(57)【要約】【課題】広い帯域、特に低周波側の帯域をカバーしうる振動センサを提供する。【解決手段】光ファイバ１は、入力端１１と、周回部１２と、出力端１３とを備える。入力端１１には、コヒーレントな光が入力される。周回部１２は、入力端１１と出力端１３との間に配置される。周回部１２は、光ファイバ１を積層して周回することで構成される。周回部１２には、入力端１１から入力された光が通過する。出力端１３からは、周回部１２を通過した光が出力される。検出部２は、入力端１１に入力された光と、出力端１３から出力された光との間における、光としての周波数変化を検出する。これにより、周回部１２に加えられた振動を検出することができる。光ファイバ１としては、ホーリーファイバが用いられている。【選択図】図１
2009300221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと、検出部とを備えており、
前記光ファイバは、入力端と、周回部と、出力端とを備えており、
前記入力端には、光が入力される構成となっており、
前記周回部は、前記入力端と前記出力端との間に配置されており、
かつ、前記周回部は、前記光ファイバを積層して周回することで構成されており、
さらに、前記周回部には、前記入力端から入力された光が通過するように構成されており、
前記出力端からは、前記周回部を通過した前記光が出力される構成となっており、
前記検出部は、前記入力端に入力された光と、前記出力端から出力された光との間における、光としての周波数変化を検出することにより、前記周回部に加えられた振動を検出する構成となっており、
前記周回部を構成する光ファイバとして、ホーリーファイバが用いられている
ことを特徴とする振動センサ。
【請求項２】
前記光ファイバにおける前記入力端に入力される光は、コヒーレント光である、請求項1に記載の振動センサ。
【請求項３】
前記周回部が、略円柱状に形成されている、請求項１又は２に記載の振動センサ。
【請求項４】
前記周回部の軸心近傍が中空とされている、請求項３に記載の振動センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動センサを用いて振動を検出する、振動検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを通過する光の波長変化を用いて振動を検出できるセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、光ファイバを用いた振動測定装置が記載されている。この装置においては、光ファイバを湾曲させることで、この光ファイバに湾曲部を形成している。この湾曲部を被測定部位に取り付けた後、光ファイバの入力端にコヒーレント光を入力する。光ファイバへの入力光は、湾曲部を通って光ファイバの出力端から出力される。湾曲部を通る光の周波数（光としての周波数）は、湾曲部に加わる振動に対応して変化する。そこで、入力光と出力光との間の周波数変化を検出することにより、湾曲部に加えられた振動を測定することができる。この方法によれば、微少な振動を、広い周波数帯域にわたって測定することができるという利点がある。また、この方法では、湾曲部の長さを長くすることにより、振動計測におけるＳ／Ｎ比を向上させることもできる。
【０００３】
このような原理を用いた振動計測の応用例として、地中における岩盤の振動計測がある。岩盤における微少振動を計測することにより、岩盤の変位や異常を検知することが可能になる。このような技術は、例えば、岩盤中に構築されたＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）用貯蔵槽の建設時における空洞安定性の評価や、操業中の保全や、監視のために応用できると考えられる。
【０００４】
この場合は、ボーリングで形成した孔を用いて、湾曲部を岩盤中に埋設し、湾曲部に加わる振動を計測する。このような応用例では、地中の微少振動を計測するために、高いＳ／Ｎ比が求められる。また、ボーリング孔の径が小さいために、湾曲部を小型にする必要がある。
【特許文献１】ＷＯ２００３／２９５６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、岩盤での微少振動として検出されるべき周波数の帯域は、花崗岩における空洞掘削時において、およそ、３０ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚであるといったデータが得られている。岩盤中での微少振動は、変位や微小亀裂の発生・進展などの要因によって部分的に破壊された岩盤から、破壊音として発生するものであると考えられる。この破壊音の帯域が、前記した範囲にあると考えられている。
【０００６】
しかしながら、従来の、光ファイバを用いた振動計測装置では、前記帯域をカバーすることが難しいという問題があった。
【０００７】
