JP3635492B2 - ファイバーオプティク地震センサ - Google Patents

Description

【０００１】
（背景技術）
本発明は一般に線加速度を感知する装置に係り、特に本発明は地震振動に応答する光学信号を提供する光学繊維干渉計を包含した地震センサに関する。
【０００２】
加速度若しくは圧力に応答する弾性ディスクの撓みあるいは変形の測定は数多くの加速度および圧力センサを用いて可能になる。変形または変位の量は干渉計で、機械的に若しくは圧電的に、あるいは要素間の静電容量またはインダクタンスの変化によって決定し得る。一方これらの方式はいずれも感度が限定される、または原価が高い、あるいは最大偏向若しくは実際の環境感度に限度があるように欠陥を有する。作業条件による一部の誤差は、ノイズ源に関連する信号成分から所望の出力を区別し得ないようにする加速度に応答するような、限定された物理的曲げ容量のような、基本的なものである。他の作業条件エラーは温度若しくは圧力の変化で引起こされる物理的な寸法、弾性率、屈折率等の変化に起因する。
【０００３】
干渉計による歪測定は顕著な精度と解像度を示す。光学繊維によって実施した場合、干渉計方式は低電力性、電磁的干渉への免疫性、遠隔感知と高データ率への適応性を伴う簡潔なセンサ装置を含む。光学繊維媒体を用いた加速度と圧力の干渉計による測定は、時分割多重送信を用いた単一の繊維における多数のセンサの遠隔測定信号の送信によって達成できる。光学繊維自体は単位長さ当りの感度は比較的低く、周囲圧力、加速による張力等によるエラーの影響を受けない。
【０００４】
光学繊維のディスク搭載型螺旋コイルを用いた所定のプッシュプル効果を生じさせる多数の加速度測定装置が提供されている。１９９０年９月２５日付けのホフラー他に交付された米国特許第４，９５９，５３９号に、音響振動で曲げが誘発されるように周部を支持したディスクを有する水中聴音器が開示される。この場合ディスクの各側に平坦な螺旋の光学繊維が固定される。ディスクの曲げは一面側の螺旋コイルの光学路長を短縮させるが、対向面側ではこれが延長される。一対のディスクを本体に取付け、測定すべき音響圧力差が各螺旋コイルを光学繊維干渉計の二つの脚としてプッシュプル動作用に接続され、ディスク両端に存在するように配設される。
【０００５】
１９９４年６月７日付けのブラウン他に交付された米国特許第５，３１７，９２９号には上述の２枚ディスク構成に基づいた光学繊維加速度計が開示されている。中央に位置させた質量が対向する可撓性ディスクの間に挟持される。光学繊維の平坦な螺旋コイルが可撓性ディスクの表面に固定され、干渉計の各脚に具備されるように配設される。
【０００６】
１９９９年３月１６日付けで本発明の発明者の一人であるファーシュに交付された米国特許第５，８８３，３０８号にはそれ自体の平面に直交する加速度に応答して捩れを生じるリングを含むファイバーオプティク加速度計が開示されている。このリングは周部フランジによってケーシングの壁に取付けられる。ケーシングは二つの同心壁によりケーシング内部をディスク状中央区分と環状に取巻く区分とに分ける。リングは入力軸線に沿って直線的加速度に応答してリングに捩れを生じさせる慣性モーメントを生じるように配置される。平坦な螺旋状光学繊維のコイルがリングの上面と下面とに固定され、干渉計の両脚に含まれるように配置されて加速度判定のために処理される光学信号を発生させる。ケーシングの中央区分は中空で装置に中立的浮力を持たせ、水中音響検知の応用に適宜に使用し得る。
【０００７】
（発明の概要）
本発明によるファイバーオプティク地震センサは望ましくはアルミニウムのような金属で形成した中央支持アセンブリを備える。支持板が中央支持アセンブリ内に保持される内方部と中央支持アセンブリを越えて延長する外方部とを有する。第一基板は支持板の外方部の第一面に載置される内端を有する。第一基板は内半径と外半径並びに内壁と外壁を有する中空筒体状に形成され、内半径は第一基板の内側に中央支持アセンブリを収容して中央支持アセンブリと第一基板の内壁とは離間するように配置される。第二基板は支持板の外方部の第二面上に載置される内端を有する。第二基板は内半径と外半径並びに内壁と外壁を持つ中空筒体状に形成される。内半径は第二基板の内側に中央支持アセンブリを収容して中央支持アセンブリと第二基板の内壁とが離間するように形成される。第一の螺旋巻光ファイバーコイルが第一基板の外端上に形成され、第二の螺旋巻光ファイバーコイルが第二基板の外端上に形成される。第一と第二の光ファイバーコイルははぼ平坦で、同心で離間している。干渉計が第一螺旋巻光ファイバーコイルを第一脚に、第二螺旋巻光ファイバーコイルを第二脚に含めて形成される。干渉計は光ファイバーコイルの面に直角の軸線に沿う加速度が支持板に歪みを生じさせ、この歪みが一方の光ファイバーコイルの長さを増大させる一方、他方の光ファイバーコイルの長さに相応する減少を生じさせるように構成される。
