JP2011033411A - 傾斜角度計測素子、傾斜計 - Google Patents

Abstract

【課題】計測システムが安価な光ファイバセンサを用いた傾斜計測素子及びこれを備えた傾斜計を提供する。
【解決手段】傾斜角度計測素子１０は、被計測対象物に固定される基台１１と、基台１１に揺動自在に設けられ鉛直に垂下する振り子１２と、ヘテロコア部ＨＰを有し入射端から入射された光の一部が光ファイバ２とヘテロコア部ＨＰとの界面で漏洩する光ファイバセンサ１とを備える。基台１１への固定点Ａと振り子１２への固定点Ｂとの間にヘテロコア部ＨＰが位置するように光ファイバセンサ１を固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバセンサを用いた傾斜角度計測素子、及びこれを備えた傾斜計に関する。

近年、地震や大雨による崖崩れなどの自然災害や、構造疲労による建造物のひび割れ、崩落などの災害が社会問題化しつつある。これらの災害に対し、地盤や建造物に傾斜計を設置して常時傾斜角度を監視し、被害を回避する様々な研究が行われている。

従来の一般的な傾斜計は、被計測対象物に固定される基台に軸支された振り子を備え、この振り子の揺動角度をポテンショメータ等の電気式角度センサにより検出する電気的なものである。しかし、このような電気的あるいは磁気的な傾斜計は、落雷などの電磁波によりノイズ混入が生じ易く、漏電などによる発火の恐れがあるという問題があった。

そこで、光ファイバセンサを用いた傾斜計が提案されている。光ファイバセンサを用いた傾斜計は、落雷などの電磁波によるノイズの影響を受けないので、屋外に好適に設置される。また、漏電などによる発火の恐れがないので、従来の電気的や磁気的な傾斜計では困難な可燃性の液中、気中に設置することも可能となる。

傾斜計の光ファイバセンサには、光学的な歪みを検知するＦＢＧ（Fiber Bragg Grating： 光ファイバブラッグ回折格子）が一般的に用いられている。ＦＢＧは、ブラッグ波長と呼ばれる特定波長の光を反射する機能を有する。ブラッグ波長はＦＢＧに作用する張力（歪み）に応じて変化するため、ＦＢＧを歪み検知センサとして利用している。

例えば、特許文献１には、筐体と、筐体内部の天井面から垂下し柔軟性を有する錘保持部材と、錘保持部材の下部に取り付けられた錘と、錘保持部材の外周面上に鉛直方向に固定され、光ファイバに接続された２つのＦＢＧ部とを備える傾斜計が開示されている。この傾斜計は、筐体の傾斜による錘保持部材の歪みをＦＢＧ部の歪みから検知して傾斜角度を計測する。

特許文献２には、筒状本体と、筒状本体の内部に回動自在に支持されたプーリー状回動板と、プーリー状回動板に連結された錘と、筒状本体の上部壁に一端が固定され、２つのＦＢＧ部が垂下するようにプーリー状回動板の下部湾曲部外周に沿って敷設された光ファイバとを備える傾斜計が開示されている。この傾斜計は、筒状本体の傾斜によるプーリー状回動板の揺動による２つのＦＢＧ部の伸張を検知して傾斜角度を計測する。

特開２００７−２０５７４０号公報 特開２００９−５８２３９号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に開示されたようなＦＢＧセンサを用いた傾斜計は、スペクトル計測が必要であるとともに、温度依存性があるため、計測システムが高価になる問題がある。

本発明は、以上の点に鑑み、計測システムが安価な光ファイバセンサを用いた傾斜角度計測素子及びこれを備えた傾斜計を提供することを目的とする。

本発明の傾斜角度計測素子は、被計測対象物に固定される基台と、該基台に揺動自在に設けられ鉛直に垂下する振り子と、コア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備える光ファイバ、及び該光ファイバに接続され、該光ファイバのコアと異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備えるヘテロコア部を有し、入射端から入射された光の一部が前記光ファイバと前記ヘテロコア部との界面で漏洩する光ファイバセンサとを備え、前記基台への固定部と前記振り子への固定部との間にヘテロコア部が位置するように前記光ファイバセンサを固定することを特徴とする。

