JP5604954B2 - センサおよび加速度の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサおよび加速度の検出方法に関する。

従来、加速度を検出するための様々なセンサが知られている。その一例として、光ファイバを利用した加速度センサを挙げることができる。
例えば、特許文献１には、光ファイバ・グレーティングを備え、並進加速度、及び回転角加速度の計測を可能とする地震計について記載されている。また、特許文献２には、変位計や傾斜計に組み込む角度センサの受感部として、光学的検知素子であるＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を用いた角度センサについて記載されている。

特開２００１−２８１３４７号公報 特開２００３−２８７４１１号公報

しかし、上述した加速度センサは、その構造が複雑になってしまうという問題点がある。また、角度センサは、構造が複雑になってしまうなどの理由から、小型化が難しいという問題もある。

特許文献１に記載の地震計は、中空の多面体形状のケーシングの内部に、ケーシングの内側面の中心位置と、多面体形状を有する中実荷重体の中心位置が一致するように位置している。そして、中実荷重体の四方、すなわち、ケーシングの内側面中心部と、中実荷重体中心部の間に、中実荷重体がケーシングに印加される並進加速度に対応して相対変位するように、光ファイバ・グレーティングが支持線により支持されている。

中実荷重体は、複数の光ファイバ・グレーティングおよび支持線により支持されているため、中実荷重体の振動方向を制限することが難しい。加えて、中実荷重体と光ファイバ・グレーティングとが１対１となるように設けられていないので、中実荷重体が振動する各方向、例えば、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向それぞれの変位を検出することが難しい。

特許文献２に記載のＦＢＧ式角度センサは、支持板に軸支した回転軸にレバー部材を軸支し、回転軸の回転力がばね部材を介してレバー部材に伝達される。そして、中間にＦＢＧを形成した光ファイバを、支持板とレバー部材との間にＦＢＧが張り渡されるように、ＦＢＧの両側の光ファイバの部分において支持板とレバー部材とに固定する。これにより、ＦＢＧに作用する張力がばね部材により回転軸の回転角度に応じて変化し、この張力変化によるブラッグ波長の変化で回転軸の回転角度が検出される。

回転力は、バネ部材等を介して伸縮方向の力に変換され、ＦＢＧを形成した光ファイバに加えられている。そのため、ＦＢＧ自身の振動の中心点の変化から角速度検出することが難しい。

本加速度センサは、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、簡素かつ小型の加速度センサを用いて複数の方向の変位を検出可能なセンサおよび検出方法を提供することである。

請求項１に記載のセンサは、ＦＢＧ加工された複数のＦＢＧ部を有する光ファイバケーブルと、重りの振動方向を規制可能に、少なくとも２以上の前記ＦＢＧ部に沿って設けられ、一方の端部である固定端で固定された梁部材と、少なくとも２以上の前記梁部材の他方の端部である自由端に取り付けられた重りと、を備え、前記ＦＢＧ部はそれぞれ異なる反射光波長に加工されている、ことを特徴とするセンサである。

なお、梁部材がＦＢＧ部に沿って設けられるとは、梁部材の振動がＦＢＧ部に伝達可能である場合を指し、梁部材が直接ＦＢＧ部と接して設けられる場合に限らず、例えば軟質樹脂のような保護部材を介してＦＢＧ部と梁部材とが配置される場合を含む。

請求項１に記載のセンサによると、１本の光ファイバケーブルに、複数の加速度センサを設けることが可能となる。
請求項２に記載のセンサは、前記ＦＢＧ部のうち、前記光ファイバケーブルの線上において前記重りが向き合って配置されている一対のＦＢＧ部がある場合において、前記一対のＦＢＧ部の間を接続する前記光ファイバケーブルの長さは、前記一対のＦＢＧ部に取り付けられている前記重りの間の直線間隔より長い、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサである。

請求項２に記載のセンサによると、光ファイバケーブルの線上において向き合って配置された重りの振動が伝播されにくくなるという効果を奏する。
請求項３に記載のセンサは、少なくとも２以上の前記重りの取り付けられた前記ＦＢＧ部が異なる方向に配置される、ことを特徴とする請求項１あるいは２に記載のセンサである。

請求項３に記載のセンサによると、２次元における重りの変動を検知することができる。
請求項４に記載のセンサは、少なくとも２以上の前記重りの取り付けられた前記ＦＢＧ部は直交する方向に配置される、ことを特徴とする請求項３に記載のセンサである。

請求項４に記載のセンサによると、直交する２方向、例えば、ｘｙ座標系におけるｘ軸方向とｙ軸方向における前記重りの変動を検知することができる。
請求項５に記載のセンサは、前記梁部材が、前記ＦＢＧ部に沿う方向に対して垂直方向の断面形状が長軸および短軸を有する部材である、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサである。

請求項５に記載のセンサによると、梁部材は短軸方向にたわみやすいため、振動方向を規制するのに好適である。
請求項６に記載のセンサは、前記光ファイバケーブルの線上において向き合って配置された重りの間に配置され、前記光ファイバケーブルを固定可能な固定部材をさらに備える、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサである。

請求項６に記載のセンサによると、重りの振動が隣り合うＦＢＧ部間で伝播されるのを抑制することが可能となる。
請求項７に記載のセンサは、前記梁部材の前記固定端を固定する支持部材をさらに備える、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサである。

請求項７に記載のセンサによると、ＦＢＧ部と重りをユニットとして取り付けるのに好適となる。
請求項８に記載のセンサユニットは、前記光ファイバケーブルに多波長光を入力する光源部と、前記ＦＢＧ部からの出力波形を取得する演算装置と、をさらに備える請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサユニットである。

請求項９に記載の車両は、請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサが搭載された車両である。
請求項９に記載の車両は、ヨーレートなど車両にかかる様々な加速度を検出することが可能となる。また、車両に備わるＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を利用して請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサを実現することが可能となる。この場合、ＣＡＮを利用して、様々な情報のやり取りと同時に梁部材の歪み検知が可能となる。

