JP3517699B2

JP3517699B2 - 振動計測装置および振動計測方法

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Publication number: JP3517699B2
Application number: JP2003508894A
Authority: JP
Inventors: 和郎影山; 勇大澤; 誠金井; 幸也土田; 啓一永田
Original assignee: 株式会社先端科学技術インキュベーションセンター
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-04-12
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: CN1520511A; US7262834B2; US20060152735A1; WO2003002956A1; EP1400792A1; JPWO2003002956A1; EP1400792A4; KR20040019319A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、振動を計測するための装置および方法に関
するものである。

背景技術微少振幅の弾性波（弾性振動）を計測するために、従
来から、ＡＥ（AcousticEmission）センサが用いられて
いる。このＡＥセンサには、通常は、ピエゾなどの圧電
素子が用いられている。この技術では、圧電素子の共振
を使って振幅を増幅することにより、高感度の計測を行
うことができる。しかしながら、この技術では、共振を
使うため、計測できる周波数帯域が狭くなるという問題
がある。

また、レーザドップラ光ファイバセンサをＡＥセンサ
に応用することが提案されている。この方法の原理は、
概略次の通りである。まず、光ファイバの一端に光源を
接続する。ファイバの他端には、入力光を反射してファ
イバに戻す反射鏡を取り付ける。光ファイバに振動が加
わると、ファイバの伸縮に伴い、ファイバ中での光路長
が変化する。光路長の時間変化をｄＬ／ｄｔとすると、
ファイバ端で反射する光は、ドップラー効果により、ｄ
Ｌ／ｄｔに比例して、その周波数が変化する。したがっ
て、ファイバ端からの反射光と入力光との周波数変化を
計測することで、振動を計測することができる。このよ
うなセンサは、広帯域ではあるが、低感度であるという
解決課題を有している。

ところで、本発明者は、光ファイバを湾曲させ、この
湾曲部に振動を与えて、入力光と、ファイバを通過した
出力光との間での周波数変化を観察した。その結果、湾
曲部において、微少振動に対応した周波数変化が発生し
ているという知見を得た。

本発明は、前記の知見に基づいてなされたもので、簡
単な構成でありながら、広帯域の振動を高感度で計測し
うる振動計測装置および方法を提供することを目的とし
ている。

発明の開示本発明の振動計測装置は、入力部と光ファイバと検出
部とを備えており、前記入力部は、前記光ファイバに入
力光を入力するものであり、前記光ファイバは、計測す
べき振動が加えられる湾曲部を有し、前記湾曲部は、前
記入力光が通過するものとなっており、前記検出部は、
前記湾曲部を通過した前記光ファイバからの出力光と前
記入力光との間での周波数変化を検出するものとなって
いる。

前記の振動計測装置は、前記湾曲部を、前記光ファイ
バを周回させることによって形成してもよい。前記周回
における巻数は、２以上であってもよい。

前記湾曲部は、その一側（曲げられた状態において曲
率中心側）において開放状態とされていてもよい。

本発明の振動計測方法は、光ファイバの一部に形成さ
れた湾曲部を被計測箇所に配置し、前記光ファイバを通
過する光の周波数変化に基づいて、前記被計測箇所にお
ける振動を計測する構成となっている。

本発明の振動計測装置における湾曲部は、前記光ファ
イバを被計測物に周回させることによって形成してもよ
い。

本発明の振動計測方法は、被計測物へのねじり振動を
湾曲部に伝達させることによって、ねじり振動を計測す
ることもできる。

本発明の振動計測方法は、被計測物の軸方向への振動
を、被計測物の変形によって、被計測物の側面での振動
に変換し、側面での振動を、側面に取り付けられた湾曲
部に伝達させることによって、被計測物の軸方向への振
動を計測するものであってもよい。

本発明の振動計測装置は、前記湾曲部を、１本の光フ
ァイバにおいて複数備えた構成であってもよい。

本発明の振動計測装置は、入力部と本体と光ファイバ
と検出部とを備えており、前記入力部は、前記光ファイ
バに入力光を入力するものであり、前記本体は、筒状に
構成されており、さらに、前記本体は、その内部に振動
伝達媒体を導入することができるようになっており、前
記光ファイバは、前記本体に周回させられることによっ
て湾曲部が形成されており、前記湾曲部は、前記入力光
が通過するものとなっており、前記検出部は、前記湾曲
部を通過した前記光ファイバからの出力光と前記入力光
との間での周波数変化を検出するものである構成であっ
てもよい。

本発明の振動計測方法は、前記本体の内部に前記媒体
を導入した状態で前記媒体における振動を計測する構成
であってもよい。

本発明の振動計測装置においては、複数の湾曲部が、
一つの被計測物に取り付けられている構成であってよ
い。

本発明の非破壊検査方法は、この振動計測装置を用い
て前記被計測物での振動を計測する構成となっている。

本発明の非破壊検査方法は、既知の振動を前記被計測
物に加え、前記既知の振動に基づく振動を振動計測装置
で測定することによって、前記被計測物の検査を行う構
成であってもよい。

本発明の振動計測装置は、入力部と光ファイバと検出
部とを備えており、前記入力部は、前記光ファイバに入
力光を入力するものであり、前記光ファイバは、計測す
べき振動が加えられる湾曲部を有し、前記湾曲部は、前
記入力光が通過するものとなっており、前記湾曲部は、
前記光ファイバを周回させることによって形成されてお
り、さらに、前記湾曲部の直径は、測定対象である振動
の一波長以下である構成であってもよい。