本発明の傾斜角度計測素子によれば、被計測対象物の傾斜角度に応じて、被計測対象物に固定される基台が鉛直に垂下する振り子に対して傾斜する。この基台の傾斜に伴い、光ファイバセンサの固定部間の距離が変化するため、固定部間の光ファイバセンサの曲げに変化が生じる。そして、光ファイバセンサは界面で伝送される光が漏洩するヘテロコア部を有しており、界面近傍での曲げにより光の漏洩量が異なる。そのため、光の漏洩量、即ち光強度の変化を計測することにより、基台の傾斜角度を計測することが可能となる。従って、上記従来のスペクトル計測が必要なＦＢＧセンサとは異なり、フォトダイドード（ＰＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）などの安価な受光素子を用いた光強度計測により傾斜角度が計測可能となるとともに、温度依存性がないので、計測システムは安価になる。

また、本発明の傾斜角度計測素子において、前記光ファイバのコア径が９μｍ、前記ヘテロコア部のコア径が５μｍであり、前記両固定部の間隔が２５ｍｍから４０ｍｍであることが好ましい。この場合、実験結果から、傾斜角度と光の漏洩量、即ち光の伝送損失との関係が一意性を有するとともに、光の伝送損失が大きくなることがわかった。そのため、傾斜角度を精度良く計測することが可能となる。

本発明の傾斜角度計測素子は、被計測対象物に固定される基台と、該基台に揺動自在に設けられ鉛直に垂下する振り子と、コア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備える光ファイバ、及び該光ファイバに接続され、該光ファイバのコアと異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備えるヘテロコア部を有し、入射端から入射された光の一部が前記光ファイバと前記ヘテロコア部との界面で漏洩する光ファイバセンサとを備え、前記基台からの突出部と前記振り子との間にＵ字状に屈曲する前記光ファイバセンサを挟み込み、該Ｕ字状の頂点近傍にヘテロコア部が位置することを特徴とする。

本発明の傾斜角度計測素子によれば、被計測対象物の傾斜角度に応じて、被計測対象物に固定される基台が鉛直に垂下する振り子に対して傾斜する。この基台の傾斜に伴い、光ファイバセンサの挟み込み間の距離が変化するため、特にＵ字状の頂点付近の光ファイバセンサの曲げに変化が生じる。そして、光ファイバセンサは界面で伝送される光が漏洩するヘテロコア部をＵ字状の頂点近傍に有しており、界面近傍での曲げにより光の漏洩量が異なる。そのため、光の漏洩量、即ち光強度の変化を計測することにより、基台の傾斜角度を計測することが可能となる。従って、上記従来のスペクトル計測が必要なＦＢＧセンサとは異なり、ＰＤやＣＣＤなどの安価な受光素子を用いた光強度計測により傾斜角度が計測可能となるとともに、温度依存性がないので、計測システムは安価になる。

本発明の傾斜計は、上記本発明の傾斜角度計測素子と、前記光ファイバセンサの入射端に設けられた光源と、前記光ファイバセンサの出射端に設けられた受光部とを備えることを特徴とする。

本発明の傾斜計によれば、上記本発明の傾斜角度計測素子が備える効果を有する傾斜計を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る傾斜計を示す説明図。 光ファイバセンサを示し、（ａ）は説明図、（ｂ）は断面図。 検証モデルを示す説明図。 実験１の結果を示すグラフ。 実験２の結果を示すグラフ。 実験３の結果を示すグラフ。 実験４の結果を示すグラフ。 本発明の第２実施形態に係る傾斜計を示す説明図。 （ａ）は傾斜角度がθ１、（ｂ）は傾斜角度がθ２となる場合における傾斜角度計測素子の動作を示す説明図。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る傾斜計（傾斜角度計測計）を図面を参照して説明する。