【０００８】
中央支持アセンブリは望ましくはその第一端に空洞を有する第一中央支持部材と、第一中央支持部材の空洞内に受容されるように延びる突起を有する第二中央支持部材とでなる。支持板はこの突起を受容し通過させる通路を有し、支持板の内方部を第一、第二中央支持部材間に保持させる。
【０００９】
本発明の目的とその構成並びに動作方法の完全な理解が以下の望ましい実施形態の説明を検討し、添付の図面を参照することにより得られよう。
【００１０】
（発明を実施するための最良の形態）
図１および図２は本発明によるファイバーオプティク地震センサ１０を示す。図１〜図３に示すように、ファイバーオプティク地震センサ１０は基板１４上に載置した第一螺旋巻光ファイバーコイル１２を含む。第二螺旋巻光ファイバーコイル１６が別の基板１８上に載置される。これらの基板１４並びに１８は望ましくはポリカーボネイトのような材料で形成される。
【００１１】
第一螺旋巻光ファイバーコイル１２は望ましくは基板１４の第一面２２内に形成した環状凹部２０内に載置される。従って凹部２０はその両側縁でコイル１２の内径と外径を規定し、基板１４上にコイルを形成する補佐となる。コイル１２は望ましくは適宜の接着剤で基板１４に固定される。光ファイバーコイル１６は同様に基板１８の第一面２６に形成した環状凹部２４内に載置される。
【００１２】
これらのコイル１２および１６は望ましくは約１８ｍｍの内径と、約２２ｍｍの外径を有する。コイル１２および１６は望ましくは各々約６．０ｍ〜６．２ｍの長さを有するように好適の層数にされる。
【００１３】
ファイバーオプティク地震センサ１０は更に、第一中央支持部材３０と第二中央支持部材３２を包有する。これらの中央支持部材３０および３２は望ましくは各々円筒状に、アルミニウムのような金属で形成される。第一中央支持部材３０の第一端３４は筒状凹部３６を有し、第二中央支持部材３２は対応してその一端４０から延びる筒状突起３８を有する。図１および図２に示すように、凹部３６と突起３８は、第一、第二中央支持部材３０および３２がそれらの一端３４および４０を突き合せて軸線を整合させたときに突起３８が凹部３６内に密接に嵌入するように配設される。
【００１４】
ファイバーオプティク地震センサ１０は更に、望ましくは円形状の外周を有する支持板４２を包有する。通路４４がこの支持板４２の中央に形成される。凹部３６、突起３８および通路４４は円筒状にするのが利便であるが、他の形状も採用しうる。通路４４は突起３８の直径より僅かに大きく形成される。
【００１５】
ファイバーオプティク地震センサ１０の組立てに当っては、突起３８を通路４４から突き出させて支持板４２を第二中央支持部材３２上に配置する。第一中央支持部材３０は次いで、突起３８を凹部３６内に延びるようにして第二中央支持部材３２上に配置される。中央支持部材３０およぼ３２は支持板４２の直径より小とした外径を有する。従って支持板４２の一部３９は中央支持部材３０および３２の内端３４および４０のそれぞれの間に締付け、固定される。支持板４２の外方部４１は中央支持部材３０および３２の長手軸線に沿う地震振動に応答して自由に振動する。
【００１６】
基板１４は望ましくは中央に円筒状通路４６を持つような円筒状に形成される。基板１８は望ましくは基板１４と同一であり、中央に円筒状通路４８を有する。これら基板１４および１８はそれぞれ外壁面３および４５を有する。
【００１７】
通路４６および４８は中央支持部材３０および３２の直径より大にした直径を持つ。基板１４および１８と支持板４２はいずれも同一の直径にすることが望ましい。ファイバーオプティク地震センサ１０の組立ては、両基板１４および１８を支持板４２の対向面４２Ａおよび４２Ｂのそれぞれと向い合う各端３４および４０のそれぞれと軸線に対し整合させて配列する工程を含む。この配列の際中央支持部材３０は基板１４の中央通路４６に挿通される。中央支持部材３２はその突起３８の部分を通路４６に延出させて中央通路４８に挿通される。エポキシ樹脂のような適宜の接着剤を用いて基板１４および１８を支持板４２に接着する。
