JP5300077B2

JP5300077B2 - センサ及びそのセンサを用いた地震計

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Publication number: JP5300077B2
Application number: JP2009238463A
Authority: JP
Inventors: 和文田畑; 研二川村; 幸雄藤縄; 清志佐々木
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-10-15
Also published as: JP2011085487A

Description

本発明は、地中の高温環境下における利用に好適であるグレーティング加工部を有する光ファイバを用いたセンサ及びそのセンサを用いた地震計に関する。

地震発生そのものを防止することができない現状では、地震に伴う災害発生を防止することは重要な技術的課題である。特に、地震国である日本では防災管理上極めて重要であることは言うまでもない。これまで、人工／自然の構造物の耐震化、構造物の崩壊の動きを検知し人的災害を防止する技術と地震そのものを計測する技術等が開発されてきている。近年、地震の初期微動（Ｐ波）を捉え、主要動（Ｓ波）が到達する前に緊急地震警報を地震計から発信し、受信側で初期対応を開始できるシステムが開発されている。これにより地震による災害が軽減されてきている。

一方地震計については、地震そのものを測定するだけでなく、高圧下の岩体の総体的破壊現象である地震を調査するべく、微視的破壊による微小振動を測定するため、極めて小さな加速度（１ｍガル程度）を測定する高感度技術が必要となる。一方主要動（Ｓ波）も測定する必要があり、比較的大きな加速度（４０００ガル程度）も測定可能でなければならない。従って、広範囲で高感度な地震計が求められている。

また地震計の設置場所は震源に近ければ近いほど速くＰ波を検知でき、地上の受信側は地震防災管理上有利である。従って、地震計は地中深く設置することが望まれる。一般的には、地中は深ければ深いほど高温（７０００ｍで２００℃程度）になる点と腐食性を有する硫化水素の存在に留意しなければならない。地震計を地中深く設置して計測する際には、地震計の傾斜及び方位を把握し、また地盤との一体化図るためのクランプ機構が必要である。そのためには適切に地震計を移動させるための駆動源が必要である。

これまでほとんどの地震計は電気的センシングが適用されているが、このような地震計には、以下の欠点がある。（１）微弱な電流もしくは電圧変化を検出手段としており、長距離の信号の伝送手段としての通信線には格別の電磁ノイズ対策と伝送損失対策が必要である。（２）駆動源として電力を使用するので長尺の給電線が必要であり、適用電圧に留意する必要がある。（３）地中深い場所は高温と想定され（７０００ｍで２００℃程度）、電線の電気抵抗が上昇し温度変化に伴い変化するので留意する必要がある。（４）地中深い場所の岩体中には硫化水素があると想定され、ぞの腐蝕環境に対し留意する必要がある。

電気的センシングを用いた地震計は、以上の欠点を克服するために、格別の対策が必要となり、結果、地震計が高価なものとなってしまっている。

そこで、これらの欠点を克服する方法としてＦＢＧ（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）加工部を適用した光パルスファイバセンシングを利用した海底地震計が提案されている。電気的センシングと比較すると以下の優位点がある。（１）光ファイバの伝送損失が極めて小さく（０．３ｄＢ／ｋｍ程度）数十ｋｍ程度まで信号伝送としては問題ない。（２）光信号であるので電磁ノイズを受けない。（３）光を検知手段及び信号とする単純な地震計になり安価な地震計となる。

ＦＢＧ加工部を有する光ファイバによるセンシング技術については、例えば、特許文献１（特開２００１−２２１６１５号公報）に、ファイバグレーティングが書き込まれた光
ファイバが該ファイバグレーティングの両側において固定器具に固定された歪み検出部を有し、該固定器具が直接的または間接的に被固定物に固定され、該被固定物にかかる変位、荷重、圧力、加速度を該ファイバグレーティングの伸縮を介して反射光又は透過光の波長シフト量として検出することを特徴とする光ファイバセンサが開示されている。

また、ＦＢＧ加工部を有する光ファイバを地震計に用いる技術思想は、例えば、特許文献２（特開２００７−１２１００８号公報）において、コア部の一部に光パルスの入射に対し、特定の波長の光を反射させ、光の伝搬方向に対する外力の印加量に応じて反射光の周波数を変移させるグレーティング部が設けられた歪みセンサ用光ファイバと、この歪みセンサ用光ファイバに所定の張力を与えた状態で歪みセンサ用光ファイバを架張支持する支持手段と、この支持手段に特定の軸線方向のみに揺動自在に支持した重りと、この重りの揺動エネルギを上記歪みセンサ用光ファイバに光の伝搬方向と一致する向の張力変化に変換して印加するための力変換手段とを備えた加速度センサが各加速度センサの重りの揺動方向が互に直交する向の姿勢で配置され、各加速度センサを構成する歪みセンサ用光ファイバの反射光の初期周波数が互いに異なる３個の加速度センサが共通の防水ケースに収納されて構成された地震計が開示されている。
特開２００１−２２１６１５号公報特開２００７−１２１００８号公報

しかしながら、従来のＦＢＧ加工部を有する光ファイバを用いた地震計を、強震から微小地震までを観測するため地中深く（およそ、１０００〜７０００ｍ）に設置する場合には、地中の高温環境における耐熱性や硫化水素による腐食に対する耐性などがなく問題となっていた。また、従来の地震計では、ＦＢＧ加工部を有する光ファイバと被固定物との間の固定部分の高温環境下における信頼性がなく、問題であった。さらに、従来の地震計では、光ファイバにおけるＦＢＧ加工部が大きな温度特性を有しており、温度変化が生じた場合の補正方法がなく、精度確保上問題であった。また、従来の地震計では、地震計を設置したときの方位や傾斜を検知する方法がなく、地震計の設置状況が不明となり、高精度計測上問題であった。

上記問題点を解決するために、請求項１に係る発明は、歪みを受けることによって光学特性が変化する所定長の第１のグレーティング部を有する光ファイバと、コイルスプリングと、を有するセンサにおいて、前記光ファイバとして使用温度以上で予め熱処理してガス発生源を除去した耐熱光ファイバが用いられ、前記光ファイバの前記第１のグレーティング部を含む区間の両端部を、前記コイルスプリングの異なる２箇所に固定すると共に、前記コイルスプリングの弾性変形を前記第１のグレーティング部で検知することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のセンサにおいて、前記両端部と前記コイルスプリングとの固定に耐熱性接着剤を用いたことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のセンサにおいて、前記コイルスプリングの一方端に取り付けられる錘と、前記コイルスプリングの他方端に取り付けられる容器と、をさらに有し、前記第１のグレーティング部における光学特性の変化に基づいて、前記容器の傾斜を検知することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のセンサにおいて、前記コイルスプリングの一方端に取り付けられる錘と、前記コイルスプリングの他方端に取り付けられる容器と、をさらに有し、前記第１のグレーティング部における光学特性の変化に基づいて、加速度を検知することを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のセンサにおいて、前記コイルスプリングの一方端に取り付けられる磁性材料と、前記コイルスプリングの他方端に取り付けられる容器と、をさらに有し、前記第１のグレーティング部における光学特性の変化に基づいて、方位を検知することを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセンサにおいて、前記容器には、前記第１のグレーティング部とは異なる第２のグレーティング部を設け、前記第２のグレーティング部における光学特性の変化に基づいて、温度を検知することを特徴とする。

また、請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のセンサにおいて、前記両端部が、金属管に被われ、前記金属管と共にカシメられていることを特徴とする。

また、請求項８に係る発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のセンサを用いたことを特徴とする地震計である。

また、請求項９に係る発明は、請求項８に記載の地震計において、流体の圧力に応じて可動するクランプ部と、前記クランプ部に前記第１のグレーティング部、前記第２のグレーティング部と異なる第３のグレーティング部を設け、前記第３のグレーティング部における光学特性の変化に基づいて、前記クランプ部にかかる応力を検知することを特徴とする。

また、請求項１０に係る発明は、請求項８又は請求項９に記載の地震計において、前記光ファイバに導入する光の光源として連続発光するレ−ザ光源を用いたことを特徴とする。

本発明に係るセンサ及びそのセンサを用いた地震計によれば、第１のグレーティング部を有する光ファイバとして、耐熱光ファイバが用いられるので、地中の高温環境における耐熱性や硫化水素による腐食に対する耐性が向上する。

また、本発明に係るセンサ及びそのセンサを用いた地震計によれば、光ファイバのグレーティング部を含む区間の両端部を、耐熱性接着剤によって弾性部材に固定したので、高温環境下における耐久性・信頼性が向上する。

