JP2003500654A - 加速度測定用のブラッグ格子装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 加速度（ａ，−ａ）測定用のブラッグ格子装置（１）は、光ビーム（Ｓ）を供給するためそれぞれ弾性材料中に形成された２つの光学ブラッグ格子（１１，１２）と、両方の格子と接続された少なくとも１つの変位可能な質量体（Ｍ）とを有する。この質量体（Ｍ）は、装置に作用する加速度に依存する慣性力（−Ｆ、Ｆ）を発生させて、両方の格子のうち一方の格子を弾性的に伸長させ、これと同時に他方の格子を弾性的に収縮させる。この装置は振動周波数測定にも適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は加速度測定用のブラッグ格子装置に関する。

【０００２】 T. A. Berkoff, A. D. Kersey: "Experimental Demonstration of a Fiber Br
agg Grating Accelerometer", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 8, N
o. 12, 12. 1996, p. 1677 - 1679 から加速度測定用ブラッグ格子が知られてお
り、この装置は、光をガイドするため弾性材料中に形成された光学ブラッグ格子
およびこの格子と接続された旋回可能な質量体を有しており、この質量体は、そ
こに作用する加速度に依存した慣性力を発生させて格子において弾性の伸長を引
き起こすために用いられる。

【０００３】 質量体と格子との接続はフレキシブルな層によって形成されており、これは固
定されたベースプレートにより支持されていて格子中に埋め込まれている。格子
の伸長は、この伸長方向に対し垂直に動く質量体殊に振動質量体によって引き起
こされる。

【０００４】 公知の装置は以下のようにして駆動される：格子に対し広帯域の光源の光が案
内される。そして格子は、格子の伸長とともに変化する格子固有のブラッグ波長
において供給された光の成分を反射する。格子の伸長は質量体により形成される
慣性力によって引き起こされ、この慣性力は装置に対し及ぼされる測定すべき加
速度に比例している。光の反射成分は評価装置へ供給され、それによってその成
分にどのブラッグ波長が含まれているのかが求められる。

【０００５】 評価装置はマッハツェンダ干渉計を有しており、これには互いに異なる光路長
の２つのアームが設けられている。両方のアームに光の反射成分が入力結合され
、両方のアームの通過後に重畳されて干渉が引き起こされ、その後、検出器へ供
給される。反射成分中に含まれているブラッグ波長の特定は２つのアームの一方
に配置された位相変調器を用いて行われ、これはそのアーム中を案内される光の
反射成分の一部分を他方のアーム中を案内されるその成分の一部分に対し位相変
調する。

【０００６】 J. R. Dunphy による "Feasibility study concerning optical fiber sensor
vibration monitoring subsystem" SPIE Vol. 2721, p. 483 - 492 には、振動
監視のためのブラッグ格子装置について記載されており、これは光をガイドする
ため弾性材料中に形成された少なくとも１つの光学ブラック格子を有している。
この場合、格子においてその格子特有のブラッグ波長を測定する複数の評価装置
が考慮され、それらは互いに比較される。それらの評価装置は、スペクトロメー
タ、干渉フィルタ、調整可能なファイバ格子、走査形ファブリペローフィルタ、
走査される検出器を備えた波長分散性素子、あるいは調整可能な音響光学フィル
タを有している。

【０００７】 ４つのブラッグ格子を備えたブラッグ格子装置についてこれらの評価装置に関
しては、次のような装置が比較的有利であるとみなされる。すなわちその装置と
は、供給された光のうち格子が反射した成分をそれに含まれているその格子特有
のブラッグ波長に関して評価するため、調整された音響光学フィルタを格子ごと
に有するものである。

【０００８】 L. Zhang 等による "Spatial and Wavelength Multiplexing Architectures f
or Extreme Strain Monitoring System Using Identical-Chirped-Grating-Inte
rrogation Technique", 12th International Conference on Optical Fiber Sen
sors, 10. 28 - 31, 1997, p. 452 - 455 において明らかにされているのは、ブ
ラック格子の反射率Ｒが波長の関数でもあるし格子の応力の関数でもあることで
ある。

【０００９】 この場合、反射率は格子特有の中心ブラッグ波長を中心としてゼロよりも大き
く、この領域外では実質的にゼロと等しい。応力が変化すると、波長領域全体が
直線的にシフトする。

【００１０】 「チャープされる」ブラッグ格子すなわち格子定数の変えられる格子を使用す
れば、ほぼ矩形のカーブ状で波長に依存する格子の反射率Ｒを得ることができる
ので、波長領域内の反射率は実質的に一定になる。