請求項１０に記載の加速度の検出方法は、請求項１から請求項４に記載のセンサが出力する多波長光に含まれる波長のうち、ＦＢＧ部に取り付けられた重りの振動に応じて変位する波長の強度を、前記重りの振動方向におけるセンサの変位として検出し、前記センサの変位から前記センサの振動の中心位置を算出し、現在または過去に算出した少なくとも２以上の前記中心位置を相対的に比較し、前記比較結果から前記センサにかけられた加速度を算出する。

本センサによると、簡素かつ小型のセンサを用いて変位を検出可能なセンサおよび加速度の検出方法を提供することができる。

本実施例に係る加速度センサを用いた加速度の検出方法を実現する加速度検出装置の構成例を示す図である。 本実施例に係る加速度センサの構成例を示す図である。 光ファイバケーブルの第１の区間の機能を説明する図である。 本実施例に係る加速度センサを用いた加速度の検出方法の概要について説明する図である。 本実施例に係る振幅の中心値について説明する図である。 本実施例に係る加速度センサを用いた加速度の検出処理を示すフローチャートである。 本実施例に係る第１の波長からの波形を示した模式図である。 本実施例に係る加速度の検出方法にリサージュ曲線を用いた場合について説明する図である。 本実施例に係る加速度センサの構成の第１の変形例を示す図である。 本実施例に係る加速度センサの構成の第２の変形例を示す図である。 本実施例に係る特定の方向の加速度だけを検出する加速度センサの構成例を示す図である。 本実施例に係る加速度センサの応用例を示す図である。

以下、本実施形態の一例について、図１〜図１２に基づいて説明する。
図１は、本実施例に係る加速度センサを用いた加速度の検出方法を実現する加速度検出装置１００の構成例を示す図である。

図１に示す加速度検出装置１００は、多波長発光装置（光源部）１０１と、加速度センサ１０２および１０３と、分光器１０４と、演算装置１０５と、を備える。そして、多波長発光装置１０１−加速度センサ１０２間と、加速度センサ１０２−加速度センサ１０３間と、加速度センサ１０３−分光器１０４間と、はそれぞれ光ファイバケーブル１１０、１１１および１１２で接続されている。

多波長発光装置１０１は、複数の波長が含まれる多波長光を生成し、光ファイバケーブル１１０、１１１および１１２に多波長光を出力する。多波長発光装置１０１は、例えば、複数の波長を持つ多波長光を出力する多波長発光ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などで実現できる。

本実施例では、２つの加速度センサ１０２および１０３を使用しているので、多波長発光装置１０１は、少なくとも後述する第１乃至第４の波長が含まれる多波長光を生成して出力する必要がある。

加速度センサ１０２は、加速度センサ１０２に入力される多波長光のうち特定の波長の光だけを、加速度センサ１０２の振動に応じて減衰させて出力する。このとき光の減衰分は加速度センサ１０２内部で反射され入力端から出力される。本実施例では、加速度センサ１０２が、図１に示すｘ軸方向への振動に応じて減衰させて出力する光の波長を「第１の波長」という。また、加速度センサ１０２が、図１に示すｙ軸方向への振動に応じて減衰させて出力する光の波長を「第２の波長」という。

加速度センサ１０３も、加速度センサ１０３に入力される多波長光のうち特定の波長の光だけを、加速度センサ１０３の振動に応じて減衰させて出力する。本実施例では、加速度センサ１０３が、図１に示すｘ軸方向への振動に応じて減衰させて出力する光の波長を「第３の波長」という。また、加速度センサ１０３が、図１に示すｙ軸方向への振動に応じて減衰させて出力する光の波長を「第４の波長」という。

分光器１０４は、入力される多波長光から第１乃至第４の波長の光の強度を検出する。本実施例では、加速度センサ１０２および加速度センサ１０３が、それぞれ異なる反射光波長、すなわち、第1乃至第4の波長に加工されたＦＢＧ部を含んでいるからである。例えば、分光器１０４は、第１乃至第４の波長の光の強度を電気信号に変換して電圧値で表すことができる。

演算装置１０５は、分光器１０４が出力する第１および第２の波長の光の強度から加速度センサ１０２に加えられる加速度を算出する。また、演算装置１０５は、分光器１０４が出力する第３および第４の波長の光の強度から加速度センサ１０３に加えられる加速度を算出する。

なお、本実施例に係る加速度検出装置１００では、図１に示したように、２つの加速度センサ１０２および１０３を使用した場合を示しているが、加速度センサを２つ使用する場合に加速度検出装置１００の構成や加速度の検出方法を限定する趣旨ではない。加速度センサは、少なくとも１つあればよく、必要に応じて複数の加速度センサを使用することができる。図１に示す加速度検出装置１００の場合、２つの加速度センサ１０２および１０３を対象物の異なる部位に設置することによって、各部位の加速度を同時に計測することが可能となる。

また、後述する加速度センサ１０２および加速度センサ１０３の内部に備わる光ファイバケーブルと、多波長発光装置１０１−加速度センサ１０２間、加速度センサ１０２−加速度センサ１０３間および加速度センサ１０３−分光器１０４間を接続する光ファイバケーブルと、はひと続きの光ファイバケーブルを使用することができる。

以下、加速度センサ１０２および加速度センサ１０３について具体的に説明する。なお、加速度センサ１０２と加速度センサ１０３は、同じ構造であるので、以下では代表して加速度センサ１０２について説明する。

図２は、本実施例に係る加速度センサ１０２の構成例を示す図である。
加速度センサ１０２は、フレーム２０１と、光ファイバケーブル２０２と、板バネ２０３および２０４と、重り２０５及び２０６と、を備える。

フレーム２０１は、加速度センサ１０２の全体を包含する中空構造の筐体である。フレーム２０１は、剛体であることが望ましい。本実施例に係るフレーム２０１は、図２に示すように、ｚ軸方向に向い合う上面と下面がない中空構造の直方体を使用している。

