JP2005030796A

JP2005030796A - 光式加速度計

Info

Publication number: JP2005030796A
Application number: JP2003193488A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Hishida; 康之菱田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】簡易な構造の加速度センサを実現し、複数のセンサを一台の計測器に接続できる加速度検知用センサを提供する。
【解決手段】一端が加速度を測定する測定対象物に固定され、他端が自由端とされた弾性体からなる検知体２と、その検知体２の自由端に固定された錘３と、上記検知体２に設けられ、加速度に応じて屈曲する検知体２の歪から加速度を検出するためのセンサＦＢＧ１とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバセンサに係り、特に、光式加速度計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術の加速度計として、加速度によって振動する振動体が光路を遮断することにより加速度を検出するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１３００８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術においては、測定のためには発光部と受光部の光軸を精度良く一致させる必要があり、技術を要するという問題点があった。
【０００５】
また、透過光を検知する各光ファイバセンサ毎に計測器が必要になるため、複数の光ファイバセンサを一台の測定器に接続し計測することはできないという問題点もあった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、ファイバブラッググレーティング（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）を設けた光ファイバセンサを用いることにより、簡易な構造の加速度センサを実現し、複数のセンサを一台の計測器に接続できる光式加速度計を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、一端が加速度を測定する測定対象物に固定され、他端が自由端とされた弾性体からなる検知体と、その検知体の自由端に固定された錘と、上記検知体に設けられ、加速度に応じて屈曲する検知体の歪から加速度を検出するためのセンサＦＢＧとを備えたものである。
【０００８】
請求項２の発明は、上記測定対象物の加減速時に生じる上記検知体の屈曲を、上記センサＦＢＧの伸縮歪で検知するものである。
【０００９】
請求項３の発明は、熱伸縮体に固定した温度補償用のＦＢＧの出力と、該温度補償用のＦＢＧの出力と上記センサＦＢＧの出力とに基づいて、検知体の熱収縮による歪をキャンセルする温度補償手順とを備えたものである。
【００１０】
請求項４の発明は、検知体に熱膨張・収縮率の低い（０．１３×１０^−６／Ｋ＠２０℃）材質を用いたものである。
【００１１】
請求項５の発明は、上記温度補償用のＦＢＧを上記検知体と同等の材質よりなる熱伸縮体に固定したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１３】
図１は、光式加速度計１０の構造を示す構造図である。
【００１４】
光式加速度計１０は、測定対象物自体或いはその測定対象物に取り付けられ剛体で形成された固定部４と、固定部４の下面から固定端を支持されて鉛直方向に吊り下げられ他端が自由端とされた弾性体からなる検知体２と、検知体２の自由端に固定された錘３と、検知体２に設けられたファイバブラッググレーティング（以下、センサＦＢＧと言う。）１と、光源を内蔵し反射波長を計測する波長計測器１２とを備えて構成される。
【００１５】