また、本発明に係るセンサ及びそのセンサを用いた地震計によれば、温度を検知するための第２のグレーティング部が設けられているので、光ファイバにおけるＦＢＧ加工部の温度変化に伴う補正を容易かつ高精度で行うことが可能となる。

また、本発明に係る地震計によれば、方位計や傾斜計を有するものであるので、設置状況を把握することが可能となる。

本発明の実施形態に係るセンサを用いた地震計の設置状況を模式的に示す図である。ＦＢＧ加工部を有する光ファイバによって歪み・温度を検出する原理を説明する図である。本発明の実施形態に係るセンサの光学的測定システムの構成例を説明する図である。本発明の実施形態に係るセンサにおける光ファイバの固定方法を説明する図である。本発明の実施形態に係るセンサにおける光ファイバの固定方法を説明する図である。本発明の実施形態に係るセンサにおける光ファイバの被覆処理部の固定方法を説明する図である。本発明の実施形態に係るセンサによる加速度計及び傾斜計の構造を示す図である。本発明の実施形態に係るセンサにおけるコイルスプリングへの歪検知用ＦＢＧ加工部の固定方法を説明する図である。本発明の実施形態に係る地震計で用いる同圧力による単一クランパの構造を示す図である。本発明の実施形態に係る地震計で用いる異なる圧力による複数のクランパの構造を示す図である。本発明の実施形態に係るセンサによる方位計の構造を示す図である。本発明の実施形態に係るセンサによる加速度計の構造を示す図である。本発明の実施形態に係るセンサによる傾斜計／加速度計の構造を示す図である。本発明の実施形態に係るセンサを用いた地震計（ハイブリッド型高温用地震計）の構造を示す図である。本発明の実施形態に係る地震計で用いる地震計用ケ−ブルの構造を示す図である。分布型光ファイバセンサの原理を説明する図である。本発明の実施形態に係る地震計への分布型光ファイバセンサの適用例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るセンサを用いた地震計８の設置状況を模式的に示す図である。なお、地震計８においては、その制御やメンテナンスのために流体を用いるために、地表から地震計８に流体を導入・導出するための構成が設けられるものであるが、図１においてはこれを図示省略している。

地震計８の設置においては、まず地盤２に対して掘削技術によって、直径およそ１０ｃｍから２０ｃｍ、深さ１０００〜７０００ｍ程度の坑を堀り、当該坑に対してケ−シング３を施し、このケ−シング３内に一台或いは、例えば１０００ｍ〜２０００ｍ程度の間隔で複数の地震計８を設置するようにしている。このケ−シング３内に図１においては地震計８を３つ設置した状況を模式的に示している。ケーシング３内には地下水１が充満することとなるので、地下深くに設置される地震計８には相当の水圧がかかることとなる。また、地下深くに設置される地震計８は、地熱によって高温環境下に置かれることとなり、地中から発生する硫化水素の影響を受けることとる。

ケ−シング３内に充満している水１の中で地震計８を固定するために、地震計８には、ケーシングの内壁部に向けて可動するクランパ部を有しており、このクランパ部を地上からの操作することで、地震計８をケ−シング３内の所望位置で固定させる。

それぞれの地震計８で取得された検知情報を伝送する光ファイバ（光通信ケ−ブル）や、それぞれの地震計８に対して流体を供給するための配管などは地震計接続ライン４に収納されており、これを介して行われる。地盤２に深く設置された地震計８が検知した加速
度、傾斜、方位及び圧力は光信号として地震計接続ライン４及び屋外用光通信ケ−ブル５を介して、光測定器６に伝送される。

光測定器６からの電気的出力はパーソナルコンピュータ７にてソフト処理（数学的処理、経時的処理や警報処理光測定器へのコマンド処理や上位システムへの出力処理等を含む）を受けて情報化される。パーソナルコンピュータ７は、ＣＰＵによる演算装置や、ＲＯＭ、ＨＤＤなどの記憶手段などを備える、現在広く普及しているものを用いることができる。

地震計接続ライン４内に収納される、光ファイバ（光通信ケ−ブル）としては高温・高圧・高負荷・高腐食性雰囲気に曝されるので高価とならざるを得ないが、屋外用光通信ケ−ブル５は一般の物でよい。但し、震計接続ライン４内に収納される光ファイバと、屋外用光通信ケ−ブル５の光ファイバとは、光ファイバとしての光学的特性（モ−ド、コア径、クラッド径等）が極力同じ方が良い。同じであれば、接続方法として、一般的なコネクタや融着を利用することができるからである。逆に、光学的特性が異なるような場合は、光信号の変換装置が必要となり、高価なシステムとなってしまう。

地震計接続ライン４の地震計８間で接続する場合も同様である。勿論、各地震計８毎に、ラインを使い分ける場合には、地震計８間の接続は必要ない。この場合は、光測定器６の内部に光スイッチを内蔵するタイプを使用するか、屋外用光通信ケ−ブル５と光測定器６の間に光チャンネルセレクタ（図示しない）を設ける必要がある。なお、地中への杭は裸杭のままではなく、岩盤崩落を防止するために鉄製のケ−シング３が適用される。

次に、上記地震計８で採用されている本発明のセンサにおいて、歪みや温度を検知する原理について説明する。図２はＦＢＧ加工部を有する光ファイバによって歪み・温度を検出する原理を説明する図である。図２において上段に示されるものは、ＦＢＧ加工部が設けられた光ファイバの断面を模式的に示すものである。この光ファイバにはＦＢＧ１加工部２７及びＦＢＧ２加工部２８の２つのＦＢＧ加工部が設けられており、この光ファイバに入射光２０を導入した場合を想定して説明する。

光ファイバは裸ファイバのコア２６、裸ファイバのクラッド２５及び耐熱樹脂被覆２４から構成される。一般的な光ファイバの樹脂被覆の被覆材料はＵＶ樹脂であるが、本発明の実施形態に係るセンサでは、より高温に耐えるものとしてシリコン、テフロンやポリイミド等の耐熱樹脂被覆２４で被覆されている耐熱光ファイバが用いられる。本発明の実施形態に係るセンサは、このため、地中の高温環境における耐熱性や硫化水素による腐食に対する耐性が向上する。

上記のような耐熱光ファイバに、歪みや温度を検知するためのＦＢＧ（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）加工部を設けるようにするが、このＦＢＧ加工処理を施す一般的な方法を以下に説明する。光ファイバに水素吸収をさせてから、樹脂被覆２４を除去し裸ファイバ（石英系ガラス）に、マスクを介して通過した紫外線レーザーの干渉光を当てて裸ファイバ中にＯＨ基を生じさせる。ＦＢＧ加工部は長さ約１０ｍｍ、干渉光の格子間隔は約０．５μで約２０００本である。マスクを変えることにより異なる干渉光の格子間隔をえることができ、その結果、光ファイバの所定区間毎に、異なる光学特性のＦＢＧ加工部を種々作り込むことが可能である。

干渉光照射後に、樹脂被覆２４をリコートし、脱水素処理を行う。ＯＨ基の存在するところは屈折率が変化することとなる。上記のようにマスクを使い分けることにより、光学特性が異なるＦＢＧ１加工部２７及びＦＢＧ２加工部２８を得ることができる。

図２（ａ）は入射光２０の波長分布を示すものであり、図２（ｂ）はＦＢＧ１加工部２７における反射光の波長を示す図であり、図２（ｃ）はＦＢＧ２加工部２８における反射光の波長を示す図であり、図２（ｄ）は、透過光２３の波長分布を示すものである。

入射光２０としては図２（ａ）に示すように広い波長範囲（例えば１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍのレ−ザ光）の光源から裸ファイバのコア２６に入射される。このような入射に対して、先のようなグレーティング部を光ファイバ伝送路中に作り込む加工処理を行うことによって、ＦＢＧ１加工部２７では図２（ｂ）に示すλ₁のみが反射され、ＦＢＧ２加
工部２８では図２（ｃ）に示すλ₂のみが反射されるようになる。

その結果、（ｄ）に示すように、光ファイバの透過光２３は、入射光２０の波長分布から、λ₁とλ₂が欠けたスペクトラムになる。各ＦＢＧ部で反射した反射光λ₁とλ₂は入射側に戻ってくる。分光器（図示しない）で測定することによって、入射側では図２（ｅ）に示すような二つのピ−クがあるスペクトラムを得ることができる。

