JP2003511671A - 高感度加速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 構造物の加速度を決定するための、高感度加速度計は、ハウジング内に、支持部材によって吊るされた主要部を含む。この支持部材は、固定されている心棒とプッシュプル配列の主要部との周囲を交互に巻きつけている。１つの支持部材の少なくとも一部は、ハウジング内の主要部の変位を測定することができる変換器を構成している。発明の実施形態では、干渉検出処理装置を使用するために支持部材として光ファイバーコイルを用いている。加速度計に基づく、複数のこのような干渉計は、ＷＤＭまたは同様の方法を用いて多重化される。

Description

【発明の詳細な説明】

（発明の属する技術分野） 本発明は、高感度加速度計に関するものであり、その中でも特に、光ファイバ
ーを基礎とする加速度計に関するものである。

【０００１】 （従来の技術） センサーを使用して、構造やボディーの物理的特性をモニターする方法が知ら
れている。この方法の応用例の１つに、温度、圧力、流量、地震あるいは他の物
理的特性といった情報を抽出する油井のモニタリングが挙げられる。高温、高圧
という苛酷な環境のせいで、従来のセンサーによって上記油井のモニタリングを
行うことは難しく、従来上記油井のモニタリングには、電子センサーや光学セン
サーの感度を落として使用しなければならなかった。

【０００２】 現在使用されている電子センサーは、いくつかの理由によって制限されている
。上記センサーのような基盤上（オンボード）の電子装置は、高温、高圧、高振
動、そして高い外部静水圧を含むあまり望ましくない環境下で動作しなければな
らない。また、初期の故障は時間を非常に浪費し、費用のかかる処置を必要とす
るため、上記電子センサーは、非常に高い信頼性も必要とされる。電子装置は、
その複雑さゆえ、故障には多くの異なる形態がありがちである。これらの電子セ
ンサーが、油井のモニタリングに使用される場合には、上記のような故障は、慣
例的に信頼性を許容レベル以下にしてしまう。

【０００３】 井戸（油井）掘りには、その他に電気信号の伝達に関連した多くの問題がある
。一般に、井戸（油井）掘りにおいて、電気信号を伝達するための絶縁導体を供
給する場合には、多くの問題に遭遇する。上記のような導体を、井戸掘り中に高
温、高圧で強い腐食性を有する流体にさらすことなく、密封することは非常に難
しい。上記導体は、一旦上記流体が導体の周囲を覆っている絶縁素材に浸透する
ことによって損傷を受けると、電気信号をショートさせてしまう。さらに、電気
の伝達は生産操作において、電気的ノイズを受け易くなってしまう。

【０００４】 油井に近接した地下層の音波特性を決定する地面に掘った孔（ダウンホール）
の地震性の妨害を測定するために、加速度計が典型的に使用される。一般に、動
く本体（即ち地面）に連結されたセンサーケースに収容された主要部弾性（主要
部スプリング）変換器が加速度計と見なされている。なお、上記の地面の動きは
、上記主要部（mass）および上記センサーケース間の相対運動から推測される。
上記加速度計は、上記主要部の相対変位を、上記ケース、およびそれゆえに上記
油井に近接した地面と直接比較されると見なすことによって解析される。加速度
計は、時間に依存する連続地震探査を決定するために、油井の長さに沿って配置
されるのが典型である。

【０００５】 先行技術における加速度計の１つに、圧電気に基づく電気加速度計がある。上
記圧電気に基づく電気加速度計は、通常の電気センサーに見られる問題点によっ
て損害を被る。特に、超高性能の圧電気加速度計は、センサーの頭部で電力を必
要とする。また、多くのセンサーを備えた複合型のものは、扱いにくく、信頼性
が低下するだけでなく、加速度計の重量や体積を大幅に増加させる傾向にある。

【０００６】 また、ある構造の加速度を測定するために、光学干渉計が使用されることが知
られている。また、かなり高い感度と、適度に低い限界検出能とを有する光ファ
イバー干渉加速度計を設計することも可能であることがよく知られている。先行
技術における光ファイバー加速度計のいくつかは、線形および非線形変換機構、
円形フレキシブルディスク、弾性ゴム心棒、および液体充満心棒に基づく光ファ
イバー干渉加速度計を含んでいる。これら光ファイバー加速度計のいくつかは、
非常に高い加速度感受性（１０４ラジアン／ｇまで）を示すが、適用する場合に
センサーの設計が実用的ではない場合が多い傾向にある。例えば、非常に高い加
速度感受性を有するセンサーは、装置が加速度計として操作される場合に、周波
数レンジを厳密に制限する地震重量が５００グラムを超える傾向にある。そして
、多くの場合、非常にかさばっているため、その重さや大きさが上記センサーを
役に立たないものにしてしまう。他の光ファイバー加速度計は、高い交差軸感受
性、あるいは低い共鳴周波数、あるいはディザー信号を被り、そしてかさばり（
１０ｋｇを超える）、高価で、広範囲な架線および電子装置になる傾向にある。
特別な素材あるいは構造で設計された光学干渉計でさえ、ボアホールの苛酷な環
境および精密機器の非常に厳密な許容範囲のせいで、不正確になりがちである。

【０００７】 多くの応用例においては、光ファイバーセンサーは、数ｋＨｚまでの、変化の
少ない周波数レスポンス（即ち、上記装置は高い共鳴周波数を有していなければ
ならない）、および高い感度を備えていることが望ましく、例えば動圧力などの
本質的ではない測定対象については無視しなければならず、そして、簡単に配置
されるように（即ち、簡単に複合化できるように）、占有面積および包括体積を
小さくしなければならない。

【０００８】 （発明の要約） 本発明の目的は、苛酷な環境下で使用される光ファイバー加速度計を提供する
ことを含む。

【０００９】 本発明は、油井、及び／又はガス井戸、エンジン、燃焼室などのような苛酷な
環境下（高温、及び／又は高圧、及び／又は高衝撃、及び／又は高振動）で使用
されることができる。その一例として、本発明は（１５ｋｐｓｉより高い）高圧
下、および（１５０℃より高い）高温下で、操作可能なガラスファイバー光学セ
ンサーであるかもしれない。本発明はまた、環境のタイプに関係なく他にも同様
に適用できるであろう。

【００１０】 本発明の目的は、所定の方向の加速度を感知するための高感度線形加速度計を
提供することである。上記加速度計は、少なくとも２つの弾性力を有する支持部
材によって主要部が内部につるされた剛体のハウジングを含み、そして、上記支
持部材は、所定の軸方向に一列に並べられ、上記ハウジングの反対端に取り付け
られ、さらに上記主要部に取り付けられている。上記弾性力を有する支持部材の
１つのうちの少なくとも一部は、上記所定の方向の加速度に応じて、ハウジング
内の上記主要部の変位を測定することができる磁気増幅器を含んでいる。ある実
施例では、１組の固定された心棒を含み、上記心棒は上記ハウジングの反対端に
堅く取り付けられ、そして、上記主要部は少なくとも１つの固定されていない心
棒（floating mandrel）を含んでいる。また、上記弾性力を有する支持部材は、
それぞれ、上記固定された心棒の１つおよび上記固定されていない心棒を中心に
して巻き付けられている。

【００１１】 本発明の他の目的は、上記主要部が１組の固定されていない心棒を含み、そし
て弾性力を有する各支持部材が、上記固定された心棒の１つおよび上記固定され
ていない心棒の１つを中心にして巻き付けられている線形加速度計を提供するこ
とにある。他の実施例において、上記心棒と上記加速度計の主要部とは、トロイ
ド状（toroidal）の形状によって構成されている。

【００１２】 本発明のさらにもう１つの目的は、上記弾性力を有する支持部材の少なくとも
１つが光ファイバーを含み、上記主要部の動作が上記ファイバーの長さの変化の
干渉測定のための動作に応じて、上記ファイバーに長さの変化を起こさせる線形
加速度計を提供することにある。