光ファイバケーブル２０２は、第１の区間（図２におけるＡ−Ｂ間）と第２の区間（図２におけるＣ−Ｄ間）に対してＦＢＧ加工が施されたＦＢＧ部を有する光ファイバケーブルである。このＦＢＧ加工により、第１の区間では、光ファイバケーブル２０２のコア部に加わる応力に応じて第１の波長の光の一部または全部が反射される結果、第１の波長の光が減衰する。同様に、第２の区間では、コア部に加わる応力に応じて第２の波長の光の一部または全部が反射される結果、第２の波長の光が減衰する。

光ファイバケーブル２０２には、第１の区間に沿って、ポリイミドなどの樹脂でできた板バネ２０３が固定されている。このとき、第１の区間の光ファイバケーブル２０２が直線状に保持されるように、板バネ２０３が固定されることが望ましい。

第１の区間の固定端、すなわち板バネ２０３のＡ端は、第１の区間の光ファイバケーブル２０２がｙ軸と平行、かつ、板バネ２０３がなす平面とｘｙ平面とが垂直となるように、フレーム２０１に固定されている。

第１の区間の自由端、すなわち板バネ２０３のＢ端には、振動用の重り２０５が固定されている。重り２０５が固定されたＢ端は、板バネ２０３により、ｘｙ平面上の一定範囲を振動する。微少な振動の場合、重り２０５が固定されたＢ端は、ｘｙ平面上をｘ方向に振動すると近似することができる。

また、光ファイバケーブル２０２には、第２の区間に沿って、ポリイミドなどの樹脂でできた板バネ２０４が固定されている。このとき、第２の区間の光ファイバケーブル２０２が直線状に保持されるように、板バネ２０４が固定されることが望ましい。

第２の区間の固定端、すなわち板バネ２０４のＣ端は、第２の区間の光ファイバケーブル２０２がｘ軸と平行、かつ、板バネ２０４がなす平面とｘｙ平面とが垂直となるように、フレーム２０１に固定されている。

第２の区間の自由端、すなわち板バネ２０３のＤ端には、振動用の重り２０６が固定されている。重り２０６が固定されたＤ端は、板バネ２０４により、ｘｙ平面上の一定範囲を振動する。微少な振動の場合、重り２０６が固定されたＤ端は、ｘｙ平面上をｙ方向に振動すると近似することができる。

重り２０５−重り２０６間の光ファイバケーブル２０２は、傷などから光ファイバケーブル２０２を保護することために、例えば、軟質樹脂などで覆われている。
なお、図２のように、光ファイバケーブル２０２の線上において向き合って配置された重り２０５および２０６の取り付けられたＦＢＧ部において、一方の重りの振動が他方の重りが取り付けられた区間のＦＢＧ部に伝播された場合、各ＦＢＧ部の振動はそれぞれに取り付けられた各重りの規制された方向以外の振動に影響される。

例えば、重り２０５の振動が重り２０６が取り付けられた第２の区間のＦＢＧ部に伝搬される場合、第２の区間のＦＢＧ部の振動は、重り２０６のｙ軸方向以外の振動、例えば、ｘ軸方向の振動に影響される。

この場合、規制された方向以外の振動を含む信号が検出されるため、センシングの精度が低下する恐れがある。そのため、本実施例において、隣り合うＦＢＧ部を接続する光ファイバケーブル２０２の長さは、隣り合う一方の重りの振動が他方の重りの振動に伝播されない程度に十分長く配置されている。

例えば、隣り合う第１の区間と第２の区間のＦＢＧ部を接続する光ファイバケーブル２０２の長さは、重り２０５の振動が第２の区間のＦＢＧ部に、または、重り２０６の振動が第１の区間のＦＢＧ部に、伝搬されない程度に十分な長さが確保されている。

上述のように、加速度センサ１０２を、少なくとも隣り合う重りの間隔よりも光ファイバケーブルの線上において向き合って配置された重りの取り付けられたＦＢＧ部を接続する光ファイバケーブルの長さの方が長い構成とすることができる。

なお、「光ファイバケーブル２０２の線上において向き合って配置された」とは、例えば、光ファイバケーブル２０２の線上において、「重り２０５が取り付けられた板バネ２０３が固定されたＡ端から重り２０５を臨む方向」と「重り２０６が取り付けられた板バネ２０４が固定されたＣ端から重り２０６を臨む方向」と、が向き合って配置されている状態をいう。

以上に説明した構成において、板バネ２０３や板バネ２０４は、梁部材の一例として挙げることができる。また、Ａ端やＣ端は、固定端の一例として挙げることができる。また、Ｂ端やＤ端は、自由端の一例として挙げることができる。また、フレーム２０１は、支持部材の一例として挙げることができる。

フレーム２０１は、加速度センサ１０２に必須の構成要素ではない。フレーム２０１の代わりに、例えば、加速度センサ１０２を設置する対象物の一部などを使用することも可能である。

また、フレーム２０１の形状は、図２に示した直方体である必要はなく、例えば、円柱形や多角形、球形、コ字形、弓形など様々な形状であってもよい。
また、光ファイバケーブル２０２は、第１の区間の全ての区間がＦＢＧ加工されていなくてもよく、例えば、第１の区間の一部の区間だけにＦＢＧ加工が施されていればよい。同様に、光ファイバケーブル２０２は、第２の区間の全ての区間がＦＢＧ加工されていなくてもよく、例えば、第２の区間の一部の区間だけにＦＢＧ加工が施されていればよい。

また、板バネ２０３および２０４は、光ファイバケーブル２０２が板バネ２０３および２０４内部を貫通するように固定してもよく、板バネ２０３および２０４を複数の板バネで構成して光ファイバケーブル２０２を挟むように固定してもよい。