ここで、上記のようなＦＢＧ加工部において、応力による歪や、温度変化に伴う歪みが生じると、図２（ｆ）に示すように図２（ｅ）で生じていた二つのピ−クがシフトする。より具体的には、ＦＢＧ加工部における歪みによって、ＦＢＧ１加工部２７に伴う反射光λ₁は反射光λ₃にシフトし、ＦＢＧ２加工部２８に伴う反射光λ₂は反射光λ₄にシフトする。

ＦＢＧ加工部を有する光ファイバのセンシング技術では、この波長シフト量が歪や温度の変量を表すことになる。ここで、歪の変量１μεに対し波長シフト量は約１．２ｐｍであり、温度の変量１℃に対し波長シフト量は約１２ｐｍである。本発明の実施形態に係るセンサ、地震計では、上記のようなＦＢＧ加工部における、応力による歪や、温度変化に伴う歪みで、グレーティング部での反射光の波長がシフトすることを利用して、傾きや加速度、方位、振動等を検出しようとするものである。

次に、以上のような測定原理に基づくセンサの測定系について説明する。図３は本発明の実施形態に係るセンサの光学的測定システムの構成の一例を説明する図である。

図３に示す光学的測定システムにおいては、光ファイバ通信ケ−ブル３２中に、異なる格子間隔でグレーティングが形成された２つのＦＢＧ加工部３１が設けられている。（したがって、２つのＦＢＧ加工部３１における反射波長は互いに異なっている。）また、このような２つのＦＢＧ加工部３１は、被固定物３０に取り付けられており、例えば、被固定物３０における２箇所の伸張などを測定することが想定されている。被固定物３０にＦＢＧ加工部３１を取り付ける際には、ＦＢＧ加工部３１（グレーティング部）を含む区間の両端部のみを、ＦＢＧ加工部３１にテンションがかかるように取り付けるようにすることで、被固定物３０の伸張などがＦＢＧ加工部３１に伝達されるようにしている。

ＦＢＧ用光測定器３３は、レ−ザ光源３６から発射されたレ−ザ光を分光器３５、光スイッチ３４を通して光通信ケ−ブル３２に入射させる。入射光は、光通信ケ−ブル３２で伝送され、被固定物３０に取り付けられている２つのＦＢＧ加工部３１まで到達する。そして、ＦＢＧ加工部３１からの反射光は光スイッチ３４及び分光器３５を通り、光波長測定ユニット３７にて波長が測定される。一方、２つのＦＢＧ加工部３１を透過した透過光についても、光スイッチ３４を切り換えることで、分光器３５→光波長測定ユニット３７によって測定を行うことができる。

このような光学的測定システムの構成によれば、光スイッチ３４によりル−プ化されているので、光通信ケ−ブル３２に入射させる入射光を、逆の一端から入射させるような測
定も可能である。光通信回路の障害が発生した場合にはル−プ化による逆測定も可能であることは安全率が２倍になりメンテナンス上は極めて有効である。光通信ケ−ブル３２とＦＢＧ用光測定器３３の間に光チャンネルセレクタ（図示しない）を設けて多チャンネル化することもできる。安全率が向上することは言うまでもないが、多チャンネル化する分だけ測定に時間を要することになるので、動的な測定をする場合は留意する必要がある。

なお、レ−ザ光源３６としては、連続発光する光源、パルス発光する光源のいずれも用いることができるが、後者の場合には、時分割処理を行い、反射光などを観測することとなる。

次に、ＦＢＧ加工部を被固定物３０に取り付ける際の固定方法についてより具体的に説明する。図４は本発明の実施形態に係るセンサにおける光ファイバの固定方法を説明する図である。耐熱光ファイバ６１のＦＢＧ加工部を被固定物３０に固定し、高温雰囲気下でこれを測定しようとするとき、耐熱光ファイバ６１と被固定物３０とをそのまま接着剤にて固定すると、精度良く測定を行うことはできない。その理由は、歪発生に伴う光ファイバの張力の増加と樹脂被覆２４と接着剤の軟化により固定力が低下する点にある。固定力が低下すると、裸ファイバのクラッド２５と樹脂被覆２４の滑り、樹脂被覆２４と接着剤の滑りが発生し易くなるためである。

そこで、本発明の実施形態に係るセンサでは、耐熱光ファイバ６１におけるＦＢＧ加工部３１（グレーティング部）を含む区間の両端部を、被固定物３０に固定する場合に、金属管６０を介して行うようにしている。図４は耐熱光ファイバ６１と金属管６０とを断面的にみた図であり、図４（Ａ）→図４（Ｂ）→図４（Ｃ）の順で工程が進んでいく様子を示している。

図４（Ａ）では、耐熱光ファイバ６１の所望区間に金属管６０を挿通した工程を示している。金属管６０としては、その内径が耐熱光ファイバ６１の外径より大きいものが用いられており、金属管６０と耐熱光ファイバ６１との間には、図示するような間隙６２が設けられる。

次の図４（Ｂ）では、金属管６０の周囲から応力をかけて、耐熱光ファイバ６１とカシメ部６３を形成する工程を示している。このようなカシメ工程によって、カシメ部６３では間隙６２が無くなるとともに光ファイバ樹脂の圧出部６４ができる。このようなカシメ工程によれば、樹脂被覆２４及び光ファイバ樹脂の圧出部６４が樹脂のテ−パ部を形成することとなる。そして、耐熱光ファイバ６１の動きに対して樹脂のテ−パ部は剪断力を発生することにより固定力を大きくできる。

図４（Ｃ）は、テ−パ部以外の間隙６２に耐熱接着剤６５を注入して固定力をさらに増加させる工程を示している。このような間隙６２への耐熱接着剤６５の注入工程は必要に応じて行い得る。

耐熱ファイバ６１の被覆樹脂２４の材質としてはシリコン、テフロンやポリイミド等であり、比較的耐熱性、耐腐食性が良好なものである。しかしながら、長期間に渡り使用する場合は、樹脂の漸次進行する熱分解により発生するガスや樹脂そのものを製造する際に使用する有機系溶媒の残存により発生するガス中に含まれる水素によって光ファイバの伝送損失が増加する場合がある。従って、本発明の実施形態に係るセンサを高温下使用する際には、使用する温度以上で予め熱処理してガス発生原を除去しておくことが望ましい。

次に、上記のように金属管６０が固着された耐熱ファイバ６１を被固定物３０に固定する方法についてより詳しく説明する。図５は本発明の実施形態に係るセンサにおける光フ
ァイバの固定方法を説明する図である。

図５は耐熱光ファイバ６１と金属管６０と被固定物３０とを断面的にみた図であり、図５（Ａ）→図５（Ｂ）→図５（Ｃ）の順で工程が進んでいく様子を示している。図５（Ａ）は、耐熱光ファイバ６１におけるＦＢＧ加工部７０（グレーティング部）を含むように、金属管６０を耐熱光ファイバ６１に挿通して、ＦＢＧ加工部７０の区間の両端部において、カシメ部６３を形成する工程を示している。

図５（Ｂ）は、金属管６０のカシメ部６３が形成された近傍を被固定物３０に対して、固定部７１で固定する工程を示している。金属管６０と被固定物３０との固定部７１は、被固定物３０が金属である場合はハンダ、溶接やセラミックボンド等の耐熱接着剤による固定部とする。このような固定部７１が設けられた本発明に係るセンサ、地震計によれば、高温環境下における信頼性が向上する。

図５（Ｃ）は、耐熱光ファイバ６１における両方のカシメ部６３の間の金属管６０を除去し光ファイバ露出部７２を設ける工程を示している。金属管６０自身が被固定物３０の変状に対して、支持構造として働き、正確な測定値が得られない場合は、この間の可撓性が必要である。このようなことが想定されない場合には、図５（Ｂ）に示すような状態でも、測定を行うことができる。図５（Ｂ）に示す状態で、測定を行うことができる場合には、金属管６０によって、ＦＢＧ加工部７０（グレーティング部）を適切に保護できるメリットがある。

次に、ＦＢＧ加工部７０（グレーティング部）を含む耐熱ファイバ６１を被固定物３０に固定する他の態様について説明する。図６は本発明の実施形態に係るセンサにおける光ファイバの被覆処理部の固定方法を説明する図である。図６は耐熱光ファイバ６１と被固定物３０とを断面的にみた図であり、図６（Ａ）→図６（Ｂ）の順で工程が進んでいく様子を示している。