【００１３】 本発明のさらに他の目的は、上記主要部が所定の方向に対して垂直な方向への
動作を制限するように取り付けられ、軸方向の整列組立部材（axial alignment
assembly）を有した線形加速度計を提供することにある。上記軸方向の整列組立
部材は、上記主要部と上記ハウジングとが所定の方向の軸方向へ動くように取り
付けられた湾曲部材（flexure member）を含み、上記主要部の非軸方向への動作
を制限する。実施例においては、１組の整列組立部材（alignment assembly）が
採用されている。そして、上記一組の整列組立部材は、上記湾曲部材が一直線の
棒に位置付けられた仕切板（diaphragms）であり、上記仕切板は外周を取り囲む
上記ハウジングの孔の中に配されている。他の実施例においては、上記湾曲部材
は柔軟な薄いプレートを含み、少なくとも１組の上記湾曲部材が上記主要部およ
び上記ハウジングに取り付けられている。

【００１４】 本発明のさらなる目的は、変換器が光ファイバーひずみセンサー、圧電性電気
装置、ＰＶＤＦ素材あるいは抵抗性ひずみゲージを含むひずみ検出素子により構
成される線形加速度計を提供することにある。

【００１５】 本発明のさらにもう１つの目的は、所定方向の加速度感知用の高感度線形加速
度計を提供することにある。上記高感度線形加速度計は、剛体のハウジング、細
長いボディーおよび丸みのある端部を有する主要部、所定の距離だけ離して上記
ハウジングにしっかりと取り付けられた１組の固定心棒、および上記所定の方向
の軸方向へ並べられ、上記固定心棒を中心にして巻き付けられた二組の弾性力を
有する支持部材を有し、そして上記丸みのある端部は上記ハウジング内に上記主
要部を吊るすために連続的な形状になっている。上記弾性力を有する支持部材の
１つの少なくとも一部は、上記所定方向への加速度に応じてハウジング内の上記
主要部の変位を測定することができる変換器を備え、さらに上記所定方向に対し
て垂直な方向への上記主要部の動作を制限するように取り付けられた１組の軸方
向の整列組立部材を含んでいる。

【００１６】 本発明のさらにもう１つの目的は、上記固定心棒と上記主要部とがトロイド状
の形状で構成されている線形加速度計を提供することにある。

【００１７】 本発明のさらにもう１つの目的は、地面のボアホールにおいて互いに直交する
ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の垂直な地震性の振動のプロファイリング用の装置を提
供することにある。なお、上記装置は、光ファイバー伝達ケーブル、及び、上記
ボアホールに連結され、光ファイバー伝達ケーブルによる光通信を行い、互いに
直交する３方向のそれぞれに位置付けられた多数の加速度計を含んでいる。上記
加速度計は、上記の方向の所定の一方向における加速度を感知するための高感度
線形加速度計であり、剛体のハウジング、主要部、所定方向の軸方向に並べられ
た光ファイバーを有する少なくとも２つの弾性力を有する支持部材を含む。上記
弾性力を有する支持部材は、上記ハウジング内で上記主要部を吊るしている。そ
して、上記ハウジング内では、上記弾性力を有する支持部材の１つのうちの少な
くとも一部が、上記ハウジング内の上記所定方向への加速度に応じた上記主要部
の変位を測定することができる変換器を構成し、各加速度計の位置において、静
電気力および動態作用を示す各検出光信号を供給することができる。また、上記
装置は、各検出光信号に基づく地震性の振動のプロファイリング情報を供給する
光伝達ケーブル連結された光信号処理器を含んでいる。

【００１８】 （本発明の実施の最良の形態） 図１を参照すると、例えば、油井あるいはガス井戸のボアホール、ビル、橋、
エアクラフト、ポンプ、あるいは加速度を受けたり、信号を送ることが望まれた
りするその他の構造物または構成要素のような厳しい環境にさらされる構造１０
には、後で詳述するように、少なくとも１つの高感度加速度計２２が結合されて
いる。高感度加速度計２２は、一連の伝達ケーブル２０の一部であり、伝達ケー
ブル２８によって信号変換器４０および信号処理装置３５と接続されている。構
造１０の加速度は、各軸３０・３２・３４の何れの方向においても、加速度計２
２によって検出される。上記加速度計２２は、後で詳述するように、その向きに
依存している。上記信号処理装置は、本発明の種々の実施例における電気信号、
電記光学信号、あるいは光学信号を処理するためのあらゆる既知の機器により構
成される。

【００１９】 本発明の特定の実施例において、加速度計２２は、密封された容器（図示せず
）の中に隠れるようにして配され、高温（約１７５℃まで）、高圧（約２０ｋｓ
ｉまで）、高ＥＭＩ環境という苛酷な環境下、あるいは、高感度加速度計が必要
とされる苛酷ではない環境下に配置される。また、ある実施例において、加速度
計２２は光ファイバーに基づく装置を含んで構成され、伝達ケーブル２８は、環
境的に鍛えられた毛細チューブを含んで構成される。なお、上記毛細チューブは
、同時係属中である米国特許出願番号０９／１２１，４６８（発明の名称「苛酷
な環境下で使用される光ファイバーケーブル」、Bonja、出願日１９９８年７月２
３日）において、共通して所有されて開示されており、上記出願にすべて組み込
まれて公表されている。上記伝達ケーブル２８は、加速度計２２へ導かれ、上記
信号処理装置３５と間の伝達信号の受け渡しを行っている。そして、必要に応じ
て、直接あるいはインターフェース装置（図示せず）を介して接続されている。
上記加速度計は、ボルト、クランプ、あるいは従来公知の方法によって、上記構
造にきっちりと結合されている。

【００２０】 本発明の加速度計２２は、例えば、直に構造１０をモニターする装置として、
構造１０をモニターする加速度計と同じように配列して使用される。他方では、
加速度計２２の配列は、構造１０につなげられ、例えば、既知の長さに亘って分
配され、垂直な地震性の振動のプロファイリング（vertical seismic profiling
）を実行するというように、周囲の環境への構造の応答を決定する。図２によれ
ば、構造１０は、油井あるいはガス井戸内のボアホールに繋げられた鉄チューブ
、あるいは生産パイプ（production pipe）の構造であり、様々な地層１２，１
４，１６を貫通する。上記ボアホールの深さは１５０００から２００００フィー
ト、あるいはそれ以上である。先行技術で公知であるように、ボアホールは、高
温と圧力ドリリング流体（pressure drilling fluid）１８とで満たされており
、周囲を腐食したり、害を与えたりする。伝達線２０は、加速度計２２，２３，
２４，２５の配列を含み、上述したように、毛細チューブ （capillary tube）
内に位置する光学ファイバーを含む伝達ケーブル２８によってつながれている。
加速度計２２，２３，２４，２５は、本発明において、３つの軸３０，３２，３
４（図１）のいずれかに位置する１ないしは３つの加速度計が一直線状になった
加速度計２２を含んでおり、それぞれの加速度計の位置における、静的および動
的力を示す反応光信号を伝達する。

【００２１】 加速度計２２，２３，２４，２５の配列は、本発明における垂直な地震性の振
動のプロファイリング（seismic profiling）を実行するのに役立ち、光学ファ
イバーセンサーは、５０００フィートというように、既知の長さに亘って分配さ
れている。加速度計２２，２３，２４，２５は、１０から２０フィート毎という
ように、既知の長さに亘って等間隔に決められて配置されており、所望の垂直な
地震性の振動のプロファイリングを提供する。

【００２２】 より詳細には、ぞれぞれの加速度計は、中心波長を有する光の狭い波長帯を反
射するファイバー光学センサーを含んでいる。それぞれの加速度計は、異なる波
長帯および中心波長で動くので、信号は波長分離多重化（Wavelength Division
Multiplexing）（ＷＤＭ）技術を用いると簡単に検出される。伝達ケーブル２８
内に位置する全光学ファイバーは、例えば、最上にあるセンサーから測定して１
，０００フィートというように、所望の深さに下げられる。ダイナマイト４２（
地震発破）の小さな電荷のような音響波長源は、例えば、３，０００フィートと
いうように、選択された距離によって、ボアホール１０から分岐した狭い発破孔
５０内の発破工（blaster）４５によって爆発する。

【００２３】 図２によれば、音響波は、直線経路５２および反射経路５４を伝った発破より
発する。反射波５４は様々な地層１２，１４，１６を反射する。より詳しくは後
述するが、直線地震波５２と反射した地震波５４とは、周囲の様々な地層１２，
１４，１６の反応を引き起こし、地面の動きは、地面につなげられた構造１０を
通じて加速度計２２，２３，２４，２５によって検出される。

