第１及び第２の支点と、第１の支点に一端を固定されたワイヤ２１と、第２の支点に回転可能に支持された回転部２２と、回転部２２の一部を構成する回転円板２２−１の外周に定ピッチで取り付けられた加振部２２−２と、回転円板２２−１が回転した際に加振部２２−２により加振され特定の周波数で振動する共振体２３とを含み、ループ状の光ファイバ２０の一部を共振体２３に接触させて成る。回転部２２は、回転円板２２−１の下側にワイヤ２１の他端側が固定、巻き付けられた巻付け部２２−３を有する。
【００２０】
なお、光ファイバ２０は、その両端が図８で説明したような光ファイバループ干渉計に接続される。また、第１の支点は斜面に打設された杭（図示せず）であり、この杭にワイヤ２１の一端が固定される。一方、第２の支点は、斜面の別位置に打設された杭２５であり、この杭２５に回転部２２が回転可能に支持されている。回転部２２はケース２４（一部のみ図示）に収容されている。
【００２１】
巻付け部２２−３に巻かれているワイヤ２１の一端は斜面に打設された杭に固定されているので、第１の支点のある斜面に崩壊のような移動が発生するとワイヤ２１が引き出され、回転部２２が回転する。回転円板２２−１には歯状の加振部２２−２が設けられ、共振体２３は加振部２２−２と係合可能な位置に設置されているため、回転部２２が回転すると共振体２３は加振部２２−２によって回転方向に起こされる。
【００２２】
回転部２２の回転量が加振部２２−２のピッチに対応する一定量を越えると加振部２２−２が共振体２３から外れ、共振体２３は特定の共振周波数で振動する。共振体２３にはループ状の光ファイバ２０の一部が接触するように取り付けられており、共振体２３による共振が発生すると光ファイバ２０は振動してリング干渉を起こし、光ファイバループ干渉計により共振の発生が検出される。
【００２３】
従って、光ファイバ２０のリング干渉が１回検出されたら、斜面に一定量の移動が生じたと判断される。この一定の移動量は回転円板２２−１の直径や加振部２２−２のピッチに関連している。そこで、加振部２２−２のピッチを変更することで、斜面の移動量の分解能を調整することができることは明らかである。また、回転部２２におけるワイヤ２１の巻き付け径を変更することでも、斜面の移動量の分解能を調整できる。ワイヤ２１を同じ部分に同心状に巻付ける場合、ワイヤ２１の線径に起因して巻付け回数が減るにつれて単位移動量当たりの回転部２２の回転量は増加することから分解能に影響を及ぼすことが考えられるが、ワイヤ２１の線径は小さいのでそれほど問題は無い。問題となる場合には、巻付け部２２−３を軸方向に長くして同じ部分への巻き付け回数を減らすような工夫をすれば良い。
【００２４】
ところで、斜面の崩壊のような場合には、崩壊に伴う斜面の移動には伸び方向の移動と圧縮方向の移動とがある。つまり、図３に示すように、斜面におけるある部分が崩壊しようとする時、地点Ｐ１とＰ２との間の変動は伸び方向であり、地点Ｐ３とＰ４との間の変動は圧縮方向である。
【００２５】
図１に示される変位検出機構は、例えば第１の支点を地点Ｐ２に設定し、第２の支点を地点Ｐ１に設定することで伸び方向の変動を検出するように作用する。これに加えて、圧縮方向の変動も検出できるようにするためには、回転部２２にワイヤ２１の巻取り機能を持たせれば良い。これは、例えば回転部２２の一部、例えば回転円板２２−１にワイヤ２１を巻き取る方向への付勢力を与える付勢手段を組み合わせれば良い。この付勢手段は、錘やばね等何でも良い。但し、ワイヤ２１を巻き取る方向への付勢力は、通常の状態で第１の支点と回転部２２との間のワイヤ２１に作用している張力より小さくし、第１の支点と第２の支点との間隔が小さくなるような圧縮変動が生じた時に回転部２２を回転させてワイヤ２１を巻取るように作用するような値にする必要がある。
【００２６】
上記のようにして、第１の実施の形態によれば、地盤の伸び方向、圧縮方向の両方の変動を検出できるが、これらを区別することはできない。
【００２７】
図４、図５は、地盤の伸び方向、圧縮方向の両方の変動を区別して検出できるようにした、本発明の第２の実施の形態による変位検出機構の構成を部分的に示す平面図、正面図である。回転部２２を回転させる原理は第１の実施の形態と同じであるので、図１、図２と同じ部分には同じ番号を付している。
【００２８】
つまり、この変位検出機構は、地盤に配置された第１及び第２の支点と、第１の支点に一端を固定されたワイヤと、第２の支点に支持されワイヤの他端側が巻き付けられると共にこれを巻き取る方向に付勢された回転部２２と、回転部２２の加振部２２−２によりその回転方向に応じて２方向に加振される加振棒３１と、２方向の加振に対応するように配置され加振捧３０により互いに干渉し合わない方向に互いに異なる周波数で振動する第１及び第２の共振体３１、３２とを含み、ループ状の光ファイバ２０の一部を第１及び第２の共振体３１、３２に接触させて成る。
【００２９】
加振部２２−２は、加振捧３０との係合状態をできるだけ長く保持して大きな振動が得られるように断面が略扇形となっており、回転部２２の正回転、逆回転で加振棒３０に係合する方向が異なるため加振棒３０の振動方向が異なる機構となっている。これ以外の構造については、第１の実施の形態と同じである。つまり、回転部２２は、回転円板２２−１の下側にワイヤの他端側が固定、巻き付けられた巻付け部を有する。また、光ファイバ２０は、その両端が図８で説明したような光ファイバループ干渉計に接続される。さらに、第１の支点は斜面地盤に打設された杭であり、この杭にワイヤの一端が固定される。一方、第２の支点は、斜面の別位置に打設された杭であり、この杭に回転部２２が回転可能に支持される。回転部２２はケース（図示せず）に収容される。