【００１１】 請求項１記載の本発明の基礎とする課題は、加速度測定用のブラッグ格子装置
において、加速度を格別に簡単に評価できるようにすることである。

【００１２】 請求項１の解決手段によれば、加速度測定用の本発明によるブラッグ格子装置
は、光ビームを供給するためそれぞれ弾性材料中に形成された少なくとも２つの
光学ブラッグ格子と、両方の格子と接続された少なくとも１つの変位可能な質量
体とを有している。この質量体は装置に作用する加速度に依存する慣性力を発生
させ、両方の格子のうちの一方を弾性的に伸長させ、それと同時に他方の格子を
弾性的に収縮させる。

【００１３】 たとえばこの解決手段において頻繁に生じる事例によれば、形成された慣性力
によりあるときは両方の格子が、それらのうち一方が弾性的に伸長されると同時
に他方の格子が弾性的に収縮される変形状態となり、別のときは両方の格子がこ
の変形状態とは異なる別の変形状態となり、その場合には逆にさきほどの他方の
格子が弾性的に伸長されると同時に上述の一方の格子が弾性的に収縮される。そ
の際に殊に加速度が振動として生じた場合には、これら両方の格子の一方および
他方の変形状態が交互に生じる事態が起こる。

【００１４】 ここで弾性材料とは、形成された慣性力によって弾性的な変形を引き起こすこ
とのできる材料のことであり、この材料によればそのような変形により生じるブ
ラッグ格子の格子定数の変化が、格子における格子特有のブラッグ波長の測定可
能な変化として現れる。

【００１５】 また、変位可能な質量体とは、測定すべき加速度によって加速される両方の格
子に対して可動な質量体のことであり、たとえば両方の格子が取り付けられてい
る加速されるフレームに対して可動な質量体のことである。

【００１６】 この質量体によって生じる慣性力はじかに、またはたとえばたとえば力伝達機
構を介して間接的に、両方の格子に作用を及ぼすことができる。

【００１７】 有利には両方のブラッグ格子は、供給される光ビームの伝播方向において相前
後して配置されている。したがってこれら２つの格子を弾性材料から成りビーム
を案内するための光導体中に、伝播方向に相前後して形成することができる。こ
の導体をたとえば光導波体とすることができ、たとえば慣用のブラッグ格子セン
サで用いられている光グラスファイバとすることができる。

【００１８】 本発明による装置の１つの有利な実施形態によれば両方の格子の間に質量体が
配置されており、両方の格子各々とじかに接続されていて、その結果、質量体か
ら生じた慣性力が格子にじかに作用を及ぼすようになる。

【００１９】 質量体を力伝達機構を介して間接的に格子と接続することもでき、この場合、
力伝達機構は質量体により生じた慣性力を、両方の格子のうち一方を伸長させる
と同時に他方の格子を収縮させるように各格子に作用する力に変換する。この場
合、格子に対し間接的にはたらく慣性力および／または格子の伸長または収縮を
大きくしたり小さくしたりすることができる。

【００２０】 好適であるのは、上述の力伝達機構が伝播方向および／またはそれとは逆の方
向に向いた力を発生させ、その力がじかに一方の格子に対しては伸長作用を及ぼ
し、他方の格子に対しては収縮作用を及ぼすようにすることである。たとえばこ
の場合、装置に対し実質的に固定された回転軸を中心に旋回可能なレバーまたは
その他の相応にはたらく駆動部を力伝達機構にもたせることができる。

【００２１】 また、両方の格子を、無慣性力状態すなわち装置に加速度が加わっていない状
態で等しい中心ブラッグ波長をもつように形成したり準備したりすることができ
る。しかしながら両方の格子により引き起こされる有利な直線的な特性曲線領域
を利用できるようにすることを考慮すると、両方の格子が慣性力のない状態にお
いて互いに異なる中心ブラッグ波長をもつようにするのが有利であり、この場合
、両方の格子のうち一方の格子の中心ブラッグ波長が他方の格子の格子帯域幅内
にあるようにする。

【００２２】 本発明による装置の１つの実施形態によれば、両方のブラッグ格子のうち少な
くとも一方が一定の格子定数を有する。その際に１つの格別な実施形態において
優れているのは、両方の格子の各々が一定の格子定数をもつことである。

【００２３】 また、両方のブラッグ格子のうち少なくとも一方が可変の格子定数をもつよう
な実施形態（チャープされた格子）により、改善された直線的な特性曲線領域を
得ることができ、この場合、有利かつ好適であるのは、両方の格子がそれぞれ１
つの可変の格子定数をもつようにすることである。

