JP3121936U - 振動センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバの湾曲部の部分が小型でありながら高いＳ／Ｎ比を実現可能な振動センサを提供提供する。
【解決手段】光ファイバ１の入力端１１から、コヒーレントな光を入力する。この光は、周回部１２を通過し、出力端１３から出力される。入力光と出力光との間での、光としての周波数変化に基づいて、周回部１２に加えられた振動を計測することができる。周回部１２は、光ファイバ１を積層しながら周回することで構成されている。これにより、周回部１２での光ファイバの巻き数を増やしても、周回部１２の外径を小型とすることができる。また、周回部１２によって、光ファイバ１に湾曲部を形成できる。周回部１２での光ファイバの巻き数を増やすことで、周回部１２を小型に保ちながら、振動計測におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本考案は、光ファイバを通過する光の波長変化を用いて振動を検出できるセンサに関するものである。

下記特許文献１には、光ファイバを用いた振動測定装置が記載されている。この装置においては、光ファイバを湾曲させることで、この光ファイバに湾曲部を形成している。この湾曲部を被測定部位に取り付けた後、光ファイバの入力端にコヒーレント光を入力する。光ファイバへの入力光は、湾曲部を通って光ファイバの出力端から出力される。湾曲部を通る光の周波数（光としての周波数）は、湾曲部に加わる振動に対応して変化する。そこで、入力光と出力光との間の周波数変化を検出することにより、湾曲部に加えられた振動を測定することができる。この方法によれば、微少な振動を、広い帯域にわたって測定することができるという利点がある。また、この方法では、湾曲部の長さを長くすることにより、振動計測におけるＳ／Ｎ比を向上させることもできる。

ところで、このような原理を用いた振動計測の応用例として、地中での振動計測がある。この場合は、ボーリングで形成した孔を用いて、湾曲部を地中に埋設し、湾曲部に加わる振動を計測する。このような応用例では、地中の微少振動を計測するために、高いＳ／Ｎ比が求められる。また、ボーリング孔の径が小さいために、湾曲部を小型にする必要がある。
ＷＯ２００３／２９５６号公報

本考案は、前記のような状況に鑑みてなされたものである。本考案は、湾曲部の部分が小型でありながら高いＳ／Ｎ比を実現可能な振動センサを提供しようとするものである。

本考案に係る振動センサは、光ファイバと、検出部とを備えている。前記光ファイバは、入力端と、周回部と、出力端とを備えている。前記入力端には、コヒーレントな光が入力される構成となっている。前記周回部は、前記入力端と前記出力端との間に配置されている。かつ、前記周回部は、前記光ファイバを積層して周回することで構成されている。さらに、前記周回部には、前記入力端から入力された光が通過するように構成されている。前記出力端からは、前記周回部を通過した前記光が出力される構成となっている。前記検出部は、前記入力端に入力された光と、前記出力端から出力された光との間における、光としての周波数変化を検出することにより、前記周回部に加えられた振動を検出する構成となっている。

前記周回部を略円柱状に形成することができる。

また、前記周回部の軸心近傍を中空とすることもできる。

本考案の振動センサでは、光ファイバを積層して周回させることで、周回部を形成し、これによって、光ファイバに湾曲部を形成している。これにより、光ファイバにおける湾曲部の部分（つまり周回部の外径）を小型に保ちながら、振動計測における高いＳ／Ｎ比を実現することが可能になる。

以下、添付図面を参照しながら、本考案に係る振動センサの一実施形態を説明する。

（実施形態に係る振動センサの構成）
本実施形態の振動センサは、光ファイバ１と、検出部２とを備えている（図１参照）。この基本的な構成は、前記した特許文献１に記載の技術と同様である。

光ファイバ１は、入力端１１と、周回部１２と、出力端１３とを備えている。入力端１１には、検出部２から、コヒーレントな光が入力される構成となっている。ここでコヒーレントな光とは、振動計測に必要な程度に位相が揃っている光をいう。

周回部１２は、入力端１１と出力端１３との間に配置されている（図１参照）。また、周回部１２は、光ファイバ１を、周回部１２の厚さ方向（図３において上下方向）に積層して周回することで構成されている（図２〜図４参照）。ここで、周回部１２の厚さ方向とは、周回部１２の軸方向という意味である。周回部１２を形成することにより、光ファイバ１に、湾曲した部分（湾曲部）が形成される。周回部１２は、入力端１１から入力された光が通過するようになっている。

