JP2012068087A - 高耐水圧光ファイバハイドロホン - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、高感度のどちらも犠牲にすることなく高耐水圧とできる高耐水圧光ファイバハイドロホンが望まれていた。
【解決手段】光ファイバが円筒状に巻回されて構成された光ファイバコイル１と、光ファイバコイル１の内側に配置され、内部に空気室２を有する弾性円筒３と、光ファイバコイル１の開放されている両端を閉塞する蓋４と、蓋４の一方に設けられ、光ファイバコイル１の内側と外側との圧力平衡を保つためのオリフィス４ａとを有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光ファイバハイドロホンに関するものである。

従来のこの種の光ファイバハイドロホンには非特許文献１、特許文献１に示されたものがあり、非特許文献１のfig.7に示されたように、光ファイバを円筒（mandrel）に巻いた構造を有している。音圧が加わると、円筒が呼吸振動して光ファイバが歪み、その光ファイバの歪みにより、光ファイバを伝搬した光位相が変調される。その位相変調された光を位相復調することで水中の音を検出する。水中部に電子回路を用いずに多重伝送系を構成できるので、信号を伝送するケーブルが少なくなり軽量となる。

特許文献１に示された光ファイバハイドロホン（光ファイバ音響センサ）は、耐水圧性を向上させるため、光ファイバを巻いた円筒の中に液体を充填した状態で使用するもので、円筒の蓋に設けるオリフィス（開口部）と円筒内のキャビティとの寸法で決まる共振周波数より高い周波数の音を検出する。水圧に対しては、円筒内外の圧力がバランスするため円筒及び光ファイバコイルが圧力で押し潰されることがなくなり高耐水圧となる。

特許３２３７０５１号（図１、第３頁、第４頁）

IEEE SENSORS JOURNAL,VOL.3,NO.1,Large-Scale Remotely Interrogated Array of Fiber-Optic Interferometric Sensors for Underwater Acoustic Applications（図７）

非特許文献１に示されたように空気室を用いる構造の場合、耐水圧を高くするためには、水圧による撓みにより光ファイバが断線しないように円筒を厚くすることになるが、反面、高い感度が得られなくなる。特許文献１のように円筒の内側に液体を満たし、円筒の内外で圧力をバランスさせる構造にすると、高耐水圧とできる一方、液体の体積弾性係数が空気より高いことから感度が低くなる。円筒内側の体積を増やすと感度は高くなるがハイドロホンが大型化する。

このようなことから、小型化、高感度のどちらも犠牲にすることなく高耐水圧とできる高耐水圧光ファイバハイドロホンが望まれていた。

この発明に係る高耐水圧光ファイバハイドロホンは、光ファイバが円筒状に巻回されて構成された光ファイバコイルと、光ファイバコイルの内側に配置された中空弾性体と、光ファイバコイルの開放されている両端を閉塞する蓋と、蓋の一方に設けられ、光ファイバコイルの内側と外側との圧力平衡を保つための開口部とを有するものである。

この発明によれば、光ファイバコイルの内側に中空弾性体を設けたため、音圧感度が高くすることができ、また、蓋の一方に開口部を設けて光ファイバコイルの内側と外側との圧力平衡を保つ構成としたため、光ファイバコイル内側の体積を増やすことなく高耐水圧とすることができる。

この発明の実施の形態1に係る高耐水圧光ファイバハイドロホンの構成図である。 この発明の実施の形態２に係る高耐水圧光ファイバハイドロホンの構成図である。 この発明の実施の形態３に係る高耐水圧光ファイバハイドロホンの構成図である。 この発明の実施の形態４に係る高耐水圧光ファイバハイドロホンの構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る高耐水圧光ファイバハイドロホンの構造を示す図である。
高耐水圧光ファイバハイドロホンは、光ファイバを巻回して円筒状に構成した光ファイバコイル１と、光ファイバコイル１の内側に配置され、内部に空気室２を有する中空弾性体である弾性円筒３と、光ファイバコイル１及び弾性円筒３の開放されている両端に取り付けられた蓋４とを有している。弾性円筒３の材質には光ファイバより耐圧（耐圧縮力）の大きい弾性材料を用いる。