光式加速度計１０には、測定対象物に加減速度が生じたときに、測定対象物と一体に運動する固定部４と、慣性運動している錘３との間には、加速度差が矢印１７方向に生じる。このため、錘３が固定部４とは相対的に水平方向に移動する。検知体２は、錘３の移動に伴い屈曲する。すなわち、固定部４から吊り下げられた錘３が加速度により移動し、検知体２が屈曲（変形）することによって生じるセンサＦＢＧ１の伸縮歪を検知する構造となっている。
【００１６】
図中では、矢印１７方向に加速度がかかる場合のみに限定して説明するが、矢印１７とは直交した水平方向に加速度がかかる光式加速度計１０を構成する場合も同様であり、設置の場合には矢印１７の方向と検出したい加速度との方向を合わせて光式加速度計１０を設置するとよい。
【００１７】
センサＦＢＧ１は、光ファイバ６のコアの長手方向に周期的な屈折率変化を与えることで形成されている回折格子である。センサＦＢＧ１は、光ファイバ６内を伝送する特定の波長の光だけを反射し、他の波長帯の光を透過する性質を有する。
【００１８】
検知体２は、熱膨張率・収縮率の低い材質（例えば、インバール合金材では、０．１３×１０^−６／Ｋ＠２０℃）で形成され、周囲の温度変化による影響を受けにくいようになっている。また、検知体２は外力を受けて屈曲するものであり、その形状は、板状、管状、棒状でも構わない。
【００１９】
図示したようにセンサＦＢＧ１は、鉛直方向に回折格子が配列するように検知体２の側面に密着して取り付けられており、検知体２の固定端と錘３が取り付けれられた自由端との間に位置する。センサＦＢＧ１は、検知体２の屈曲に応じてセンサＦＢＧ１も検知体２と密着している部分で屈曲による伸縮歪を生じる構造となっている。
【００２０】
センサＦＢＧ１の取り付けは、図示した検知体２の面や位置に限定されるものではなく、加速度により生じる伸縮歪が検知できればよく、センサＦＢＧ１を異なる面に複数設けることで、１つの光式加速度計１０で複数方向の加速度を検出することも可能である。
【００２１】
波長計測器１２は、光ファイバ６でセンサＦＢＧ１と接続されており、光源を内蔵し光ファイバ６を介してセンサＦＢＧ１に光源光を供給し、センサＦＢＧ１からの反射光の波長を計測する。
【００２２】
次に、光式加速度計１０の作用を説明する。
【００２３】
光式加速度計１０は、加速度がかからない時で、検知体２の曲がりも無い場合、センサＦＢＧ１には歪は生じない。光式加速度計１０が振動し、一定周期で固定部４が振動する場合には、センサＦＢＧ１には一定周期で歪が加わる。
【００２４】
一方、光式加速度計１０に加速度がかかると、加速度の大きさに応じて固定部４とは相対的に錘３が移動し、検知体２が屈曲する。検知体２が屈曲することで、検知体２に密着して貼り付けられているセンサＦＢＧ１にも伸縮歪が生じる。
【００２５】
光式加速度計１０に加速度がかかり、錘３が図中矢印１８の方向に移動した場合には、検知体２が矢印１８方向に屈曲しセンサＦＢＧ１の取り付けられた面は圧縮される。検知体２の圧縮により密着して取り付けられたセンサＦＢＧ１は共に圧縮される。
【００２６】
光式加速度計１０に加速度がかかり、錘３が図中矢印１９の方向に移動した場合には、検知体２が矢印１９方向に屈曲しセンサＦＢＧ１の取り付けられた面は伸張される。検知体２の伸張により密着して取り付けられたセンサＦＢＧ１は共に伸張される。
【００２７】
錘３の移動による検知体２の圧縮や伸張により、センサＦＢＧ１に歪が生じ、センサＦＢＧ１で反射する光の波長が変化する。この反射波長の変化は、センサＦＢＧ１の伸縮歪量に対応し、この歪量が加速度に対応することが分かっている。
【００２８】
図２は、加速度とセンサＦＢＧ波長変化との関係を示す特性図である。
【００２９】
図のグラフにおいて、横軸は光式加速度計１０にかかる加速度を示し、縦軸はセンサＦＢＧ１で反射（遮断）する光の波長変化を示し、センサＦＢＧ１が伸張した場合の特性を示す。グラフから光式加速度計１０にかかる加速度に応じて、センサＦＢＧ１で反射する波長が変化していることが分かる。
【００３０】
例えば、加速度α_ｔが光式加速度計１０にかかったときには、図中のセンサＦＢＧ波長変化はλ_ｔとなる。したがって、センサＦＢＧ１から反射する光の波長の変化量を計測することにより、光式加速度計１０にかかる加速度を算出することができる。
【００３１】