【００２４】 本発明による装置の１つの利点を挙げると、供給された光ビームの両方の格子
から到来する成分をその格子特有のブラッグ波長に関して評価するにあたり、複
雑な狭帯域の光検出器ではなく簡単な広帯域の光検出器を使用できることである
。したがってこの装置の有利な実施形態によれば、供給された光ビームのうち両
方の格子から到来する成分を受け取るために広帯域の光検出器が設けられている
。

【００２５】 本発明による装置を作動させる有利な方法は全般的にいえば、 −両方のブラッグ格子各々の中心ブラッグ波長を含む波長領域の光ビームを供給
するステップと、 −供給されたビームのうちそれらの格子から到来した成分の強度を測定すべき加
速度の尺度として測定するステップ を有している。

【００２６】 本発明による装置の有利な用途として機械的な振動周波数の測定が挙げられ、
その際、振動周波数は装置の共振周波数よりも小さい。

【００２７】 本発明による装置の他の有利な用途として機械的な振動周波数の振動振幅の測
定が挙げられ、その際、機械的な振動周波数は装置の共振周波数よりも大きい。

【００２８】 次に、図面を参照しながら本発明について実例を挙げながら詳しく説明する。

【００２９】 図１は、２つのブラッグ格子を備えた本発明による装置の基本構造図である。

【００３０】 図２は、図１による装置の特性曲線ダイアグラムであり、ここでは両方のブラ
ッグ格子とも一定の格子定数をもっている。

【００３１】 図３は、図１による装置の特性曲線ダイアグラムであり、ここでは２つのブラ
ッグ格子は可変の格子定数をもっている。

【００３２】 図４は、図１による装置の実施形態であり、これによれば質量体が力伝達機構
を介して両方の格子と接続されている。

【００３３】 図５は、図１による複数の装置を相前後して配置した実施形態を示す図である
。

【００３４】 なお、これらの図面は概略的なものであり、縮尺どおりではない。

【００３５】 図１に描かれている全体として参照符号１の付された加速度測定用のブラッグ
格子装置は、それぞれ弾性材料中に形成されていて光ビームＳを案内する２つの
光学ブラッグ格子１１，１２と、これら両方の格子１１，１２と接続されている
旋回可能な質量体Ｍとを有している。この質量体は両方の格子１１，１２に作用
する加速度に依存する慣性力を発生し、それによって両方の格子１１または１２
の一方における弾性的な伸長およびこれと同時に他方の格子１２または１１の弾
性的な収縮を生じさせる。

【００３６】 ビーム源１３から発せられる光ビームＳはたとえば図１において参照符号ｘの
付された伝播方向に伝播し、それに対してパラレルに参照符号ａの付された測定
すべき加速度が格子１１，１２に作用する。たとえば加速度ａは、方向ｘに対し
ゼロとは異なる角度で両方の格子１１，１２に作用する。

【００３７】 両方のブラッグ格子１１，１２は有利には伝播方向ｘに相前後して配置されて
おり、その結果、格子１１に当射したビームＳのうち格子１１を通り抜けた（図
示されていない）成分が格子１２に当射する。

【００３８】 たとえば両方の格子１１，１２は、方向ｘにおいて間隔ｄをおいて互いに配置
されている。この事例では、質量体Ｍをたとえば図１に示されているように両方
のブラッグ格子１１と１２の間に配置することができ、これら両方の格子１１，
１２の各々とじかに接続することができる。

【００３９】 両方の格子１１，１２がたとえば方向ｘにおいて測定すべき加速度ａで加速さ
れると、両方の格子１１，１２に対し相対的にこの方向ｘでパラレルに旋回可能
な質量体Ｍは、ｘ方向とは逆の方向に作用する慣性力−Ｆ＝Ｍ・ａを生じさせ、
この慣性力は格子１１に対しては収縮作用を及ぼし同時に格子１２に対しては伸
長作用を及ぼす。

【００４０】 これに対して両方の格子１１，１２が方向ｘに対し逆方向において測定すべき
加速度−ａで加速されると、質量体Ｍは方向ｘに作用する慣性力Ｆ＝−Ｍ・ａを
生じさせ、この慣性力は格子１１に対し伸長作用を及ぼし同時に格子１２に対し
ては収縮作用を及ぼす。

【００４１】 両方の格子１１，１２の各々は弾性材料中に形成されているので、両方の格子
１１，１２およびそれらと接続された質量体Ｍとがいっしょに形成された系は、
方向ｘで弾性的な２つのばね１１，１２およびそれらのばねと接続された質量体
Ｍから成る機械的な系とみなすことができる。この場合、両方のばね１１，１２
の各々は個々の弾性材料により決まるばね定数Ｋ１もしくはＫ２を有している。