【００２４】 残りのデータ信号は、伝達ケーブル２８を通って、復調器４０と光学信号処理
装置３５に伝達される。本発明の一具体例では、地震発破の後、伝達ケーブル線
２０は、さらなる地震性の振動のプロファイリングに備えて、ボアホール内に再
度位置する。本発明の他の具体例では、加速度計２２，２３，２４，２５は、伝
達ケーブル２８の全長に亘って分配されるので、全ボアホール１０は１つの発破
として特長付けられる。

【００２５】 本発明の加速度計の配列では、それぞれの加速度計は、異なる波長帯と中心波
長で動くので、信号は波長分離多重化（ＷＤＭ）技術を用いて簡単に検出される
。信号処理装置３５と信号変換器４０とは、１つあるいはそれ以上の復調器を含
み、返り信号（return signals）からの波長相変化を解釈する。

【００２６】 本発明の加速度計２２によって、先行技術における多くの欠陥は解決される。
例えば、具体的には光学ファイバーに基づくと、最低の分解可能加速度、あるい
は測定可能加速度は、光学ファイバーコイル８０，８２（図４）の周囲に設計さ
れた、干渉計の検出雑音階（noise floor）によって制限され、相測定構成およ
び加速度計機構の基準要因（scale factor）と関連している。例えば、地震に応
用すると、本発明では、加速度計２２は１０〜１００G／rtHzという低加速度の
検出が要求されるといった制限はない。さらに、干渉計における高い実現性、お
よび相測定系によって、１０〜１００microad／rtHz、あるいはそれより低くて
も相シフトを検出できる。相測定系と関連している干渉計の支持部材の光ファイ
バーコイルは、約１krad／G、またはそれより高い加速度計感度、あるいは基準
要因（scale factor）を生じ、示された雑音階で測定されるようになる（図１２
は、本発明の一具体例の雑音階に関する、典型的なテスト信号の例である）。

【００２７】 図４によれば、加速度計２２は、５００〜５０００krad／Gの基準要因を作り
上げ、加速度計２２は基準要因の範囲におよんでいる。よって、後述するように
、この加速度計を地震に応用すると、必須のものとして使用される。

【００２８】 前述したように、干渉計の測定系は、ファイバーの長さの増加と共に増加する
基準要因を示す。固定されている心棒８６，８８および固定されていない心棒（
floating mandrels）９０，９２は、それぞれの支持部材において、ファイバー
６６の多重コイルの回転を作るために使用されるので、高い基準要因を持った、
加速度計の小型化が可能となる。この加速度計２２では、効率的な基準要因は、
固定されていない心棒の主要部の動きによって、ファイバーに適用された歪み（
strain）に基づいている。基準要因は、構造の主要部に比例し、支持ファイバー
の横断面領域に反比例するということが興味深い。一般には、干渉計６２（図３
）のファイバーの長さが増加すると、感度も良くなる。しかしながら、支持ファ
イバーは吊り下げコイル（suspension coil）が何回も回転することで成り立っ
ている。ファイバーの長さが長くなると、回転数も増加し、吊り下げ帯の横断面
領域も増加する。基準要因をおよそ全ファイバー長から独立させることに効果が
ある。

【００２９】 加速度計２２の範囲は２つの要因のうち１つによって制限される。例えば、相
測定系が制限された範囲を有していれば、大きな加速度は解釈されない。しかし
ながら、最新の相復調器技術では、オプチフェーズ（Optiphase）が生産販売し
ている、オプチフェーズモデルＯＰＤ−２００がその典型となるが、例えば、何
回にも亘って２π周期の相変化を繰り返すことで、この制限を取り除いている。

【００３０】 他の潜在的な制限は、ファイバーの構造的な強度である。本発明は、吊り下げ
コイルにつけこんだ、大きな加速度変化の構造的な影響について検討した。例え
ば200G’sという非常に大きな発破状態であっても、コイル中の全ファイバーに
よって過度電流負荷（transient load）は分けられる。このような状態では、コ
イル内のフィラメントに適用される最大負荷は、ガラスフィラメントの最終的な
強度の１０％よりもはるかに小さい。この負荷分配能力（load sharing ability
）は、本発明の加速度計において、固有の耐性および広い加速度範囲能力を実行
するのに有利である。

【００３１】 加速度計の設計のための典型的な手法は、吊り下げられた主要部の第１の構造
的な共鳴下で、水平な信号応答スペクトル領域となるように、操作幅（operatin
g bandwidth）を定義することである。加速度計２２の場合、コイルの硬さは共
鳴周波数に影響を与え、加速度計の主要部に関係する全ガラス横断面領域は、基
本的な共鳴周波数を構成するときに考慮しなければならないことを心に留めてお
かなければならない。我々は、系における共鳴を１kHz以上に保持している間は
、適切な基準要因に達成するということを発見した。この発見は、本発明におい
て多くの地震変換器の応用における必要性を満足させることができる。図１３、
１４に示す、典型的な装置の振幅および相応答機能の両方の例にあるように、高
い感度に達成している間は、高共鳴周波数であることを証明している。加速度計
２２の一具体例においては、重力のために、実際には加速度計２２は位置によっ
て影響されていない。より詳しくは後述する。

【００３２】 実際、一般的に、図３に示すように、１つのストランド（strand）内で、長さ
ｌの長いファイバーを使用することは実用的ではない。本発明では、ファイバー
６６の多重巻線８０，８２を使用するので、図３および図４に示すように、長く
効率的なファイバー長が得られる。ファイバー光学加速度計２２の巻き線８０，
８２は、それぞれ、固定心棒８６，８８とフリーな状態であり、ファイバーを自
身の主要部で歪ませるために使用される第２の稼動心棒（active mandrel）９０
，９２との周りを、Ｎ回転したファイバー６６を有している。固定心棒は、９８
で表されるハウジングに接地されており、稼動心棒は、普通は矢印７０で表され
る軸方向の動きが制限されている。ハウジング９８が、軸方向７０中の動きに支
配されると、その動きに関連する加速度が、変換器、あるいはセンサーコイル９
４,９６によって、図３の主要部／ばね系と同様の方法で検出される。センサー
コイル９４あるいは９６は、軸方向における加速度を測定するために使用される
が、ファイバー光学加速度計２２の一組のセンサーコイル（例えば干渉計におけ
る）のプッシュプル方式、あるいは微分配列は、構造的な対象を提供し、全調和
歪み（total harmonic distortion）および交差軸感度を低減する。１つのセン
サーコイルを、ほぼ同じばね率を有する多の物質と置き換えると、構造的な対象
となる。基本的に、稼動心棒９０，９２は、少なくとも１組のばねの間、あるい
は弾性支持部材の間に吊り下げられており、少なくともどちらか一部は、好まし
くは光学ファイバー６６から成る歪み検出要素（strain sensing element）であ
る。

【００３３】 他の具体例においては、１組のセンサーコイル９４,９６の１つは、軸方向７
０において構造的対象を作り出すようなダミー配列として使われる、あるいは、
センサーコイルが不能になったときのバックアップ配列として、あるいは、プッ
シュプル方式、あるいは微分配列における第２のセンサーとして使用される。後
者は、加速度計の基準要因を効率的に２倍にする。

【００３４】 どのような既知の光学ファイバーでも、異なる直径を有していれば使用するこ
とはできる。しかしながら、加速度計の耐性および信頼性を実現するには、ファ
イバーの直径が重要となってくる。例えば、比較的大きな直径をもつ光学ファイ
バーは、最小曲がり径（minimum bend radius）を有しており、間違って寿命を
予測してしまう。大きな直径のファイバーが使用されるとすれば、この信頼性あ
る理由から、これに相当し得る大きな直径の心棒を使用しなければならない。し
かしながら、心棒の直径はもまた大きくなるので、加速度計２２の全体積も大き
くなる。