本実施の形態では、検知体２に熱膨張率の低い材質を使用することで検知体２の熱膨張による光の反射の誤差を抑えることができる。また、検知体２に熱膨張率の低い材質を使用して周囲からの熱の影響を抑える代わりに、次の実施の形態も熱による測定誤差を低減させることに有効である。
【００３２】
図３に温度補償用のＦＢＧ７を設けた光式加速度計１５の実施の形態を示す。
【００３３】
光式加速度計１５は、熱伸縮体８に固定した温度補償用のＦＢＧ７の出力と、温度補償用のＦＢＧ７の出力とセンサＦＢＧ１の出力とに基づいて、検知体２の熱収縮による歪をキャンセルする温度補償手順とを備えたものである。
【００３４】
光式加速度計１５は、図１で示した構成の他に、温度補償用のＦＢＧ７と、温度補償用のＦＢＧ７をセンサＦＢＧ１に接続するための光ファイバ６と、温度補償用のＦＢＧ７が貼り付けられた熱伸縮体８と、波長計測器１２に内蔵された図示しない温度較正部を備えて構成される。
【００３５】
温度補償用のＦＢＧ７は、センサＦＢＧ１が取り付けられた検知体２と同じ熱膨張率で熱膨張、収縮するような性質の熱伸縮体８に密着して設けるとよい。例えば、光式加速度計１５のセンサＦＢＧ１及び検知体２と同じ形状、同じ部材、同じ構造で温度補償用のＦＢＧ７及び熱伸縮体８を形成する。
【００３６】
次に、温度補償用のＦＢＧ７を設置する際には、図示したように常に検知体２と同じ温度になるようにセンサＦＢＧ１及び検知体２の近傍に設ける等の考慮をする。但し、上で述べたような加速度の影響は受けることのない構造（例えば、熱伸縮体８の一端を固定し、他端を熱膨張に支障がない程度に支持した構造）若しくは位置にＦＢＧ７を設ける。
【００３７】
例えば、固定部４に温度補償用のＦＢＧ７を貼り付けた熱伸縮体８を水平方向に設け、熱伸縮体８の一端を固定する。熱伸縮体８が熱による影響で膨張・収縮すると、密着して取り付けられたＦＢＧ７も熱伸縮体８の伸縮にしたがって共に伸縮歪を生じる。
【００３８】
光式加速度計１５では、かかった加速度による検知体２の屈曲の他、周囲温度による熱膨張に応じた検知体２の変形を生じる。このため、光式加速度計１５において検知されたセンサＦＢＧ１の光の反射波長の変化は、加速度による検知体２の屈曲と、熱膨張による変形とによるものである。
【００３９】
一方、温度補償用のＦＢＧ７は、熱膨張・収縮による熱伸縮体８の変形を生じるのみであるから、検知される温度補償用のＦＢＧ７の光の反射波長の変化は、周囲温度によって生じる熱膨張・収縮による変化そのものに対応する。
【００４０】
したがって、光式加速度計１５において検知されたセンサＦＢＧ１の光の反射波長の変化から、温度補償用のＦＢＧ７により検知された光の反射波長の変化分を除くことにより、光式加速度計１５において加速度による変化分のみを検出することが可能となる。
【００４１】
【数１】（伸縮歪によるセンサＦＢＧ波長変化）＝（温度による熱膨張を含む見かけ上のセンサＦＢＧ波長変化）−Ｆ（温度補償用ＦＢＧ波長変化）・・・・・・（１）
Ｆ（温度補償用のＦＢＧ７の波長変化）は、加速度を与えることなく温度を変化させたときの光式加速度計１５のセンサＦＢＧ１の波長変化と温度補償用のＦＢＧ７の波長変化との特性から、最小二乗法近似で予め求めておく。近似式の次数が上がるほど精度は増すが、例えば実用上問題ない範囲である６次項までを近似した式を用いるとよい。求められた特性は、波長計測器１２に内蔵された図示しない温度較正部に記憶され、計測の都度式（１）による温度補正を行う。
【００４２】
上で示した式（１）は、温度補償用のＦＢＧ７及び熱伸縮体８の形状、構造等が、センサＦＢＧ１及び検知体２の形状、構造と同じであると計算が簡単になるが、検知体２と熱伸縮体８の熱膨張率が等しい場合のみではなく、異なる熱膨張率を有する熱伸縮体８を用いた場合にも、適用できる。
【００４３】
Ｆ（温度補償用のＦＢＧ７の波長変化）を求める過程を次に説明する。
【００４４】
検知体２と熱伸縮体８との熱膨張率が異なる場合の波長変化の特性を、図４に示す。図４（ａ）は熱伸縮体８の温度と温度補償用ＦＢＧの波長変化との特性を示す特性図であり、図４（ｂ）は、検知体２の温度とセンサＦＢＧ波長変化との特性を示す特性図である。
【００４５】