また、一般の光通信などに用いられている光ファイバでは、光ファイバにおけるコア／クラッドの比屈折率差が小さい。このため、曲げ半径１０ｍｍで光ファイバを曲げると、光透過損失値が１ターンで約１ｄＢ増加する。よって、従来の光ファイバを用いた場合は、振動センサの大きさを小さくすることが困難であった。
【０００８】
光ファイバの曲げ損失値を小さくするためには、光ファイバにおけるコア／クラッドの比屈折率差を大きくすることは有効である。しかしながら、このような構造を持つ光ファイバを、一般の光通信に用いられている光ファイバと接続する場合は、接続損失値が大きくなり、振動センサで検出した出力光信号が小さくなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、前記のような状況に鑑みてなされたものである。本発明は、岩盤の振動計測に必要な帯域をカバーしうる振動センサを提供しようとするものである。
【００１０】
また、本発明における他の目的は、小型でかつ光損失値の小さい振動センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下の項目に記載の内容としてそれぞれ表現できる。
【００１２】
（項目１）
光ファイバと、検出部とを備えており、
前記光ファイバは、入力端と、周回部と、出力端とを備えており、
前記入力端には、コヒーレントな光が入力される構成となっており、
前記周回部は、前記入力端と前記出力端との間に配置されており、
かつ、前記周回部は、前記光ファイバを積層して周回することで構成されており、
さらに、前記周回部には、前記入力端から入力された光が通過するように構成されており、
前記出力端からは、前記周回部を通過した前記光が出力される構成となっており、
前記検出部は、前記入力端に入力された光と、前記出力端から出力された光との間における、光としての周波数変化を検出することにより、前記周回部に加えられた振動を検出する構成となっており、
前記周回部を構成する光ファイバとして、ホーリーファイバが用いられている
ことを特徴とする振動センサ。
【００１３】
ここで、ホーリーファイバとは、コアと、クラッドと、コアの周囲に形成された空孔と、クラッドの外側に設けられた被覆層とを備えたものである。
【００１４】
このような構成を備えたことにより、計測可能な振動の周波数帯域を広げることができる。
【００１５】
（項目２）
前記光ファイバにおける前記入力端に入力される光は、コヒーレント光である、項目１に記載の振動センサ。
【００１６】
コヒーレント光とは、位相が実質的にそろった光のことであり、例えばレーザ光源から放出される。光の波長は、特に限定されないが、光の伝送距離を延ばすためには、１３００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００１７】
（項目３）
前記周回部が、略円柱状に形成されている、項目１又は２に記載の振動センサ。
【００１８】
（項目４）
前記周回部の軸心近傍が中空とされている、項目３に記載の振動センサ。
【００１９】
（項目５）
項目１〜４のいずれか１項に記載の振動センサを用いて振動を検出する、振動検出方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、広い帯域での振動計測が可能な振動センサを提供することが可能となる。
【００２１】
また、ホーリーファイバを用いているので、振動センサを小さくすることが可能であり、さらには、光損失値の小さい振動センサを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る振動センサの一実施形態を説明する。
【００２３】
（実施形態に係る振動センサの構成）
本実施形態の振動センサは、光ファイバ１と、検出部２とを備えている（図１参照）。この基本的な構成は、前記した特許文献１に記載の技術と同様である。
【００２４】
光ファイバ１は、入力端１１と、周回部１２と、出力端１３とを備えている。入力端１１には、検出部２から、コヒーレントな光が入力される構成となっている。ここでコヒーレントな光とは、振動計測に必要な程度に位相が揃っている光をいう。コヒーレントな光は、例えばレーザー光源から放出することができる。
【００２５】
周回部１２は、入力端１１と出力端１３との間に配置されている（図１参照）。また、周回部１２は、光ファイバ１を、周回部１２の厚さ方向（図３において上下方向）に積層して周回することで構成されている（図２〜図４参照）。ここで、周回部１２の厚さ方向とは、周回部１２の軸方向という意味である。周回部１２を形成することにより、光ファイバ１に、湾曲した部分（湾曲部）が形成される。周回部１２は、入力端１１から入力された光が通過するようになっている。また、周回部１２の周囲には、周回状態を保持できるように、接着剤（例えばエポキシ系の接着剤）が塗布されている。
【００２６】
また、本実施形態の周回部１２は、略円柱状に形成されている。さらに、周回部１２の軸心近傍は、中空とされている。光ファイバ１における中空部分の内径は、好ましくは約１０ｍｍである。これ以下の内径であると、光ファイバ１の機械的強度（曲げに対する強度）に鑑みて、光伝送が難しくなる可能性がある。また、周回部１２を小さくするためには、中空部分の内径を小さくすることが望まれる。したがって、中空部分の内径は、光伝送に支障の無い範囲で、できるだけ小さくすることが好ましいと考えられる。