【００４２】 両方の格子１１，１２がそれぞれ等しい弾性をもつ材料中に形成されているな
らば、Ｋ１＝Ｋ２が成り立つ。これがあてはまるのはたとえば、図１に示されて
いるように両方の格子１１，１２が方向ｘに延びる共通の光導体１０上に形成さ
れているときである。このような光導体は実質的に均質に単一の弾性材料から成
り、光ビームＳは格子１１に供給され、このビームＳのうち格子１１を通り抜け
た成分が格子１２へ供給される。

【００４３】 たとえばこの光導体１０はガラスまたはプラスチックから成る光ファイバであ
り、その中に格子１１，１２が公知のようにして形成されている。格子１１と１
２の間で質量体Ｍを光導体１０と接続することができる。

【００４４】 両方の格子１１，１２の各々は方向ｘで相前後する複数の格子線１００と、こ
の格子１１もしくは１２においてそれぞれ隣り合う２つの格子線１００の間隔に
より決まる格子定数ｃを有しており、これは格子１１もしくは１２が方向ｘまた
はそれとは逆の方向で伸長するときには増大し、格子１１もしくは１２が方向ｘ
またはそれとは逆の方向で収縮するときには減少する。したがって各格子１１，
１２において、それらの格子定数ｃに依存しつまりは格子特有の中心ブラッグ波
長λ０もしくはλ０′は周知のように、格子１１または１２が伸長したときには
ある特定の方向にずらされ、格子１１または１２が収縮したときには、その特定
の方向とは逆の方向にずらされる。

【００４５】 この事例では両方の格子１１または１２の一方が伸長すると同時に他方の格子
１２または１１が収縮するので、両方の格子１１，１２における個々の格子特有
の中心ブラッグ波長λ０もしくはλ０′は互いに逆の方向にずらされる。

【００４６】 格子１１または１２に一定または可変の格子定数ｃをもたせることができる。
格子定数ｃが一定であれば定数ｃはそのままであり、つまり方向ｘで相前後する
それぞれ２つの格子線１００間の間隔は一定であるのに対し、格子定数ｃが可変
であればこの間隔は変化する。

【００４７】 同じ反射率Ｒでありそれぞれ一定の格子定数ｃをもつ２つの格子１１，１２を
使用した場合、図２に描かれている特性曲線ダイアグラムが重要となる。

【００４８】 このダイアグラムでは、横座標に光の波長λと格子１１の中心ブラッグ波長λ
０との差λ−λ０が記されており、縦座標には光の強度Ｉが記されている。

【００４９】 このダイアグラムにおける曲線Ａは波長差λ−λ０に依存する格子１１の反射
率Ｒを表しており、その際に前提としているのは、格子１２を考慮せずこの格子
１１だけが考察されており、波長の最適なビームＳによって照射されている、と
いうことである。また、ここでの反射率Ｒは、上述の格子１１へ供給された光ビ
ームＳのうち単独で考察されている格子１１から反射した成分Ｓ１の強度を波長
差λ−λ０と関係させて表しており、この格子１１の格子定数ｃが一定であれば
ガウス曲線またはλ−λ０＝０のときに最大値Ｒ０をとる類似の釣鐘状の曲線と
することができる。

【００５０】 同様のことは、波長λのビームＳで照射されるブラッグ波長λ０′の格子１２
についてもあてはまる。この場合、反射率Ｒすなわち供給される光ビームＳのう
ち単独で考察される上述の格子１２により反射される成分Ｓにおいて波長差λ−
λ０′に依存する強度Ｉは、やはりガウス曲線またはλ−λ０′＝０のとき最大
値をとる類似の釣鐘状曲線とすることができる。みやすくするため図２では、こ
の格子１２に関する反射率Ｒの曲線は描かれていない。

【００５１】 このようなブラッグ格子１１，１２各々についての反射率Ｒの釣鐘状曲線によ
りその格子の特定の格子帯域幅が決まり、これはたとえばこの特性曲線の半値の
幅とすることができる。半値の幅とは、反射率Ｒの曲線における最大値の半分の
値のところに位置するこの特性曲線（これは格子１１の事例として図２において
実例として描かれている曲線Ａ）中の２つの点の間の間隔であり、曲線Ａにおい
て半値はＲ０／２に等しく、格子帯域幅はΔで表されている。

【００５２】 さらに各格子１１，１２の反射率の既述の特性曲線について前提としているの
は、個々の格子１１もしくは１２は慣性力のない状態にあることであり、したが
ってこの状態では横座標の点λ−λ０＝０もしくはλ−λ０′＝０は格子１１も
しくは１２の中心ブラッグ波長λ＝λ０ないしはλ＝λ０′のところに位置する
。