【００３５】 図６によれば、本発明に関連する加速度計２２の具体例が示されており、上述
の、光学ファイバーの巻き線から成り立つ３つの弾性支持部材１５０,１５２,１
５４を含んでいる。しかしながら、他の弾性支持部材は、本発明から外れること
なく用いられる。結合した弾性支持部材１５０,１５２は、弾性支持部材１５４
と同じ長さから成り立っており、ハウジング１５８内で、主要部１５６を吊り下
げるプッシュプル方式配列となっている。支持１５４のおおい（wraps）は、ハ
ウジング１５８、および主要部１５６の心棒の先端１６２に強固にとりつけられ
た固定された心棒の周りに、連続した形でつながれている。支持部材１５０は、
支持部材１５２と共に、第１のセンサーコイルを含み、支持部材１５４は、第２
のセンサーコイルを含み、これらは共に、図３および図４で示したセンサーコイ
ル９４,９６と同様である。支持部材１５０,１５２は、支持部材１５４のばねの
動きに対する耐性主要部（proof mass）１５６をバイアス（bias）するばねとし
て働き、ハウジング１５８内の主要部を吊り下げる。固定心棒１６０,１６２は
、ハウジング１５８内に位置し、弾性支持部材１５０,１５２,１５４それぞれの
予め決められた初期バイアスを引き起こす。支持部材１５０,１５２,１５４は、
矢印１６８で示す方向に、軸となって並んでおり、それぞれが、ハウジング１５
８および主要部１５６である。固定心棒１６０,１６４、および心棒の端１６２,
１６６には溝１７０があり、その溝によって組立部材を容易にし、支持部材の軸
位置を保持する。加速度計２２は、軸方向１６８の加速度を正確に検出する。よ
り詳しくは後述する。

【００３６】 主要部１５６は、心棒の端１６２,１６６の間の中心部分１７１から成り立つ
。しかしながら、本発明の具体例においては、単一の筒状固定されていない心棒
は、全心棒を含み、その周りには両干渉計が巻かれている。加速度計２２の主要
部１５６は、図６および図７に詳しく示されているように、さらに整列組立部材
１７２，１７４を含んでおり、軸方向１６８に垂直な主要部１５６の動きを制限
する。整列組立部材１７２，１７４は、心棒先端１６２,１６４のそれぞれの孔
１８０,１８２を滑るように通り抜け、例えば、つなげられたナット（threaded
nuts）１８８,１９０によって、仕切り板１８４，１８６に取り付けられている
整列ロッド（alignment rod）１７６，１７８より成る。仕切り板１８４，１８
６は、例えば、ねじ（図示せず）によって、ハウジングの先端にとりつけられた
端板１９６,１９８によって、ハウジング１５８の孔１９２，１９４内に捕らえ
られる。端板１９６,１９８上の隆起２００は、へり２０２と共に、孔１９２，
１９４内で仕切り板１８４，１８６を捕らえ、それらの外側の端は、孔の内であ
り、軸方向１６８に仕切り板は湾曲する。仕切り板１８４，１８６は、薄く柔軟
性のある材質、例えば金属から成り立ち、高い柔軟性のある部材を軸方向１６８
に与えるが、仕切り板（軸方向と垂直）の平面内では、かなり強固である。これ
により、軸方向１６８には、主要部１５６の動きは妨げられない一方で、実質的
には、非軸方向の、主要部の組立部材の動きを取り除いている。非軸方向の主要
部１５６の動きを制限することで、加速度計２２の整列組立部材１７２，１７４
は、交差軸応答（cross-axis response）をかなり減らす。整列組立部材の、他
の具体例では、孔１８０,１８２は、整整列ロッド１７６，１７８と共に、仕切
り板１８４，１８６の必要性を妨げるような耐性配列（tolerance arrangement
）である。この特別な具体例では、整列ロッド１７６，１７８は、孔１８０,１
８２の壁の干渉によって、非軸方向の主要部１５６の動きを制限する。

【００３７】 操作において、加速度計２２は、例えば、石油生産チューブ１０（図２）のよ
うな構造となっており、ハウジング１５８を、ボルトで締める、溶接する、ある
いは他の既知の方法によって強固に取り付けることで構成される。構造の加速度
は、動く方向、あるいは相対的な速度によって変化するので、主要部１５６は、
ハウジング１５８内で、軸方向１６８に、軸方向内の構造の加速度に関連した度
合いで移動する。弾性支持部材１５０,１５２,１５４は、延長あるいは緩和する
ことで応答し、その動きは光学ファイバーを長くあるいは短くし、加速度に対応
する信号を発生する。例えば、構造あるいはハウジング１５８が、矢印２１０で
示す方向に加速されると、主要部１５６は矢印２１１で示される反対方向内のハ
ウジング内に位置する。この特別な場合には、支持部材１５４の歪みは増加し（
ファイバーの長さも増加する）そして支持部材１５０,１５２の歪みは減少する
（ファイバー長さも減少する）。同様に、構造あるいはハウジング１５８が、矢
印２１１で示される方向に加速されれば、主要部１５６は矢印２１０で示される
反対方向内のハウジング内に位置する。この特別な場合、支持部材１５０,１５
２の歪みは増加し（ファイバー長さも増加する）そして、支持部材１５４の歪み
は減少する（ファイバー長さも減少する）。ファイバーの長さの変化によって引
き起こされた、処理装置３５（図１）によって解釈された光の相角度変化は、上
述したように、既知の加速レベルに相当する。支持部材は、独立したコイル系で
あり、支持部材の出力は、微分あるいは干渉計のセンサー脚（sensor leg）中の
単一のコイルとして、独立モードでというように、既知の方法に従って操作され
る。他の支持部材の、長さの変化に相当する決定は、本発明に含まれており、よ
り詳しくは後述する。他の具体例では、支持部材１５４によって、あるいは支持
部材１５０,１５２によって成る１つの干渉計だけが、加速度計２２の加速に対
する応答信号を出力するのに使用される。

【００３８】 図８、９は、上述したように、光学ファイバーの巻き線から成る弾性支持部材
１５０,１５２,１５４,１５５の２対を含む、本発明に関連する加速度計２２の
他の具体例を示しているが、他の弾性部材は、本発明から外れることなく用いら
れる。弾性支持部材１５０,１５２は、弾性支持部材１５４,１５５とのファイバ
ーと同じ長さであり、ハウジング１５８内の主要部１５６を吊り下げるためにプ
ッシュプル方式配列となる。支持１５４,１５５のおおいは、ハウジング１５８
および主要部１５６の心棒先端１６２に、強固に取り付けられた固定心棒１６０
のまわりに、連続した形で巻かれている。同じように、支持部材１５０,１５２
のおおいも、ハウジング１５８および主要部１５６の心棒先端１６６に、強固に
取り付けられた固定心棒１６４のまわりに、連続した形で巻かれている。支持部
材１５０,１５２,１５４,１５５のそれぞれは、干渉計においてセンサーコイル
として使用されるようになっており、これら全ては図３および図４に示すセンサ
ーコイル９４,９６と同じである。支持部材１５０,１５２は、支持部材１５４,
１５５のばねの動きに対して、バイアス主要部１５６のバネとして働き、ハウジ
ング１５８内の主要部を吊り下げる。固定心棒１６０,１６２は、最初は、ハウ
ジング１５８内に位置し、弾性支持部材１５０,１５２,１５４,１５５のそれぞ
れにおける、予め決定された初期バイアスを生じさせる。支持部材１５０,１５
２,１５４,１５５は、それぞれが、ハウジング１５８および主要部１５６と一体
になって、矢印１６８で示す軸方向に並んでいる。固定心棒１６０,１６４、お
よび心棒の端１６２,１６６には、溝１７０があり、組立部材を容易にし、支持
部材の軸位置を保持している。加速度計２２は、正確に軸方向１６８の加速度を
検出し、より詳しくは後述する。

【００３９】 図８に示す加速度計２２は、チューブ９１に適合する十分な小ささとなってお
り、装置を環境から塞ぎ、保護するために先端キャップ９３を持っている。チュ
ーブ９１は、一具体例では、インコーネル（Inconel）物質からなり、外径は直
径でおよそ１インチであり、長さはおよそ３．５インチである。少なくとも１つ
の端キャップ９３は、さらに、ハウジングからの伝達ケーブル２８（図１）を掘
る（routing）ために塞ぐことを特徴として知られる出口孔９７を含んでいる。
心棒の直径１００はおよそ１１〜１３ｍｍであり、固定心棒１６０,１６４間、
固定されていない心棒１６２,１６６間の距離は、それぞれ０．０ｇ状態で、約
４４ｍｍである。主要部１５６は金属物質からなり、およそ６０グラムである。
支持部材１５０,１５２,１５４,１５５は、全長が約１０ｍ〜約２０ｍ、おおい
の数が約３９〜約１０５に変化する８０ミクロンの光学ファイバーからなる。ハ
ウジング１５８、主要部１５６、および心棒は、すべて金属物質から成り立つ。
支持部材が光学ファイバーから成る支持部材の具体例では、金属の形状をガラス
ファイバーと共に使用することで、温度が上昇しても、極めて安定であり信頼性
のある加速度計２２となる。