【００２７】
光ファイバ１の出力端１３からは、周回部１２を通過した光が出力される構成となっている。
【００２８】
検出部２は、光ファイバ１の入力端１１に入力された光と、出力端１３から出力された光との間における、光としての周波数変化を検出する。検出部２は、これにより、周回部１２に加えられた振動を検出する構成となっている。この検出の原理は、前記した特許文献１に記載された技術と同様である。
【００２９】
また、本実施形態に係る光ファイバ１としては、ホーリーファイバが用いられている（図５参照）。これにより、本実施形態では、周回部１２がホーリーファイバにより構成されている。
【００３０】
ホーリーファイバは、いわゆる空孔アシスト構造を有している。本実施形態の光ファイバ１は、コア１５と、クラッド１６と、コア１５の周囲に形成された複数の空孔１７と、クラッドの外側に設けられた被覆層１８とを備えている。コア１５は、クラッド１６よりも高い屈折率を有している。また、空孔１７は、の部分の屈折率はほぼ１となっている。
【００３１】
一般的な光ファイバでは、コア部分の屈折率と、クラッド部分の屈折率差によって光伝送特性が得られる。一方、ホーリーファイバの場合、空孔１７の存在によって、コア１５の周囲におけるクラッド１６の実効屈折率が、クラッド１６の材料自体の屈折率よりも小さくなる。このため、コア／クラッドの比屈折率差が大きくなり、ファイバの曲げによっても光損失が増加しない構造を得ることができる。
【００３２】
また、ホーリーファイバにおけるコア／クラッドの構造寸法は、一般的な光ファイバのコア／クラッド構造と同等の寸法とすることができる。このため、この実施形態によれば、光ファイバどうしを接続しても、その接続損失値を小さくすることができる。
【００３３】
被覆層１８の材質としては、この実施形態では、紫外線硬化アクリル樹脂が用いられている。
【００３４】
なお、前記の例では、光ファイバ１の全体をホーリーファイバで構成したが、周回部１２のみをホーリーファイバで構成し、他の部分を通常の光ファイバで構成することも可能である。光ファイバどうしを接続する手段は既によく知られているので、説明を省略する。
【００３５】
（振動センサの動作）
本実施形態の振動センサの使用に際しては、周回部１２を、振動計測すべき箇所に配置する。このとき、振動計測部位から周回部１２に振動が伝達するように、両者を適宜な固定手段（例えば接着剤，接着テープ，グリース等）で固定することが好ましい。この状態で、光ファイバ１の入力端１１から光を入力すると、この光は、周回部１２を、光ファイバ１の周回に従って周回しながら通過する。その後、この光は、光ファイバ１の出力端１３から出力される。
【００３６】
周回部１２に振動が伝達されると、周回部１２を通過する光の周波数（あるいは波長）は、振動に対応して変化する。この周波数の変化を検出部２で検出することにより、周回部１２に加えられた振動を計測することができる。
【００３７】
この計測においては、光の周波数変動を用いているので、光ファイバを通過する光の強度変化を用いた振動センサに比べて、微少な振動を精度良く計測することができるという利点がある。また、ピエゾ素子を用いた振動センサに比較すると、本実施形態の振動センサには、広帯域での高精度の振動計測が可能になるという利点がある。
【００３８】
また、本実施形態では、周回部１２を構成する光ファイバ１としてホーリーファイバを用いたので、計測可能な振動の周波数帯域（特に低周波側の帯域）を広げることができるという利点がある。具体的な実施例は後述する。
【００３９】
（振動センサ用の保護ケースの構成例）
つぎに、本実施形態の振動センサにおける周回部１２を収納する保護ケース３について説明する。この保護ケースは、本体３１と、蓋３２と、保護管３３とを備えている（図６及び図７参照）。
【００４０】
本体３１には、周回部１２を内部に収納する凹部３１１が形成されている。また、本体３１の側面には、周回部１２から入力端１１及び出力端１３への光ファイバ１を通過させる穴３１２が形成されている。
【００４１】
蓋３２は、凹部３１１の開口面をふさぐように構成されている。蓋３２と本体３１とは、例えばボルトなどの適宜な固定手段で固定されるようになっている。蓋３２と本体３１との間は、Ｏリングなどのシール部材でシールされることが好ましい。
【００４２】
保護管３３は、本体３１の穴３１２に接続されており、穴３１２から外部に延びる光ファイバ１を内部に収納するようになっている。
【００４３】
凹部３１１の内面に周回部１２を取り付けるには、両者を接着剤などの固定手段で固定することが好ましい。保護ケース３を用いた場合には、保護ケース３によって周回部１２に伝達された振動を計測することができる。
【００４４】
（実験例）
次に、本実施形態に係る振動センサを用いた実験例を説明する。
【００４５】