図１を参照して、この傾斜計は、被計測対象物に固定される傾斜角度計測素子１０を備えている。傾斜角度計測素子１０は、光ファイバセンサ１を有しており、光ファイバセンサ１の入射端に光源２０が、光ファイバセンサ１の出射端に受光部３０がそれぞれ接続されている。

傾斜角度計測素子１０は、光ファイバ２の中途部にヘテロコア部ＨＰを有する光ファイバセンサ１と、被計測対象物に固定される基台１１と、基台１１に揺動自在に設けられ鉛直に垂下する振り子１２とを備えている。

光ファイバセンサ１は、入射端側の光ファイバ２ａと出射端側の光ファイバ２ｂとからなる光ファイバ２、及び光ファイバ２ａ，２ｂ間に挿入されたヘテロコア部ＨＰとか構成されている。ヘテロコア部ＨＰは、光ファイバ２ａと光ファイバ２ｂとの間に設けられ、伝送される光の一部を漏洩（リーク）する。

基台１１は、被測定対象物に載置される底壁部１３と底壁部１３から鉛直上方に延びる垂直壁部１４とを備えており、金属などの硬質素材からなる。

振り子１２は、基台１１の垂直壁部１４に固定され水平方向に軸心を有する支軸１５に、図示しないベアリングなどの軸受部材を介して回動自在に支持されている。これにより、振り子１２は、所定の垂直面を揺動平面として、基台１１に対して揺動可能となっている。振り子１２の下部には錘１６が設けられおり、基台１１の揺動に拘わらず、錘１６の自重によって振り子１２は常に鉛直に垂下する。

光ファイバ２ａの一部分が基台１１の垂直壁部１４に第１の固定部材（クランパ）１７により固定され、光ファイバ２ｂの一部分が振り子１２に第２の固定部材（クランパ）１８により固定されている。

固定部材１７，１８は、ここでは、垂直壁部１４や振り子１２に固定された金属製の固定板と、硬質ゴムからなる覆板とからそれぞれ構成されている。詳細は図示しないが、光ファイバ２ａ，２ｂの外周に合わせた溝が固定板の上面に凹設されており、この溝に光ファイバ２ａ，２ｂを収容した状態で、接着剤等によって固定板上に覆板を固定している。これにより、光ファイバ２ａ，２ｂが固定部材１７，１８に対して移動不能となっており、光ファイバ２ａが固定点Ａで基台１１に固定され、光ファイバ２ｂが固定点Ｂで振り子１２に固定されることになる。なお、固定点Ａ，Ｂは、振り子１２の揺動平面内、あるいはその近傍に位置することが、傾斜角度計測素子１０の小型化の観点から好ましい。

光ファイバ２ａは、水平に形成された溝に収容されることにより、固定部材１７により基台１１に対して水平に固定されている。一方、光ファイバ２ｂは、振り子１２が最小計測可能角度θ１に傾斜したときに水平となるように形成された溝に収容されており、振り子１２の傾斜角度に応じて、基台１１に対する角度が変化するようになっている。なお、振り子１２が基台１１に対して相対的に反時計回り方向へ傾斜したときの傾斜角度を負、逆に、振り子１２が基台１１に対して相対的に時計回り方向へ傾斜したときの傾斜角度を正とする。

図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、ヘテロコア部ＨＰは、ここでは、コア３と、その外周部に設けられたクラッド４とを有する短いシングルモード光ファイバである。例えば、コア３の径は５μｍであり、クラッド４の径は１２５μｍであり、長さは１．０ｍｍから２．０ｍｍである。長さは、１．５ｍｍであることが最も好ましい。一方、光ファイバ２ａ，２ｂはともに、コア５と、その外周部に設けられたクラッド６とを有する長いシングルモード光ファイバである。例えば、コア５の径は９μｍであり、クラッド６の径は１２５μｍである。このように、ヘテロコア部ＨＰのコア径は、光ファイバ２ａ，２ｂのコア径よりも小さくなるように構成されている。ヘテロコア部ＨＰと光ファイバ２のクラッド４，６の外周部に樹脂などからなる保護層を設けてもよい。なお、図１では、ヘテロコア部ＨＰが光ファイバ２ａ，２ｂより太く図示されているが、これは理解を容易化するためである。実際には、ヘテロコア部ＨＰと光ファイバ２ａ，２ｂとの太さは同等である。