【００４０】 図９に示すように、主要部（mass）１５６は円筒形状の心棒（mandrel）の端
部１６２・１６６に含まれているが、本発明の実施の形態は、単一の円筒状の固
定されていない心棒が全ての主要部を有しており、その周りに双方のセンサーコ
イルが巻きつけられている構成をも含んでいる。加速度計２２の主要部１５６は
、さらに、軸方向１６８に垂直な主要部１５６の運動を制限するための整列組立
部材（alignment assemblies）１７２・１７４をも含んでいる。整列組立部材１
７２・１７４は、それぞれ整列ロッド（alignment rod）１７６・１７８を含み
、仕切板（diaphragm）１８４・１８６に対して、例えば溶接または接着によっ
て付着されている。仕切板１８４・１８６は、軸方向１６８における仕切板の湾
曲部材（flexure）を考慮して、ハウジング（housing）１５８の（図示しない）
孔（bores）１９２・１９４の中に捕らえられている。仕切板１８４・１８６は
、例えば金属のような薄くて湾曲性の物質よりなり、よって、軸方向１６８には
非常に湾曲性の高い部材となり、逆に（軸方向に垂直な）仕切板の平面において
はかなり剛性の高い部材となる。これによって、主要部１５６は軸方向１６８に
おいて比較的妨げられずに運動できる一方で、軸方向以外において主要部の集ま
りの運動は実質的に排除されることとなる。軸方向以外への主要部１５６の運動
を制限することによって、加速器計２２の整列組立部材１７２・１７４における
、異なる軸間の応答を、大幅に減少できる。

【００４１】 動作中には、加速度計２２は、ハウジング１５８の固定した取り付け位置で、
例えばボルト締め、溶接またはその他の既知の方法によって、油井のケーシング
、またはオイル生成チューブ１０（図２参照）のような構造物に対して、埋め込
まれる。移動の方向の変化または相対的な速度の変化により、上記の構造物は加
速度を受けるので、主要部１５６は、ハウジング１５８において、軸方向におけ
る構造物の加速度に応じた大きさで軸方向１６８へシフトする。弾性支持部材１
５０・１５２・１５４・１５５は、伸張または緩和することによって応答し、こ
れによって、光ファイバ（optical fibers）を伸長または短縮させて、加速度に
応じた信号を生成する。例えば、上記の構造物、すなわちハウジング１５８が、
矢印２１０によって示される方向に加速されたときは、これによって主要部１５
６は矢印２１１で示されるような反対の方向へとハウジング内部において移動す
る。この場合においては、支持部材１５４・１５６における張力は増加（してそ
れゆえファイバー長は増加）し、支持部材１５０・１５２における張力は減少（
してそれゆえファイバー長は減少）する。同様に、上記の構造物、すなわちハウ
ジング１５８が矢印２１１によって示される方向に加速されたときは、これによ
って主要部１５６は矢印２１０で示されるような反対の方向へとハウジング内部
において移動する。この場合においては、支持部材１５０・１５２における張力
は増加（してそれゆえファイバー長は増加）し、支持部材１５４・１５５におけ
る張力は減少（してそれゆえファイバー長は減少）する。

【００４２】 図１０に示すように、本発明のもう１つ別の実施の形態において、固定された
心棒１６０・１６４は、ともに、内部の孔１６１・１６３を有するトーラス（to
rus）の形状となっており、主要部１５６は、孔１６５を有する伸張されたトー
ラスの形状となっている。固定された心棒は、上述した既知の方法と同様に、１
５８にて示されるハウジングに取り付けられている。本発明によれば、上述した
ように、弾性支持部材１５０・１５１・１５２・１５３の４つの組（pair）は固
定された心棒１６０へと主要部１５６を偏らせ（bias）、弾性支持部材１５４・
１５５・１５７・１５９の４つの組は固定された心棒１６４へと主要部１５６を
偏らせるようになっている。図１０の実施の形態には支持部材の４つの組が示さ
れているが、本発明はより多くの組を含んでいる。また、トーラスとして示され
ているが、上記の主要部および固定された心棒は、上記の心棒および主要部に対
する支持部材の移動を３６０度方向にわたって可能とするような形状であっても
よい。弾性支持部材１５０・１５１・１５２・１５３は、弾性支持部材１５４・
１５５・１５７・１５９と同じ長さのファイバーからなり、プッシュプル（push
-pull）配置によって協同して、ハウジング１５８において主要部１５６を停止
させるようになっている。支持部材１５４・１５５・１５７・１５９のおおいは
、孔１６１を介してハウジング１５８にしっかりと固定された心棒１６０に巻き
つけられるとともに、主要部１５６周辺の孔１６５の周りに巻きつけられ、さら
に心棒の端部１６２に巻きつけられている。同様に、支持部材１５４・１５５・
１５７・１５９のおおいは、孔１６３を介してハウジング１５８にしっかりと固
定された心棒１６４に巻きつけられるとともに、主要部１５６の孔１６５および
心棒の端部１６６を介して連続的に巻きつけられている。支持部材のそれぞれは
、図３および図４に示すようなセンサーコイル９４・９６と同様のものではある
が、干渉計に用いられるようなコイルを含んでいてもよい。支持部材１５０・１
５１・１５２・１５３は、支持部材１５４・１５５・１５７・１５９のバネ動作
に対して主要部１５６を偏らせるためにバネとして働き、ハウジング１５８の内
部において主要部を停止させるために協同するようになっている。固定された心
棒１６０・１６２は、弾性支持部材のそれぞれにおいて所定の初期偏りを生成す
るために、初めにハウジング１５８の内部に配置される。支持部材１５０〜１５
９は、矢印１６８およびハウジング１５８と主要部１５６とによって互いになさ
れる方向の、軸に沿って整列され、好ましくは半径方向に均等に配置される。

【００４３】 図１１に示すように、湾曲部材１８４〜１８７を有する、軸方向の整列組立部
材１７２・１７４の他の一実施形態は、軸方向１６８への湾曲部材の湾曲を可能
とするように、装置周辺部（outboard）の端部の近傍において、主要部１５６お
よびハウジング１５８に例えば溶接または接着によって取り付けられている。湾
曲部材１８４〜１８７は、例えば金属のような薄く湾曲可能な物質からなり、こ
れにより軸方向１６８に沿って非常に湾曲しやすい部材であるとともに（軸方向
と垂直な）湾曲部材の平面においてはかなり剛性の高い部材となる。これにより
、主要部１５６は軸方向１６８において比較的妨げられずに運動できる一方で、
軸方向以外への主要部の集まりの運動は実質的に排除される。軸方向以外への主
要部１５６の運動を制限することによって、加速度計２２の整列組立部材１７２
・１７４における、異なる軸間の応答を、大幅に減少できる。