図６（Ａ）は耐熱光ファイバ６１の所定の位置の樹脂被覆２４を除去し、裸ファイバのクラッド２６に金属の溶射やメッキ等で金属被膜を形成し光ファイバの被覆処理部９０を形成する工程を示している。このように図６に示す固定方法においては、金属管６０を使用せず、金属被膜を利用する。

図６（Ｂ）は光ファイバの被覆処理部９０と被固定物３０との間を固定する固定部９１を設ける工程を示している。このような固定部９１は、被固定物３０が金属である場合はハンダ、溶接やセラミックボンド等の耐熱接着剤を用いる固定部とする。図６に示す工程方法では、金属管６０の支持構造としての影響を考慮する必要がないので、高感度の測定が可能になる。

これまでに説明してきた要素技術を用いることで、以下に説明する本発明の実施形態に係るセンサ、地震計を実現することができる。次に、本発明の実施形態に係るセンサを加速度計や傾斜計として用いる構成について具体的に説明する。

図７は本発明の実施形態に係るセンサによる加速度計及び傾斜計の構造を示す図である。このような加速度計及び傾斜計においては、インコロイ（登録商標）製の耐圧容器１００内に、傾斜や加速をセンシングのための構成が収容されておいる。耐圧容器１００内のコイルスプリング１０５（弾性部材）の一端側には、耐圧容器１００の中空部の内壁部が固定されており、コイルスプリング１０５の他端側には錘１０３が固定されている。このような錘１０３は、耐圧容器１００の傾きや加速に対して可動可能となっており、錘１０３の動きによってコイルスプリング１０５が弾性変形するようになっている。

耐圧容器１００の光ファイバ導入管１０１から、複数のＦＢＧ加工部が設けられた耐熱光ファイバ６１が耐圧容器１００内に導入される。耐圧容器１００に加速度や傾斜が加わると、錘１０３によってコイルスプリング１０５が弾性変形するが、本発明の実施形態に係るセンサは、この弾性変形を歪検知用ＦＢＧ加工部１０４で検知し、この検知結果に基づいて、加速度や傾斜を求めるようにしている。

耐熱光ファイバ６１としては、シリコン、テフロンやポリイミド等によって被覆されたものが用いられており、これにより本発明の実施形態に係るセンサやこれを用いた地震計は、地中の高温環境における耐熱性や、硫化水素による腐食に対する耐性が良好となる。

耐圧容器１００内には、コイルスプリング１０５の弾性変形を検出するために歪検知用ＦＢＧ加工部１０４が、そして、耐圧容器１００内の温度を検出するために温度検知用ＦＢＧ加工部１０２が設けられる。ここで、歪検知用ＦＢＧ加工部１０４、温度検知用ＦＢＧ加工部１０２としては、歪みを受けていない状況におけるＦＢＧ部による反射波長がそれぞれ異なるものが用いられる。そして、本発明の実施形態に係るセンサにおいては、異なる反射波長をモニタすることによって、それぞれのＦＢＧ加工部の応力による歪みや温度（による歪み）を独立的に検知することができるようになっている。また、歪検知用ＦＢＧ加工部１０４をコイルスプリング１０５に固定する方法についてはこれまでに説明した任意の方法を採用することができる。

図７に示す例では、４つの歪検知用ＦＢＧ加工部１０４が、それぞれの歪検知用ＦＢＧ加工部１０４を含む区間の両端部でテンションがかけられた状態でコイルスプリング１０５に固定され、１つの温度検知用ＦＢＧ加工部１０２が、テンションがかからない状態で配設されている。歪検知用ＦＢＧ加工部１０４は、コイルスプリング１０５の外周囲を略４等分するように配され、それぞれのＦＢＧ部が鉛直方向となるように、４つ取り付けられている。

なお、図７に示す実施形態においては、歪検知用ＦＢＧ加工部１０４を、コイルスプリング１０５の外周囲を略４等分するように配するようにしたが、コイルスプリング１０５などの弾性部材の弾性変形を検出するために、弾性部材に取り付ける歪検知用ＦＢＧ加工部の数、及び、歪検知用ＦＢＧ加工部を弾性部材に取り付ける態様は、この他の態様であってもよい。

本発明の実施形態に係るセンサにおいては、コイルスプリング１０５の弾性変形を歪検知用ＦＢＧ加工部１０４で検知し、この検知結果に基づいて、パーソナルコンピュータ７が所定の演算を行うことによって、耐圧容器１００の傾斜状況や、耐圧容器１００に加えられた加速度などを導出することが可能となる。なお、この演算を行う際には、温度検知用ＦＢＧ加工部１０２によって、温度の影響のみによるＦＢＧ部の歪みを検知し、この温度検知用ＦＢＧ加工部１０２の検知結果を用いて温度補正を行うようにしている。このように、本発明に係るセンサ及びそのセンサを用いた地震計によれば、温度を検知するための温度検知用ＦＢＧ加工部１０２が設けられているので、ＦＢＧ加工部の温度変化に伴う補正を行うことが可能となり、高温環境下でも精度の高い計測を行うことが可能となるのである。

このように、本発明に係るセンサ及びそのセンサを用いた地震計によれば、温度を検知するための、歪検知用とは、異なる温度検知用ＦＢＧ加工部１０２が設けられているので、温度変化に伴う補正を行うことが可能となる。

ところで、高圧環境下では、耐熱光ファイバ６１のガラス部に水素が侵入しＯＨ基を作
り、その光学特性を劣化させてしまう、という問題がある。そこで、センサを高圧環境下で用いる場合には、耐圧容器１００内にアルゴンガス、窒素ガスなどのガスをパージすることによって、耐熱光ファイバ６１のメンテナンスを行うようにする。洗浄ガス導入管１０７は、耐熱光ファイバ６１のメンテナンス用ガスを耐圧容器１００内に導入するためのものであり、洗浄ガス排出管１０６はガスを耐圧容器１００から排気するために用いるものである。

以上のように構成される本発明の実施形態に係るセンサによれば、鉛直方向に対する傾斜及び加速度は４個の歪検知用ＦＢＧ加工部１０４の変状を総合的に評価することによって求めることが可能である。歪検知用ＦＢＧ加工部１０４の温度補正は温度検知用ＦＢＧ加工部１０２の検出する温度によって行う。この温度検知用ＦＢＧ加工部１０２は固定せずフリ−な状態（ぶら下がり状態等）で、歪を受けない状態で設置されている。

本発明の実施形態に係るセンサを、傾斜計、加速度形として用いる場合の手順について説明すると、まず、耐圧容器１００を地上で水平状態とし、この状態でそれぞれの歪検知用ＦＢＧ加工部１０４からの反射波長を初期値として登録しておく。この初期値についての温度依存性がある場合には、センサを地中などにセットする前に、予め測定しておく必要がある。地中に設置後、耐圧容器１００が振動を受ける前は４方向の出力値から傾斜が測定できる傾斜計になる。振動を受けた場合は錘１０３の慣性と耐圧容器１００の相対的な動きをＦＢＧ用光測定器３３で波長シフト量として測定する。パーソナルコンピュータ７などにて歪値とした後、加速度値に変換処理する。振動数、振幅、振動エネルギ−等の解析も必要に応じて行う。なお、計側周波数範囲は、コイルスプリング１０５の弾性定数や錘１０３の質量等を調整することで設定する。

なお、地中で本発明の実施形態に係るセンサを用いる場合には、硫化水素を含む水、高温、高圧や、これらに伴う樹脂の熱分解、水素発生等などの予測し得ない要因がある。光ファイバは容易に水素を吸収し伝送損失を増加させ、通信性能が劣化する。これを防止しするために、洗浄ガス排出管１０６、洗浄ガス導入管１０７を用いて、アルゴンや窒素等の洗浄ガスを流す。光スペクトラムアナライザで水素吸収による吸収損失は容易に測定可能であるので、吸収損失の進行状況に合わせて、定期的且つ間欠的に洗浄することも可能である。

次に、ＦＢＧ加工部（グレーティング部）が形成されている耐熱光ファイバ６１をスプリングコイルなどの弾性部材に固定する種々の態様について説明する。図８は本発明の実施形態に係るセンサにおけるコイルスプリングへの歪検知用ＦＢＧ加工部の固定方法を説明する図である。

図８（Ａ）乃至図８（Ｃ）のいずれの場合についても、上部のスプリングコイルバネ支持部４０（任意のもの。例えば、錘などの自由端側）にコイルスプリングの一端が、下部のスプリングコイルバネ支持部４０（任意のもの。例えば、容器などの固定端側）にコイルスプリングの他端が固定されている場合について説明している。