本発明の振動計測装置は、入力部と光ファイバと検出
部とを備えており、前記入力部は、前記光ファイバに入
力光を入力するものであり、前記光ファイバは、計測す
べき振動が加えられる湾曲部を有し、前記湾曲部は、前
記入力光が通過するものとなっており、前記湾曲部は、
その一側において開放状態とされており、さらに、前記
湾曲部における開口長さは、測定対象である振動の一波
長以下である構成であってもよい。

本発明の振動計測装置は、入力部と測定光用光ファイ
バと基準光用光ファイバと検出部とを備えており、前記
入力部は、前記測定光用光ファイバに測定光を入力し、
かつ、前記基準光用光ファイバに基準光を入力するもの
であり、前記測定光用光ファイバは、計測すべき振動が
加えられる湾曲部を有し、前記湾曲部は、前記測定光が
通過するものとなっており、前記検出部は、前記各光フ
ァイバを通過した前記測定光と前記基準光との間におけ
る周波数の変化に基づいて、前記湾曲部に加えられた振
動を検出するものである構成であってもよい。

本発明の振動計測装置における測定光用光ファイバと
基準光用光ファイバとを同じ光路長としてもよい。

本発明の振動計測装置における測定光用光ファイバと
基準光用光ファイバとを同じ経路に配置してもよい。

本発明の振動計測装置は、測定光用光ファイバおよび
基準光用光ファイバが、前記入力部から内部に入力され
た測定光および基準光を端部で反射させる構成となって
おり、検出部が、反射された測定光と基準光との間にお
ける周波数の変化を検出する構成となっているものであ
ってもよい。

本発明の振動計測装置における湾曲部を、球体の周囲
に配置してもよい。

本発明のアクティブコントロールシステムは、前記し
たいずれかの振動計測装置を備えており、前記振動計測
装置によって計測された振動に対応した制御を行うもの
である。

図面の簡単な説明図１は、本発明の第１実施形態に係る振動計測装置の
概略を説明するための説明図である。

図２は、本発明の第１実施形態における湾曲部の他の
例を示す説明図である。

図３は、第１実施形態の実施例１における実験結果を
示すグラフの図面表示である。同図（ａ）の縦軸は圧電
素子の伸縮による変位量を示し、横軸は時間を示す。同
図（ｂ）は、同図（ａ）の周波数スペクトル図である。
同図（ｃ）は、実施例の装置により検出された周波数変
化を示すもので、縦軸は周波数の変化量、横軸は時間で
ある。同図（ｄ）は、同図（ｃ）の周波数スペクトル図
である。

図４は、本実施形態の比較例１における実験結果を示
すグラフの画面表示である。同図（ａ）〜（ｄ）は、図
３（ａ）〜（ｄ）に対応している。

図５は、本実施形態の実施例２における実験結果を示
すグラフである。同図（ａ）の縦軸は、振動に対応して
検出された周波数変化量を、検出部３において得られた
出力電圧［Ｖ］として示したものである。横軸は、湾曲
部２０に対する圧電素子の角度を示す。同図（ｂ）の縦
軸は、同図（ａ）の縦軸を対数表示したものである。同
図（ｃ）は、湾曲部２０と圧電素子との角度の取り方を
説明するための説明図である。

図６は、本実施形態の比較例２における実験結果を示
すグラフである。同図（ａ）〜（ｃ）は、図５（ａ）〜
（ｃ）に対応している。

図７は、本実施形態の実施例３および比較例３におけ
る実験結果を示すグラフである。このグラフにおける縦
軸は、振動に対応して検出された周波数変化量を、検出
部３において得られた出力電圧［Ｖ］として示したもの
である。このグラフにおける横軸は、湾曲部２０の巻数
である。

図８は、本発明の第２実施形態に係る振動計測装置の
要部を説明するための説明図である。

図９は、本発明の第２実施形態に係る振動計測装置の
要部を説明するための説明図である。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る振動計測装置
の要部を説明するための説明図である。