なお、ヘテロコア部ＨＰ、光ファイバ２の双方、あるいは一方が、マルチモード光ファイバであってもよい。ただし、ヘテロコア部ＨＰ及び光ファイバ２がシングルモード光ファイバであれば、外部からの影響がより受け難いので好ましい。また、ヘテロコア部ＨＰのコア径が、光ファイバ２のコア径よりも大きくなるように構成されていてもよい。また、ヘテロコア部ＨＰが、光ファイバ２のコア５の屈折率あるいはクラッド６の屈折率と同等の屈折率を有する素材からなるものであってもよい。この場合も、コア３の径が、０あるいはクラッド４の径と同じである一種のヘテロコア構造であると考えることが可能である。

ヘテロコア部ＨＰと光ファイバ２ａ，２ｂとは、長手方向に直交する界面７でコア３，５が接合するように、略同軸に、放電による融着などによって接合されている。なお、コア５に予めスリットを形成しておき、溶融延伸することによって、ヘテロコア部ＨＰを形成してもよい。また、コア３，５の径が漸次変化するものであってもよい。

このように、光ファイバ２ａ，２ｂの中途部にヘテロコア部ＨＰが存在しているので、界面７におけるコア径の相違によって、光の一部がヘテロコア部ＨＰのクラッド４に漏洩し、伝送される光が損失される。ヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の光ファイバ２の曲率が大きいほど、光の伝送損失量（漏洩量）Ｗ（以下、「光損失Ｗ」という）が大きくなる。

図１を参照して、光ファイバセンサ１の入射端である光ファイバ２ａの一端部には、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を有する光源２０が接続されている。光ファイバセンサ１の出射端である光ファイバ２ｂの一端部には、フォトダイドード（ＰＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）などの受光素子を有する光パワーメータなどの受光部３０が接続されている。さらに、受光部３０には、ＣＰＵやメモリ等を備えた検出部４０が接続されている。

光ファイバ２ａの固定部材１７による固定点Ａと、光ファイバ２ｂの固定部材１８による固定点Ｂとの間に、ヘテロコア部ＨＰが位置している。振り子１２の傾斜角度θが負の値であるとき、固定点Ａ，Ｂの間隔Ｌは大きくなり、固定点Ａ，Ｂ間の光ファイバセンサ１は伸びて直線状に近づくので、ヘテロコア部ＨＰ近傍の擬似曲率半径は大きくなり、光損失Ｗは小さくなる。一方、振り子１２の傾斜角度θが正の値であるとき、固定点Ａ，Ｂの間隔Ｌは狭く、固定点Ａ，Ｂ間の光ファイバセンサ１の屈曲が大きくなるので、ヘテロコア部ＨＰ近傍の擬似曲率半径は小さくなり、光損失Ｗは大きくなる。

そこで、例えば、光源２０から一定強度の光を出射し、傾斜角度θと光損失Ｗとの関係を予め計測しておき、検出部４０にデータとして格納しておく。これにより、検出部４０は、光損失Ｗから基台１１の傾斜角度θを導出する。

本実施形態に係る傾斜計は、上記従来のスペクトル計測が必要なＦＢＧセンサとは異なり、ＰＤやＣＣＤなどの安価な受光素子からなる受光部３０により光損失Ｗを計測することによって、傾斜角度を計測することができる。また、光ファイバセンサ１の光損失Ｗには、温度依存性がない。そのため、安価な傾斜計を提供することが可能となる。