図８（Ａ）はスプリングコイル長軸方向と平行の方向に歪検知用ＦＢＧ加工部４１を設置した例である。スプリングコイルに、歪検知用ＦＢＧ加工部を取り付ける際には、スプリングコイルの弾性変形に伴い、歪検知用ＦＢＧ加工部に応力がかかるような形態で、取り付けを行う。このような歪検知用ＦＢＧ加工部４１によれば、スプリングコイルの長軸方向の弾性変形を直接的に検出することが可能となる。

図８（Ａ）の態様で歪検知用ＦＢＧ加工部をスプリングコイルに取り付ける場合には、図５（Ｃ）に示すような歪検知用ＦＢＧ加工部が金属管６０から露出したタイプのもの、
又は、図６（Ｂ）に示すようなＦＢＧ加工部７０の近傍に金属管６０がなく、可撓性に優れたタイプのものを採用することが望ましい。図８（Ａ）に示すように、歪検知用ＦＢＧ加工部４１をスプリングコイル長軸方向と平行の方向に取り付けることで、スプリングコイルの弾性変形を高感度で検出することが可能となる。

図８（Ｂ）はスプリングコイルのコイルスパイラル方向と略平行な方向に歪検知用ＦＢＧ加工部４２を設置した例である。この場合においても、スプリングコイルに歪検知用ＦＢＧ加工部を取り付ける際には、スプリングコイルの弾性変形に伴い、歪検知用ＦＢＧ加工部に応力がかかるような状態で、すなわち、歪検知用ＦＢＧ加工部が宙ぶらりで、弛んだ状態とならないように、取り付けを行う。このような歪検知用ＦＢＧ加工部４２によれば、コイルスパイラル方向の伸張を検出することが可能となる。図８（Ｂ）に示すように、歪検知用ＦＢＧ加工部４２をコイルスパイラル方向と略平行な方向に取り付けた場合には、広範囲にわたるスプリングコイルの弾性変形を検出することが可能となる。

図８（Ｃ）は金属管４６にてスプリングコイル４４を作製し、金属管４６の中空状内部に歪検知用ＦＢＧ加工部４３を設置した例である。この場合、スプリングコイル４４の金属管４６中空状内部に、歪検知用ＦＢＧ加工部４３が形成された耐熱光ファイバ６１を挿通した上で、この耐熱光ファイバ６１に該中空状内部でテンションがかかった状態で、スプリングコイル４４の両端部と耐熱光ファイバ６１とを（耐熱性）接着剤などで一体的に封止するようにして形成する。また、スプリングコイル４４の両端部は、それぞれに対応するスプリングコイルバネ支持部４０と固定し、固定部４５とする。このように設置された歪検知用ＦＢＧ加工部４３によれば、スプリングコイル４４の全体的な弾性変化を検出することが可能となる。図８（Ｃ）に示すように、歪検知用ＦＢＧ加工部４３を金属管４６のスプリングコイル４４に封止し取り付けた場合には、スプリングコイル全体の平均的な歪検知が可能であり安定した測定用に適している。

いずれの場合も被固定物３０に直接固定することは困難であり、スプリングコイルバネ支持部を介して固定する方法が望ましい。図８（Ｃ）の場合の固定部は光ファイバ、金属管と支持板の固定部４５とする方が望ましい。

さて、本発明に係るセンサや地震計をケ−シング３内で安定的に固定させるために、クランパ部を設けることは前述したが、このようなクランパ部においても、これまで説明した歪検知用ＦＢＧ加工部を採用することにより、機能性に優れるものを提供することができるようになる。以下、説明する。図９は本発明の実施形態に係る地震計で用いる、同じ圧力によって動作するクランプ部を有するクランパの構造を示す図である。

クランパのケーシングとなる耐圧容器１００には、クランプ部５３と中空可動ロッド５４とストッパ５５とが一体となった部材が設けられており、耐圧容器１００に送り込まれる流体（気体、液体のいずれも利用可）によって、耐圧容器１００外の圧力に抗して、当該部材がＡ方向に動作し、ケーシング３などにクランプ部５３が圧接することにより、耐圧容器１００自身を安定的に固定するものである。なお、図９の例では、前記部材は２つ設けられているが、これは任意の数設けることができる。また、クランプ部５３の形状は、ケーシング３の内壁に沿うような形状とすることもできる。ストッパ５５は、Ａ方向への動作を規制するものである。

耐圧容器１００と中空可動ロッド５４との間にはシ−ル５６が設けられることによって、気密を保ちながらも中空可動ロッド５４が摺動することができるようになっている。また、耐圧容器１００には、耐圧容器１００に流体を送り込むための流体導入管５１と、耐圧容器１００から流体を排出させるための流体排出管５０が設けられている。また、耐圧容器１００には光ファイバ導入管１０１が設けられており、耐熱光ファイバ６１を耐圧容
器１００内部に導入することができるようになっている。

耐圧容器１００内に導入された光ファイバ導入管１０１には、計３つのＦＢＧ加工部が設けられている。耐熱光ファイバ６１は、中空可動ロッド５４を挿通されることによって、クランプ部５３内の中空部に圧力検知用ＦＢＧ加工部５２を配すると共に、温度検知用ＦＢＧ加工部１０２を耐圧容器１００内の空間に応力がかからない状態で配するようにしている。圧力検知用ＦＢＧ加工部５２はクランプ部５３内の中空部に固定されており、クランプ部５３がケーシング３などに圧接することによって生じるクランプ部５３の変形を検知するものであり、温度検知用ＦＢＧ加工部１０２は耐圧容器１００内の温度を検知するものである。

ここで、２つの圧力検知用ＦＢＧ加工部５２、温度検知用ＦＢＧ加工部１０２としては、歪みを受けていない状況におけるＦＢＧ部による反射波長がそれぞれ異なるものが用いられる。そして、本発明の実施形態に係るクランパにおいては、異なる反射波長をモニタすることによって、それぞれのクランプ部５３が受ける応力や温度（による歪み）を独立的に検知することができるようになっている。

以上のような、流体排出管５０、流体導入管５１と光ファイバ導入管１０１を備えた耐圧容器１００の内部に流体圧力で移動するクランプ部５３、中空可動ロッド５４及びストッパ５５を有してなり、地震計等の杭への固定装置として機能するクランパによれば、坑内で地震計を安定的に設置することできる。

また、クランプ部５３の内部には圧力検知用ＦＢＧ加工部５２が設置してあり、坑に充満している水１の水圧を測定するとともに、クランプ部５３が動き、裸杭もしくはケ−シング３に押しつけられた時点で圧力変動を感知する。中空可動ロッド５４と耐圧容器１００との間には設けられているシ−ル５６部材としては、オ−リングもしくはラビリンスパッキンで、シ−ル５６の材質としてはテフロンもしくは金属が望ましい。耐圧容器１００内の圧力が外圧より大きい場合は、クランプ部５３はストッパ５５に当たるまでＡ方向に押し出され、小さい場合は、Ａ’方向にクランプ部５３が耐圧容器１００の壁に当たるまで縮む。流体排出管５０及び流体導入管５１は地上まで繋がっており、耐圧容器１００内の圧力調整は地上にて行う。また、温度検知用ＦＢＧ加工部１０２が耐圧容器１００内に設置されているので、耐圧容器１００内の温度のモニタ及び圧力検知用ＦＢＧ加工部５２で検知する圧力値の補正を行うことが可能となる。クランパ機構は複数方向に押し出される構造で、クランパの外側の接触部の形状は裸杭もしくはケ−シング３の内側形状とほぼ同一であることが望ましい。

次に、クランパの他の実施形態について説明する。図１０は本発明の実施形態に係る地震計で用いる独立した圧力によって動作する複数のクランプ部を有するクランパの構造を示す図である。図１０に実施形態において、図９と同様の参照番号が付された構成は同様のものであり、機能も同じであるので説明を割愛する。図１０に示すクランパが、先の実施形態に係るクランパと相違する点は、耐圧容器１００が圧力隔壁８１によって隔てられると共に、圧力隔壁８１によって隔てられた空間のそれぞれに、独立してクランプ部５３に関連する構造が設けられている点である。

図１０に示すようなクランパにおいては、それぞれの独立空間内の圧力を調整することで、２つのクランプ部５３のそれぞれをＡ−Ａ’方向、Ｂ−Ｂ’方向に独立して動作させることが可能となる。なお、図１０に示す実施形態においては、耐圧容器１００内を２つの独立した空間とするものであるが、耐圧容器１００内に２つより多い独立空間を設けるようにしてもよい。