図１１は、本発明の第４実施形態に係る振動計測装置
の要部を説明するための説明図である。

図１２は、本発明の第５実施形態に係る振動計測装置
の要部を説明するための説明図である。

図１３は、本発明の第６実施形態に係る振動計測装置
の要部を説明するための説明図である。

図１４は、本発明の実施例４に係る振動計測装置の要
部を説明するための説明図である。

図１５は、本発明の実施例４における測定結果（６０
５Hz付近）を示すグラフである。

図１６は、本発明の実施例４における測定結果（２３
０kHz付近）を示すグラフである。

図１７は、本発明の第７実施形態に係る振動計測装置
の要部を説明するための説明図である。

図１８は、本発明の第７実施形態に係る振動計測装置
を用いた非破壊検査方法を説明するための説明図であ
る。

図１９は、本発明の第７実施形態に係る振動計測装置
による計測結果を示すグラフである。

図２０は、本発明の実験例に用いる振動計測装置の要
部を説明するための説明図である。

図２１は、本発明の実験例に用いる振動計測装置の要
部を説明するための説明図である。

図２２は、本発明の実験例に用いる振動計測装置の要
部を説明するための説明図である。

図２３は、本発明の実験例に用いる振動計測装置の要
部を説明するための説明図である。

図２４は、本発明の実験例に用いる振動計測装置の要
部を説明するための説明図である。

図２５は、本発明の実験例における計測結果を示すグ
ラフである。

図２６は、本発明の実験例における計測結果を示すグ
ラフである。

図２７は、ループ状湾曲部の直径と検出感度との関係
を示すグラフである。

図２８は、本発明の第８実施形態に係る振動計測装置
の概略を示す説明図である。

図２９は、本発明の第８実施形態に係る振動計測装置
の変形例を示す説明図である。

図３０は、本発明の第８実施形態に係る振動計測装置
の変形例を示す説明図である。

図３１は、本発明の第８実施形態に係る振動計測装置
の変形例を示す説明図である。

図３２は、本発明の第９実施形態に係る振動計測装置
の概略を示す説明図である。

発明を実施するための最良の形態本発明の第１実施形態に係る振動計測装置および計測
方法について、添付の図面を参照しながら以下に説明す
る。

この振動計測装置は、入力部１と光ファイバ２と検出
部３とＡＯＭ（Acoustic Optical Modulator）４を主な
構成として備えている。

入力部１は、光ファイバ２に入力光を入力するもので
ある。例えば、具体的には、入力部１は、半導体や気体
などを用いたレーザである。したがって、入力部１は、
レーザ光（コヒーレント光）を光ファイバ２に入力でき
るようになっている。入力部１は、カプラ２１を介して
光ファイバ２に接続されている。入力部１とカプラ２１
との間には、入力光の一部をＡＯＭ４に送るためのハー
フミラー１１が配置されている。ここで、入力光の周波
数は特に限定されず、可視光域でも赤外域でもよい。

光ファイバ２は、計測すべき振動が加えられる湾曲部
２０を有している。湾曲部２０は、光ファイバ２を周回
することによって形成されている。巻数（周回数）は、
特に限定されないが、本実施形態では１である。したが
って、湾曲部２０は、光ファイバ２に入力された入力光
（測定光）が通過するものとなっている。湾曲部２０
は、振動を計測すべき箇所に配置される。例えば、湾曲
部２０は、接着テープや接着剤などの接着手段により、
被計測箇所に接着される。あるいは、湾曲部２０を被計
測物に埋め込んでもよい。光ファイバ２の種類として
は、特に限定されず、例えばＧＩ型、ＳＩ型、シングル
モード型、マルチモード型などの適宜のものが利用可能
である。

検出部３は、湾曲部２０を通過した、光ファイバ２か
らの出力光と、入力部１からの入力光との間での周波数
変化を検出するものである。具体的には、ハーフミラー
１１、ＡＯＭ４（後述）、ハーフミラー３１を介して送
られた入力光と、光ファイバ２からの出力光とのビート
をとり、ビート周波数の変化を検出できるようになって
いる。これにより、入出力光間の周波数変化を検出して
いる。検出部３は、カプラ２２を介してファイバ２に接
続されている。

ＡＯＭ４は、入力光周波数ｆ₀を変化させて、ｆ₀＋ｆ
_M（ｆ_Mは正負を含む。）とすることができるようになっ
ている。そのようなＡＯＭの構成は周知なので、詳細な
説明は省略する。なお、この実施形態では、ＡＯＭを用
いているが、入力光の周波数を変化させることができれ
ば、どのようなものを用いてもよい。

つぎに、前記装置を用いた振動計測方法を説明する。

まず、ファイバ２の湾曲部２０を、任意の固定手段
（例えば接着テープや接着剤）を用いて、被計測箇所に
配置する。一方、ファイバ２には、入力部１から入力光
を送っておく。この状態で、湾曲部２０に振動（弾性
波）が加わると、振動に応じて、湾曲部２０を通過する
光の周波数が変化する。すなわち、出力光の周波数が変
化する。この周波数変化を検出部３で検出する。これに
より、被計測箇所から湾曲部２０に加えられた振動を周
波数変化として検出することができる。つまり、被計測
箇所における振動を計測できる。湾曲部２０において検
出できる振動は、湾曲部２０の半径方向へのベクトル成
分を有する振動であると考えられる。ただし、後述する
ように、湾曲部２０の軸方向での振動を、径方向での振
動に変換することで、軸方向の振動を計測することも可
能である。

ここで、本実施形態では、ＡＯＭ４により、検出部３
に入力される入力光の周波数を変えることができる。こ
のため、ＡＯＭ４での周波数変化量Δｆ₁を変えること
により、湾曲部２０を通過した光の周波数変化Δｆ₂が
正方向なのか負方向なのかを知ることができる。つま
り、Δｆ₁＞０としたとき、Δｆ₂が大きくなれば、周波
数変化は正方向となり、Δｆ₂が小さくなれば、周波数
変化は負方向となる。光の周波数変化Δｆ₂の正負が判
定できると、振動の正負（湾曲部の外側への振動か内側
への振動か）を知ることができる。この理由は、次のよ
うであると推定される。すなわち、発明者らの知見によ
れば、周波数変化量は、湾曲部２０の垂線方向（法線方
向）における、湾曲部２０の変位速度の変化量に対応す
ると考えられる。式で記載すると以下の通りである。

ここで、ｄｆ：光ファイバの湾曲部における微少部分を通過した
光の周波数変化量、ｆ₀：入力光の周波数、ｃ：光ファイバ中を伝播する光の速度、ｄθ：湾曲部における微少部分、：ｄθ部分の速度ベクトル、：湾曲部での法線ベクトル、演算子・：ベクトルの内積、である。つまり、湾曲部２０における、光ファイバ２と
直交する方向における変位速度と、光の周波数変化量と
が、比例すると考えられる。