〔検証モデル〕
傾斜計の動作を検証するため、検証モデルを作成し、実験を行った。以下、この検証モデル及び実験結果を図面を参照して説明する。なお、理解を容易にするため、検証モデルの部材には傾斜計の部材と同じ符号を付している。

図３を参照して、検証モデルでは、振り子１２を回動可能に軸支しており、実験者が振り子１２を揺動させ、所望の位置で振り子１２を仮固定可能となるように構成されている。

振り子１２が最小計測可能角度である角度θ１、ここでは−１５度に傾斜したとき、固定点Ｂは点Ｂ１に位置し、固定点Ａ，Ｂ（Ｂ１）間の間隔Ｌ１が３５ｍｍとなり、振り子１２が最大計測可能角度である角度θ２、ここでは＋１５度に傾斜したとき、固定点Ｂは点Ｂ２に位置し、固定点Ａ，Ｂ（Ｂ２）の間隔Ｌ２が３０ｍｍとなるように設定されている。これにより、振り子１２が計測可能範囲（θ１からθ２）内で揺動することにより、振り子１２の傾斜角度θに応じて、点Ａ，Ｂ間の間隔ＬがＬ１とＬ２との範囲内で変化することになる。なお、このとき、振り子１２の中心Ｏと固定点Ｂまでの距離Ｒは９．６６ｍｍとなる。

振り子１２の傾斜角度がθ１であるとき、固定点Ａ，Ｂ（Ｂ１）の間隔ＬはＬ１と大きく、固定点Ａ，Ｂ間の光ファイバセンサ１は伸びて直線状となるので、ヘテロコア部ＨＰ近傍の擬似曲率半径は非常に大きくなり、光損失Ｗは非常に小さくなる。一方、振り子１２の傾斜角度がθ２であるとき、固定点Ａ，Ｂ（Ｂ２）の間隔ＬはＬ２と狭く、固定点Ａ，Ｂ間の光ファイバセンサ１は大きく屈曲するので、ヘテロコア部ＨＰ近傍の擬似曲率半径は非常に小さくなり、光損失Ｗは大きくなる。そして、振り子１２の傾斜角度θがθ１からθ２に変動するに従い、固定点Ａ，Ｂ間の間隔ＬはＬ１からＬ２に徐々に減少し、固定点Ａ，Ｂ間の光ファイバセンサ１は徐々に大きく屈曲する。

〔実験１〕
このように構成した検証モデルを用いて、振り子１２の角度θを−１５度から０．１度ずつ＋１５度まで増加させ、その後、逆に０．１度ずつ−１５度まで減少させながら、光損失Ｗを計測した。この実験結果のグラフを図４に示す。この実験１では、ヘテロコア部ＨＰの長さが１．１ｍｍの光ファイバセンサ１を用い、点Ａ，Ｂ間の略中心にヘテロコア部ＨＰが位置するよう、ヘテロコア部ＨＰの中央が点Ａから１６．５ｍｍの距離に位置させて光ファイバセンサ１を固定した。光源２０として、波長１３００ｎｍのＬＥＤを用いた。

図４から、傾斜角度θと光損失Ｗとは計測可能角度範囲（傾斜角度θが−１５度から＋１５度）の略全域に亘って、傾斜角度θの増加・減少に伴って光損失Ｗが略線形的（単調）に増加・減少しており、傾斜角度θと光損失Ｗとが一意性（一対一対応性）を有することがわかった。また、振り子１２の傾斜動作方向に拘わらず傾斜角度θに対する光損失Ｗは一定であり、再現性を有することもわかった。従って、本実施形態の傾斜計は、傾斜計として非常に有用であることが実証された。