また、本実施形態の周回部１２は、略円柱状に形成されている。さらに、周回部１２の軸心近傍は、中空とされている。

光ファイバ１の出力端１３からは、周回部１２を通過した光が出力される構成となっている。

検出部２は、光ファイバ１の入力端１１に入力された光と、出力端１３から出力された光との間における、光としての周波数変化を検出する。検出部２は、これにより、周回部１２に加えられた振動を検出する構成となっている。この検出の原理は、前記した特許文献１に記載された技術と同様である。

（振動センサの動作）
本実施形態の振動センサの使用に際しては、周回部１２を、振動計測すべき箇所に配置する。このとき、振動計測部位から周回部１２に振動が伝達するように、両者を適宜な固定手段（例えば接着剤，接着テープ，グリース等）で固定することが好ましい。この状態で、光ファイバ１の入力端１１から光を入力すると、この光は、周回部１２を、光ファイバ１の周回に従って周回しながら通過する。その後、この光は、光ファイバ１の出力端１３から出力される。

周回部１２に振動が伝達されると、周回部１２を通過する光の周波数（あるいは波長）は、振動に対応して変化する。この周波数の変化を検出部２で検出することにより、周回部１２に加えられた振動を計測することができる。

この計測においては、光の周波数変動を用いているので、光ファイバを通過する光の強度変化を用いた振動センサに比べて、微少な振動を精度良く計測することができるという利点がある。また、ピエゾ素子を用いた振動センサに比較すると、本実施形態の振動センサには、広帯域での高精度の振動計測が可能になるという利点がある。

（振動センサ用の保護ケースの構成例）
つぎに、本実施形態の振動センサにおける周回部１２を収納する保護ケース３について説明する。この保護ケースは、本体３１と、蓋３２と、保護管３３とを備えている（図５及び図６参照）。

本体３１には、周回部１２を内部に収納する凹部３１１が形成されている。また、本体３１の側面には、周回部１２から入力端１１及び出力端１３への光ファイバ１を通過させる穴３１２が形成されている。

蓋３２は、凹部３１１の開口面をふさぐように構成されている。蓋３２と本体３１とは、例えばボルトなどの適宜な固定手段で固定されるようになっている。蓋３２と本体３１との間は、Ｏリングなどのシール部材でシールされることが好ましい。

保護管３３は、本体３１の穴３１２に接続されており、穴３１２から外部に延びる光ファイバ１を内部に収納するようになっている。

凹部３１１の内面には、周回部１２を取り付けるには、両者を接着剤などの固定手段で固定することが好ましい。保護ケース３を用いた場合には、保護ケース３によって周回部１２に伝達された振動を計測することができる。

（実験例）
次に、本実施形態に係る振動センサを用いた実験例を説明する。

まず、実験装置を図７に基づいて説明する。ここでは、試験片４として、アルミ合金のブロック（大きさ：３０ｃｍ×３０ｃｍ×１５ｃｍ）を用いている。試験片４には、前記実施形態で説明した周回部１２を取り付ける。取付状態としては、周回部１２の端面が試験片４の表面と平行になるように取り付ける。取付の方法としては、接着剤による接着が好ましいが、特に限定されない。検出部２で検出された振動は、デジタルオシログラフ５で表示できるようになっている。

試験片４には、発振器６により、予め設定した振動が加えられるようになっている。発振器６から加えた振動もデジタルオシログラフ５で表示できる。

また、この実験例では、比較のため、ピエゾ素子７を試験片４に取り付けて振動計測を行った。ピエゾ素子７の出力は、アンプ８を介してデジタルオシログラフ５に送られる。このピエゾ素子７は、ほぼ３０ｋＨｚに共振点を持つものである。

結果を図８に示す。このグラフの横軸は振動の周波数、縦軸は発振特性及び受振電圧（ｍＶ）を表している。このグラフは、ノイズが一定で受振電圧が大きくなっていることを表すものである。このグラフにおける線の意味は以下の通りである。
・太い実線にｘの印：発振器６からの発振特性（振動の発振強度）
・荒い破線：４０ｍの光ファイバを積層させながら周回させて構成した周回部を用いた、本実施形態の装置での受振強度（ｍＶ）
・細かい波線：２０ｍの光ファイバを積層させながら周回させて構成した周回部を用いた、本実施形態の装置での受振強度（ｍＶ）
・細い実線：２ｍの光ファイバを、積層させずに周回させて（つまりほぼ同心円状に周回させて）構成した湾曲部を、本実施形態の周回部に代えて用いた装置での受振強度（ｍＶ）
・一点鎖線：ピエゾ素子での、振動の受振強度（ｍＶ）