ここで、光の周波数変化が正方向なのか負方向なのか
を知ることができると、前記の考察に基づいて、変形量
の正負を検出できることになる。つまり、変形が、湾曲
部２０のつぶれる方向なのか、伸びる方向なのかを知る
ことが可能となると考えられる。なお、周波数変化の方
向を知る必要がない場合（例えば振動強度だけ判ればよ
い場合）には、ＡＯＭの設置を省略してよい。

本実施形態の装置によれば、通常の光ファイバを用
い、被計測箇所においてファイバを湾曲させて取り付け
るだけで、その場所における振動を計測することができ
る。したがって、装置の構成が簡単であるという利点が
ある。

ループ状の湾曲部２０における直径ｄ（図１参照）
は、測定対象である振動の一波長以下であることが好ま
しい。図２７には、直径を変えて検出感度を測定した結
果を示す。振動の一波長は、この例では３０ｍｍとされ
ている。直径が３０ｍｍ以上では、感度は余り変化しな
い。しかし、直径が一波長以下では、感度が上昇してい
る。

なお、本実施形態では、湾曲部２０を、光ファイバ２
を周回させることによって形成した。しかしながら、図
２に示すように、湾曲部２０を、その一側、すなわち、
曲げた状態における曲率中心側（図中下側）において開
放状態とする構成としてもよい。この場合には、光ファ
イバ２に交差する方向からの振動に対して高感度であ
り、光ファイバ２に沿う方向からの振動には低感度とな
る（後述の実施例２参照）。したがって、この場合に
は、振動計測に指向性を持たせることができるという利
点がある。また、図２の例では、入力光と出力光との間
で光の向きが、例えば上向きと下向きのように、変わる
ことになる。

なお、湾曲部２０における開口長さｌ_３（図２参照）
も、湾曲部２０がループ状の場合と同様に、測定対象で
ある振動の一波長以下であることが好ましいと考えられ
る。

また、本実施形態では、湾曲部２０の巻数を１とした
が、２以上であってもよい。この場合には、振動に対す
る感度を向上させることができる（後述の実施例３参
照）。

［実施例］つぎに、前記実施形態における装置および方法を用い
た実施例および比較例を説明する。

（実施例１）板（具体的には強化プラスチック）の上に、湾曲部２
０全体を、接着テープにより貼り付けた。また、湾曲部
２０以外のファイバ２は、板に接着させなかった。この
とき、湾曲部２０は、１巻きで周回された構成とした。
湾曲部２０の円周は６２ｍｍとした。同じ板の上に、振
動源としての圧電素子（ピエゾ）を取り付けた。したが
って、この圧電素子は、加わる交流電圧に応じた振動を
板に加えるようになっている。湾曲部２０と圧電素子と
の距離は、５０ｍｍとした。なお、圧電素子の位置は、
図１を参照して、湾曲部２０の直上となる位置としてい
る。

この条件で、圧電素子を振動させた。圧電素子の振動
波形を図３（ａ）に、この振動をフーリエ解析して得た
周波数スペクトルを同図（ｂ）に示す。また、このとき
の出力光の周波数変化を図３（ｃ）に、図３（ｃ）の周
波数スペクトルを同図（ｄ）に示す。図３（ｃ）におけ
る縦軸は周波数の変化量である。

図３から判るように、圧電素子で得られる程度の微少
振幅を、この装置により、比較的高精度で検出できてい
る。しかも、スペクトルの対比から判るように、広帯域
での検出が実現されている。

（比較例１）対比のため、湾曲部を有しない、直線上の光ファイバ
を、６２ｍｍにわたって、接着テープによって、板に貼
り付けた。貼り付けられたファイバと圧電素子との距離
は５０ｍｍとした。他の条件は実施例１と同様とした。

結果を図４に示す。湾曲部を有しないファイバでは、
圧電素子の振動をほとんど検出できないことが判る。

（実施例２）実施例２では、湾曲部２０を、図２の例と同様に、一
側（曲率中心側）を開放した構成とした。他の条件は、
実施例１と同様とした。

この条件で、圧電素子を振動させた。圧電素子の位置
は、３０゜づつ変化させた。角度に応じた周波数変化量
の大きさを電圧値として表したグラフを図５（ａ）に示
す。同図（ｂ）には、この変化量を対数で表示したグラ
フを示す。ここで、角度の取り方を同図（ｃ）により示
す。この実施例では、同図においてθ方向（すなわち反
時計方向）への回転を正としている。なお、湾曲部２０
の先端部での曲率半径は約５ｍｍであり、全体としての
折り曲げ角度αは約９０゜とした。

これらの結果から、湾曲部２０の一側を開放した場合
は、曲率中心側またはその反対側からの振動に対して感
度が良いという、指向性を有することが判る。これによ
り、指向性のある振動センサを得ることができる。する
と、例えば、振動位置の特定に有効な振動センサを得る
ことができる。

（比較例２）対比のため、周回した湾曲部２０（図１参照）を用い
て、実施例１における振動計測装置で計測を行った。こ
の場合における、圧電素子の角度θの取り方を、図６
（ｃ）に示す。

計測結果を図６（ａ）および（ｂ）に示す。開放され
ていない、周回された湾曲部２０では、指向性は低いこ
とが判る。このため、実施例１の装置は、無指向性の振
動計測に適することが判る。

（実施例３および比較例３）実施例３では、湾曲部２０を、複数回周回した構成と
した。周回数は、２回、５回および１０回とした。湾曲
部の曲率半径は、５ｍｍとした。他の条件は、実施例１
と同様とした。