ただし、傾斜角度θが−１５度から−１３度の範囲では、傾斜角度θと光損失Ｗとの線形性と再現性が崩れている。これは、この角度範囲では、光ファイバセンサ１に微小な曲げしか付与されず、固定点Ａ，Ｂ間に生じる曲げがヘテロコア部ＨＰ近傍の曲げになる場合とならない場合とが生じるため、連続的にヘテロコア部ＨＰ近傍の擬似曲率半径が減少しないことによると考えられる。また、傾斜角度θが−１５度から変動し始めるとき、固定点Ａ，Ｂ間の水平距離は減少するが、垂直距離は増加するので、固定点Ａ，Ｂ間の距離が全体として極僅かしか変化しないことによるとも考えられる。

〔実験２〕
次に、固定点Ａと点Ｂ１間の間隔Ｌ１を５０ｍｍ、６０ｍｍ、７０ｍｍとしたときの、光損失Ｗを計測した。この実験結果を図５に示す。なお、各間隔Ｌ１において点Ｂ１，Ｂ２間の間隔は５ｍｍと同一である。他の条件は、実験１と同様である。

図５から、固定点Ａと点Ｂ１間の間隔Ｌ１を５０ｍｍ、６０ｍｍ、７０ｍｍとしたとき、傾斜角度θと光損失Ｗとが線形的にも一意的にも対応しないことがわかった。これは、傾斜角度θの変動に応じて、曲げの頂点の位置が移動することや、動作する固定部材１８の動きが曲線状であることなどのため、ヘテロコア部ＨＰ近傍の擬似曲率半径が複雑に変動するためであると考えられる。また、固定点Ａと点Ｂ１間の間隔Ｌ１を５０ｍｍ、６０ｍｍ、７０ｍｍとしたとき、光損失Ｗの最大値は０．３ｄＢ以下と、間隔Ｌ１が３５ｍｍとしたとき（図４参照）の光損失Ｗの最大値約０，９ｄＢより低いことがわかった。光損失Ｗが低いとノイズ等を考慮して計測誤差が大きくなるので、この点からも、間隔Ｌ１は３５ｍｍのほうが好ましいことがわかった。図示しない他の実験結果から、間隔Ｌ１は、３０ｍｍから４０ｍｍであることが好ましいことがわかった。なお、間隔Ｌ１が３０ｍｍ未満であると、屈曲が非常に大きくなり光ファイバセンサ１が破損する恐れが大きくなるので、好ましくない。

〔実験３〕
次に、ヘテロコア部ＨＰの位置を変えたときの光損失Ｗを計測した。この実験結果を図６に示す。なお、ヘテロコア部ＨＰの位置は、光ファイバセンサ１が直線状となるとき、即ち、傾斜角度θがθ１（−１５度）となるときに、固定点Ａからヘテロコア部ＨＰの中央との距離ｌによって表す。固定点Ａと点Ｂ１間の間隔Ｌ１は３５ｍｍであり共通である。他の条件は、実験１と同様である。

図６から、固定点Ａからヘテロコア部ＨＰの固定点Ａ側の界面７までの距離ｌが１８．５ｍｍであるときに、光損失Ｗが最大になることがわかった。また、距離ｌが２０．６ｍｍ，２２．６ｍｍであるときも、光損失Ｗが大きくなることがわかった。傾斜角度θに応じて固定点Ｂにおける光ファイバセンサ１の延伸方向が変化するなどの複雑な要因があるため、図６の結果を理由付けることは困難である。なお、距離ｌが少なくとも１６．６ｍｍから２４．５ｍｍの範囲内にあるときには、傾斜角度θと光損失Ｗとの間には、略線形性と一意性があることもわかった。

〔実験４〕
次に、実験１から３の実験結果を考慮して最適であると考えられ実証モデルを作成し、光損失Ｗを計測した。なお、詳細は記載しないが、ヘテロコア部ＨＰの長さを１．１ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍと変化させて実験した結果、長さ１．５ｍｍのとき、光損失Ｗが良好な線形性を示すなかで、光損失Ｗが最大となった。そこで、この実証モデルは、固定点Ａと点Ｂ１との間隔Ｌ１が３５ｍｍ、固定点Ａと点Ｂ１との間隔Ｌ２が３０ｍｍ、ヘテロコア部ＨＰの長さが１．５ｍｍの光ファイバセンサ１を用い、固定点Ａからヘテロコア部ＨＰの固定点Ａ側の界面７との距離ｌが１８．５ｍｍとなるように位置させて光ファイバセンサ１を固定した。光源２０として、波長１３００ｎｍのＬＥＤを用いた。このときの実験結果を図７に示す。