【００５３】 格子１１または１２が伸長および／または収縮により方向ｘに対し平行に、慣
性力のない無慣性力状態から動かされると、反射率Ｒの曲線全体がシフトし、つ
まり格子１１であれば曲線Ａは横座標に沿って右または左にずれ、その結果、そ
のような伸長および／または収縮後に格子１１または１２の反射率Ｒの曲線ｎ最
大値がλ−λ０±Δλ０＝０もしくはλ−λ０′±Δλ０′＝０のところに位置
するようになる。この場合、Δλ０もしくはΔλ０′の極性符号は、格子１１ま
たは１２の伸長が生じたのか収縮が生じたのかに従って決まり、Δλ０もしくは
Δλ０′の値は、そのような伸長または収縮の程度に依存する。

【００５４】 図２の曲線Ｂの場合に前提としているのは、両方の格子１１，１２が存在して
おり、光ビームＳが格子１１へ供給されており、第２の格子１２に向けて第１の
格子１１を通過したビームＳの成分が当射することである。さらにここで前提と
している光源１３は、各格子１１，１２の格子帯域幅における少なくとも各波長
λを、慣性力のない状態においてもこの格子１１または１２の各々に伸長状態お
よび／または収縮状態が生じているときも発生するものである。

【００５５】 この波長が時間的に相前後して発生する光源１３は基本的に妨げ合うものでは
ないにもかかわらず、有利であるのは、それよりもずっと簡単に実現することの
できる広帯域の光源１３を使用することであり、これはそれらの波長すべてを同
時に供給することができる。

【００５６】 この種の広帯域の光源１３という前提のもとで曲線Ｂは、格子１１へ供給され
た広帯域の光ビームＳのうち両方の格子１１，１２から到来し格子１１から方向
ｘとは逆に戻ってくる反射成分Ｓ１において広帯域光源１３のすべての波長λに
ついて一体化された強度Ｉを、格子１２の選択された中心ブラッグ波長λ０′と
格子１１の選択された中心ブラッグ波長λ０との差λ０′−λ０に依存して表す
。

【００５７】 格子１１，１２の格子定数がそれぞれ一定であるこの事例では、曲線Ｂは逆さ
にされた釣鐘状の曲線であり、λ０′−λ０＝０のときに最小値Ｒ１をとり、こ
れは格子１１の反射率Ｒの曲線における最大値Ｒ０に左右される。

【００５８】 この最小値Ｒ１の左右において曲線Ｂはそれぞれ上昇カーブないしは曲線枝Ｂ
１，Ｂ２を有しており、これはその値Ｒ１から区間ごとにほぼ直線的に上昇して
いる。

【００５９】 両方の格子１１，１２がたとえば慣性力のない無慣性力状態において、それぞ
れ等しい一定の格子定数ｃ、等しい中心ブラッグ波長λ０＝λ０′およびブラッ
グ波長λ０＝λ０′において等しい最大値Ｒ０をもつよう選定されている場合、
両方の格子１１，１２の動作点は曲線Ｂの最小値Ｒ１のところに位置し、つまり
２つの格子１１と１２のうち一方の格子の伸長と他方の格子の収縮が同時に発生
することで、一体化された反射成分Ｓ１の強度Ｉの変化が上述の最小値Ｒ１の近
くにおいてのみ曲線Ｂに従って引き起こされることになる。この動作点は、振動
の振幅だけしか重要でないような振動測定に適している。

【００６０】 これに対し、無慣性力状態において互いに異なる中心ブラッグ波長λ０≠λ０
′をもつ格子１１および１２を使用した場合、これらの両方の格子１１，１２の
共通の動作点は曲線Ｂにおける曲線枝Ｂ１またはＢ２のほぼ直線的な傾斜部分に
位置する可能性があり、たとえば図２に示されているようにλ０′−λ０＞０の
ところに位置する曲線枝Ｂ２の点に位置する可能性があり、そこでは反射成分Ｓ
１は一体化された強度Ｉ_Ｐを有する。

【００６１】 このように選定された動作点において両方の格子１１，１２が同時に互いに逆
方向に伸長および収縮すると、それに依存して格子１２の中心ブラッグ波長λ０
′と格子１１の中心ブラッグ波長λ０との差λ０′−λ０が変化し、これにより
動作点は曲線Ｂ上で格子１１，１２の無慣性力状態における動作点に対し一方ま
たは他方の方向にシフトする。それに応じて反射成分Ｓ１の一体化された強度が
変化し、その際、一体化された強度の変化は無慣性力状態での動作点の曲線Ｂの
上昇に対し比例している。