【００１８】
ある形状においては支持板４２の外周縁４９に質量４７を付加することが望まれる。質量４７は支持板４２の外周縁と基板１４および１８のそれぞれの側面４３および４５に取付けるリングで良い。この付加質量４７は代りに支持板４２と一体に形成しても良い。付加質量はファイバーオプティク地震センサ１０の換算係数を増加する。
【００１９】
ファイバーオプティク地震センサ１０は金属または合成材料で形成したハウジング７０を具備する。ハウジング７０はポリカーボネート製両端開口の中空筒体７２と一対のポリカーボネート製ディスク７４および７６とにより形成することが利便性が高くなる。組立てた中央支持部材３０および３２と支持板４２の長さは筒体７２の高さと同一にする。第一中央支持部材３０の一端７８はディスク７４の中央に接着する。筒体７２の一端はディスク７４に接着する。ディスク７６は筒体７２の他端に接着して、中央支持部材３０および３２の各端７８および８０はそれぞれ各ディスク７４および７６の内面に接触させる。組立てられた基板１４および１８と支持板４２の長さは筒体７２の高さ以下である。従って中央支持部材３０および３２はディスク７４および７４および７６の間に固定保持されるが、基板１４および１８の第一端２２および２６のそれぞれとハウジング７０のディスク７４および７６との間に空間を区画する。従って中央支持部材３０および３２の長手軸線に沿う地震振動は支持板４２を歪め、光ファイバーコイル１２および１６の長さを変化させる。
【００２０】
図４に略図的に示すように光ファイバーコイル１２および１６は干渉計５０の二本の脚として具備される。図４は周知のマイケルソン干渉計の形式を示すが、本発明はマッハーツェンダー干渉計を用いて実施することも可能である。レーザ５２は光信号を光ファイバー５４に与え、光ファイバーは光信号を光結合器５６に案内する。光結合器５６は当業者において汎用の結合器構成のもので良い。結合器出力は光ファイバーコイル１２および１６の各々に供給される。
【００２１】
ハウジング７０はまた適宜の通路８２を有し、ハウジング７０の内外の要素間を光ファイバーが連通できるようにする。本発明の一部の実施形態では米国特許第５，８８３，３０８号の図１（ａ）に示すように光結合器５６が開口内に設置すれば利便である。
【００２２】
地震の振動は支持板４２の変形を引き起こし、これが各光ファイバーコイル１２および１６の長さを変化させる。コイル１２および１６は支持板４２の対向する両面上にあるため、支持板の縁の歪みは一方のコイルの長さを増加させ、他方のコイルの長さを減少させる。長さの変化はコイル１２および１６内を伝播する光信号に位相差を生じさせる。レフレクタ５８および６０が光ファイバーコイル１２および１６の端部に形成されており、光信号は結合器５６に反射し戻されそこで組み合わされ、干渉パターンを生じさせる。光ファイバー６２は干渉計出力を光検出器６４に案内し、ここで干渉パターンが電気信号に変換される。電気信号は次いで処理されて、干渉計の二本の脚の間の位相差を生じた地震振動の大きさを決定する。
【００２３】
ファイバーオプティク地震センサ１０の各種要素の寸法は相当に変化させ得る。ここでは代表的な寸法例のみ触れ、ファイバーオプティク地震センサ１０の構成について説明する。基板１４および１８は約２６ｍｍの直径と約５．４ｍｍの高さを有する。凹部２０および２４は約４ｍｍの巾と約０．８５ｍｍの深さとする。凹部２０および２４の外周縁は望ましくは基板１４および１８の外周縁４３および４５からそれぞれ約２ｍｍの個所にある。基板１４および１８の各通路４６および４８は直径は約１０．０ｍｍである。中央支持部材３０および３２の直径は約８．０ｍｍで、組合せ時の長さを約１３．０ｍｍにする。突起３８は直径を約４．０ｍｍ、長さを約１．６ｍｍにする。突起３８の上端と凹部３６の内底との間には約０．４ｍｍの小空隙を設ける。支持板４２は望ましくは黄銅で形成され、約２６ｍｍの外径と約０．２ｍｍの厚さを有する。ディスク７４および７６は望ましくは約３．０ｍｍの厚さを有する。筒体７２は望ましくは約１３．０ｍｍの高さと、約３２ｍｍの直径並びに約２．０ｍｍの壁厚を有する。
【００２４】
上述に従って構成されるファイバーオプティク地震センサ１０は３Ｈｚから１０００Ｈｚの周波数範囲における地震振動を検出することが可能である。