また、重り２０５および２０６は、光ファイバケーブル２０２が重り２０５および２０６を貫通するように固定してもよいし、光ファイバケーブル２０２を挟むように固定しても良い。

また、本実施例では、板バネ２０３および２０４の材料に、ポリイミドなどの樹脂を使用しているが、これに限定する趣旨ではない。例えば、鋼、りん青銅、ベリリウム銅、ゴム、合成樹脂、形状記憶合金や木など必要に応じた材料を使用すればよい。

また、本実施例では、板バネ２０３および２０４を使用しているが、板バネであることに限定する趣旨ではない。例えば、板バネ２０３は、重り２０５をｘｙ平面の一定範囲に制限して振動させるための梁部材の一例であり、板バネ２０４は、重り２０６をｘｙ平面の一定範囲に制限して振動させるための梁部材の一例である。梁部材としては、梁部材の軸に平行、すなわち、梁部材の長手方向に対して垂直な平面での断面形状が長軸と短軸を有するものを使用することができる。これにより、梁部材の振動を短軸方向に制限することができる。

また、本実施例では、第１の区間の光ファイバケーブル２０２がｙ軸と平行、かつ、第２の区間の光ファイバケーブル２０２がｘ軸と平行、すなわち、第１の区間の長手方向と第２の区間の長手方向とが直交する場合を例示しているが、これに限定する趣旨ではない。第１の区間の長手方向と第２の区間の長手方向とが異なる方向であればよい。

図３は、光ファイバケーブル２０２の第１の区間の機能を説明する図である。図３は、図２に示した矢印Ｚ方向から見た光ファイバケーブル２０２の第１の区間付近を示している。なお、見易さを確保するために、板バネ２０３は省略してあるが、図３の構成に限定する趣旨ではない。

重り２０５にｘ方向の加速度がかかると、重り２０５、すなわちＢ端は図３に示す矢印Ａの方向に振動する。Ｂ端が振動すると、図示しない板バネ２０３とともに、板バネ２０３に固定された第１の区間の光ファイバケーブル２０２が歪む。このとき、光ファイバケーブル２０２のコア部も歪む。そして、コア部の歪む程度、すなわちコア部のＦＢＧ加工がほどこされた箇所（ＦＢＧ部）に加わる応力の程度に応じてコア部の屈折率も変動する。

したがって、例えば、光ファイバケーブル２０２に多波長光を入力した場合、第１の区間のＦＢＧ部によって反射される反射光３０１は、Ｂ端の振動に応じて赤方〜青方に変移する。

第１の波長の光だけに着目すると、光ファイバケーブル２０２に入力される第１の波長の光が第１の区間のＦＧＢに反射される反射率は、Ｂ端の振動に応じて変動する。その結果、光ファイバケーブル２０２の第１の区間を通過して加速度センサ１０２から出力される第１の波長の光の光量または強さは、Ｂ端の振動に応じて変動する。

なお、図３では、第１の区間の機能について説明したが、第２の区間も第１の区間と同様の動作により、光ファイバケーブル２０２の第２の区間を通過して加速度センサ１０２から出力される第２の波長の光の光量または強さは、Ｄ端の振動に応じて変動する。

図４は、本実施例に係る加速度センサ１０２を用いた加速度の検出方法の概要について説明する図である。
図４に示す波形４０１は、重り２０５のｘ軸方向への振動の変位を時系列で示したものである。同様に、波形４０２は、重り２０６のｙ軸方向への振動の変位を時系列で示したものである。

例えば、重り２０５が振動しない場合、第１の区間を通過する多波長光のうち第１の波長の光は、第１の区間のＦＢＧ部によって反射される。しかし、重り２０５に加速度が加わり波形４０１のように振動すると、第１の区間のＦＢＧ部で第１の波長の光が反射される反射率が変動する。このときの第１の波長の光の強度を検出すると、反射率の変動に応じて振幅が変動する波形が得られる。そして、波形の振幅の中心値が変化する大きさから、加速度センサ１０２に加えられる加速度のうちｘ軸方向の加速度を求めることができる。

同様に、例えば、重り２０６が振動しない場合、第２の区間を通過する多波長光のうち第２の波長の光は、第２の区間のＦＢＧ部によって反射される。しかし、重り２０６に加速度が加わり波形４０２のように振動すると、第２の区間のＦＢＧ部で第２の波長の光が反射される反射率が変動する。このときの第１の波長の光の強度を検出すると、反射率の変動に応じて振幅が変動する波形が得られる。そして、波形の振幅の中心値が変化する大きさから、加速度センサ１０２に加えられる加速度のうちｙ軸方向の加速度を求めることができる。

図５は、本実施例に係る第１および第２の波長の光の強度の振幅の中心値について説明する図である。なお、図５では、一例として、図４に示したｙ軸方向に直進している、加速度センサ１０２が設置された車両が、減速しながら左旋回する場合について説明する。

なお、図５に示すＸＹ座標は、第１の波長の光の強度をＸ軸に、第２の波長の光の強度をＹ軸にとった座標系である。
直進する車両を減速しながら左旋回すると、加速度センサ１０２から出力される第１の波長の光の強度と第２の波長の光の強度は、例えば、点Ａ（ａ，ｂ）を中心に振動する。

この場合、加速度センサ１０２から出力される第１の波長の光の強度は、（ａ，０）を中心にＸ軸方向に振動する。Ｘ軸方向における振幅の中心（ａ，０）のＸ座標の値ａが、Ｘ軸方向における振幅の中心値である。

また、加速度センサ１０２から出力される第２の波長の光の強度は、（０，ｂ）を中心にＹ軸方向に振動する。Ｙ軸方向における振幅の中心（０，ｂ）のＹ座標の値ｂが、Ｙ軸方向における振幅の中心値である。

この状態からさらに、車両を減速し左旋回を行うと、加速度センサ１０２から出力される第１の波長の光の強度と第２の波長の光の強度は、例えば、点Ｂ（ａ’，ｂ’）を中心に振動する。振幅の中心は、Ａ（ａ，ｂ）からＢ（ａ’，ｂ’）に変位する。