【００４４】 本発明に係る加速度計２２の性能は、較正試験振動器（shaker）による励起力
に対する、図８の加速度計の相対的な応答を示す、図１２によって最もよく表さ
れている。試験振動器の構成は工業の分野において知られているものであり、既
知の基準となる加速度計とともに標準的な入出力成分を含んでいる。その加速度
計２２は、約５Ｈｚから約５００Ｈｚまでのバンド幅において動作するように設
計されている。本発明に係る加速度計２２は、２５Ｈｚの周波数で軸方向１６８
への約１２６μｇの試験信号によって検査された。線１０１は、軸方向が矢印３
４（図１参照）によって示されるｚ軸と平行になるときの加速度計２２の性能を
示すものであり、点１０４によって示す試験信号周波数２５Ｈｚにおいて非常に
感度のよい６５ｄＢの信号対雑音比（signal to noise ratio）の応答を示すと
ともに、その点の周辺（両側）においては不要な（spurious）応答はほとんど示
さないようになっている。同様に、線１０３は、軸方向および試験のための外力
の方向が矢印３０（図１参照）によって示されるｘ軸と平行になるときの加速度
計２２の性能を示すものであり、２５Ｈｚの試験信号において同様となった。線
１０３は、試験信号周波数２５Ｈｚにおいてほぼ正確なレベルの応答を示してい
る。それに加えて、加速度計の方向は、試験信号の上述の点の周辺（両側）にお
いて不要な信号が比較的少ないことに対して、悪い影響を与えることはない。さ
らに図に示すように、雑音が比較的少なくて、このようなピークのうち最も大き
いピークであっても、６０Ｈｚにおける２８ｄＢのものよりも小さくなっている
。６０Ｈｚにおける信号は、較正システムの基礎ループ（ground loops）による
ものであり、加速度計の誤差信号ではない。このような信号は、それらの原因を
特定すれば、大部分は分離して除去できる。重力に対する加速度計の方向がその
性能にほとんど影響を与えないということは、本発明の重要な特徴である。それ
ゆえ、３つの直交した方向３０・３２・３４（図２参照）にわたる加速度計２２
のアレイ（array）は、地震検出波のベクトル方向の計測に用いられることがで
きる。

【００４５】 図１３および図１４には、加速度計のバンド幅を示す。図１２に基づいて既に
説明したように、約５００Ｈｚまでの周波数領域にわたって、加速度計を試験し
て、基準となる加速度計（図１３参照）に対して位相応答を検査し、また、基準
となる加速度計に対して振幅応答を検査する。図１３の線１０５として示す位相
応答は比較的平坦であり、加速度計２２が装置の共鳴周波数から離れていても良
好に動作することを示している。さらに線１０５は、所望の動作バンド幅におい
て誤差を生じてしまうような不要な信号を、加速度計は有していないことを示し
ている。同様に、図１４の線１０７として示す相対的な振幅応答は比較的平坦で
、不要な信号を含んでいない。このことは、加速度計２２が装置の共鳴周波数か
ら離れていても良好に動作し、周波数領域５Ｈｚないし５００Ｈｚにおいて予測
可能に振舞うことを示している。

【００４６】 弾性支持部材に光ファイバ（光学繊維束：fiber optics）を用いた本発明に係
る一実施の形態においては、それら光ファイバは個々に接続され、または波長分
割多重化（wavelength division multiplexing：ＷＤＭ）、時分割多重化（time
division multiplexing：ＴＤＭ）、もしくはその他の（以下に詳述する）光学
多重化技術（optical multiplexing techniques）によって、１つまたはそれ以
上の光ファイバを介して多重化される。

【００４７】 図１５に示すように、おおい３０２を有する支持部材は、おおい３０２の対向
する両端に、回折格子（grating）３１０・３１２の組を含んでいてもよい。回
折格子３１０・３１２を有する、おおい３０２は、例えば干渉法（interferomet
ric）、ファブリーペロー法（Fabry Perot）、飛行時間の方法（time-of-flight
）、またはその他の配置によって、ファイバーの長さＬまたはファイバーの長さ
の変化ΔＬを正確に計測するように、種々の既知の方法を用いて構成できる。フ
ァブリーペロー技術の一例は、グレン（Glenn）による合衆国特許公報第4,950,8
83号の“特定の波長に反応する回折格子を有する光ファイバ検出器の構成（Fibe
r Optic Sensor Arrangement Having Reflective Gratings Responsive to Part
icular Wavelengths）”に記載されている。また、飛行時間の方法（または時分
割多重（ＴＤＭ））の一例においては、ある波長をもつ光学パルスをファイバー
６６に入射すると、一続きの光学パルスがファイバー６６を介して反射されてく
るようになっている。各おおいの長さを、各反射パルスとそれに関連する主要部
１５６（図８参照）の加速度とに応じた遅延時間を用いて、どの点においても適
宜決定できる。

【００４８】 別の方法として、回折格子間のファイバーの一部または全体（または回折格子
を含んでいてもよいし、全てのファイバーを含んでいてもよい）は、以下の文献
に記載のように、調整可能なファイバレーザを作製するために、（エルビウム（
erbium）のような）希土類元素のドーパントがドープされていてもよい：これら
は、ボールら（Ball et al）による合衆国特許公報第5,317,576号の“連続的に
調整可能なシングルモードの希土類元素をドープしたレーザの構成（Continuous
ly Tunable Single Mode Rare-Earth Doped Laser Arrangement）”、ボールら
による合衆国特許公報第5,513,913号の“活性マルチポイントファイバレーザ検
出器（Active Multipoint Fiber Laser Sensor）”、またはボールらによる合衆
国特許公報第5,564,832号の“複屈折活性ファイバレーザ検出器（Birefringent
Active Fiber Laser Sensor）”などに記載されており、引用によってここに含
められている（incorporated herein by reference）。

【００４９】 図１９に示すように、本発明に係る加速度計２２に用いることのできる、別の
型の調整可能なファイバレーザである、調整可能な分散フィードバック（distri
buted feedback：ＤＦＢ）ファイバレーザとしては、以下の文献に示すものであ
ってもよい：これらは、ローリドセンら（V.C. Lauridsen et al）による“ＤＦ
Ｂファイバレーザの設計（Design of ＤＦＢ Fibre Lasers）”,エレクトロニッ
クレターズ（Electronic Letters）,１９９８年１０月１５日,３４巻,２１号,２
０２８ページないし２０３０ページ；ファーミングら（P. Varming et al）によ
る“ＵＶ後処理に誘起される永久的なπ／２の位相のずれを伴うエルビウムをド
ープしたファイバーＤＧＢレーザ（Erbium Doped Fiber ＤＧＢ Laser With Per
manent π／2 Phase Shift Induced by ＵＶ Post-Processing）”,IOOC'95,Tec
h. Digest,５巻,PD1-3,１９９５年；クリングルボトン（Kringlebotn et al）ら
による合衆国特許公報第5,771,251号の“光ファイバ分散フィードバックレーザ
（Optical Fibre Distributed Feedback Laser）”；ダマトら（D'Amato et al
）による合衆国特許公報第5,511,083号の“偏光ファイバレーザ源(Polarized Fi
ber Laser Source)”などである。この場合には、回折格子３１６は希土類元素
がドープされたファイバーに書き込まれ、回折格子３１６の中央付近の所定の位
置３１８において（λをレーザの波長として）位相のずれλ／２を有するように
構成され、モードホッピング（mode hopping）のない単一縦モード（single lon
gitudinal mode）において連続的に調整可能な、明確に定義された共鳴条件を与
えるような回折格子となる。または、別の構成として、単一の回折格子でなく、
２つの回折格子３１０・３１２が、Ｎを（０を含む）整数として、長さ（Ｎ＋１
／２）λの空洞を形成するほど近接させて配置されるように、希土類元素がドー
プされたファイバーに書き込む構成であってもよい。

【００５０】 図１６に示すように、回折格子３１０・３１２をおおい３０２の外側に位置さ
せる構成の代わりに、おおい３０２に沿って配置することもできる。この場合、
回折格子の反射（reflection）波長は加速度の変化に応じて変化するようになっ
ており、このような変形例は（例えばファイバレーザのような）いくつかの構成
においては望ましく、またその他に、例えば回折格子の各組において反射波長の
ずれを所定の範囲において許容して、光学信号装置３５（図１参照）によって補
償するような構成であってもよい。

【００５１】 また別の構成として、それぞれのおおいを直列に接続する構成の代わりに、例
えば各おおいの手前の（図示しない）光学結合器（optical coupler）を用いて
それぞれを共通ファイバー６６に結合させて、並列に接続する構成であってもよ
い。

