JPH11174076A - 多軸振動板型光ファイバ加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定対象物が液体中の場合にも、その振動加
速度を検出し、長期的な信頼性が得られ、コストのかか
らない多軸振動板型光ファイバ加速度センサを提供す
る。 【解決手段】 多面体の筐体５６と、多面体の筐体５６
の各面にそれぞれ取り付けられた振動板３０〜３５と、
各振動板により支えられた錘５７と、各振動板の外側又
は内側に取り付けられ、該振動板のたわみ振動により伸
縮するファイバコイル４０〜４５とを備え、測定用レー
ザ光のパルスを、各振動板の互いに対向する位置に取り
付けられたファイバコイルごとに、所定の遅延を持たせ
て導入し、各振動板の対向する位置に取り付けられたフ
ァイバコイルを通過したレーザ光をそれぞれ干渉させ、
各軸の干渉光として出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動加速度による
光ファイバの長さ変化を光の位相変化として干渉計で検
出する光ファイバ加速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】振動計測の中で、振動加速度の計測を対
象にするものは非常に多く、振動加速度センサの公知文
献としては、例えば「センサハンドブック、片岡ら著、
昭和６１年初版、培風館発行、４５６−４６２頁」があ
り、この文献に各種加速度センサや振動センサが説明さ
れている。

【０００３】図６は従来の一般的な振動加速度センサの
構成を示す模式説明図であり、一般的な振動加速度セン
サは、図６に示すようなサイズモ系で構成されている。
サイズモ系とは“基礎わく２００に１個または複数個の
バネ要素２０１を介して１つの錘２０２を取り付けた
系”を言う。この系に、固有振動数ｆ₀ より低い周波数
ｆの振動が基礎わく２００に加わると、錘２０２は基礎
わく２００に対して相対的に振動する。錘２０２の相対
変位量ｘと加速度αの間に次式の関係がある。 ｘ＝α／（２πｆ₀ ）² （但しｆ＜ｆ₀ の場合） したがって、サイズモ系の基礎わく２００に対する錘２
０２の相対変位ｘを測定すれば、加速度αを求めること
ができる。

【０００４】錘の振動を検出する方式の一つに圧電型の
振動加速度センサがある。この圧電型振動加速度センサ
は、圧電素子（図示せず）をベースと錘の間にサンドイ
ッチに挾み、圧電素子の歪みによって生ずる電圧を測定
するようになっている。他にサーボ型、歪みゲージ型の
振動加速度センサもあり、これらは錘の変位を電流や抵
抗変化量等の電気信号で検出している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の加
速度センサ、例えば圧電型の振動加速度センサでは、振
動加速度による錘の変位を圧電素子の電圧変化等の電気
信号で検出するようになっているから、特に液体中での
適用には電気的な絶縁処理が必要であり、この絶縁処理
後の絶縁性の劣化によるセンサの破壊を防ぎ、長時間の
測定を保証する長期的信頼性が得られにくいという問題
があった。また、電気信号では長距離伝送が難しいとい
う問題もあった。さらに、多軸の加速度を測定するため
には、コストがかかってしまうという問題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る多軸振動板
型光ファイバ加速度センサは、測定用レーザ光を多軸振
動板型光ファイバ加速度センサ部に入力し、センサ部が
印加された振動に基づき出力する干渉光を光・電気変換
した後に復調処理して振動加速度を検出する振動板型光
ファイバ加速度センサにおいて、多軸振動板型光ファイ
バ加速度センサ部は、多面体の筐体と、多面体の筐体の
各面にそれぞれ取り付けられた振動板と、各振動板によ
り支えられた錘と、各振動板の外側又は内側に取り付け
られ、該振動板のたわみ振動により伸縮する光ファイバ
とを備え、測定用レーザ光のパルスを、各振動板の互い
に対向する位置に取り付けられた光ファイバごとに、所
定の遅延を持たせて導入し、各振動板の対向する位置に
取り付けられた光ファイバを通過したレーザ光をそれぞ
れ干渉させ、各軸の干渉光として出力するものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の実
施の形態１に係る多軸振動板型光ファイバ加速度センサ
の構成を示す図、図２は多軸振動板型光ファイバ加速度
センサの外観を示す図であり、図１、２では３軸の振動
板型光ファイバ加速度センサを示している。図におい
て、１はレーザ光を出力するレーザ、２はレーザ１から
出力されたレーザ光をパルス化して出力するパルスゲー
ト、３、４、５、６、７は光カプラ、１０は光ファイ
バ、１１、１２は遅延ファイバ、１３、１４、２０、２
１、２２、２３、２４、２５、２６は光ファイバ、３
０、３１、３２、３３、３４は振動板、４０、４１、４
２、４３、４４はファイバコイル、５０、５１、５２、
５３はミラーであり、振動板３４及びファイバコイル４
４に対向する位置に、振動板３５及びファイバコイル４
５（図示せず）が配置され、ファイバコイル４４、４５
にミラー５４、５５（図示せず）を設けている。５６は
筐体、５７は錘、６０は光・電気変換器（図ではＯ／Ｅ
と書す）、６１はｘ、ｙ、ｚ方向に対応した信号を分離
するチャンネル分離器、６２は復調器である。