この場合、加速度センサ１０２から出力される第１の波長の光の強度は、（ａ’，０）を中心にＸ軸方向に振動する。Ｘ軸方向における振幅の中心（ａ’，０）のＸ座標の値ａ’が、Ｘ軸方向における振幅の中心値である。

また、加速度センサ１０２から出力される第２の波長の光の強度は、（０，ｂ’）を中心にＹ軸方向に振動する。Ｙ軸方向における振幅の中心（０，ｂ’）のＹ座標の値ｂ’が、Ｙ軸方向における振幅の中心値である。

振幅の中心が、Ａ（ａ，ｂ）からＢ（ａ’，ｂ’）に変位するとき、Ｘ軸方向における振幅の中心値は、Δａ＝ａ’−ａだけ変化する。この振幅の中心値の変化する大きさΔａから、加速度センサ１０２に加えられる加速度のうち図４に示したｘ軸方向の加速度を求めることができる。

また、振幅の中心が、Ａ（ａ，ｂ）からＢ（ａ’，ｂ’）に変位するとき、Ｙ軸方向における振幅の中心値は、Δｂ＝ｂ’−ｂだけ変化する。この振幅の中心値の変化する大きさΔｂから、加速度センサ１０２に加えられる加速度のうち図４に示したｙ軸方向の加速度を求めることができる。

図６は、本実施例に係る加速度センサ１０２を用いた加速度の検出処理の具体例を示すフローチャートである。
なお、図６に示す処理は、加速度センサ１０２を、加速度センサ１０２の位置を示す座標系、すなわち、図２に示したｘｙｚ座標系のｘｙ平面と地面とが平行となるように車両に取付けた場合について示している。

多波長発光装置１０１が、加速度センサ１０２に第１および第２の波長を含む多波長光を出力し、演算装置１０５が起動すると、加速度の検出処理が開始する（ステップＳ６００）。

ステップＳ６０１ａにおいて、演算装置１０５は、第１の波長の光の強度を分光器１０４から取得する。なお、ステップＳ６０１ａの処理は、一定期間Ｔに指定回数行われる。第１の波長の光の強度を分光器１０４から取得すると、演算装置１０５は、演算装置１０５に備わる記憶装置等に、取得した第１の波長の光の強度を記憶する。ステップＳ６０１ａの処理により、例えば、図７に示す波形７０１の離散的な値を取得することができる。

ステップＳ６０２ａにおいて、演算装置１０５は、ステップＳ６０１ａの処理で取得した第１の波長の光の強度から、ＸＹ座標におけるＸ軸方向の振幅とその中心を算出する。例えば、ステップＳ６０１ａの処理で取得した第１の波長の光の強度の平均値から振幅の中心を求めることができる。また、ステップＳ６０１ａの処理で取得した第１の波長の光の強度の最大値と中心との差から振幅を求めることができる。

一方、ステップＳ６０１ｂにおいて、演算装置１０５は、第２の波長の光の強度を分光器１０４から取得する。ステップＳ６０１ｂの処理は、ステップＳ６０１ａと同様に、一定期間Ｔに指定回数行われる。第２の波長の光の強度を分光器１０４から取得すると、演算装置１０５は、演算装置１０５に備わる記憶装置等に、取得した第２の波長の光の強度を記憶する。ステップＳ６０１ｂの処理により、例えば、図７に示す波形７０２の離散的な値を取得することができる。

ステップＳ６０２ｂにおいて、演算装置１０５は、ステップＳ６０１ｂの処理で取得した第２の波長の光の強度から、ＸＹ座標におけるＹ軸方向の振幅とその中心を算出する。例えば、ステップＳ６０１ｂの処理で取得した第２の波長の光の強度の平均値から振幅の中心を求めることができる。また、ステップＳ６０１ｂの処理で取得した第２の波長の光の強度の最大値と中心との差から振幅を求めることができる。

ステップＳ６０３において、演算装置１０５は、ステップＳ６０２ａで求めたＸ軸方向の振幅および中心から、図５に示したＸＹ平面上のＸ座標を決定する。
また、演算装置１０５は、Ｓ６０２ｂで求めたＹ軸方向の振幅および中心から、図５に示したＸＹ平面上のＹ座標を決定する。

ステップＳ６０４において、演算装置１０５は、ステップＳ６０２ａおよびＳ６０２ｂで求めた中心値が変化する大きさから加速度を算出する。
ステップＳ６０５において、演算装置１０５は、ステップＳ６０４で求めた加速度から、前回求めた車両の位置を基準とする現在の車両の相対位置（座標）を算出する。この算出した車両の相対位置（座標）は、前回求めた車両の位置からの移動量を表すベクトルで表すことができる。

ステップＳ６０６において、演算装置１０５は、ステップＳ６０５で求めたベクトルで表される車両の相対位置（座標）の絶対値を求める。本実施例では、簡単のために、車両の相対位置の変化量を「車両の移動量」として使用する。

ステップＳ６０７において、演算装置１０５は、あらかじめ決められたリミット値と、ステップＳ６０６で求めた車両の移動量と、の差Ｃを算出する。
本実施形態において、ステップＳ６０８において、差Ｃが０より大きい場合（ステップＳ６０８ ＹＥＳ）、演算装置１０５は、正常であると判断して処理をステップＳ６０１ａおよびＳ６０１ｂに移行する。また、差Ｃが０以下の場合（ステップＳ６０８ ＮＯ）、演算装置１０５は、異常が発生したと判断して処理をステップＳ６０９に移行する。

ステップＳ６０９において、演算装置１０５は、車両に対して、異常を回避するための運転制御を行う。例えば、車両のタイヤが路面に対してスリップする等の異常が発生すると推測される車両の移動量を、あらかじめリミット値として指定した場合、演算装置１０５は、ステップＳ６０９において、車両の速度の減速処理などの運転制御を行う。