【００２５】
地震振動の感知方式は一またはそれ以上の本発明によるファイバーオプティク地震センサ１０を包含する。センサは分離しても、あるいは一列に接続しても良い。図５に示すように列９０が連続するファイバーオプティク地震センサ１０Ａ、１０Ｂ等の間を接続するファイバーオプティク遠隔計測ケーブル９１を包有して構成される。ファイバーオプティク結合器９２Ａ、９２Ｂ等が各センサを遠隔計測ケーブルの間を接続する。必要であれば組継ぎ（図示せず）を用いて各センサ１０Ａ、１０Ｂ等を遠隔計測ケーブルと結合器に接続する。
【００２６】
上述した構成と方法は本発明の原理を示す。本発明はその精神と必須の特徴から離れることなく他の特定の形態においても実施し得る。記載した実施形態はあらゆる点で限定的ではなく、例示として理解すべきである。従って上述より添付の請求範囲が発明の範囲を定義する。請求の範囲の意味と均等の範囲内で想到し得る上記の実施形態の全ての変更は本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明によるファイバーオプティク地震センサの横断図である。
【図２】 図２は図１のファイバーオプティク地震センサの一部を断面とする斜視図である。
【図３】 図３は図１および図２のファイバーオプティク地震センサに含まれる螺旋巻光ファイバーコイルの上面図である。
【図４】 図４は一対の螺旋巻光ファイバーコイルを含むように形成した干渉計の簡略なブロック図である。
【図５】 図５は連続する複数のファイバーオプティク地震センサ間をケーブル連結したファイバーオプティク地震センサ方式の簡略なブロック図である。

Claims (4)

1. 一対の中央支持部材（３０、３２）と、
   中央支持部材（３０、３２）間に保持される内方部（３９）および中央支持部材（３０、３２）を越えて延びる外方部（４１）を有する支持板（４２）と、
   支持板（４２）の外方部（４１）の第一面（４２Ａ）上に載置した内端（２３）を有する第一基板（１４）であり、内外半径および内外壁（４６、４３）を有し中空筒体状に形成され、内半径は第一基板（１４）の内側において中央支持部材（３０、３２）を収容して中央支持部材（３０、３２）と第一基板（１４）の内壁（４６）とは互いに離間して配設され、
   支持板（４２）の外方部（４１）の第二面（４２Ｂ）上に載置した内端（２７）を有する第二基板（１８）であり、内外半径および内外壁（４８、４５）を有し中空筒体状に形成され、内半径は第二基板（１８）の内側において中央支持部材（３０、３２）を収容して中央支持部材（３０、３２）と第二基板（１８）の内壁（４８）とは互いに離間した配設され、
   第一基板（１４）の外端（２２）上に形成した第一の螺旋巻光ファイバーコイル（１２）と、
   第二基板（１８）の外端（２６）上に形成した第二の螺旋巻光ファイバーコイル（１６）であって、第一と第二の光ファイバーコイル（１２、１６）は平坦状に、同心で離間され、
   第一脚に第一の螺旋巻光ファイバーコイル（１２）を含み、第二脚に第二の螺旋巻光ファイバーコイル（１６）を含む干渉計（５０）であり、各光ファイバーコイル（１２、１６）の面に直角の軸線に沿って加速度が支持板（４２）内に偏向を生じ、この偏向が光ファイバーコイル（１２、１６）の一方の長さに増加を生じるに対し他方の光ファイバーコイルの長さに対し減少を生じるように構成された
   ファイバーオプティク地震センサ。
2. 空洞（３６）を形成した第一中央支持部材（３０）を配設するハウジング（７０）を備え、
   第二中央支持部材（３２）はハウジング（７０）に配設されると共に第一中央支持部材（３０）の空洞（３６）内に収容されるように延設された突起（３８）を有し、支持板（４２）は突起（３８）を通過収容させる通路（４４）を有し、支持板（４２）の内方部（３９）を第一と第二の中央支持部材（３０、３２）の間に保持するように配設した請求項１のファイバーオプティク地震センサ。
3. 突起（３８）と第一中央支持部材（３０）との間に空隙（３５）を設けた請求項２のファイバーオプティク地震センサ。
4. 支持板（４２）を外囲して設置した慣性リング（４７）を備えた請求項１のファイバーオプティク地震センサ。

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