この条件で、圧電素子を振動させた。電圧値として出
力された周波数変化量の大きさを、図７の巻数２、４、
６、８、１０の部分に示す。

比較例３として、湾曲部２０の巻数を１とし、他の条
件を実施例３と同様として、振動計測を行った。結果を
図７の巻数１の部分に示す。

両者の対比から、巻数を増やすほど高感度となること
が判る。

つぎに、本発明の第２実施形態に係る振動計測装置お
よび計測方法について、図８に基づいて説明する。この
実施形態では、被計測物５として、外面が円柱状とされ
たものが用いられている。光ファイバ２は、被計測物５
の外面に周回させられている。これにより、光ファイバ
２に、湾曲部２０が形成されている。このような構成と
すれば、被計測物５を、プローブとして任意の箇所に取
り付けることにより、任意の箇所における振動を、被計
測物５を介して計測することができる。前記以外の他の
構成および利点は、第１実施形態と同様なので、説明を
省略する。

なお、図８に示した例では、光ファイバ２を被計測物
５に複数回周回させているが、図９に示すように、１回
のみ周回させてもよい。

つぎに、本発明の第３実施形態に係る振動計測装置に
ついて、図１０に基づいて説明する。この実施形態で
は、被計測物５に対して、光ファイバ２が斜め方向に周
回されている。このようにすると、被計測物５に作用す
るねじり振動を計測しやすいという利点がある。他の構
成および利点は第２実施形態と同様である。

つぎに、本発明の第４実施形態に係る振動計測装置に
ついて、図１１に基づいて説明する。この実施形態で
は、被計測物５は、短尺筒状とされている。この被計測
物５に対して、図８の例と同様に、光ファイバ２が周回
され、湾曲部２０が形成されている。この第４実施形態
によれば、被計測物５に対してその軸方向に加えられた
振動を、被計測物５のポアソン比に従って、被計測物５
の周面における振動に変換することができる。このよう
に変換された振動は湾曲部２０に伝達される。これによ
り、被計測物５の軸方向に加えられた振動を測定するこ
とも可能である。すると、例えば、この振動計測装置
を、音響用のピックアップとして用いることが考えられ
る。また、被計測物５を圧電素子により構成することも
可能である。このようにすれば、被計測物５に加えられ
た電圧の変化を振動として計測することが可能になる。

つぎに、本発明の第５実施形態に係る振動計測装置に
ついて、図１２に基づいて説明する。この実施形態で
は、湾曲部２０が、１本の光ファイバ２において複数備
えられている。具体的には、被計測物５における複数箇
所（図示例においては２カ所）において、１本の光ファ
イバ２が周回されている。このようにすると、被計測物
５の複数箇所で発生する振動を、その近くに存在する湾
曲部２０によって測定することができる。このような構
成は、被計測物５の破壊などの原因による振動の検出の
ために好ましい。一般に光ファイバは低損失なので、１
本の光ファイバ２を長尺としても、出力光のゲインの低
下は少なくすることができる。

また、本実施形態では、複数の湾曲部２０の間におけ
る光ファイバ２を、緩やかに周回させている（図１２参
照）。光ファイバ２を被計測物５の軸方向に沿って配置
すると、被計測物５の曲げにより光ファイバ２の長さが
変化する。この長さをＬとすれば、既に知られているよ
うに、ｄＬ／ｄｔに応じて、ファイバ２を流れる光の周
波数が変化する。こうした、曲げに起因する周波数変化
は、振動を計測する目的のためには、ノイズとなってし
まう。図１２のように、光ファイバ２を緩やかに周回さ
せると、被計測物５の曲げによって、光ファイバ２に
は、場所によって伸びる部分と縮む部分とが発生する。
すると、全体として、ほぼ、伸びをキャンセルすること
ができる。これにより、振動計測をより正確に行うこと
ができるという利点がある。

つぎに、本発明の第６実施形態にかかる振動計測装置
について、図１３に基づいて説明する。この装置は、本
体６を備えている。本体６は、前記の実施形態における
被測定物に対応する。本体６は、中空の筒状、より具体
的には円筒状に形成されている。本体６の両端面は開口
されている。この構成により、本実施形態では、本体６
内部に振動伝達媒体（圧力波や弾性振動を伝達できる媒
体）を導入することができるようになっている。本体６
の外周には、前記実施形態と同様に、光ファイバ２が周
回されており、これによって、湾曲部２０が形成されて
いる。他の構成は、前記第２実施形態と同様である。

第６実施形態の振動計測装置は、振動伝達媒体（例え
ば水などの液体）の中における振動のセンサ（例えば水
中の音響センサ）として用いることができる。また、弾
性振動媒体としては、気体でもよい。この場合は、例え
ば、空気中の音響センサとしての用途がある。第６実施
形態においては、通常は、本体６の内部に前記媒体を導
入して（例えば本体６を水中に浸して）、媒体から本体
６に伝達される振動を計測する。

（実施例４）被測定物５としてスチール製の円柱状部材を用い、振
動測定を行った。まず、装置構成を図１４に基づいて説
明する。被測定物の長さｌ₁は４ｍ、直径は１５ｍｍと
した。被測定物５には、前記第２実施形態に記載された
ように、光ファイバ２が周回されている。周回箇所は、
被測定物５の一端（図中左端）から約５０ｃｍの距離ｌ
₂とした。光ファイバ２の周回により、湾曲部２０が形
成されている。光ファイバ２には、図１と同様に、入力
部１、検出部３、AOM４などの適宜のコンポーネントが
接続されている。さらに、この実施例では、検出部３に
より検出された振動のうち、特定の周波数帯域のものを
抜き出すバンドパスフィルタ（図示せず）が接続されて
いる。このフィルタは、アナログフィルタにより構成し
ても、ディジタルフィルタにより構成してもよい。