図９に示すクランパ構造は同圧力による単一クランパであるが、図１０に示すものは、耐圧容器１００内に圧力隔壁８１を設けることにより各々異なる圧力で動かすことのできるクランパ構造である。クランパ機構は複数方向に押し出される構造で、クランプ部５３の外側の接触部の形状は裸杭もしくはケ−シング３の内側形状とほぼ同一であることが望ましい。

次に、本発明に係るセンサを方位計として用いる実施形態について説明する。図１１は本発明の実施形態に係るセンサによる方位計の構造を示す図である。センサを方位計として用いる場合、センシング部を内包するケーシングとしては、非磁性体で構成される非磁性体圧力容器１１３を用いる。この非磁性体圧力容器１１３の互いに向き合う内壁のそれぞれにスプリング力調整部１１１を配し、これらに２つのコイルスプリング１０５の一端を固定し、２つのコイルスプリング１０５の他端には磁針盤１１２を、互いのコイルスプリング１０５で挟むようにして固定する。光ファイバ導入管１０１から導入された耐熱光ファイバ６１には、計３つのＦＢＧ加工部を設けておき、２つは歪検知用として利用するために、それぞれのコイルスプリング１０５に固定（歪検知用ＦＢＧ加工部１０４）し、１つは温度検知用として応力を受けない状態で非磁性体圧力容器１１３内の空間に配する（温度検知用ＦＢＧ加工部１０２）。なお、歪検知用ＦＢＧ加工部１０４をコイルスプリング１０５に取り付ける方法としては、図８（Ｂ）で説明した方法を用いることが好ましいが、図８（Ａ）や図８（Ｃ）で説明した方法ももちろん採用することができる。

ここで、２つの歪検知用ＦＢＧ加工部１０４、温度検知用ＦＢＧ加工部１０２としては、歪みを受けていない状況におけるＦＢＧ部による反射波長がそれぞれ異なるものが用いられる。そして、本発明の実施形態に係るセンサにおいては、異なる反射波長をモニタすることによって、それぞれのＦＢＧ加工部の応力による歪みや温度（による歪み）を独立的に検知することができるようになっている。

なお、２つのコイルスプリング１０５はスプリング力調整部１１１を介して非磁性体圧力容器１１３内に取り付けるようにしているが、２つのコイルスプリング１０５を非磁性体圧力容器１１３内壁に直接的に取り付けることも可能である。また、歪検知用ＦＢＧ加工部１０４をより多く、コイルスプリング１０５に配するようにすれば、より確度高く方位を検出することが可能となる。

以上のように構成される方位計においては、非磁性体圧力容器１１３が設置される状況に応じて、磁針盤１１２がＸ方向又はＹ方向に回転することとなる。すると、２つのコイルスプリング１０５が弾性変形することとなる。より具体的には、磁針盤１１２が回転すると、上側のコイルスプリング１０５が縮み、下側のコイルスプリング１０５が伸びる状態となるか、あるいは、上側のコイルスプリング１０５が伸び、下側のコイルスプリング１０５が縮む状態となる。２つのコイルスプリング１０５に設けられている歪検知用ＦＢＧ加工部１０４によって、これらのコイルスプリング１０５の変形を検知し、さらに温度検知用ＦＢＧ加工部１０２からの温度検知情報で補正を行い、磁針盤１１２の回転状況を把握することがで、図１１に示すセンサを方位計として用いることが可能となる。

図１１に示す方位計は、光ファイバ導入管１０１、洗浄ガス導入管１０７（図示せず）洗浄ガス排出管１０６（図示せず）を備えた非磁性体圧力容器１１２内に、歪検知用ＦＢＧ加工部を取り付けてあるコイルスプリング１１４を鉛直方向に２個設け、その間に磁針盤１１２を挟み込んで方位計としたものである。コイルスプリング１０５にはスプリング力調整部１１１を設け、上下方向のスプリング力をなるべく小さい力でバランスとるように調整している。磁針盤１１２、コイルスプリング１０５及びスプリング力調整部１１１は一体化する。上下のコイルスプリング１０５のスパイラル方向は必要とされる精度と強度によって使い分けることが好ましい。非磁性体圧力容器１１３内には温度検知用ＦＢＧ
加工部１０２も設置されている。

次に、本発明に係るセンサを加速度計として用いる実施形態について説明する。図１２は本発明の実施形態に係るセンサによる加速度計の構造を示す図である。なお、図１２に示す加速度計は、基本的に一軸方向の加速度を検出することを想定している。さて、このようなセンサを加速度計として用いる場合、センシング部を内包するケーシングとしては、インコロイ（登録商標）製の耐圧容器１００を用いる。この耐圧容器１００の互いに向き合う内壁のそれぞれにスプリング力調整部１１１を配し、これらに２つのコイルスプリング１０５の一端を固定し、２つのコイルスプリング１０５の他端には錘１０３を、互いのコイルスプリング１０５で挟むようにして固定する。光ファイバ導入管１０１から導入された耐熱光ファイバ６１には、計３つのＦＢＧ加工部を設けておき、２つは歪検知用として利用するために、それぞれのコイルスプリング１０５に固定（歪検知用ＦＢＧ加工部１０４）し、１つは温度検知用として応力を受けない状態で耐圧容器１００内の空間に配する（温度検知用ＦＢＧ加工部１０２）。なお、歪検知用ＦＢＧ加工部１０４をコイルスプリング１０５に取り付ける方法としては、図８（Ａ）で説明した方法を用いることが好ましいが、図８（Ｂ）や図８（Ｃ）で説明した方法ももちろん採用することができる。

なお、２つのコイルスプリング１０５はスプリング力調整部１１１を介して耐圧容器１００内に取り付けるようにしているが、２つのコイルスプリング１０５を耐圧容器１００内壁に直接的に取り付けることも可能である。また、歪検知用ＦＢＧ加工部１０４をより多く、コイルスプリング１０５に配するようにすれば、精度高く加速度を検出することが可能となる。

以上のように構成される加速度計においては、耐圧容器１００が受ける加速度に応じて、錘１０３がＣ−Ｃ’方向に変位することとなる。すると、２つのコイルスプリング１０５が弾性変形することとなる。２つのコイルスプリング１０５に設けられている歪検知用ＦＢＧ加工部１０４によって、これらのコイルスプリング１０５の変形を検知し、さらに温度検知用ＦＢＧ加工部１０２からの温度検知情報で補正を行い、耐圧容器１００の加速度を把握することがで、図１２に示すセンサを加速度計として用いることが可能となる。

図１２に示す加速度計は、光ファイバ導入管１０１、洗浄ガス導入管１０７（図示せず）洗浄ガス排出管１０６（図示せず）を備えた耐圧容器１００内に、歪検知用ＦＢＧ加工部を取り付けてあるコイルスプリング１１４を鉛直方向に２個設け、その間に錘１０３を挟み込んだ構成とした加速度計である。コイルスプリングのスプリング力調整部１１１を設け、上下方向のスプリング力は計測しようとする加速度範囲を考慮してバランスとる。錘１０３、コイルスプリング１０５及びスプリング力調整部１１１は一体化する。上下のコイルスプリング１０５のスパイラル方向は必要とされる精度と強度によって使い分ける。耐圧容器１００内には温度検知用ＦＢＧ加工部１０２が設置されている。

次に、本発明に係るセンサを加速度計として用いる他の実施形態について説明する。図１３は本発明の実施形態に係るセンサによる傾斜計／加速度計の構造を示す図である。図１２に示す加速度計の実施形態では、一軸方向に係る加速度を検出するものであったのに対して、図１３に示す実施形態は３軸方向について加速度を検出するものである。また、図１３（Ａ）と図１３（Ｂ）とは歪検知用ＦＢＧ加工部１０４をコイルスプリング１０５
に固定する方法が異なり、その他は同一の構成となっている。

このような３軸方向の加速度計においては、ケーシングとしてインコロイ（登録商標）製の略立方体形状をなす耐圧容器１００を用いる。この耐圧容器１００内に設けられている略立方体形状の空間の、６つの内壁のそれぞれにコイルスプリング１０５の一端を固定し、それぞれのコイルスプリング１０５の他端には錘１０３を固定する。図１３において、紙面に対して垂直な方向にもコイルスプリング１０５が設けられているものであり、したがって、錘１０３は耐圧容器１００の６つの内壁から延在する６つのスプリングで支えられている状態となる。