まず、実験装置を図８に基づいて説明する。ここでは、試験片４として、鉄製のブロック（大きさ：８０ｃｍ×８０ｃｍ×４０ｃｍ）を用いている。試験片４には、前記実施形態で説明した周回部１２を取り付ける。取付状態としては、周回部１２の端面が試験片４の表面と平行になるように取り付ける。取付の方法としては、接着剤による接着が好ましいが、特に限定されない。検出部２で検出された振動は、デジタルオシログラフ５で表示できるようになっている。
【００４６】
試験片４には、発振器６により、予め設定した振動が加えられるようになっている。発振器６から加えた振動もデジタルオシログラフ５で表示できる。
【００４７】
また、この実験例では、検証のため、ピエゾ素子（ＰＺＴ）７を試験片４に取り付けて振動計測を行った。ピエゾ素子７の出力は、アンプ８を介してデジタルオシログラフ５に送られる。このピエゾ素子７は、ほぼ３０ｋＨｚに共振点を持つものである。
【００４８】
さらに、比較例として、従来の光ファイバを用いた振動センサを用いて振動計測を行った。比較例の詳細は後述する。
【００４９】
結果を図９に示す。このグラフの横軸は振動の周波数（ｋＨｚ）、縦軸は受波電圧感度（ｄＢ）を表している。このグラフにおける線の意味は以下の通りである。
・実線に■の印：ピエゾ素子（ＰＺＴ）を用いたＡＥセンサで取得した、振動の発振強度、
・破線：比較例の振動センサによる感度（ｄＢ）、
・実線：本実施形態を用いた実験例の振動センサによる感度（ｄＢ）。
【００５０】
ここで、比較例及び実験例の構成は以下の通りである。
【００５１】
（比較例の構成）
光ファイバ：ホーリーファイバではない通常のファイバを使用、
ファイバ用の被覆：ポリイミド樹脂、
ファイバ長：６５ｍ、
被覆部の外径１５０μｍ、
周回部の形状：内径８ｍｍ、外径１９．２ｍｍ、厚さ６ｍｍ、
比較例における他の構成は実験例と同様とした。
【００５２】
（実験例の構成）
光ファイバ：ホーリーファイバを使用、
ファイバ用の被覆：紫外線硬化アクリル樹脂、
ファイバ長：８０ｍ、
被覆部の外径２１０μｍ、
周回部の形状：内径１０ｍｍ、外径２８．９ｍｍ、厚さ６ｍｍ。
【００５３】
図９に示す結果から判るように、実験例の振動センサ（図中において実線）を用いた場合には、比較例に比べて、特に３０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの帯域において、感度が大幅に向上している。
【００５４】
また、本実施形態の振動センサでは、ホーリーファイバを用いているので、周回部１２における曲げ損失が少ないという利点もある。
【００５５】
さらに、本実施形態の振動センサでは、ホーリーファイバを用いているので、広い帯域で低損失の光伝送が可能になるという利点もある。
【００５６】
なお、本発明に係る振動センサは、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得るものである。
【００５７】
例えば、前記実施形態では、周回部１２を保護ケース３に収納するものとしたが、これに限るものではなく、用途によっては、保護ケース３を省略することができる。例えば、周回部１２を計測部位に直接取り付けてもよい。
【００５８】
また、前記実施形態では、地中の振動を計測する例を説明したが、機械部品や橋梁の振動を計測するなど、地中以外の振動を計測することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施形態における振動センサの全体的な構成を示す説明図である。
【図２】図１に示す周回部の拡大平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２に示す周回部の斜視図である。
【図５】図１に示す光ファイバの拡大横断面図である。
【図６】保護ケースの一例を示す概略的な要部断面図であって、蓋を開いた状態の図である。
【図７】図６の概略的な平面図であって、蓋を省略した状態の図である。
【図８】実験例で用いた実験装置を説明するためのブロック図である。
【図９】実験例で得られた結果を示すグラフであって、横軸は振動の周波数（ｋＨｚ）、縦軸は受波電圧感度（ｄＢ）を示している。
【符号の説明】
【００６０】
１  光ファイバ
１１  入力端
１２  周回部
１３  出力端
１５  コア
１６  クラッド
１７  空孔
１８  被覆層
２  検出部
３  保護ケース
３１  本体
３１１  凹部
３１２  穴
３２  蓋
３３  保護管
４  試験片
５  デジタルオシログラフ
６  発振器
７  ピエゾ素子
８  アンプ
【図１】
2009300221.tif 000003
【図２】
2009300221.tif 000004
【図３】
2009300221.tif 000005
【図４】
2009300221.tif 000006
【図５】
2009300221.tif 000007
【図６】
2009300221.tif 000008
【図７】
2009300221.tif 000009
【図８】
2009300221.tif 000010
【図９】
2009300221.tif 000011