これから明らかなように、本実施形態に対応した周回部（図中荒い破線及び細かい破線）を用いた場合には、発振強度に受振強度が追従する。これは、大きな振幅の振動が加わった場合に、受振した振動の振幅（つまりシグナル値）も大きくなることを意味する。一方、ノイズのレベルは、使用機器などに依存してほぼ一定である。したがって、本実施形態によれば、振動計測における高いＳ／Ｎ比を得ることができ、微少な振動を感度良く測定することが可能になる。これに対して、光ファイバを積層させないで周回した場合（細い実線）では、発振強度に対する受振強度の変化量が少ないので、Ｓ／Ｎ比としては低くなる傾向にある。ピエゾ素子を用いた場合（一点鎖線）では、さらに低いＳ／Ｎ比となる。

また、本実施形態の周回部１２は、光ファイバ１を、周回部１２の厚さ方向に積層して周回された構成となっているので、長い光ファイバを周回させているにも拘わらず、その外径を小さくすることができる。したがって、保護ケース３の寸法（外径）を小型化することができる。

さらに、周回部１２での巻き数を増やしても、光ファイバ１を積層するので、周回部１２の外径を小さく保つことができる。しかも、巻き数を増やせば、実験結果から明らかなように、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。

また、本実施形態では、周回部１２での巻き数を増やしても、保護ケース３を小型化できるので、周回部１２を地中に配置するためのボーリング孔の径を小さくすることができ、ボーリングに要する経費や時間を削減することも可能になる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の装置によれば、周回部１２の外径を小型としながら、振動計測における高いＳ／Ｎ比を実現することが可能になるという利点がある。

なお、本考案に係る振動センサは、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本考案の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得るものである。

例えば、前記実施形態では、周回部１２を保護ケース３に収納するものとしたが、これに限るものではなく、用途によっては、保護ケース３を省略することができる。例えば、周回部１２を計測部位に直接取り付けてもよい。

また、前記実施形態では、地中の振動を計測する例を説明したが、機械部品や橋梁の振動を計測するなど、地中以外の振動を計測することも可能である。

本考案の一実施形態における振動センサの全体的な構成を示す説明図である。 図１に示す周回部の拡大平面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２に示す周回部の斜視図である。 保護ケースの一例を示す概略的な要部断面図であって、蓋を開いた状態の図である。 図５の概略的な平面図であって、蓋を省略した状態の図である。 実験例で用いた実験装置を説明するためのブロック図である。 実験例で得られた結果を示すグラフであって、横軸は振動の周波数（ｋＨｚ）、縦軸は発振特性及び受振電圧を示している。

符号の説明

１ 光ファイバ
１１ 入力端
１２ 周回部
１３ 出力端
２ 検出部
３ 保護ケース
３１ 本体
３１１ 凹部
３１２ 穴
３２ 蓋
３３ 保護管
４ 試験片
５ デジタルオシログラフ
６ 発振器
７ ピエゾ素子
８ アンプ

Claims (3)

1. 光ファイバと、検出部とを備えており、
   前記光ファイバは、入力端と、周回部と、出力端とを備えており、
   前記入力端には、コヒーレントな光が入力される構成となっており、
   前記周回部は、前記入力端と前記出力端との間に配置されており、
   かつ、前記周回部は、前記光ファイバを積層して周回することで構成されており、
   さらに、前記周回部には、前記入力端から入力された光が通過するように構成されており、
   前記出力端からは、前記周回部を通過した前記光が出力される構成となっており、
   前記検出部は、前記入力端に入力された光と、前記出力端から出力された光との間における、光としての周波数変化を検出することにより、前記周回部に加えられた振動を検出する構成となっている
   ことを特徴とする振動センサ。
2. 前記周回部が、略円柱状に形成されている、請求項１に記載の振動センサ。
3. 前記周回部の軸心近傍が中空とされている、請求項２に記載の振動センサ。
   

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