光ファイバハイドロホンは、光ファイバコイル１とケース９との間の空間Ｓ１と、光ファイバコイル１と弾性円筒３との間の空間Ｓ２とにそれぞれ液体（油や水など）が満たされた状態で使用されるもので、光ファイバコイル１の内側と外側とで液体の圧力がバランスするように、蓋４には開口部（以下、オリフィスという）４ａが貫通形成されている。

また、光カプラ５とミラー６ａ、６ｂを用い、円筒に巻いた光ファイバコイル１がアームとなる光ファイバ干渉計を構成している。光ファイバ干渉計において、光源１０からの光は、光ファイバ７を通過してケース９内の光カプラ５に入射し、光カプラ５にて分岐され、一方は光ファイバコイル１に入射し、他方は光ファイバ８に入射する。そして、光ファイバコイル１と光ファイバ８とに別々に入力された光は、それぞれミラー６ａ、６ｂにて反射され、光カプラ５に戻る。光ファイバコイル１と光ファイバ８には光の経路の長さに差が生じるため、位相差が生じて干渉し、光カプラ５から干渉光が出力される。この干渉光の出力の変動を捉えて音圧を計測する。

上記のようにして形成した光ファイバ干渉計は、ケース９内に収納される。ケース９には、音を透過し易いゴムまたは柔らかい樹脂材料を用いる。ケース９外には、光源１０と、光カプラ５から出力された干渉光を受光する受光部１１と、受光部１１にて受光した干渉光を復調する復調部１２とを備えている。尚、光源１０、受光部１１及び復調部１２の具体例には非特許文献１に示されたものがある。

また、上記構造により、光ファイバコイル１と、弾性円筒３との間に満たされた液体と、蓋４に設けたオリフィス４ａとによりヘルムホルツ共振器が構成されている。従って、液体の体積弾性係数と、弾性円筒３の弾性係数と、オリフィス４ａの開口部の径とで決まる共振周波数以下の周波数の音波はオリフィス４ａを通過するが、共振周波数以上の周波数の音波はオリフィス４ａを通過しない。

このように共振周波数以下の周波数の音波（静水圧を含む）は、オリフィス４ａを通過するため光ファイバコイル１の内側と外側とで圧力が平衡して光ファイバコイル１は呼吸振動しない。従って、光ファイバコイル１は伸縮しない。一方、共振周波数以上の周波数の音波はオリフィス４ａを通過できないので、光ファイバコイル１の外側の空間Ｓ１には「静水圧＋この音波の音圧」が印加されるが、光ファイバコイル１の内側の空間Ｓ２には静水圧のみしか加わらない。従って、光ファイバコイル１の内側と外側に圧力不均衡が生じ、光ファイバコイル１及び弾性円筒３が、この音波の音圧で呼吸振動する。従って、光ファイバコイル１は伸縮する。また、弾性円筒３の呼吸振動により弾性円筒３内部の空気室２は縮小・復帰する。

次に、動作について説明する。
ヘルムホルツ共振器の共振周波数より高い周波数の音圧がケース９に加わると、光ファイバコイル１と弾性円筒３が呼吸振動する。これにより光ファイバが伸び縮みし、この光ファイバの伸縮によって光ファイバコイル１を伝搬した光の位相が変調され、その変調が加わった干渉光が光カプラ５から出力される。そして、その干渉光を受光部１１にて受光し、復調部１２にて復調して水中の音を検出する。

ここで、本例の高耐水圧光ファイバハイドロホンは、光ファイバコイル１の内側に、内部に空気室２を有する弾性円筒３を設けているため、弾性円筒３を設けずに光ファイバコイル１の内側全体を液体で満たした構造のものに比べ、光ファイバコイル１が伸縮しやすくなる。よって、音圧感度が向上している。

また、ケース９に水圧が加わると弾性円筒３は収縮するが、オリフィス４ａから空間Ｓ２内に液体が流入し、光ファイバコイル１の内側と外側とで圧力がバランスするため、光ファイバコイル１は歪まない。