【０００８】次に、図１の構成と各構成素子間の信号の
流れについて説明する。まず、立方体状の筐体５６はそ
の各面にそれぞれ振動板３０〜３５を取り付ける。そし
て、筐体５６の立方体の内側にある錘５７は６枚の振動
板３０〜３５で支えられている。

【０００９】また、光ファイバ（ここでは、渦巻き状に
巻いたファイバコイル４０〜４５）を振動板３０〜３５
に、全てのファイバコイル４０〜４５が筐体５６の外側
（又は内側）に向くように取り付ける。

【００１０】そして、レーザ１から出射されてパルスゲ
ート２でパルス化され、光ファイバ１０中を伝搬するレ
ーザ光は、光カプラ３により２つに分岐され、その一方
のレーザ光は遅延ファイバ１１を伝搬して、光カプラ４
により２つに分岐され、そのその一方のレーザ光は遅延
ファイバ１２を伝搬する。そして、光カプラ３により２
つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ５により２
つに分岐され、筐体５６の立方体の向かい合う面のファ
イバコイル４０、４１の一端にそれぞれ入射され、光カ
プラ４により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カ
プラ６により２つに分岐され、筐体５６の立方体の向か
い合う面のファイバコイル４２、４３の一端にそれぞれ
入射され、遅延ファイバ１２を伝搬するレーザ光は、光
カプラ７により２つに分岐され、筐体５６の立方体の向
かい合う面のファイバコイル４４、４５の一端にそれぞ
れ入射される。

【００１１】そして、ファイバコイル４０〜４５の他端
にはミラー５０〜５５が接続されており、このミラー５
０〜５５でファイバコイル４０〜４５を伝搬してきたレ
ーザ光を反射させて、光カプラ５、６、７により筐体５
１の立方体の向かい合う面のファイバコイル４０−４
１、４２−４３、４４−４５を伝搬してきたレーザ光を
干渉させることによって、干渉計を構成し、その結果、
ｘ、ｙ、ｚ軸に３つの干渉計を構成している。

【００１２】そして、レーザ１からのレーザ光をパルス
ゲート２によりパルス化し、遅延ファイバ１１、１２を
使用することによって、各軸の干渉計を時分割で多重化
している。そして、光カプラ５、６、７で生成された干
渉光は光カプラ３で合成され、光ファイバ２６を伝搬し
て、光・電気変換器６０により電気信号に変換し、チャ
ンネル分離器６１によって各軸干渉光の光パルスをチャ
ンネル分離した後に、復調器６２によって復調された出
力信号が得られる。なお、光カプラ３からミラー５０〜
５５までの各素子により、本発明の多軸振動板型光ファ
イバ加速度センサ部が構成される。

【００１３】次に、この実施の形態の動作について説明
する。図１の多軸振動板型光ファイバ加速度センサは、
筐体５６が基礎わく、振動板３０〜３５の弾性がバネに
それぞれ対応しサイズモ系を構成している。例えば、３
軸振動板型光ファイバ加速度センサのｘ方向に固有振動
数以下の振動が加わると、錘５７は筐体５６に対しｘ方
向に振動する。この時、ｘ方向のファイバコイル４０、
４１は、振動板３０、３１のたわみ振動により互いに逆
方向に伸縮し、干渉計を構成する２つのファイバコイル
４０−４１の間に長さの差が生じる。

【００１４】一方ｙ、ｚ軸方向の振動板３２、３３、３
４、３５にたわみ振動は起きにくく、また変形したとし
てもファイバコイルが互いに同じ方向に伸縮することに
なるので２つのファイバコイルの間に長さの差は生じな
い。したがって、ｘ軸方向の振動加速度αにより干渉計
の２つの光ファイバの間に長さの差が生じ、２つの光フ
ァイバ中を伝搬しているレーザ光の間に位相差φ(t) が
生じる。この位相差φ(t) の値の大小によって、光カプ
ラ５の出力する干渉光を光・電気変換器６０を介して変
換し、チャンネル分離器６１で分離された電気信号も変
化するから、この電気信号を復調器６２が復調処理する
ことによりｘ軸方向の振動加速度αを求めることができ
る。同様に、ｙ軸方向の振動ではｙ軸の干渉計のみが、
ｚ軸方向の振動ではｚ軸の干渉計のみが振動加速度を検
出する。