図７から、傾斜角度θと光損失Ｗとは傾斜角度θが−８度から＋２２度の範囲全域に亘って、傾斜角度θと光損失Ｗが良好な線形性を有することがわかった。従って、前記の範囲を計測可能範囲とすれば、本実施形態の傾斜計は非常に優れたものとなる。

そこで、−８度の傾斜角度を初期に振り子１２に付与する、即ち、振り子１２が角度θ１（−１５度）傾斜したときに、光ファイバセンサ１の点Ｂ１での方向が水平方向から下方に２２度傾斜させることにより、計測可能範囲が−１５度から＋１５度の全範囲で、傾斜角度θと光損失Ｗとが良好な線形性を有する傾斜計を得ることができる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係る傾斜計を図面を参照して説明する。

この傾斜計は、第１実施形態に係る傾斜計と類似するので、異なる構成についてのみ説明する。図８を参照して、この傾斜計は、被計測対象物に固定される傾斜角度計測素子５０を備えている。

傾斜角度計測素子５０は、光ファイバ２の中途部にヘテロコア部ＨＰを有する光ファイバセンサ１と、被計測対象物に固定される基台１１と、基台１１に揺動自在に設けられ鉛直に垂下する振り子５１とを備えている。

振り子５１は、基台１１の垂直壁部１４に固定され水平方向に軸心を有する支軸１５に、図示しないベアリングなどの軸受部材を介して回動自在に支持されている。振り子５１の下部には錘１６が設けられている。基台１１の揺動に拘わらず、錘１６の自重によって振り子５１は常に鉛直に垂下する。

光ファイバ２ａの一部分が基台１１の垂直壁部１４に固定部材５２により固定され、光ファイバ２ｂが振り子５１の突起部５３の先端と当接するように構成されている。

固定部材５２は、垂直壁部１４から突出するように形成されており、固定部材５２の振り子５１側の面に接着剤等によって光ファイバ２ａの一部分が固定されている。

光ファイバセンサ１は、固定部材５２と突起部５３に水平方向外側から挟み込まれることにより、Ｕ字状に屈曲した状態で配設されている。そして、Ｕ字状の頂点近傍にヘテロコア部ＨＰが位置している。

図９（ａ）を参照して、振り子５１の傾斜角度がθ１（負の値）であるとき、点Ｃ，Ｄ間の間隔は広くなり、点Ｃ，Ｄ間の光ファイバセンサ１の屈曲が小さくなるので、ヘテロコア部ＨＰ近傍の擬似曲率半径は大きくなり、光損失Ｗは小さくなる。一方、図９（ｂ）を参照して、振り子５１の傾斜角度がθ２（正の値）であるとき、点Ｃ，Ｄの間隔は狭くなり、点Ｃ，Ｄ間の光ファイバセンサ１の屈曲が大きくなるので、ヘテロコア部ＨＰ近傍の擬似曲率半径は小さくなり、光損失Ｗは大きくなる。

このように、本実施形態の傾斜計においても、振り子５１の傾斜角度θに応じて、光ファイバセンサ１の光損失Ｗが線形的に変化させることが可能であるので、良好な傾斜計となる。

本実施形態に係る傾斜計は、上記従来のスペクトル計測が必要なＦＢＧセンサとは異なり、ＰＤやＣＣＤなどの安価な受光素子からなる受光部３０により光損失Ｗを計測することによって、傾斜角度を良好に計測することができる。また、光ファイバセンサ１の光損失Ｗには、温度依存性がない。そのため、安価な傾斜計を提供することが可能となる。