【００６２】 実例として図２に示されている無慣性力状態での動作点Ｐに関して、差λ０′
−λ０が±Δλだけ変化すると、Ｉ_Ｐは±ΔＩ＝ｂ・（±Δλ）だけ変化し、こ
こでｂは点Ｐにおける曲線枝Ｂ２の正の上昇を表す。

【００６３】 理想的であるのは、動作点が個々の曲線枝Ｂ１またはＢ２の変曲点または少な
くともその近くに位置することであり、その理由はこの点の近傍では曲線枝Ｂ１
またはＢ２は殊に直線的だからである。

【００６４】 実際にたとえば十分な直線性が得られるのは、絶対値｜λ０′−λ０｜が格子
１１の格子帯域幅Δの約１／３となるときである。格子１１、１２の測定可能な
伸長と収縮はΔ／４の領域にあり、したがってたとえばΔ＝３５０ｎｍでλ０＝
１５５０ｎｍにおいて格子１１の場合には約１００μεの最大伸長または最大収
縮が生じる。

【００６５】 可変の格子定数ｃをもつ格子１１および／または１２を使用すれば、図２によ
る釣鐘状の曲線Ｂよりも改善された直線性をもつ曲線Ｂを得ることができる。図
３には、そのような格子によって少なくとも近似的に達成される特性曲線ダイア
グラムの理想的な事例が描かれている。

【００６６】 図３に示されているように図２による曲線Ａに対応する格子１１の曲線Ａは矩
形関数であり、これはλ＞λ０−Δ／２とλ＜λ０＋Δ／２についてＩ＝Ｒ０に
より与えられ、残りすべてのλについてＩ＝０により与えられ、ここでΔは格子
１１の格子帯域幅である。

【００６７】 図２の曲線Ｂに対応する図３の曲線Ｂも同様にλ０′−λ０＝０のときに最小
値Ｒ１を有しており、これは格子１１の最大値Ｒ０に依存している。しかしなが
らこの最小値Ｒ１の左右では上述の曲線Ｂは、０と−Δ／２の間で厳密に直線的
な曲線枝Ｂ１と、０と＋Δ／２の間で厳密に直線的な曲線枝Ｂ２とを有している
。

【００６８】 両方の格子１１，１２の共通の動作点は直線的な曲線枝Ｂ１またはＢ２におか
れ、たとえば曲線枝Ｂ２の点Ｐにおかれる。この場合も格子１１，１２の測定可
能な伸長と収縮はΔ／４の領域に位置するが、有利には直線的な特性曲線におい
て拡大された測定領域に位置する。なぜならば可変の格子定数ｃをもつ格子の場
合、格子帯域幅は一定の格子定数ｃをもつ格子よりも著しく大きくなり得るから
である。

【００６９】 両方の格子１１もしくは１２の互いにそれぞれ異なる中心ブラッグ波長λ０お
よびλ０′はいずれの事例でも、両方の格子の一方の中心ブラッグ波長たとえば
格子１２の中心ブラッグ波長λ０′が他方の格子の格子帯域幅内たとえば格子１
１の格子帯域幅１１内に位置するよう選定すべきである。ブラッグ格子１１また
は１２の格子帯域幅は一般に、その格子１１または１２の反射率Ｒの曲線がゼロ
とは異なるとみなされる領域である。

【００７０】 曲線Ｂは少なくとも区間ごとには一定ではないけれどもほぼ直線的な曲線枝Ｂ
１および／またはＢ２をもつことから、供給された広帯域の光ビームＳのうち格
子１１および１２から到来した成分Ｓ１を評価するためには、たとえば光導体１
０からこの成分Ｓ１を出力結合する光結合器１５を介してこの成分Ｓ１が供給さ
れる広帯域の光学検出器１４だけしか必要とされない。

【００７１】 図４に示されている装置１が図１による装置と異なる点は、質量体Ｍが直接的
荷ではなく、装置１に対し実質的に固定されている回転軸２１を中心に回転可能
なレバーとして構成された力伝達機構２を介して間接的に、格子１１および１２
と接続されていることだけである。

【００７２】 回転軸２１は図４の図平面に対し垂直に位置しており、たとえばレバー２０を
回転可能にヒンジ止めすることにより装置１のフレーム１１０のところに形成さ
れる。レバー２０の第１のレバーアーム２０１には質量体Ｍが取り付けられてお
り、第２のレバーアーム２０２は２つの格子１１，１２の各々と接続されている
。第１のレバーアーム２０１の長さＬ１と第２のレバーアームの長さＬ２の比Ｌ
１／Ｌ２により、力伝達機構２の伝達特性が決定される。