【００１５】また、遅延ファイバ１１、１２を介して各
軸の干渉計を接続しているため、各軸の干渉計を伝搬
し、光・電気変換器６０に到達する光パルスには伝搬時
間差が生じるようになっており、したがって、光・電気
変換器６０により光・電気変換した後、チャンネル分離
器６１により各軸の光パルスを分離し復調処理を行うよ
うにすることにより、１つのレーザで３軸の加速度を求
めることができるようになっている。

【００１６】以上のように、この実施の形態では、サイ
ズモ系の錘の振動を光ファイバの長さ変化として検出す
るので過速度センサ部に電気回路を用いずに振動加速度
を測定できる。また、光ファイバを伝送路としても利用
すれば、レーザ１や光・電気変換器６０等の電気部品を
陸上に設置し、光カプラ３からミラー５０〜５５までの
多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部を液体中に設置
して運用することも可能になる。したがって、液体中の
加速度測定でも長期信頼性が得られ、さらに測定結果で
ある干渉光の長距離伝送も可能になる。

【００１７】また、立方体の６面に振動板を取り付け、
互いに向かい合う面に取り付けたファイバコイルで干渉
計を構成した３軸振動板型光ファイバ加速度センサは３
軸の加速度を検出でき、同様に４面であれば２軸の加速
度を検出できる。また、光パルスと遅延ファイバを用い
て時分割の多重化を行っているので、各軸ごとにレーザ
や光・電気変換器を用意する必要が無く低コストでシス
テムを構成できる。

【００１８】実施の形態２．図３は本発明の実施の形態
２に係る多軸振動板型光ファイバ加速度センサの構成を
示す図であり、図３では３軸の振動板型光ファイバ加速
度センサを示している。図において、１はレーザ光を出
力するレーザ、２はレーザ１から出力されたレーザ光を
パルス化して出力するパルスゲート、３、４、５、６、
７は光カプラ、１０は光ファイバ、１１、１２は遅延フ
ァイバ、１３、１４、２０、２１、２２、２３、２４、
２５、２６は光ファイバ、３０、３２は振動板、４０、
４１、４２、４３はファイバコイル、５０、５１、５
２、５３はミラーであり、振動板３０及び振動板３２に
直交する位置に、振動板３５及びファイバコイル４４、
４５（図示せず）が配置され、ファイバコイル４４、４
５にミラー５４、５５（図示せず）を設けている。５６
は筐体、５７は錘、６０は光・電気変換器（図ではＯ／
Ｅと書す）、６１はｘ、ｙ、ｚ方向に対応した信号を分
離するチャンネル分離器、６２は復調器である。

【００１９】次に、図３の構成と各構成素子間の信号の
流れについて説明する。まず、立方体状の筐体５６の互
いに直交する３面にそれぞれ振動板３０、３２、３４を
取り付ける。そして、筐体５６の立方体の内側にある錘
５７は３枚の振動板３０、３２、３４で支えられてい
る。

【００２０】また、光ファイバ（ここでは、渦巻き状に
巻いたファイバコイル４０〜４５）を振動板３０、３
２、３４の表裏に取り付ける。

【００２１】そして、レーザ１から出射されてパルスゲ
ート２でパルス化され、光ファイバ１０中を伝搬するレ
ーザ光は、光カプラ３により２つに分岐され、その一方
のレーザ光は遅延ファイバ１１を伝搬して、光カプラ４
により２つに分岐され、そのその一方のレーザ光は遅延
ファイバ１２を伝搬する。そして、光カプラ３により２
つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ５により２
つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３０の表裏に
取り付けられたファイバコイル４０、４１の一端にそれ
ぞれ入射され、光カプラ４により２つに分岐された他方
のレーザ光は、光カプラ６により２つに分岐され、筐体
５６の立方体の振動板３２の表裏に取り付けられたファ
イバコイル４２、４３の一端にそれぞれ入射され、遅延
ファイバ１２を伝搬するレーザ光は、光カプラ７により
２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３４の表裏
に取り付けられたファイバコイル４４、４５の一端にそ
れぞれ入射される。