【００５２】 また別の構成として、図１７に示すように、個々のおおいが別個のファイバー
６６を有しているブラッグ（Bragg）回折格子を用いずに、（図４の８６・８８
・９０・９２および同様の）心棒をおおい３０２でおおう構成の、単なる干渉検
出器として加速度計２２を形成してもよい。この構成によれば、主要部１５６（
図８参照）の運動による心棒間のファイバー６６の長さまたは長さの変化の決定
に、以下のような既知の干渉計測技術を用いることができる：例えばマッハツェ
ンダー（Mach Zehnder）、マイケルソン（Michaelson）干渉計測技術、または例
えばキャロル（Carroll）による合衆国特許公報5,218,197号“光ファイバ干渉検
出器を用いるパイプ内部の圧力を非侵入に計測する方法およびそのための装置（
Method and Apparatus for the Non-invasive Measurement of Pressure Inside
Pipes Using a Fiber Optic Interferometer Sensor）”がある。干渉器のおお
いは、例えば以下の文献に記載のように多重化してもよい：ダンドリッジら（Da
ndridge et al）による“海軍における光ファイバ検出器（Fiber Optic Sensors
for Navy Applications）”,IEEE,１９９１年２月、またはダンドリッジらによ
る“多重化した干渉計測ファイバー検出器アレイ（Multiplexed interferometri
c Fiber Sensor Arrays)”,SPIE,１５８６号,１９９１年,１７６ページないし１
８３ページがある。ファイバーの長さの変化を決定するその他の技術を用いるこ
ともできる。また、（図示しない）基準となる光学コイルを所望の干渉計測の手
順に用いて、加速度計２２の内部または周辺に配置することもできるが、この場
合には軸方向の加速に対して無反応となるように設計されることが好ましい。

【００５３】 また、上述したおおいの形状において、所望のファイバーの全長に応じて、１
層以上のファイバーを用いることもできる。さらに、本発明においては、おおい
３０２は、心棒に対して（図示しない）螺旋形状に構成された光学ファイバー６
６からなる構成であってもよい。また、おおいの形状は、その他所望のものであ
ってもよい。また、所定のおおいにおける所望の軸方向の長さは、交流感受率（
ac sensitivity）の特性、およびその他の例えば計測するべき加速度の大きさの
ようなパラメータに応じて、設定される。

【００５４】 図１８および図１９に示すように、本発明に係る実施形態は、おおい３０２を
用いる代わりに、種々の図面を参照して上述したのと同様に、弾性部材３００の
上または内部にファイバー６６が配置される構成であってもよい。この場合には
、ファイバーは、部材における歪み（strain）を光学的に検出するような弾性支
持部材の上に配置された、短い側の区画（section）３１４を有していてもよい
。ひずみ検出素子の方向は、加速によって生じる部材の歪みに対する感受率を変
化させるようになっている。

【００５５】 図２０および図２１に示すように、別の実施形態として、支持部材３００上の
光学ひずみ検出素子３２０・３２２は、その他の種々の形態において、より長さ
が長い形状であってもよく、歪みを計測するために支持部材に沿って配置される
、例えば“ラジエーターコイル（radiator coil）”の構成３２０（図２０参照
）か、または“レース編み（race-track）”の構成３２２（図２１参照）であっ
てもよい。この形態においては、上述したように、弾性部材の歪みの変化または
加速度の変化を光学的に検出可能とするように、上述した長さを十二分に長くす
る構成が好ましい。

【００５６】 特に、図１８に示すように、弾性部材３００に配置された回折格子の組のそれ
ぞれの間における、ファイバー６６による区画３１４において少なくても沿うよ
うに、ファイバー６６に沿ってブラッグ回折格子（３１０・３１２）の組を配置
する構成であってもよい。この場合には、既知のファブリーペロー、干渉計測、
飛行時間の方法、またはファイバレーザ検出技術を用いて、上述した参照文献に
おける記述と同様に、少なくても一区画において弾性支持部材３００の長さの変
化を計測できる。

【００５７】 別の構成として、図１８に示すように、回折格子３１０・３１２をそれぞれ別
個に支持部材３００に配置して、それぞれの部材における歪み（およびそれに伴
う主要部１５６の移動）を計測するために用いてもよい。部材を支持するのに１
つの回折格子のみを用いるならば、回折格子による反射波長のずれが、部材にお
ける歪みの変化量を表示することになる。

【００５８】 その他の種々の光学歪み計器のための技術または構成を用いてもよい。光学歪
み計器の技術の形式および光学信号解析の手順の形式は、本発明においては本質
的ではなく、本発明の範囲はこのような技術または手順に対する制限を意図する
ものではない。

【００５９】 上述したいずれの実施の形態においても、電気歪み計器、光学ファイバー及び
／又は特に回折格子などを含む上述したひずみ検出素子は、接着剤、粘着剤（gl
ue）、エポキシ、テープまたはその他適当な付着手段を用いて、ひずみ検出素子
と弾性部材との接触状態を良好にするように、弾性部材に付着されていてもよい
。また別の構成として、歪み計器、光ファイバまたは光検出器などは、後述の既
知の機械的手段を用いて、着脱自在にまたは永久的に付着されている構成であっ
てもよい：例えば、機械的なファスナー、バネによる負荷、クランプ（clamp）
、クラムシェル（clam shell）構成、紐による固定またはその他の等化物（equi
valent）がある。また別の構成として、光学ファイバー及び／又は回折格子を含
んでいる歪みゲージは、弾性部材に埋め込まれている構成であってもよい。また
、上述した実施の形態において、支持部材は、例えばＰＶＤＦのような歪みに高
感度な物質からなる構成であってもよい。

【００６０】 図２２と図２３とに示すように、その他の歪み計測技術として、例えば、弾性
支持部材に付着されまたは埋め込まれた、高感度の圧電材料（piezoelectric）
、電子装置または電気回路、歪みゲージのような構成を、弾性部材における歪み
の変動の検出に用いることも、本発明の範囲に含まれるものである。図２２は高
感度の圧電歪み計器による他の既知の構成を示すものであり、この歪み計器は箔
（foil）を用いた計器３４０を含んでいる。図２３には、本発明に係る一実施形
態として、歪み計器３３０を備えたひずみ検出素子を示す。この実施形態におい
て、歪み計器３４０は、弾性部材３００の所定の部位に配置される。

【００６１】 上述した実施の形態のいずれも、既知の方法によってハウジング１５８と主要
部１５６とに単純に付着された、分離した帯状の物体としての弾性支持部材から
なる構成であってもよい、ということが理解されるべきである。また、実施の形
態の記載としては主要部１５６が運動する場合について説明したが、ハウジング
１５８が移動して主要部が動かない構成であって、２つの特徴物の相対運動が支
持部材の長さの変化として検出されるものについても、本発明の範囲に含まれる
ということも理解されるべきである。

【００６２】 特に明記していない場合には、上記した特定の実施の形態における特徴、特性
、他の構成または変形例のいずれについても、上述した他の実施の形態に対して
適用でき、または組み合わせることができるものとする。また、上述の図面は、
寸法通りに図示したものではない。

【００６３】 例示としての本発明に係る実施の形態を参照して、本発明について記載し、説
明したが、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、前述した各手段及び種
々の他の手段の付加および除去を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明に係る高感度加速度計を具体化した加速度モニタリングシステ
ムの概略図である。