図４（ａ）及び図４（ｂ）の特性は、光式加速度計１５に加速度をかけずに温度を変化させることにより、予め取得したデータである。
【００４６】
図４（ａ）図中に示すように熱伸縮体８の温度がＴ_ｃの時には、温度補償用ＦＢＧ波長変化は、λ_ｃとなる。したがって、反射波長を計測し温度補償用ＦＢＧ波長変化がλ_ｃであったときには、温度補償用のＦＢＧ７が貼り付けられた熱伸縮体８の温度は、Ｔ_ｃであることが分かる。このとき、センサＦＢＧ１が設けられている検知体２も同じく温度Ｔ_ｃであるから、図４（ｂ）の特性図から分かるように、この温度Ｔ_ｃのときのセンサＦＢＧ波長変化はλ_ｓである。
【００４７】
したがって、光式加速度計１５の温度がＴ_ｃであるとき、温度補償用ＦＢＧ波長変化は、λ_ｃであり、センサＦＢＧ波長変化がλ_ｓであることを用いて、各々の変化量から最小二乗法により求めた関数がＦ（温度補償用ＦＢＧ波長変化）となる。
【００４８】
この求められた関数による熱収縮による歪の値をセンサＦＢＧ１からキャンセルする温度補償手順は、波長計測器１２に内蔵された図示しない温度較正部において行われる。
【００４９】
なお、センサＦＢＧ１と同じように、温度補償用のＦＢＧ７をインバール合金材などの熱膨張率・収縮率の低い材質に貼り付けることで、センサＦＢＧ１の波長の温度変化分を温度補償用のＦＢＧ７の波長変化量から、上記と同様除くことができ、波長変化計測の精度を向上させることも可能である。
【００５０】
以上説明したように、センサＦＢＧ１を検知体２に密着して貼り付けた簡単な構造の光式加速度計１０、１５で加速度を検出することが可能となる優れた効果を得られる。
【００５１】
また、熱膨張率の少ない材質の検知体２を用いることにより、この検知体２に貼り付けられたセンサＦＢＧ１は、周囲の温度変化の影響を受けにくい光式加速度計１０のセンサとすることができる。
【００５２】
また、センサＦＢＧ１とは別に温度補償用のＦＢＧ７を設置することで、周囲の温度変化による検知体２の熱膨張・収縮によるセンサＦＢＧ１の波長変化分を除くことができる。
【００５３】
次に、本発明の光式加速度計を用いたシステム構成を説明する。
【００５４】
図５は、本発明の光式加速度計１０を用いた実施の形態を示す構成図である。
【００５５】
図示したように、光式加速度計システム２０は、光式加速度計１０と、光源を内蔵し反射波長を計測する波長計測器１２と、光式加速度計１０及び波長計測器１２を接続し光を伝送するための光ファイバ６とを備えて構成される。
【００５６】
波長計測器１２から光ファイバ６を経て１つ目の光式加速度計１０が接続され、その光式加速度計１０から２つ目の光ファイバ６を経て２つ目の光式加速度計１０が接続されると云うように順次光ファイバ６により複数の光式加速度計１０がシリアル接続されており、センサの一筆書き方式を構成している。
【００５７】
波長計測器１２に内蔵されている図示しない光源は、広帯域の光源光を発光する。各々の光式加速度計１０は、加速度がかかっていないとき各々反射波長の異なるセンサＦＢＧ１を有しており、特定の波長でのみ反射する。したがって、反射波長に変化が生じた場合に、どのセンサＦＢＧ１の波長が変化したかが分かり、加速度を検知したセンサＦＢＧ１を有する光式加速度計１０を特定できる。
【００５８】
波長計測器１２の光源から発光した光は、光ファイバ６を伝送し、順次光式加速度計１０に達する。光式加速度計１０に加速度がかかった場合には、反射する光の波長が変化する。反射した光は、波長計測器１２に戻り、反射した光の波長が計測され、加速度が検出できる。
【００５９】
次に、本発明の光式加速度計１０を用いた他の光式加速度計システム構成を説明する。
【００６０】
図６は、本発明の光式加速度計を用いた光式加速度計システムの他の実施の形態を示す構成図である。
【００６１】
図示したように、光式加速度計システム２１は、光式加速度計１０と、光源を内蔵し反射波長を計測する波長計測器１２と、光式加速度計１０と波長計測器１２とを接続し光を伝送するための光ファイバ６と、光ファイバ６の経路を分岐する光カプラ１１とを備えて構成される。
【００６２】
図中の接続は、図５に示した一筆書き状のシリアル接続とは異なり、光カプラ１１から分岐して光式加速度計１０が接続されるパラレル接続となっており、センサＦＢＧ１の分岐方式を構成している。