以上説明したように、この実施の形態１によれば、蓋４にオリフィス４ａを設けることで高耐圧とできる構造に対し、光ファイバコイル１の内側に、内部に空気室２を有する弾性円筒３を設けたため、高耐圧でありながら、光ファイバコイル１の外径を大きくすることなく音圧感度を高くすることができる。なお、弾性円筒３の弾性係数を小さくすると音圧感度が向上するが、その一方で、耐水圧が低下するため、必要感度と耐水圧との兼ね合いにより中空弾性体の設計を行う。また、水圧を受けても光ファイバコイル１は歪まないため、耐力（耐圧縮力）が小さく光ファイバコイル１を使用しても、高い耐水圧性が得られる。また、中空弾性体として弾性円筒を用いたため、製造が容易である。

実施の形態２．
高耐水圧光ファイバハイドロホンの耐久性の向上を考慮した設計とすると、中空弾性体の形状が複雑になる場合がある。実施の形態２は、複雑な形状でも容易に成形できる中空弾性体を用いた点に特徴を有するものである。

図２は、この発明の実施の形態２に係る高耐水圧光ファイバハイドロホンの構造を示す図である。図２において、図１に示した実施の形態１と同一部分には同一符号を付す。
実施の形態２の実施の形態１との構造上の相違点は、光ファイバコイル１内に、弾性円筒３に代えて、弾性係数が低い樹脂材料で構成した気泡入り弾性体２１を配置するとともに、気泡入り弾性体２１の略中央に軸方向に貫通する支柱２２を設け、支柱２２により蓋４を支持する構造としたことである。なお、弾性係数は複雑な形状でも製作が容易な程度に低ければ良い。

気泡入り弾性体２１は、弾性係数が低いゴム母材内に複数の気泡が混入したもので、ここでは円筒状に形成されている。気泡入り弾性体２１は、言わば複数の微小な空気室（図示せず）がゴム母材内に配置された構造を有するもので、実施の形態１の空気室２と同様、複数の微小な空気室が気泡入り弾性体２１の呼吸振動により縮小・復帰する。

気泡入り弾性体２１の外径は、光ファイバコイル１の内径よりも小さく形成され、気泡入り弾性体２１の外周面と光ファイバコイル１の内周面との間の空間Ｓ２には、実施の形態１と同様に、液体が満たされるようになっている。また、気泡入り弾性体２１の上面と蓋４の下面との間には隙間が形成されており、オリフィス４ａを介して空間Ｓ１と空間Ｓ２とが連通する構造となっている。この構造により、実施の形態１と同様に、オリフィス４ａを介して光ファイバコイル１の内側と外側との圧力平衡が保たれるようになっている。

このように構成された実施の形態２の高耐水圧光ファイバハイドロホンのケース９に、共振周波数以上の周波数の音圧が加わると、光ファイバコイル１と気泡入り弾性体２１が呼吸振動する。これにより光ファイバが伸び縮みし、この光ファイバの伸縮によって光ファイバコイル１を伝搬した光の位相が変調される。これ以降の動作は実施の形態１と同様である。

以上説明したように、この実施の形態２によれば実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、様々な形に製作できる弾性係数の低い樹脂材料を用いて中空弾性体を形成することで、製作が容易になる。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３に係る光ファイバハイドロホンの構造を示す図である。図３において、図１と同一部分には同一符号を付す。
実施の形態３の実施の形態１との構造上の相違点は、蓋４を支える支柱２２を光ファイバコイル１の略中央部に設けたことと、支柱２２と光ファイバコイル１との間の空間に、弾性円筒３１を複数設けたことである。

通常、光ファイバハイドロホンの設計を行うにあたり、光ファイバコイル１の外径が決定する。よって、この発明の光ファイバハイドロホンの場合、その決定した外径内に収まるように、弾性円筒の径を感度や耐久性の面から設計することになる。ここで、実施の形態１では弾性円筒３を１つとしていたが、実施の形態３では弾性円筒３１を複数としたことを特徴としており、光ファイバコイル１内に複数設置する関係上、実施の形態３の弾性円筒３１の径は、実施の形態１の弾性円筒３よりも細いものとなる。