被測定物５の一端には、超音波発信器７が取り付けら
れている。超音波発信器７は、この例では、２３０kHz
の振動を発生するようになっている。被測定物５の他端
には、低周波発信器８が取り付けられている。低周波発
信器８は、この例では、６０５Hzの振動を発生するよう
になっている。

つぎに、この実施例における振動測定方法について説
明する。まず、超音波発信器７および低周波発信器８を
作動させて、それぞれの振動を被計測物５に加える。こ
の振動を、湾曲部２０、光ファイバ２および検出部３
（図１参照）により検出した。検出した振動のうち、６
０５Hz付近の成分をフィルタにより取り出した。取り出
した振動波形を図１５に示す。図には、光ファイバ２を
１０回巻きした場合と、１回巻きした場合とが示されて
いる。１０回巻きのほうが高感度となり、S/N比も向上
できることがわかる。

同時に、検出部３により検出した振動のうち、２３０
kHz 付近の成分をフィルタにより取り出した。取り出し
た振動波形を図１６に示す。この図においても、光ファ
イバ２を１０回巻きした場合と、１回巻きの場合とが示
されている。

ここで、湾曲部２０での周波数変化量は、下記の理由
により、周回部の半径によらないと考えられる。まず、
前記（１）式を、半径Ｒのループ一周で積分すると、となる。

湾曲部２０を円筒状に周回させた場合、速度成分は常
に周回部の垂直方向であるので、となる。また、速度成分はθ方向によらないため、周回
数がｍの場合、湾曲部２０での周波数変化は、となり、周回部の半径には依存しなくなる。

この実施例から、つぎのことが判る。第１に、円柱状
の被計測物５（すなわち本体６）に湾曲部２０を取り付
けることによって、被計測物の振動を計測することがで
きる。

第２に、一本の光ファイバ２に形成された湾曲部２０
に、異なる周波数成分を持つ振動を入力しても、これら
をそれぞれ計測することができる。

なお、光ファイバ２の湾曲部２０の曲率半径が５mm〜
１０mmより小さいと、光ファイバの材質にもよるが、曲
げ損失が大きくなるので、実用が難しくなる。

つぎに、本発明の第７実施形態にかかる計測装置を図
１７に基づいて説明する。この実施形態では、１本の光
ファイバ２が複数箇所において周回させられており、こ
れによって複数の湾曲部２０が形成されている。複数の
湾曲部２０は、図１７に示されているように、一つの検
査領域としての被計測物５に取り付けられている。この
被計測物５は、パネル状に構成されている。第７実施形
態において、被計測物５の損傷その他の理由によって、
いずれかのまたは複数の湾曲部２０に振動が加わると、
その振動を検出部３により検出することができる。この
ような使用方法は、構造物のモニタリングに適してい
る。

図１７記載の計測装置は、被計測物５の能動的な非破
壊検査にも適している。その使用方法を図１８に示す。
被計測物５に対して、振動発信器またはハンマーによ
り、振動を加える。損傷に対応した振動は、各湾曲部２
０に加わる。この振動を、複数の湾曲部２０により取得
し、計測する。検出された振動の特性（波形や伝達時
間）に基づいて、被計測物５の損傷位置や大きさなどの
必要な情報を取得しうる。損傷箇所においては、振動周
波数や振幅の変動が生じるからである。図１９に、出力
の一例を示す。ここに示されるように、二つの波形Ａと
Ｂとが計測された場合には、両波形の時間間隔や減衰量
から損傷の位置などの情報を推測する。この推測には、
例えば、教師事例を多数作成しておき、それに基づいて
構築したニューラルネットワークを用いて推測する等
の、適宜の手法を用いることができる。

なお、既に説明したように、湾曲部２０の周回数を増
加させることにより、検出された振動の出力ゲインを上
げることができる。したがって、検出すべき湾曲部２０
の周回数を増加させておくことにより、検出すべき部分
以外において光ファイバ２に加わった振動による影響
（ノイズ）を抑制することができる。

［実験例］第１実施形態の装置を用いて、板状の被計測物５の表
面における剥離を検出する実験を行った。被計測物５と
しては、ＣＦＲＰアルミサンドイッチハニカムにより構
成されたものを用いた。被計測物５の表面に、ループ状
の湾曲部２０を接着した（図２０参照）。被計測物５と
しては、すでに剥離を有するものを用いた。この被計測
物５に弾性波を加えた。ここで、剥離と振動発信源と湾
曲部２０との位置関係を、図２１〜２４に示すように変
化させた。各図において、剥離部分５ａをハッチングで
示している。剥離の長さは３００ｍｍとした。以下、各
図における条件を説明する。

（１）図２１では、剥離部分５ａの中央に湾曲部２０を
配置した。さらに、弾性波を、剥離部分５ａの外側から
入力した（図中矢印の通り）。

（２）図２２では、剥離部分５ａの端部近傍（端から約
１０ｍｍの位置）に湾曲部２０を配置した。さらに、弾
性波を、剥離部分５ａの外側（正常部分側）から入力し
た。

（３）図２３では、剥離部分５ａの端部近傍（端から約
１０ｍｍの位置）に湾曲部２０を配置した。さらに、弾
性波を、剥離部分５ａの側（剥離部分側）から入力し
た。

（４）図２４では、剥離部分５ａの外側（剥離部分の端
から約１０ｍｍの位置）に湾曲部２０を配置した。さら
に、弾性波を、剥離部分５ａの側（剥離部分側）から入
力した。