なお、本実施形態では、光ファイバ２ａを点Ｃで固定し、光ファイバ２ｂを点Ｄで突起部５３に当接するように構成したが、これに限定されない。例えば、光ファイバ２ａを点Ｃで垂直壁部１４から突出する部材に当接させ、光ファイバ２ｂを点Ｄで突起部５３に固定するように構成してもよい。また、両点Ｃ，Ｄともに固定するよう、あるいは当接するように構成してもよい。

なお、本発明は実施形態に限定されるものではない。例えば、光ファイバ２ａの中途部に光カプラを設け、光カプラで別の光ファイバを分岐させるとともに、光ファイバ２ｂの端部に銀蒸着などによって鏡を形成した反射部を設けてもよい。この場合、前記分岐された光ファイバの端部が出射端となり、この出射端に受光部３０を接続すればよい。

また、光ファイバ２ａの端部にＯＴＤＲ（Optical time-domain reflectometer）装置を接続して、ＯＴＤＲ装置から入射されたセンサ光の後方へのレイリー散乱光をＯＴＤＲ装置自身が計測するものであってもよい。この場合、１本の光ファイバセンサに複数のヘテロコア部ＨＰを設けて、各ヘテロコア部ＨＰ近傍の曲率変化を検出することにより、複数箇所の傾斜を監視することも可能となる。ただし、ＯＴＤＲ装置を用いた場合には、リアルタイム計測することができない。

また、傾斜角度計測素子１０，５０を、振り子１２，５１の揺動平面を交差させて２個設けることにより、２方向の傾斜角度を計測することが可能となる。さらに、例えば、基台に点支持され自由揺動可能な１個の振り子を設け、この振り子に２本の光ファイバセンサを固定することにより、２方向の傾斜角度を計測可能な傾斜角度計測素子を構成してもよい。

１…光ファイバセンサ、 ２，２ａ，２ｂ…光ファイバ、 ３，５…コア、 ４，６…クラッド、 ７…界面、 １０，５０…傾斜角度計測素子、 １１…基台、 １２，５１…振り子、 １７，１８，５２…固定部材、 ２０…光源、 ３０…受光部、 ４０…検出部、 ５３…突出部、 Ａ，Ｂ…固定点、 ＨＰ…ヘテロコア部。

Claims (4)

1. 被計測対象物に固定される基台と、
   該基台に揺動自在に設けられ鉛直に垂下する振り子と、
   コア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備える光ファイバ、及び該光ファイバに接続され、該光ファイバのコアと異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備えるヘテロコア部を有し、入射端から入射された光の一部が前記光ファイバと前記ヘテロコア部との界面で漏洩する光ファイバセンサとを備え、
   前記基台への固定部と前記振り子への固定部との間にヘテロコア部が位置するように前記光ファイバセンサを固定することを特徴とする傾斜角計測素子。
2. 前記光ファイバのコア径が９μｍ、前記ヘテロコア部のコア径が５μｍであり、前記両固定部の間隔が２５ｍｍから４０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の傾斜計測素子。
3. 被計測対象物に固定される基台と、
   該基台に揺動自在に設けられ鉛直に垂下する振り子と、
   コア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備える光ファイバ、及び該光ファイバに接続され、該光ファイバのコアと異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドを備えるヘテロコア部を有し、入射端から入射された光の一部が前記光ファイバと前記ヘテロコア部との界面で漏洩する光ファイバセンサとを備え、
   前記基台からの突出部と前記振り子との間にＵ字状に屈曲する前記光ファイバセンサを挟み込み、該Ｕ字状の頂点近傍にヘテロコア部が位置することを特徴とする傾斜角計測素子。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の傾斜角計測素子と、
   前記光ファイバセンサの入射端に設けられた光源と、
   前記光ファイバセンサの出射端に設けられた受光部とを備えることを特徴とする傾斜計。

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