ここで、一般に弾性円筒の共振周波数は、弾性円筒の径を細くすると共振周波数が高くなり、受波感度周波数特性が平坦になる帯域が広くなる。しかしその一方、弾性円筒の径を細くすると弾性円筒の弾性係数が高くなるため、センサとしての感度が悪くなる。よって、実施の形態１のように一つの弾性円筒によって所望の感度を満たす設計とした弾性円筒に比べ、径の細い弾性円筒３１を仮に一つだけ設けた構成とすると、共振周波数を高くすることはできるが、感度は低くなってしまう。よって、径の細い弾性円筒３１を複数設けることで、共振周波数を高くしながらも、径を細くしたことによる感度低下の影響を抑える構成とできる。なお、各弾性円筒３１の径は全て同じでもよいし、別々でも良い。

次に、動作について説明する。
実施の形態３の高耐水圧光ファイバハイドロホンの動作は実施の形態１と同じであるが、弾性円筒３１の共振周波数が高いので実施の形態１より高い周波数まで受波感度周波数特性が平坦になる。

以上説明したように、この実施の形態３によれば実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、弾性円筒３１を複数設けたので、共振周波数を高くしながらも、径を細くしたことによる感度低下の影響を抑える構成とできる。

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４に係る高耐水圧光ファイバハイドロホンの構造を示す図である。図４において、図１と同一部分には同一符号を付す。
実施の形態４の高耐水圧光ファイバハイドロホンは、複数の光ファイバ干渉計７Ａ、７Ｂ、７Ｃ（符号図示せず）を隣接して設けた構成を有するものであり、以下その構造について説明する。

複数の光ファイバコイルＣ１、Ｂ１、Ａ、Ｂ２、Ｃ２がこの順に上下方向に隣接して配置され、その隣接する光ファイバコイル間に隔壁４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄが設けられた構成を有している。また、各光ファイバコイルＣ１、Ｂ１、Ａ、Ｂ２、Ｃ２内にはそれぞれ、弾性円筒３１と、支柱２２とが備えられている。そして、光ファイバコイルＣ１の隔壁４１ａと反対側の開口面と、光ファイバコイルＣ２の隔壁４１ｄと反対側の開口面には、蓋４が取り付けられている。蓋４と、隔壁４１ａ、４１ｂ、４１ｄにはそれぞれオリフィス４ａが形成されている。

光ファイバコイルＡは、他の光ファイバコイルＣ１、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ２とは独立して設けられている。一方、光ファイバコイルＢ１と光ファイバコイルＢ２は互いに接続されており、また、光ファイバコイルＣ１と光ファイバコイルＣ２も同様に互いに接続されている。そして、光ファイバコイルＡと、光カプラ５Ａと、ミラー６Ａとにより光ファイバ干渉計７Ａが構成されている。また、光ファイバコイルＢ１と、光ファイバコイルＢ２と、光カプラ５Ｂと、ミラー６Ｂとにより光ファイバ干渉計７Ｂが構成されている。さらに、光ファイバコイルＣ１と、光ファイバコイルＣ２と、光カプラ５Ｃと、ミラー６Ｃとにより光ファイバ干渉計７Ｃが構成されている。

光ファイバコイルＣ１、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ２内にそれぞれ配置されている各弾性円筒３１は、光ファイバコイル内で互いに位置を変えて配置されており、音響中心（感度の中心位置）が光ファイバ干渉計７Ａ、７Ｂ、７Ｃでそれぞれ異なるように構成されている。ケース９外に設けた復調部１２は、各光ファイバ干渉計７Ａ、７Ｂ、７Ｃの光を別々に復調する。また、実施の形態４の高耐水圧光ファイバハイドロホンは更に、光ファイバコイルの円周上のどの方向から到来した音かを判別する方向判別部１３を備えている。

このように構成された実施の形態４の高耐水圧光ファイバハイドロホンにおいて、各光ファイバ干渉計７Ａ、７Ｂ、７Ｃはそれぞれ実施の形態１と同様に動作する。復調部１２は、各光ファイバ干渉計７Ａ、７Ｂ、７Ｃの光を別々に復調し、方向判別部１３は、復調部１２にて別々に復調されて検出された各音の時間差から光ファイバコイルの円周上のどの方向から到来した音かを判別する。