以上の各条件において、振動発信源から湾曲部２０ま
での距離を変えつつ、検出された振動のピーク値を電圧
として取得した。その結果を図２５に示す。図２０〜図
２４の条件と、図中の（ａ）〜（ｅ）の結果とが対応し
ている。この結果によれば、図２２の場合（(ｃ）の結
果）を除き、剥離のない場合（(ａ）の結果）とは異な
る値を示している。したがって、振動のピーク値を測定
することで、剥離の有無を検出できると考えられる。

さらに、（ｄ）および（ｅ）の結果を見ると（図２６
参照）、ピーク値の傾きが途中で変化している。これ
は、剥離部分と正常部分とでは、振動の減衰率が異なる
ため、振動源が剥離部分にあるかどうかでピーク値が異
なるからであると推測される。この変動点に基づいて、
剥離位置の推測が可能であると考えられる。また、剥離
部分を経て振動が伝達される場合と、正常部分のみを経
て振動が伝達される場合とでは、振幅の大きさが異なる
ので、必ずしも剥離部分に湾曲部２０が存在しなくと
も、剥離を検出することが可能と考えられる。

つぎに、本発明の第８実施形態における計測装置を図
２８〜図３１に基づいて説明する。以下の説明において
は、湾曲部２０を通過する光を測定光、測定光の周波数
変化を検出するための基準となる光を基準光と称する。
すると、測定光および基準光の伝送方法は、表１の通り
の組み合わせがある。

この表において、「一方向」とは、測定光および基準
光をそれぞれ伝送する光ファイバが、ループせずに一方
向に延長されていることである。測定光および基準光を
一方向に延長させた例を図２８に示す。入力部（光源）
１から光ファイバ２に入力された入力光は、カプラ２３
により分岐されて、測定光用光ファイバ２０１と基準光
用光ファイバ２０２とに入力される。これらの光ファイ
バ２０１と２０２は、ファイバ２の一部を構成してい
る。これらのファイバ２０１および２０２を通過した光
は、カプラ２４により合成され、検出部３により検波さ
れる。他の構成は、図１に示す第１実施形態と同様なの
で、同一符号を付すことによって説明を省略する。

表１において「ループ」とは、光ファイバがループし
て入力側に戻されていることを意味する。図２９には、
測定光用光ファイバ２０１と基準光用光ファイバ２０２
とが共にループされている構成が示されている。他の構
成は図２８と同様なので、同一符号を付すことによって
説明を省略する。

表１において「内部」とは、入力光（基準光）が被測
定物まで延長されていないものを意味する。図３０に
は、測定光用光ファイバ２０１がループされ、基準光用
光ファイバ２０２が内部配置とされている構成が示され
ている。この構成は、図１の構成と等価である。他の構
成は図２８と同様なので、同一符号を付すことによって
説明を省略する。

表１において「反射」とは、光ファイバに入力された
光（測定光または基準光）が、光ファイバの端部で反射
される構成を意味する。図３１には、測定光用光ファイ
バ２０１および基準光用光ファイバ２０２が、いずれ
も、反射とされている構成が示されている。測定光およ
び基準光は、端部２０１ａおよび２０２ａにおいて反射
され、戻される。戻された光は、カプラ２５および２６
を介して、カプラ２４において合成され、検出部３に送
られる。他の構成は図２８と同様なので、同一符号を付
すことによって説明を省略する。このように、反射を利
用した場合は、光ファイバを敷設場所まで延長させ、端
部で適宜に切断すれば設置できるので、設置が容易であ
るという利点がある。

また、測定光用光ファイバ２０１と基準光用光ファイ
バ２０２とを同じ光路長とすることにより、光周波数の
分散を一致させることができ、その結果、測定精度が向
上するという利点がある。

さらに、測定光用光ファイバ２０１と基準光用光ファ
イバ２０２とを同じ経路に配置することにより、経路中
における外部からの振動ノイズが等しくなり、その結
果、振動ノイズをうち消すことが可能となるという利点
もある。

つぎに、本発明の第９実施形態における計測装置を図
３２に基づいて説明する。この実施形態においては、光
ファイバ２が、球体９の周囲に周回されている。これに
より、湾曲部２０が、球体９の周囲に配置されたものと
なっている。

この計測装置によれば、球体９に加えられた振動を湾
曲部２０により検出することができる。したがって、３
次元方向での振動計測が可能であるという利点がある。

前記各実施形態の装置は、例えば、アクティブコント
ロールなどの制御のためのセンサとして用いることもで
きる。つまり、前記の振動計測装置は、アクティブコン
トロールシステムの一部として組み込まれていてもよ
い。この場合、このシステムは、振動計測装置によって
計測された振動またはその等価情報を入力として受け取
り、入力に対応した制御を行う。アクティブコントロー
ルシステム自体は周知なので、それについての説明は省
略する。

なお、前記実施形態の記載は単なる一例に過ぎず、本
発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成
は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限
らない。