【００３０】
斜面地盤に伸び方向の移動が生じると、回転部２２はワイヤ引出し方向に回転することで加振部２２−２が加振棒３０に係合し、さらに回転して係合が外れると加振棒３０が図４のＢ方向に振動し、第１の共振体３１に衝突して振動させる。その結果、第１の共振体３１が共振周波数ｆ１で共振することからループ状の光ファイバ２０にリング干渉が発生する。回転部２２がさらに回転すると、次の加振部２２−２により加振棒３０が振動することにより第１の共振体３１が共振周波数ｆ１で再び共振する。これは、回転部２２がワイヤ引出し方向に回転している間続くことになる。
【００３１】
一方、斜面に圧縮方向の移動が生じると、回転部２２はワイヤ巻取り方向に回転し、加振部２２−２により加振棒３０が図４のＡ方向に振動して第２の共振体３２を振動させる。その結果、第２の共振体３２が共振周波数ｆ２で共振することからループ状の光ファイバ２０にリング干渉が発生する。上記と同様に、この動作は回転部２２がワイヤ巻取り方向に回転している間繰り返される。
【００３２】
従って、光ファイバループ干渉計によりループ状の光ファイバ２０のリング干渉の発生回数（つまり、加振部２２−２と加振棒３０との係合が外れた回数）と発生周波数を観測することで斜面の移動方向（伸び方向、圧縮方向）の区別と移動量を求めることが可能となる。勿論、移動量は回転円板２２−１の直径や加振部２２−２のピッチに関連するので、加振部２２−２のピッチを変更することで、斜面の移動量の分解能を調整することができるし、回転部２２におけるワイヤの巻き付け径を変更することでも、斜面の移動量の分解能を調整できる。
【００３３】
図６は、第２の実施の形態による変位検出機構を複数個用いて複数点同時測定を行う場合の構成を示す図である。互いに離れた場所に設置された第一の変位検出機構４１と第二の変位検出機構４２はそれぞれ異なる共振周波数（ｆ１、ｆ２）、（ｆ３、ｆ４）に設定されており、設置場所に移動が発生すると移動量に応じてそれぞれの共振部が共振を起こす。第一の変位検出機構４１と第二の変位検出機構４２は１本の光ファイバ２０上に設置されており、共振に応じてリング干渉を起こす。なお、遅延部４３は、光ファイバ２０を所定長（通常、１〜２ｋｍ程度）分だけコイル状に巻回した部分を設けることで遅延を与えるためのものである。これは、第１、第２の実施の形態における光ファイバ２０にも適用される。
【００３４】
光ファイバループ干渉計１０はリング干渉の周波数に応じて電気信号を出力し、ディジタル信号に変換したうえでコンピュータ５０にて周波数解析することで周波数成分に分解される。共振周波数は測定点、つまり変位検出機構の設置場所毎に予め決まっているので、共振の発生回数とその周波数を観測することで複数点の同時観測が可能となる。
【００３５】
なお、上記の形態では、本発明を斜面の崩壊検出装置に適用する場合について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限られるものではない。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば大きな地盤変動にも対応可能であり、光ファイバに張力を与える必要が無いので長期にわたる保守においても問題の生じにくい変位検出機構を備えた振動・衝撃検出装置を提供することができる。加えて、変位検出機構を複数設け、それぞれの共振周波数を異なるように選択し、各変位検出機構を１本の光ファイバで直列に接続することで、斜面における複数点の同時観測を行うことが可能となるなど得られる効果は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による変位検出機構の構成を示す平面図である。
【図２】図１の変位検出機構の正面図である。
【図３】斜面崩壊に伴う伸び方向、圧縮方向の変動を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による変位検出機構の構成を部分的に拡大して示す平面図である。
【図５】図４の変位検出機構の部分正面図である。
【図６】本発明による変位検出機構を複数用いて複数点同時測定を行う場合の構成を示す図である。
【図７】本出願人により提案されている振動・衝撃検出装置の構成を示した図である。
【図８】図７における光ファイバループ干渉計の構成を示した図である。
【符号の説明】
２０    光ファイバ
２１    ワイヤ
２２    回転部
２２−１    回転円板
２２−２    加振部
２２−３    巻付け部
２３    共振体
２４    ケース
２５    杭
３０    加振棒
３１、３２    第１、第２の共振体
【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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【図８】
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