【００７３】 質量体Ｍにより形成される方向ｘへ向いた慣性力Ｆまたはそれとは逆向きの慣
性力−Ｆは、レバー２０から方向ｘ対し逆に作用する力−Ｋもしくは方向ｘに作
用する力Ｋに変換される。力−Ｋにより格子１１は収縮し同時に格子１２は伸長
し、力Ｋにより格子１２は収縮し同時に格子１１は伸長する。

【００７４】 図４による装置の場合、力伝達機構２にとって重要な部分だけしか描かれてお
らず、それについてだけしか説明しなかったが、この装置１におけるその他のす
べての部分は、図１による装置１のところですでに説明した図示の部分と同じで
ある。

【００７５】 ここで好適であるのは、２つの格子１１，１２を事前に緊張させ、各格子１１
，１２が無慣性力状態においてある程度すでに弾性的にまえもって伸長されてい
るようにすることである。格子がまえもってすでに伸長されていれば、まえもっ
て伸長されていない格子よりも弾性的に収縮しやすくなる。

【００７６】 好適にはたとえば光導体１０を、格子１１または１２が収縮したときに光導体
１０の弾性的な事前の伸長だけが弱められ、光導体１０の屈曲が発生しないよう
、弾性的に事前に緊張させておく。たとえば光導体１０を図４のフレーム１１０
のようなフレーム上に事前に緊張させて保持しておくことができる。

【００７７】 全般的にいって図１または図４による装置１は次のように作動される。すなわ
ち、格子１１，１２の各々がもつ中心ブラッグ波長λ０およびλ０′を含む波長
領域の光ビームＳがそれらの格子１１，１２へ供給され、供給されたビームＳの
うちそれらの格子から到来する成分Ｓ１の強度Ｉが測定すべき加速度の尺度とし
て測定される。

【００７８】 両方の格子１１，１２におけるたとえば動作点付近において強度Ｉは波長差λ
０′−λ０に依存しているので、測定されたこの強度Ｉからダイレクトに、両方
の格子１１，１２に及ぼされる加速度を推定することができる。

【００７９】 図１または図４による装置１は有利には振動振幅測定用の振動測定器として用
いることができ、その場合には振動周波数ωは装置１全体の常に存在する共振周
波数ω０よりも大きくなるよう選定される。この振動周波数ωの場合、質量体Ｍ
の変位は有利には振動周波数ωとは無関係に振動振幅に比例しており、これは振
動周波数ωで励振されて振動状態にされる両方の格子１１，１２の変位と等しい
。

【００８０】 図１または図４の装置は有利には加速度測定用の加速度センサとして用いられ
、この場合、装置１は振動周波数ωで励振されて振動させられ、振動周波数ωは
装置１の共振周波数ω０よりも小さくなるようにする。このような振動周波数ω
において質量体Ｍの変位は有利には振動周波数ωに依存し、つまりは加速度に左
右される。

【００８１】 使用可能な周波数範囲は、加速度測定器の場合も振動測定器の場合も共振付近
で減衰により増大し得る。

【００８２】 図１または図４による装置１の場合、両方のブラッグ格子１１，１２は方向ｘ
で精確に相前後して配置されている。請求項１記載の請求の範囲には、両方のブ
ラッグ格子が方向ｘで相前後して配置されているおよび／または並置されている
装置も含まれている。

【００８３】 図５に描かれている実施形態によれば複数の装置１が設けられており、これに
よれば質量体Ｍと接続されている両方の格子１１，１２によってそれぞれ構成さ
れている個々の格子のペアが、光導体１０上に相前後して配置されている。

【００８４】 これら格子のペアは、互いに異なる中心ブラッグ波長λ０＝λ１、λ０＝λ２
、λ０＝λ３等に合わせて調整されている。各格子ペアにはそれぞれ対応して１
つの広帯域の光検出器１４が設けられており、これは個々のブラッグ波長λ０＝
λ１、λ０＝λ２、λ０＝λ３等に合わせて整合調整されている。

【００８５】 また、ビーム源１３は、すべてのブラッグ波長λ０＝λ１、λ０＝λ２、λ０
＝λ３等を含む広帯域の光ビームＳを発生させるように構成されている。

【００８６】 ビームＳのうち各格子ペアから到来する個々の成分Ｓ１は光結合器１５により
光導体１０から出力結合され、対応して設けられている検出器１４へ供給される
。