産業上の利用可能性本発明によれば、高感度かつ広帯域の振動を計測しう
る振動計測装置および方法を提供することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永田啓一東京都文京区本郷５−20−１相川荘 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01H 9/00 ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入力部と光ファイバと検出部とを備えてお
り、前記入力部は、前記光ファイバに入力光を入力する
ものであり、前記光ファイバは、計測すべき振動が加え
られる湾曲部を有し、前記湾曲部は、前記入力光が通過
するものとなっており、前記検出部は、前記湾曲部を通
過した前記光ファイバからの出力光と前記入力光との間
での周波数変化を検出するものであることを特徴とする
振動計測装置。
【請求項２】前記湾曲部は、前記光ファイバを周回させ
ることによって形成されていることを特徴とする請求項
１記載の振動計測装置。
【請求項３】前記周回における巻数は２以上であること
を特徴とする請求項２記載の振動計測装置。
【請求項４】前記湾曲部は、その一側において開放状態
とされていることを特徴とする請求項１記載の振動計測
装置。
【請求項５】光ファイバの一部に形成された湾曲部を被
計測箇所に配置し、前記光ファイバを通過する光の周波
数変化に基づいて、前記被計測箇所における振動を計測
することを特徴とする振動計測方法。
【請求項６】前記湾曲部は、前記光ファイバを被計測物
に周回させることによって形成されていることを特徴と
する請求項１記載の振動計測装置。
【請求項７】請求項６記載の振動計測装置を用い、前記
被計測物へのねじり振動を前記湾曲部に伝達させること
によって、前記ねじり振動を計測することを特徴とする
振動計測方法。
【請求項８】請求項６記載の振動計測装置を用い、前記
被計測物の軸方向への振動を、前記被計測物の変形によ
って、前記被計測物の側面での振動に変換し、前記側面
での振動を前記側面に取り付けられた前記湾曲部に伝達
させることによって、前記被計測物の軸方向への振動を
計測することを特徴とする振動計測方法。
【請求項９】前記湾曲部は、１本の光ファイバにおいて
複数備えられていることを特徴とする請求項１〜４およ
び６のうちのいずれか１項記載の振動計測装置。
【請求項１０】入力部と本体と光ファイバと検出部とを
備えており、前記入力部は、前記光ファイバに入力光を
入力するものであり、前記本体は、筒状に構成されてお
り、さらに、前記本体は、その内部に振動伝達媒体を導
入することができるようになっており、前記光ファイバ
は、前記本体に周回させられることによって湾曲部が形
成されており、前記湾曲部は、前記入力光が通過するも
のとなっており、前記検出部は、前記湾曲部を通過した
前記光ファイバからの出力光と前記入力光との間での周
波数変化を検出するものであることを特徴とする振動計
測装置。
【請求項１１】請求項１０記載の振動計測装置を用い、
前記本体の内部に前記媒体を導入した状態で前記媒体に
おける振動を計測することを特徴とする振動計測方法。
【請求項１２】請求項９記載の複数の湾曲部は、一つの
被計測物に取り付けられていることを特徴とする、振動
計測装置。
【請求項１３】請求項１２記載の振動計測装置を用いて
前記被計測物での振動を計測することを特徴とする非破
壊検査方法。
【請求項１４】請求項１２記載の振動計測装置を用いて
おり、既知の振動を前記被計測物に加え、前記既知の振
動に基づく振動を前記振動計測装置により測定すること
によって、前記被計測物の検査を行うことを特徴とする
非破壊検査方法。
【請求項１５】入力部と光ファイバと検出部とを備えて
おり、前記入力部は、前記光ファイバに入力光を入力す
るものであり、前記光ファイバは、計測すべき振動が加
えられる湾曲部を有し、前記湾曲部は、前記入力光が通
過するものとなっており、前記湾曲部は、前記光ファイ
バを周回させることによって形成されており、さらに、
前記湾曲部の直径は、測定対象である振動の一波長以下
であることを特徴とする振動計測装置。
【請求項１６】入力部と光ファイバと検出部とを備えて
おり、前記入力部は、前記光ファイバに入力光を入力す
るものであり、前記光ファイバは、計測すべき振動が加
えられる湾曲部を有し、前記湾曲部は、前記入力光が通
過するものとなっており、前記湾曲部は、その一側にお
いて開放状態とされており、さらに、前記湾曲部におけ
る開口長さは、測定対象である振動の一波長以下である
ことを特徴とする振動計測装置。
【請求項１７】入力部と測定光用光ファイバと基準光用
光ファイバと検出部とを備えており、前記入力部は、前
記測定光用光ファイバに測定光を入力し、かつ、前記基
準光用光ファイバに基準光を入力するものであり、前記
測定光用光ファイバは、計測すべき振動が加えられる湾
曲部を有し、前記湾曲部は、前記測定光が通過するもの
となっており、前記検出部は、前記各光ファイバを通過
した前記測定光と前記基準光との間における周波数の変
化に基づいて、前記湾曲部に加えられた振動を検出する
ものであることを特徴とする振動計測装置。
【請求項１８】前記測定光用光ファイバと基準光用光フ
ァイバとは同じ光路長とされていることを特徴とする請
求項１７記載の振動計測装置。
【請求項１９】前記測定光用光ファイバと基準光用光フ
ァイバとは同じ経路に配置されていることを特徴とする
請求項１７または１８記載の振動計測装置。
【請求項２０】前記測定光用光ファイバおよび基準光用
光ファイバは、前記入力部から内部に入力された測定光
および基準光を端部で反射させる構成となっており、前
記検出部は、前記反射された測定光と基準光との間にお
ける周波数の変化を検出する構成となっていることを特
徴とする請求項１７記載の振動計測装置。
【請求項２１】前記湾曲部は、球体の周囲に配置されて
いることを特徴とする請求項１記載の振動計測装置。
【請求項２２】請求項１〜４、６、９、１０、１２、１
５〜２１のいずれか１項に記載の振動計測装置を備えて
おり、前記振動計測装置によって計測された振動に対応
した制御を行うアクティブコントロールシステム。