光ファイバ導入管１０１から導入された耐熱光ファイバ６１には、計７つのＦＢＧ加工部を設けておき、６つは歪検知用として利用するために、それぞれのコイルスプリング１０５に固定（歪検知用ＦＢＧ加工部１０４）し、１つは温度検知用として応力を受けない状態で耐圧容器１００内の空間に配する（温度検知用ＦＢＧ加工部１０２）。

なお、歪検知用ＦＢＧ加工部１０４をコイルスプリング１０５に取り付ける方法としては、図８（Ａ）（図１３（Ａ）に対応）に示した方法、又は図８（Ｂ）（図１３（Ｂ）に対応）に示した方法のいずれについても用いることができる。なお、歪検知用ＦＢＧ加工部１０４をより多く、コイルスプリング１０５に配するようにすれば、精度高く加速度を検出することが可能となる。

ここで、６つの歪検知用ＦＢＧ加工部１０４、温度検知用ＦＢＧ加工部１０２としては、歪みを受けていない状況におけるＦＢＧ部による反射波長がそれぞれ異なるものが用いられる。そして、本発明の実施形態に係るセンサにおいては、異なる反射波長をモニタすることによって、それぞれのＦＢＧ加工部の応力による歪みや温度（による歪み）を独立的に検知することができるようになっている。

以上のように構成される加速度計においては、耐圧容器１００が受ける加速度に応じて、錘１０３が３次元的に変位することとなる。すると、６つのコイルスプリング１０５が弾性変形することとなる。そして、６つのコイルスプリング１０５に設けられている歪検知用ＦＢＧ加工部１０４によって、それぞれのコイルスプリング１０５の変形具合を検知し、さらに温度検知用ＦＢＧ加工部１０２からの温度検知情報で補正を行い、耐圧容器１００の加速度を把握することがで、図１３に示すセンサを３軸方向の加速度計として用いることが可能となる。

図１３に示すセンサは、光ファイバ導入管１０１、洗浄ガス導入管１０７（図示せず）洗浄ガス排出管１０６（図示せず）を備えた耐圧容器１００内に、図１２に示すコイルスプリング１１４を鉛直方向、東西方向及び南北方向に各々２個、合計６個設け、中央部に錘１０３を挟み込んでいる傾斜計／加速度計である。コイルスプリングのスプリング力調整部１１１（図示せず）を設けた構成とすることもできる。各々の方向のスプリング力は計測しようとする傾斜／加速度範囲を考慮してバランスとる。錘１０３、コイルスプリング１１４及びスプリング力調整部１１１は一体化する。温度検知用ＦＢＧ加工部１０２も設置されている。図１３（Ａ）は各々のコイルスプリング１０５で、コイル長軸方向に歪検知用ＦＢＧ加工部１２０、１２１、１２２を設置した場合を示している。また、図１３（Ｂ）は各々のコイルスプリング１０５で、コイルスパイラル方向に歪検知用ＦＢＧ加工部４２を設置した場合を示している。図１３（Ａ）は高感度に傾斜／加速度を検出する用途に、また、図１３（Ｂ）は広範囲に傾斜／加速度を検出する用途に、と使い分けることができる。図８（Ｃ）で示したタイプの、６つのスプリングコイル４４を用いて、３軸の傾斜／加速度を構成することもでき、この場合、安定測定用として用途として利用できる。

次に、地震計８のより詳しい構造について説明する。図１４は本発明の実施形態に係るセンサを用いた地震計（ハイブリッド型高温用地震計）の構造を示す図である。

このような地震計８は、上段から、図１１に示す方位計１３０、図１０に示すクランパ１３１、図１３に示す傾斜計／加速度計１３２及び図７に示す傾斜計／加速度計１３３が一体的に接合された構造となっている。これまで説明した高温環境下で用いることができる複数のセンサを一体としたことから、これをハイブリッド型高温用地震計と称することもできる。

なお、方位計１３０に設けられる洗浄ガス排出管１０６、洗浄ガス導入管１０７及び光ファイバ導入管１０１、クランパ１３１に設けられる流体排出管５０、流体導入管５１及び光ファイバ導入管１０１、傾斜計／加速度計１３２に設けられる洗浄ガス排出管１０６、洗浄ガス導入管１０７及び光ファイバ導入管１０１、傾斜計／加速度計１３３に設けられる洗浄ガス排出管１０６、洗浄ガス導入管１０７及び光ファイバ導入管１０１は全て図示省略している。

ところで、方位計１３０、クランパ１３１、傾斜計／加速度計１３２、傾斜計／加速度計１３３のそれぞれに用いる耐熱光ファイバ６１はそれぞれ独立したものを用いることもできるし、全て、又はいずれかを共用することもできる。耐熱光ファイバ６１を独立的に設けるようにすれば、構成は複雑となるが、互いのセンサの故障時に、それぞれのセンサがバックアップとして機能するので安全度が増すこととなる。一方、耐熱光ファイバ６１を共用する形で用いれば構成は単純とすることができるが、前記のような安全度は低減することとなる。

同様のことは、洗浄ガス排出管１０６、洗浄ガス導入管１０７などの配管についても、言えることであり、それぞれの配管を独立的に設けるようにすれば、構成は複雑となるが、互いのセンサの故障時に、それぞれのセンサがバックアップとして機能するので安全度が増すこととなる。一方、配管を共用する形で用いれば構成は単純とすることができるが、前記のような安全度は低減することとなる。

なお、洗浄ガス排出管１０６、洗浄ガス導入管１０７などの配管系は共通仕様よりも単独仕様の方が望ましい。一つの測定機構が破壊を受けた時、即全ての測定機構が使用不能になることを防止するためである。

また、上記のような地震計８（ハイブリッド型高温用地震計）によれば、方位計や傾斜計を有するものであるので、設置状況を的確に把握することが可能となる。

次に、上記のような地震計８に耐熱光ファイバや上記配管系を導くための地震計接続ライン４について説明する。図１５は本発明の実施形態に係る地震計で用いる地震計接続ラインの構造を示す図である。図１５は地震計接続ライン４の断面部を示している。図１５に示すように、地震計接続ライン４の外層１５０内には、高圧流体の搬送管１５１、洗浄用ガスの搬送管１５２、光ファイバ用のジャケット管１５３がそれぞれ設けられ、さらに光ファイバ用のジャケット管１５３の中には耐熱光ファイバ６１が配されるようになっている。図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に比べて、より多くの搬送管やジャケット管を配するようにした場合の構造を示すものである。

図１５に示す地震計接続ライン４（特に耐熱光ファイバ６１は高温・高圧・高負荷・高腐食性雰囲気に曝されるので高価とならざるを得ないが、）は、高温・高圧・高負荷・高腐食性雰囲気に曝されことになる。光ファイバによる高温用地震計を用いて、高精度化・
広範囲適用化且つ長期間安定化した観測システムを実現するには、適切な地震計接続ライン４の適用は不可欠である。複数の金属管を目的別に使い分け、耐熱性、耐硫化水素性、耐圧性、耐負荷性を得るために以下の点に着目して構成することが好ましい。
（１）耐熱性１００℃〜最大２５０℃を確保するために、外層１５０の材質はテフロンとする。また、耐熱光ファイバ６１の樹脂被覆２４の材質は、シリコン、テフロンもしくはポリイミドとする。長期的安定性を必要とする場合は、予め地震計８の適用温度以上で脱ガス処理を実施した耐熱樹脂被覆を適用する。
（２）耐硫化水素性を確保するために外層１５０はテフロン、金属管で構成する高圧流体の搬送管１５１、洗浄用ガスの搬送管１５２の材質はインコロイ（登録商標）とする。
（３）耐圧性及び耐負荷性についてはインコロイ（登録商標）の高温における機械的特性を評価し、金属管外径と肉厚を決定する。２００℃、地中２０００ｍ（水圧約２０ＭＰａ）の場合、外径２．４ｍｍ、肉厚０．５ｍｍの４本で適用可能である。
（４）光ファイバ導入管、高圧流体配管系、洗浄ガス配管系の使い分けを考慮すると少なくとも５管、好ましくは１５管以上が望ましい。
（５）耐負荷性については、別途テンションメンバとしての吊り線ケ−ブルを適用する場合は金属管の外径及び肉厚は小さくすることができる。しかしながら、吊り線ケ−ブルの耐硫化水素性に留意する必要がある。