なお、図６では、ステップＳ６０８において差Ｃが０より大きい場合に演算装置１０５は正常であると判断する場合に限らない。必要に応じて、例えば、差Ｃが０より小さい場合に正常と判断されてもよい。

図７および図８は、図５に示したＸＹ平面上での振幅の中心値の変位量・変位方向に基づいて、加速、減速方向や大きさを視覚的に把握する例として、本実施例に係る加速度の検出方法にリサージュ曲線を用いた場合について説明する図である。

図７に示す波形７０１は、加速度センサ１０２が出力する多波長光のうち第１の波長の光の強度をＸ軸上に対応付けて時系列で示したものである。同様に、波形７０２は、加速度センサ１０２が出力する多波長光のうち第２の波長の光の強度をＹ軸上に対応付けて時系列で示したものである。

第１の波長の光の波形７０１と、第２の波長の光の波形７０２と、からＸＹ平面上にリサージュ曲線７０３を求めることができる。リサージュ曲線７０３は、例えば、図７に示すように円形または略円形となる。このリサージュ曲線７０３の中心点Ｐの変位によりセンサ１０２に加えられた力の向きを求めることができる。また、中心点Ｐの移動する速度からセンサ１０２に加えられた加速度を求めることができる。

図８は、センサ１０２を取付けた対象物の運動と、センサ１０２から求められる図７に示したＸＹ座標系の中心点Ｐと、の関係を示している。なお、センサ１０２を取付けた対象物は単に「対象物」という。また、図８に示すＸＹ座標系の原点をＯとする。

図８に示すリサージュ曲線８０１〜８０７は、センサ１０２を、加速度センサ１０２の位置を示す座標系、すなわち、図２に示したｘｙｚ座標系のｘｙ平面と地面とが平行となるように対象物に取付けた場合について示している。ｙ軸（＋）方向への対象物の移動を前進、ｙ軸（−）方向への対象物の移動は後進とする。

なお、ｘｙｚ座標系は、センサ１０２、すなわちセンサ１０２が取付けられた対象物の位置を示す座標系であり、ＸＹ座標系は、図７に示したリサージュ曲線７０３を示す座標系であることに留意されたい。

リサージュ曲線８０１は、対象物が停止している状態、または、等速度運動をしている状態の時に得られるリサージュ曲線の例である。したがって、例えば、加速度センサ１０２は、リサージュ曲線８０１の場合に、等速度運動を検出することができる。

リサージュ曲線８０２は、対象物に対してｙ軸（＋）方向に加速度が加えられた状態、または、ｙ軸（−）方向の等速度運動から減速度運動に移行した状態のときに得られるリサージュ曲線の例である。したがって、例えば、加速度センサ１０２は、リサージュ曲線８０２の場合に、対象物の加速度運動を検出することができる。

リサージュ曲線８０３は、対象物に対してｙ軸（−）方向に加速度が加えられた状態、または、ｙ軸（＋）方向の等速度運動から減速度運動に移行した状態のときに得られるリサージュ曲線の例である。したがって、例えば、加速度センサ１０２は、リサージュ曲線８０３の場合に、対象物の減速度運動を検出することができる。

リサージュ曲線８０４は、対象物に対してｘ軸（−）方向に加速度が加えられた状態、または、ｘ軸（＋）方向の等速度運動から減速度運動に移行した状態のときに得られるリサージュ曲線の例である。したがって、例えば、加速度センサ１０２は、リサージュ曲線８０４の場合に、対象物の左旋回運動を検出することができる。

リサージュ曲線８０５は、対象物に対してｘ軸（＋）方向に加速度が加えられた状態、または、ｘ軸（−）方向の等速度運動から減速度運動に移行した状態のときに得られるリサージュ曲線の例である。したがって、例えば、加速度センサ１０２は、リサージュ曲線８０５の場合に、対象物の右旋回運動を検出することができる。

リサージュ曲線８０６は、対象物に対してｘ軸（−）方向とｙ軸（＋）方向に加速度が加えられた状態、または、ｘ軸（＋）方向かつｙ軸（−）方向の等速度運動から減速度運動に移行した状態のときに得られるリサージュ曲線の例である。したがって、例えば、加速度センサ１０２は、リサージュ曲線８０６の場合に、対象物の左旋回加速運動を検出することができる。

リサージュ曲線８０７は、対象物に対してｘ軸（＋）方向とｙ軸（＋）方向に加速度が加えられた状態、または、ｘ軸（−）方向かつｙ軸（−）方向の等速度運動から減速度運動に移行した状態のときに得られるリサージュ曲線の例である。したがって、例えば、加速度センサ１０２は、リサージュ曲線８０７の場合に、対象物の右旋回加速運動を検出することができる。

以下に、本実施例に係る加速度センサ１０２の構成の変形例を示す。
図９は、本実施例に係る加速度センサ１０２の構成の第１の変形例を示す図である。
図９に示す加速度センサ９００は、図２に示した構成に加えて、固定部材９０１をさらに備える。

固定部材９０１は、固定部材９０１の一端がフレーム２０１に固定され、他端が重り２０５−重り２０６間の光ファイバケーブル２０２に固定されている。固定部材９０１は、剛体であることが望ましい。固定部材９０１により、重り２０５の振動が第２の区間に伝搬することを防止するとともに、重り２０６の振動が第１の区間に伝搬することを防止する。すなわち、向い合って配置された重りの振動が隣り合うＦＢＧ部間に伝搬されるのを抑制することができる。

図１０は、本実施例に係る加速度センサ１０２の構成の第２の変形例を示す図である。図１０に示す加速度センサ１０００は、フレーム２０１の代わりに対象物の一部１００１、例えばＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）などのフレームや車体のボディの一部を使用している。