【００６３】
波長計測器１２の光源から発光した光源光は、光ファイバ６を伝送し、各光カプラ１１を介して分岐、伝送され、各光式加速度計１０に達する。光式加速度計１０に加速度がかかった場合には、反射する光の波長が変化する。反射した光は、波長計測器１２に戻り、反射した光の波長が計測され、加速度が算出される。
【００６４】
図５、図６に示す構成は、測定対象物の各部にセンサＦＢＧ１を設置し各部にかかる加速度や振動、力等を検知できる小規模なものから、センサＦＢＧ１を各建物の壁面等に設置し各建物の受ける地震等に起因する振動、衝撃を加速度として検知するような大規模なものまで応用範囲は広い。
【００６５】
また、図１で説明したようにセンサＦＢＧ１の設けられた面により矢印１７方向の加速度のみが検出されるが、光式加速度計１０を設置する方向を変えることにより、任意の方向の加速度を測定することも可能である。
【００６６】
また、光式加速度計１０を設ける代わりに温度補償を行う光式加速度計１５を設けることで温度による検知の誤差を低減することができる。
【００６７】
以上説明した図５、図６の構成は、従来複数のセンサに対して同数の計測器を必要としていたのに対し、光式加速度計１０毎に異なる反射波長をもつセンサＦＢＧ１を設けることができるため、複数の光式加速度計１０からの反射波長の計測を一台の波長計測器１２で行うことができる優れた効果を得られる。
【００６８】
また、一筆書き方式の構成である光式加速度計システム２０は、各センサＦＢＧ１において光の強度に殆ど減衰が発生しないため、複数の光式加速度計１０を遠距離間隔で設置し広範囲にわたる加速度検出を行うシステムを構成できるというメリットがある。
【００６９】
また、分岐方式の構成である光式加速度計システム２１は、光カプラ１１の分岐点から先で光ファイバ６が切断した場合でも切断された先の光式加速度計１０に光が伝送されなくなるのみで、接続された他の光式加速度計１０の検知には影響を与えないため、加速度検出を行うシステムを信頼性の高いものに構成できる優れた効果を得られる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、簡易な構造の光式加速度計で加速度を計測し、複数のセンサを一台の計測器に接続できる光式加速度計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す光式加速度計の構造図である。
【図２】加速度とセンサＦＢＧ波長変化との関係を示す特性図である。
【図３】本発明の実施の形態を示す温度補償用ＦＢＧを備えた光式加速度計の構造図である。
【図４】図４（ａ）は、熱伸縮体の温度と温度補償用のＦＢＧの波長変化との関係を示す特性図である。図４（ｂ）は、検知体の温度とセンサＦＢＧ波長変化との関係を示す特性図である。
【図５】光式加速度計を用いた検知システムの実施の形態を示す構成図である。
【図６】光式加速度計を用いた検知システムの他の実施の形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１ファイバブラッググレーティング（センサＦＢＧ）
２検知体（弾性体）
３錘
４固定部
１０光式加速度計
１２波長計測器

Claims

一端が加速度を測定する測定対象物に固定され、他端が自由端とされた弾性体からなる検知体と、その検知体の自由端に固定された錘と、上記検知体に設けられ、加速度に応じて屈曲する検知体の歪から加速度を検出するためのセンサＦＢＧとを備えたことを特徴とする光式加速度計。
上記測定対象物の加減速時に生じる上記検知体の屈曲を、上記センサＦＢＧの伸縮歪で検知する請求項１記載の光式加速度計。
熱伸縮体に固定した温度補償用のＦＢＧの出力と、該温度補償用のＦＢＧの出力と上記センサＦＢＧの出力とに基づいて、検知体の熱収縮による歪をキャンセルする温度補償手順とを備えた請求項１または２記載の光式加速度計。
検知体に熱膨張・収縮率の低い（０．１３×１０^−６／Ｋ＠２０℃）材質を用いた請求項１〜３いずれか記載の光式加速度計。
上記温度補償用のＦＢＧを上記検知体と同等の材質よりなる熱伸縮体に固定した請求項４記載の光式加速度計。