次に、以上のように構成される地震計８を含む計測システムに、さらに分布型ファイバセンサを適用することによって、より広範な観測を行うことを可能とする実施形態について説明する。まず、上記のような分布型ファイバセンサの原理について説明する。図１６は分布型光ファイバセンサの原理を説明する図であり、光ファイバに所定周波数のパルス光を入射したときの後方散乱光の周波数分布を示す図である。このような後方散乱光の種類としては、図示するように、レイリー散乱光、ブルリアン散乱光、ラマン散乱光が知られており、特にブルリアン散乱光は光ファイバの歪みによって、ラマン散乱光は光ファイバの温度によって、それぞれ散乱光の周波数がシフトすることが知られており、次の実施形態ではこのような現象を利用するものである。

図１７は本発明の実施形態に係る地震計への分布型光ファイバセンサの適用例を示す図である。なお、図１７は先の実施形態において説明した地震計接続ライン４と同等のものの斜視図であり、本実施形態では、このような地震計接続ライン４が地震計８の接続のために用いられている。

図１７においては、高圧流体の搬送管１５１や、一部の光ファイバ用のジャケット管１５３については図示省略している。図１７に示す実施形態においては、地震計接続ライン４の外層１５０外周にその長手方向に沿うようにして、耐熱光ファイバ６１を挿通した金属管１６０を併設するようにしている。このような金属管１６０中の耐熱光ファイバ６１には、レーザパルス光を定期的な間隔で入射し、その後方散乱光であるブルリアン散乱光を時分割で観測する。このような観測によって、金属管１６０のどの位置（どの深さ）でどのような応力を受けたかを把握することができるようなるため、地盤変状や地滑りなどの観測に好適なものとなる。

これは、ブリルアン後方散乱光を検出手段とした、歪に関する線分布センシングを行う実施形態であり、鉄製ケ−シング（外層１５０）の外側に金属管１６０入り耐熱光ファイバ歪センサを取り付けることにより、ケ−シングの変状をモニタすることが可能となる。これによれば、地震前後の変状把握に好適なものである。

また、光ファイバ用のジャケット管１５３内の耐熱光ファイバ６１にも、レーザパルス光を定期的な間隔で入射し、その後方散乱光であるラマン散乱光を時分割で観測する。このような観測によって、地震計接続ライン４のどの位置（どの深さ）でどの程度の温度で
あるのかを把握することができるようなるため、地盤変状や地滑りなどの観測に好適なものとなる。

これは、ラマン後方散乱光を検出手段とした温度に関する線分布センシングを行う実施形態であり、光ファイバ用のジャケット管１５３内の光ファイバ１本をこれに供することができる。これまで説明した地震計８によれば、地震計８が設置された場所のみの温度を観測することとなるが、ラマン後方散乱光を用いた観測によれば、ボアホ−ル内（あるいは、ケーシング３内）の鉛直方向の温度分布を観測することができるようになる。

以上、本発明に係るセンサ及びそのセンサを用いた地震計によれば、第１のグレーティング部を有する光ファイバとして、耐熱光ファイバが用いられるので、地中の高温環境における耐熱性や硫化水素による腐食に対する耐性が向上する。

なお、本明細書においては、本発明に係るセンサを地震計として用いることを中心に説明したが、本発明に係るセンサは津波の計測などに用いても好適なものである。

１・・・水、２・・・地盤、３・・・ケ−シング、４・・・地震計接続ライン、５・・・屋外用光通信ケ−ブル、６・・・光測定器、７・・・パーソナルコンピュータ、８・・・地震計、２０・・・入射光、２１・・・ＦＢＧ１加工部による反射光、２２・・・ＦＢＧ２加工部による反射光、２３・・・透過光、２４・・・樹脂被覆、２５・・・裸ファイバのクラッド、２６・・・裸ファイバのコア、２７・・・ＦＢＧ１加工部、２８・・・ＦＢＧ２加工部、３０・・・被固定物、３１・・・ＦＢＧ加工部、３２・・・光ファイバ通信ケ−ブル、３３・・・ＦＢＧ用光測定器、３４・・・光スイッチ、３５・・・分光器、３６・・・レ−ザ光源、３７・・・光波長測定ユニット、４０・・・スプリングコイルバネ支持部、４１・・・コイル長軸方向に設置した歪検知用ＦＢＧ加工部、４２・・・コイルスパイラル方向に設置した歪検知用ＦＢＧ加工部、４３・・・スプリングコイルバネの金属管内部に設置された歪検知用ＦＢＧ加工部、４４・・・スプリングコイル、４５・・・光ファイバ、金属管と支持板の固定部、４６・・・金属管、５０・・・流体排出管、５１・・・流体導入管、５２・・・圧力検知用ＦＢＧ加工部、５３・・・クランプ部、５４・・・中空可動ロッド、５５・・・ストッパ、５６・・・シ−ル、６０・・・金属管、６１・・・耐熱光ファイバ、６２・・・間隙、６３・・・カシメ部、６４・・・光ファイバ樹脂の圧出部、６５・・・耐熱接着剤、７０・・・ＦＢＧ加工部、７１・・・金属管と被固定物の固定部、７２・・・光ファイバ露出部、８１・・・圧力隔壁、９０・・・光ファイバ被覆処理部、９１・・・光ファイバ被覆処理部と被固定物の固定部、１００・・・耐圧容器、１０１・・・光ファイバ導入管、１０２・・・温度検知用ＦＢＧ加工部、１０３・・・錘、１０４・・・歪検知用ＦＢＧ加工部、１０５・・・コイルスプリング、１０６・・・洗浄ガス排出管、１０７・・・洗浄ガス導入管、１１１・・・スプリング力調整部、１１２・・・磁針盤、１１３・・・非磁性体圧力容器、１１４・・・歪検知用ＦＢＧ加工
部を取り付けてあるコイルスプリング、１２０・・・コイル長軸方向（Ｘ方向）に設置した歪検知用ＦＢＧ加工部、１２１・・・コイル長軸方向（Ｙ方向）に設置した歪検知用ＦＢＧ加工部、１２２・・・コイル長軸方向（Ｚ方向）に設置した歪検知用ＦＢＧ加工部、１３０・・・方位計、１３１・・・クランパ、１３２・・・傾斜計／加速度計、１３３・・・傾斜計／加速度計、１５０・・・外層、１５１・・・高圧流体の搬送管、１５２・・・洗浄用ガスの搬送管、１５３・・・光ファイバ用のジャケット管、１６０・・・金属管

Claims

歪みを受けることによって光学特性が変化する所定長の第１のグレーティング部を有する光ファイバと、コイルスプリングと、を有するセンサにおいて、
前記光ファイバとして使用温度以上で予め熱処理してガス発生源を除去した耐熱光ファイバが用いられ、
前記光ファイバの前記第１のグレーティング部を含む区間の両端部を、前記コイルスプリングの異なる２箇所に固定すると共に、
前記コイルスプリングの弾性変形を前記第１のグレーティング部で検知することを特徴とするセンサ。
前記両端部と前記コイルスプリングとの固定に耐熱性接着剤を用いたことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記コイルスプリングの一方端に取り付けられる錘と、
前記コイルスプリングの他方端に取り付けられる容器と、をさらに有し、
前記第１のグレーティング部における光学特性の変化に基づいて、前記容器の傾斜を検知することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサ。
前記コイルスプリングの一方端に取り付けられる錘と、
前記コイルスプリングの他方端に取り付けられる容器と、をさらに有し、
前記第１のグレーティング部における光学特性の変化に基づいて、加速度を検知することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサ。
前記コイルスプリングの一方端に取り付けられる磁性材料と、
前記コイルスプリングの他方端に取り付けられる容器と、をさらに有し、
前記第１のグレーティング部における光学特性の変化に基づいて、方位を検知することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサ。
前記容器には、前記第１のグレーティング部とは異なる第２のグレーティング部を設け、
前記第２のグレーティング部における光学特性の変化に基づいて、温度を検知することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセンサ。
前記両端部が、金属管に被われ、前記金属管と共にカシメられていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のセンサ。
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のセンサを用いたことを特徴とする地震計。
流体の圧力に応じて可動するクランプ部と、
前記クランプ部に前記第１のグレーティング部、前記第２のグレーティング部と異なる第３のグレーティング部を設け、
前記第３のグレーティング部における光学特性の変化に基づいて、前記クランプ部にかかる応力を検知することを特徴とする請求項８に記載の地震計。
前記光ファイバに導入する光の光源として連続発光するレ−ザ光源を用いたことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の地震計。