本実施例に係る加速度センサ１０２は、特定の方向の加速度だけを検出する加速度センサに応用することができる。図１１に、特定の方向の加速度だけを検出する加速度センサの構成例を示す。

加速度センサ１１００は、フレーム１１０１と、光ファイバケーブル１１０２と、板バネ１１０３と、重り１１０４と、を備える。
フレーム１１０１は、加速度センサ１１００の一部または全部を包含する中空構造の筐体である。フレーム１１０１は、剛体であることが望ましい。

光ファイバケーブル１１０２は、第３の区間に対してＦＢＧ加工が施された光ファイバケーブルである。このＦＢＧ加工により、第３の区間では、光ファイバケーブル１１０２のコア部に加わる応力に応じて特定の波長の光の一部または全部が反射される結果、特定の波長の光が減衰する。

光ファイバケーブル１１０２には、第３の区間に沿って、ポリイミドなどの樹脂でできた板バネ１１０３が固定されている。このとき、第３の区間の光ファイバケーブル１１０２が直線状に保持されるように、板バネ１１０３が固定されることが望ましい。

第３の区間の固定端、すなわち板バネ１１０３のＥ端は、第３の区間の光ファイバケーブル１１０２がｘ軸と平行、かつ、板バネ１１０３がなす平面とｘｙ平面とが平行となるように、フレーム１１０１に固定されている。

第３の区間の自由端、すなわち板バネ１１０３のＦ端には、振動用の重り１１０４が固定されている。重り１１０４が固定されたＦ端は、板バネ１１０３により、ｘｚ平面上の一定範囲を振動する。微少な振動の場合、重り１１０４が固定されたＦ端は、ｚ軸方向に振動すると近似することができる。

したがって、光ファイバケーブル１１０２は、ｚ軸方向の加速度を受けたときにだけ、第３の区間で光ファイバケーブル２０２のコア部に応力が発生し、特定の波長の光を減衰させる。このとき光ファイバケーブル１１０２から出力される特定の波長の光の強度を検出することにより、特定の方向、例えば、ｚ軸方向の加速度だけを検出することが可能となる。

図１２は、本実施例に係る加速度センサの応用例を示す図である。なお、図１２では、各センサの配置の見易さを優先するため、各センサ間を接続する光ファイバケーブルが省略されているが、これに限定する趣旨ではない。

図１２に示す車両１２００には、図１１に示した３つの加速度センサを含む３軸センサ（ヨーレートセンサ）が取り付けられている。図１２に示す３つの加速度センサのうち、加速度センサ１２０１および１２０２は、車両の旋回時の加速度、例えば、図１２に示すｚ軸方向への加速度を検出する旋回センサとして使用される。以下、加速度センサ１２０１を「旋回センサ１２０１」、加速度センサ１２０２を「旋回センサ１２０２」という。

また、図１２に示す３つの加速度センサのうち、加速度センサ１２０３は、車両の前後方向の加速度、例えば、図１２に示すｘ軸方向への加速度を検出する加速度センサとして使用される。

ここで、旋回センサ１２０１は、車両の重心Ｇより前方に配置される。また、旋回センサ１２０２は、車両の重心Ｇより後方に配置される。これは、以下の理由からである。
車両が通常の旋回を行う場合、車両のどの位置においてもほぼ同じ旋回力が発生する。しかし、車両がスライド・スピンモードの状態となった場合、旋回の中心、すなわち、車両の重心の前後で旋回力の発生量が異なる。この場合、車両の重心の前後に旋回センサ１２０１および１２０２を配置することにより、車両の前後に発生する旋回力の差や方向の差を測定することができる。その結果、車両の旋回時の安定性（ヨーレート）の検出をより簡単に行うことができる。

以上の説明において、本実施例に係る加速度センサを用いた加速度の検出方法では、加速度センサ１０２および１０３が減衰して出力する第１乃至第４の波長の光を使用した場合を説明した。しかし、本実施例に係る加速度センサを用いた加速度の検出方法は、加速度センサ１０２および１０３が反射する反射光を使用することも可能である。この場合、例えば、加速度センサ１０２の第１の区間で反射する波長の光を第１の波長の光とし、第２の区間で反射する波長の光を第２の波長とすればよい。

以上に説明したように、本実施例に係る加速度センサ１０２および１０３は、図２に示したように、光ファイバケーブル２０２と、板バネ２０３および２０４と、重り２０５及び２０６と、により実現することができる。このように、本実施例によると、加速度センサの構造を簡潔にすることが可能となる。したがって、加速度センサの小型化も容易となる。

また、例えば、加速度検出装置１００は、加速度センサ１０２および１０３の内部に備わる光ファイバケーブルと、多波長発光装置１０１−加速度センサ１０２間、加速度センサ１０２−加速度センサ１０３間および加速度センサ１０３−分光器１０４間を接続する光ケーブルと、をひと続きの光ファイバケーブルで実現することができる。すなわち、１つの光ファイバケーブルに複数の加速度センサを備えることが可能となる。

このように、本実施例によると、複数の加速度センサやＦＢＧセンサを使用した場合であっても、配線類が増えることがない。また、光源も１つでよい。その結果、簡潔な構造の加速度検出装置を実現することが可能となる。したがって、加速度検出装置の小型化も容易となる。

なお、全てのＦＢＧ部に重りが取り付けられていなくてもよく、例えば、一部のＦＢＧ部が既知の歪みセンサあるいは衝撃センサとして用いられていてもよい。その場合、少なくとも２以上のＦＢＧ部に重りが取り付けられ、本発明のセンサとして用いられていればよい。

また、隣り合う区間のＦＢＧ部を接続する光ファイバケーブル２０２の長さは、重り２０５の振動が第２の区間のＦＢＧ部に、または、重り２０６の振動が第１の区間のＦＢＧ部に、伝搬されない程度に十分な長さが確保されている。これにより、一方の重りの振動が他方の重りが取り付けられた区間のＦＢＧ部に伝播されることを防止することができる。その結果、隣り合う区間のＦＢＧ部の振動がそれぞれの区間に取り付けられた重りの規制された方向以外の振動に影響されることを防止することが可能となる。