【図２】 図２は、垂直地震性振動プロファイリング用に配置される本発明の加速度計の
配列を有する地面のボアホールの横断面図である。

【図３】 図３は、従来の弾性主要部加速度計モデルの模式図である。

【図４】 図４は、本発明に係る加速度計の概略を示す側面図である。

【図５】 図５は、本発明に係る加速度計の概略を示す側面図である。

【図６】 図６は、本発明に係る加速度計の一実施例を示す透視図である。

【図７】 図７は、図６に示す加速度計の軸方向に配置される各組立部品の分解組立図で
ある。

【図８】 図８は、本発明に係る加速度計の一実施例を示す透視図である。

【図９】 図９は、図８に示す加速度計の主要部と軸方向の整列組立部材との透視図であ
る。

【図１０】 図１０は、トロイド状の形状によって構成される本発明に係る加速度計の一実
施例を示す透視図である。

【図１１】 図１１は、もう１つの軸方向の整列組立部材を有する場合の、図６に示す加速
度計の一実施例を示す透視図である。

【図１２】 図１２は、本発明の一実施例におけるテスト信号に対する反応を示すグラフ表
示である。

【図１３】 図１３は、図１２に示す実施例における位相反応のグラフ表示である。

【図１４】 図１４は、図１３に示す実施例における振幅反応のグラフ表示である。

【図１５】 図１５は、本発明において、周囲に１組のブラッグ回折格子を有する光ファイ
バー巻き付けを構成する弾性力を有する支持部材を示す側面図である。

【図１６】 図１６は、本発明において、巻き付けの内部に１組のブラッグ回折格子を有す
る光ファイバー巻き付けを示す側面図である。

【図１７】 図１７は、本発明における光ファイバー巻き付け干渉計を示す側面図である。

【図１８】 図１８は、本発明において、１組のブラッグ回折格子を含む光ファイバーを備
えた弾性力を有する支持部材の一部分を示す平面図である。

【図１９】 図１９は、本発明において、１組のブラッグ回折格子を含む光ファイバーを備
えた弾性力を有する支持部材のもう１つの形態の一部分を示す平面図である。

【図２０】 図２０は、光ファイバーがラジエーターコイルの形状をとることで、他の形態
を備える弾性力を有する支持部材の一部分を示す平面図である。

【図２１】 図２１は、光ファイバーがトラックの形状をとることで、他の形態を備える弾
性力を有する支持部材の一部分を示す平面図である。

【図２２】 図２２は、本発明に係るひずみゲージの３つの取り得る形態を示す平面図であ
る。

【図２３】 図２３は、ひずみゲージを示す弾性力を有する支持部材の一部分を示す平面図
である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年１２月１７日（２００１．１２．１７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ダンフィー，ジェームズ，アール． アメリカ合衆国，コネチカット州 06073， サウス グラストンベリー，ヒッコリー ドライブ 21 (72)発明者 ウー，ダニエル アメリカ合衆国，テキサス州 77459，ミ ズーリ シティ，レイクサイド ヴィリッ ジ 2627

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の方向の加速度を検出する高感度線形加速度計であって、 上記加速度計は、 剛体のハウジングと、 主要部と、 上記ハウジングの反対端に取り付けられ、さらに、上記主要部に取り付けられ
   ている、上記所定の方向における軸方向に一列に並べられた少なくとも２つの弾
   性支持部材とを含み、 上記弾性支持部材は、上記ハウジング内に上記主要部を吊るしており、 上記弾性支持部材の１つの少なくとも一部が、上記所定の方向に沿った加速度
   に応じて、上記ハウジング内の上記主要部の変位を測定することができる変換器
   を構成している加速度計。
2. 【請求項２】 さらに、上記ハウジングの反対端に堅く取り付けられている１組の固定された
   心棒を備えており、 上記主要部は、少なくとも１つの固定されていない心棒を含み、上記弾性支持
   部材はおおいを含み、上記弾性支持部材は、１つの、上記固定されている心棒と
   上記固定されていない心棒とについて配置されている請求項１記載の加速度計。
3. 【請求項３】 上記主要部は、上記１組の固定されていない心棒を含み、上記弾性支持部材の
   それぞれは、固定されている心棒と上記固定されていない心棒との１つについて
   配置されている請求項２記載の加速度計。
4. 【請求項４】 上記心棒および上記主要部は、トロイド状の形状に構成されている請求項２記
   載の加速度計。
5. 【請求項５】 上記弾性支持部材の少なくとも１つは、光ファイバーコイルを構成している請
   求項１の加速度計。
6. 【請求項６】 上記動作は、上記および上記長さの変化の干渉計測のために、上記動作に相当
   する長さの変化をファイバー内で引き起こす請求項５記載の加速度計。
7. 【請求項７】 さらに、上記主要部が所定の方向に対して垂直な方向への動きを制限するよう
   に、上記主要部に取り付けられた、軸方向の整列組立部材を備えている請求項１
   記載の加速度計。
8. 【請求項８】 上記軸方向の整列組立部材は、上記主要部と上記ハウジングとが所定の方向の
   軸方向へ動くように取り付けられており、かつ、上記主要部の非軸方向への動き
   を制限する湾曲部材を含む請求項７記載の加速度計。
9. 【請求項９】 上記湾曲部材が、仕切板を構成している請求項７記載の加速度計。
10. 【請求項１０】 さらに、整列ロッドを備えた整列組立部材と、 上記ロッドの端部に配置されている仕切板と、 上記ハウジングのそれぞれの端に位置する孔とを備えており、 上記仕切板は、上記仕切板の外周が上記孔の中に取り込まれている請求項９記
    載の加速度計。
11. 【請求項１１】 さらに、上記１組の軸方向の整列組立部材と、 上記ハウジングのそれぞれの端に位置する孔とを含み、 上記軸方向の整列組立部材は、さらに、上記仕切板が上記ロッドの端部に配置
    されている整列ロッドを備え、 上記仕切板は、上記仕切板の外周が上記孔の中に取り込まれている請求項９記
    載の加速度計。
12. 【請求項１２】 上記湾曲部材は、柔軟な薄いプレートを含み、少なくとも１組の上記湾曲部材
    は、第１の端で上記主要部に取り付けられており、かつ、第２の端で上記ハウジ
    ングに取り付けられている請求項８記載の加速度計。
13. 【請求項１３】 上記変換器は、ひずみ検出素子を含む請求項１記載の加速度計。
14. 【請求項１４】 上記ひずみ検出素子は、光ファイバーセンサー、圧電性電気装置、ＰＶＤＦ素
    材または抵抗性ひずみゲージを含む請求項１３記載の加速度計。
15. 【請求項１５】 さらに、エンドキャップを有する外側のハウジングを含み、上記加速度計は、
    上記外側のハウジング内に配置されている請求項１記載の加速度計。
16. 【請求項１６】 所定の方向の加速度を検出する高感度線形加速度計であって、 上記加速度計は、 剛体のハウジングと、 細長いボディーと第１および第２の、丸みのある端部とを有する主要部と、 それぞれが、所定の距離だけ離して上記ハウジングに堅く取り付けられた、第
    １の固定された心棒および第２の固定されていない心棒と、 上記所定の方向に一列に配置され、かつ、上記第１の固定された心棒と連続し
    た形状になっている上記第１の丸みのある端部との周囲が覆われている、１組の
    第１の弾性支持部材と、 上記所定の方向に一列に配置され、かつ、上記第２の固定された心棒と連続し
    た形状になっている上記第２の丸みのある端部との周囲が覆われている、１組の
    第２の弾性支持部材と、 上記主要部の所定の方向に対して垂直な方向への動きを制限するように、上記
    主要部に取り付けられている１組の軸方向の整列組立部材とを備え、 上記弾性支持部材の１つの少なくとも一部は、上記所定の方向に沿った加速度
    に応じて、上記ハウジング内の上記主要部の変位を測定することができる変換器
    を備えている加速度計。
17. 【請求項１７】 上記第１および第２の固定された心棒と上記主要部とは、トロイド状の形状に
    構成されている請求項１５記載の加速度計。
18. 【請求項１８】 互いに直交するｘ−方向、ｙ−方向およびｚ−方向を有する地面の垂直な地震
    性の振動のプロファイリングのための装置であって、 上記装置は、 光ファイバー伝達ケーブルと、 光ファイバー伝達ケーブルによる光通信を行い、互いに直交する３方向のそれ
    ぞれに位置付けられ、地面に連結されている多数の線形加速度計とを備えており
    、 上記線形加速度計のそれぞれは、上記所定の一方向における加速度を検出する
    ための高感度加速度計を備えており、 上記加速度計は、 剛体のハウジングと、 主要部と、 所定方向の軸方向に並べられた光ファイバーを有する少なくとも２つの弾性力
    を有する支持部材を含み、かつ、上記ハウジングの反対端に取り付けられており
    、さらに上記主要部に取り付けられている少なくとも２つの弾性支持部材とを有
    しており、 上記弾性支持部材は、上記ハウジング内で主要部を吊るしており、 上記弾性部材の１つの少なくとも一部が、上記所定の方向に沿った加速度に応
    じて、上記ハウジング内の上記主要部の変位を測定することができる変換器を構
    成し、かつ、それぞれの加速度計の位置における静的および動的の力を示す各検
    出光信号を供給する装置。
19. 【請求項１９】 さらに、上記各検出光信号に基づく地震性の振動のプロファイリング情報を供
    給する光伝達ケーブルに接続された光信号処理器を含む請求項１８記載の装置。
20. 【請求項２０】 さらに、複数の所定位置の地面に連結された多数の上記線形加速度計を備えて
    いる請求項１８記載の装置。
21. 【請求項２１】 複数の加速度計は、油井のケーシング、ボアホール、または、オイル生成チュ
    ーブを経由して地面に対して連結されている請求項１８記載の装置。