【００８７】 格子ペアから実質的にいっしょに到来する成分Ｓ１における中心ブラッグ波長
λ０＝λ１、λ０＝λ２、λ０＝λ３等を互いに分離するために光学的な波長デ
マルチプレクサ１６を用いれば、出力結合のためにただ１つの結合器１５で十分
である。波長デマルチプレクサとしてはたとえば、アメリカ合衆国特許 5 680 4
89 に記載されている格子分光器または同様にはたらくデマルチプレクサを用い
ることができる。

【００８８】 これまで述べてきた装置１各々において、両方の格子１１，１２から到来した
光ビームＳの成分Ｓ１は両方の格子１１，１２により反射した成分である。この
成分Ｓ１を両方の格子を通り抜けた成分とすることもでき、その際にはそれらの
成分に合わせて評価を整合させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、２つのブラッグ格子を備えた本発明による装置の基本構造図である。

【図２】 図１による装置の特性曲線ダイアグラムであり、ここでは両方のブラッグ格子
とも一定の格子定数をもっている。

【図３】 図１による装置の特性曲線ダイアグラムであり、ここでは２つのブラッグ格子
は可変の格子定数をもっている。

【図４】 図１による装置の実施形態であり、これによれば質量体が力伝達機構を介して
両方の格子と接続されている。

【図５】 図１による複数の装置を相前後して配置した実施形態を示す図である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加速度（ａ，−ａ）測定用のブラッグ格子装置（１）におい
   て、 光ビーム（Ｓ）を供給するために弾性材料中にそれぞれ形成された少なくとも
   ２つの光学ブラッグ格子（１１，１２）と、 両方の格子（１１，１２）と接続された少なくとも１つの変位可能な質量体（
   Ｍ）とが設けられており、 該質量体（Ｍ）は、装置（１）に作用する加速度（ａ，−ａ）に依存する慣性
   力（−Ｆ，Ｆ）を発生させて、両方の格子（１１，１２）の一方（１１；１２）
   を弾性的に伸長させると同時に他方の格子（１２；１１）を弾性的に収縮させる
   ことを特徴とする、 加速度測定用のブラッグ格子装置。
2. 【請求項２】 両方のブラッグ格子（１１，１２）は、供給された光ビーム
   （Ｓ）の伝播方向（ｘ）に互いに相前後して配置されている、請求項１記載の装
   置。
3. 【請求項３】 前記質量体（Ｍ）は両方のブラッグ格子（１１，１２）の間
   に配置されており、両方の格子（１１，１２）の各々と接続されている、請求項
   １または２記載の装置。
4. 【請求項４】 両方の格子（１１，１２）は互いに異なる中心ブラッグ波長
   （λ０，λ０′）を有しており、両方の格子（１１，１２）のうち一方（１２；
   １１）の中心ブラッグ波長（λ０′；λ０）は他方の格子（１１；１２）の格子
   帯域幅（Δ）内にある、請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
5. 【請求項５】 両方のブラッグ格子（１１，１２）の少なくとも一方は一定
   の格子定数（ｃ）を有する、請求項１から４のいずれか１項記載の装置。
6. 【請求項６】 両方のブラッグ格子（１１，１２）の少なくとも一方は可変
   の格子定数（ｃ）を有する、請求項１から５のいずれか１項記載の装置。
7. 【請求項７】 供給された光ビーム（Ｓ）のうち両方の格子（１１，１２）
   から到来する成分（Ｒ１）を受け取るため、広帯域の光検出器（１４）が設けら
   れている、請求項１から６のいずれか１項記載の装置。
8. 【請求項８】 加速度を測定するための請求項１から７のいずれか１項記載
   の装置（１）の使用において、 該装置（１）を振動周波数（ω）で励振して振動させ、該振動周波数（ω）を
   装置の共振周波数（ω０）よりも小さくする、 請求項１から７のいずれか１項記載の装置の使用。
9. 【請求項９】 請求項１から７のいずれか１項記載の装置（１）の使用にお
   いて、 該装置の共振周波数（ω０）よりも大きい機械的な振動周波数（ω）の振動振
   幅を測定する、 請求項１から７のいずれか１項記載の装置の使用。
10. 【請求項１０】 請求項１から７のいずれか１項記載の装置の作動方法にお
    いて、 両方のブラッグ格子（１１，１２）各々の中心ブラッグ波長（λ０）を含む波
    長領域をもつ光ビーム（Ｒ）を格子（１１，１２）へ供給するステップと、 供給されたビーム（Ｓ）のうち格子（１１，１２）から到来する成分（Ｓ１）
    の強度（Ｉ）を、測定すべき加速度（ａ，−ａ）の尺度として測定するステップ
    を有することを特徴とする作動方法。