また、加速度検出装置１００は、点Ｂ（ａ’，ｂ’）と、前回求めた点Ａ（ａ，ｂ）と、の差分から加速度を算出する（ステップＳ６０４）。その結果、加速度検出装置は、補正に必要な回路等の装置が不要となる。なお、点Ａは、点Ｂを求めた時点を現在とした場合における過去に求めた点ということができる。したがって、本実施例によれば、現在求めた点Ｂと過去に求めた点Ａのように少なくとも２点から加速度を算出するということができる。また、加速度センサ１０２は、第１の区間におけるＦＢＧ部の長手方向と、第２の区間におけるＦＢＧ部の長手方向と、が異なる向きに配置されている。本実施例において第１の区間におけるＦＢＧ部の長手方向と、第２の区間におけるＦＢＧ部の長手方向とは９０度異なる向きに配置されているので、第１の区間におけるＦＢＧ部の長手方向と、第２の区間におけるＦＢＧ部の長手方向と、で決まる２次元での加速度を検出することができる。

また、重りの取り付けられたＦＢＧ部が異なる方向に配置される場合に限らない。例えば第１の区間におけるＦＢＧ部の長手方向と第２の区間におけるＦＢＧ部の長手方向との成す角度が１８０度であるように配置されてもよい、つまり、少なくとも２以上のＦＢＧ部の長手方向が同じ方向であるように配置されてもよい。長手方向が同じ方向に配置されたＦＢＧ部において、梁部材が少なくともＦＢＧ部に対して異なる側に備えられる場合、同一直線上の異なる変動を検知することができる。

また、例えば、加速度センサ１０２の板バネ２０３は、第１の区間の光ファイバケーブル２０２がｙ軸と平行、かつ、板バネ２０３がなす平面とｘｙ平面とが垂直となるように、フレーム２０１に固定されている。これにより、第１区間の光ファイバケーブル２０２の振動を、ｘｙ平面内の一定範囲であって、近似的にはｘ軸方向に制限することが可能となる。

同様に、加速度センサ１０２の板バネ２０４は、第２の区間の光ファイバケーブル２０２がｘ軸と平行、かつ、板バネ２０３がなす平面とｘｙ平面とが垂直となるように、フレーム２０１に固定されている。これにより、第２区間の光ファイバケーブル２０２の振動を、ｘｙ平面内の一定範囲であって近似的にはｙ軸方向に制限することが可能となる。

その結果、加速度センサ１０２の第１の区間および第２の区間に板バネを使用することにより、例えば、図２に示すようにｘｙ平面に平行に設置された加速度センサ１０２は、ｚ軸方向に加わる加速度の影響を受けずに、ｘ軸方向またはｙ軸方向またはその両方に加わる加速度だけを検出することが可能となる。

また、加速度センサ１０２の第１の区間と第２の区間との間に固定部材９０１を備えることにより、重り２０５の振動が第２の区間に伝搬することを防止するとともに、重り２０６の振動が第１の区間に伝搬することを防止することが可能となる。

フレーム２０１を用いることにより、加速度センサ１０２に含まれるＦＢＧ部と重りを１つのユニットとして対象物に取り付けることが可能となる。

１００ ・・・ 加速度検出装置
１０１ ・・・ 多波長発光装置
１０２ ・・・ 加速度センサ
１０３ ・・・ 加速度センサ
１０４ ・・・ 分光器
１０５ ・・・ 演算装置
１１０〜１１２ ・・・ 光ファイバケーブル
２０１ ・・・フレーム
２０２ ・・・光ファイバケーブル
２０３ ・・・板バネ
２０４ ・・・板バネ
２０５ ・・・重り
２０６ ・・・重り

Claims (9)

1. ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）加工された複数のＦＢＧ部を有する光ファイバケーブルと、
   重りの振動方向を規制可能に、少なくとも２以上の前記ＦＢＧ部に沿って設けられ、一方の端部である固定端で固定された梁部材と、
   少なくとも２以上の前記梁部材の他方の端部である自由端に取り付けられた重りと、を備え、
   前記ＦＢＧ部はそれぞれ異なる反射光波長に加工され、前記ＦＢＧ部のうち、前記光ファイバケーブルの線上において前記重りが向き合って配置されている一対のＦＢＧ部がある場合において、前記一対のＦＢＧ部の間を接続する前記光ファイバケーブルの長さは、前記一対のＦＢＧ部に取り付けられている前記重りの間の直線間隔より長い、
   ことを特徴とするセンサ。
2. 少なくとも２以上の前記重りの取り付けられた前記ＦＢＧ部は異なる方向に配置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 少なくとも２以上の前記重りの取り付けられた前記ＦＢＧ部は直交する方向に配置される、
   ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
4. 前記梁部材は、前記ＦＢＧ部に沿う方向に対して垂直方向の断面形状が長軸および短軸を有する部材である、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ。
5. 前記光ファイバケーブルの線上において向き合って配置された重りの間に配置され、前記光ファイバケーブルを固定可能な固定部材をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ。
6. 前記梁部材の前記固定端を固定する支持部材をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 前記光ファイバケーブルに多波長光を入力する光源部と、
   前記ＦＢＧ部からの出力波形を取得する演算装置と、
   をさらに備える請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサユニット。
8. 請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサが搭載された車両。
9. 請求項１から請求項３に記載のセンサが出力する多波長光に含まれる波長のうち、ＦＢＧ部に取り付けられた重りの振動に応じて変位する波長の強度を、前記重りの振動方向におけるセンサの変位として検出し、
   前記センサの変位から前記センサの振動の中心位置を算出し、
   現在または過去に算出した少なくとも２以上の前記中心位置を相対的に比較し、前記比較結果から前記センサにかけられた加速度を算出する加速度の検出方法。