以上説明したように、この実施の形態４によれば実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、光ファイバコイルの円周上のどの方向から到来した音を検知する構成において、従来公知の複数の光ファイバコイルを３角形に配置する構成（特開平１１−３３７６３２号公報）よりも、全体構成を細く小型化することができる。

実施の形態１では支柱２２を用いない例、実施の形態２と実施の形態３では支柱２２を用いる例を説明したが、支柱２２を用いるかどうかは光ファイバコイル１、弾性円筒３及び弾性円筒３１のそれぞれの硬さ、並びに必要な耐震性等で選択する。

上記実施の形態では、中空弾性体として、弾性円筒または円筒状の気泡入りゴムを用いる例で説明したが、その形状は、球、立方体の箱、など他の形状でも良く、要は内部に空間がある弾性体であれば良い。また、上記実施の形態では、中空弾性体の内部を空気室２として説明したが、中空弾性体の内部空間には、アルゴン（不活性、分子が大きい）を入れる場合や、真空にする場合、工程の都合で別のガスが入る場合等もあるため、必ずしも空気室に限られない。

すべての実施の形態において、光カプラ５とミラーを用いるマイケルソン干渉計を構成する例で説明したが、２つのファイバ・ブラッグ・グレーティングを用いる干渉計など他のタイプの干渉計で構成することもできる。

円筒型光ファイバコイルを用いる例で説明したが、振動板に渦巻き状に巻いた形など他の形にした光ファイバを用いることもできる。

実施の形態４では３つの干渉計を用いる例で説明したが、２つまたは４つ以上の干渉計を用いることもできる。

実施の形態４では弾性円筒を用いる例で示したが、気泡入りゴムなど他の弾性体を用いることもできる。

１ 光ファイバコイル、２ 空気室、３ 弾性円筒、４ 蓋、４ａ オリフィス、５ 光カプラ、５Ａ 光カプラ、５Ｂ 光カプラ、５Ｃ 光カプラ、６Ａ ミラー、６Ｂ ミラー、６Ｃ ミラー、６ａ ミラー、６ｂ ミラー、７ 光ファイバ、７Ａ 光ファイバ干渉計、７Ｂ 光ファイバ干渉計、７Ｃ 光ファイバ干渉計、８ 光ファイバ、９ ケース、１０ 光源、１１ 受光部、１２ 復調部、１３ 方向判別部、２１ 気泡入り弾性体、２２ 支柱、３１ 弾性円筒、４１ａ 隔壁、４１ｄ 隔壁、Ａ 光ファイバコイル、Ｂ１ 光ファイバコイル、Ｂ２ 光ファイバコイル、Ｃ１ 光ファイバコイル、Ｃ２ 光ファイバコイル、Ｓ１ 空間、Ｓ２ 空間。

Claims (5)

1. 光ファイバが円筒状に巻回されて構成された光ファイバコイルと、
   前記光ファイバコイルの内側に配置された中空弾性体と、
   前記光ファイバコイルの開放されている両端を閉塞する蓋と、
   前記蓋の一方に設けられ、前記光ファイバコイルの内側と外側との圧力平衡を保つための開口部と
   を有することを特徴とする高耐水圧光ファイバハイドロホン。
2. 前記中空弾性体は、内部が中空の円筒である弾性円筒であることを特徴とする請求項１記載の高耐水圧光ファイバハイドロホン。
3. 前記中空弾性体は、成形の容易な樹脂材料で作られていることを特徴とする請求項１記載の高耐水圧光ファイバハイドロホン。
4. 前記光ファイバコイルの内側に、前記中空弾性体を複数設けたことを特徴とする請求項１記載の高耐水圧光ファイバハイドロホン。
5. 前記光ファイバコイルを上下方向に複数配列した構成を有し、それぞれの光ファイバコイル内に配置する中空弾性体の位置を変えて音響中心をずらしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の高耐水圧光ファイバハイドロホン。

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