【００２２】そして、ファイバコイル４０〜４５の他端
にはミラー５０〜５５が接続されており、このミラー５
０〜５５でファイバコイル４０〜４５を伝搬してきたレ
ーザ光を反射させて、光カプラ５、６、７により筐体５
１の立方体の振動板３０、３２、３４の表裏に取り付け
られたファイバコイル４０−４１、４２−４３、４４−
４５を伝搬してきたレーザ光を干渉させることによっ
て、干渉計を構成し、その結果、ｘ、ｙ、ｚ軸に３つの
干渉計を構成している。

【００２３】そして、レーザ１からのレーザ光をパルス
ゲート２によりパルス化し、遅延ファイバ１１、１２を
使用することによって、各軸の干渉計を時分割で多重化
している。そして、光カプラ５、６、７で生成された干
渉光は光カプラ３で合成され、光ファイバ２６を伝搬し
て、光・電気変換器６０により電気信号に変換し、チャ
ンネル分離器６１によって各軸干渉光の光パルスをチャ
ンネル分離した後に、復調器６２によって復調された出
力信号が得られる。なお、光カプラ３からミラー５０〜
５５までの各素子により、本発明の多軸振動板型光ファ
イバ加速度センサ部が構成される。

【００２４】次に、この実施の形態の動作について説明
する。図３の多軸振動板型光ファイバ加速度センサは、
筐体５６が基礎わく、振動板３０、３２、３４の弾性が
バネにそれぞれ対応しサイズモ系を構成している。例え
ば、３軸振動板型光ファイバ加速度センサのｘ方向に固
有振動数以下の振動が加わると、錘５７は筐体５６に対
しｘ方向に振動する。この時、ｘ方向のファイバコイル
４０、４１は、振動板３０のたわみ振動により互いに逆
方向に伸縮し、干渉計を構成する２つのファイバコイル
４０−４１の間に長さの差が生じる。

【００２５】一方ｙ、ｚ軸方向の振動板３２、３４にた
わみ振動は起きにくく、また変形したとしてもファイバ
コイルが互いに同じ方向に伸縮することになるので２つ
のファイバコイルの間に長さの差は生じない。したがっ
て、ｘ軸方向の振動加速度αにより干渉計の２つの光フ
ァイバの間に長さの差が生じ、２つの光ファイバ中を伝
搬しているレーザ光の間に位相差φ(t) が生じる。この
位相差φ(t) の値の大小によって、光カプラ５の出力す
る干渉光を光・電気変換器６０を介して変換し、チャン
ネル分離器６１で分離された電気信号も変化するから、
この電気信号を復調器６２が復調処理することによりｘ
軸方向の振動加速度αを求めることができる。同様に、
ｙ軸方向の振動ではｙ軸の干渉計のみが、ｚ軸方向の振
動ではｚ軸の干渉計のみが振動加速度を検出する。

【００２６】また、遅延ファイバ１１、１２を介して各
軸の干渉計を接続しているため、各軸の干渉計を伝搬
し、光・電気変換器６０に到達する光パルスには伝搬時
間差が生じるようになっており、したがって、光・電気
変換器６０により光・電気変換した後、チャンネル分離
器６１により各軸の光パルスを分離し復調処理を行うよ
うにすることにより、１つのレーザで３軸の加速度を求
めることができるようになっている。

【００２７】以上のように、この実施の形態では、サイ
ズモ系の錘の振動を光ファイバの長さ変化として検出す
るのでセンサ部に電気回路を用いずに振動加速度を測定
できる。また、光ファイバを伝送路としても利用すれ
ば、レーザ１や光・電気変換器６０等の電気部品を陸上
に設置し、光カプラ３からミラー５０〜５５までの多軸
振動板型光ファイバ加速度センサ部を液体中に設置して
運用することも可能になる。したがって、液体中の加速
度測定でも長期信頼性が得られ、さらに測定結果である
干渉光の長距離伝送も可能になる。

【００２８】また、立方体の筐体の互いに直交する面に
振動板を取り付け、各振動板の表裏に取り付けたファイ
バコイルで干渉計を構成した多軸振動板型光ファイバ加
速度センサは２又は３軸の加速度を検出できる。また、
光パルスと遅延ファイバを用いて時分割の多重化を行え
ば、各軸ごとにレーザや光・電気変換器を用意する必要
が無く低コストでシステムを構成できる。

【００２９】また、振動板周囲の温度が変化しても、振
動板が薄板であれば振動板内の温度分布がほぼ均一にな
る。光ファイバは温度により長さが変化するが、この型
のセンサは振動板の表裏にファイバコイルを取り付けて
いるので、温度が変化しても２本の光ファイバの長さの
差は変化しない。したがって、温度変化の影響を受けに
くいセンサになる。

【００３０】実施の形態３．図４は本発明の実施の形態
３に係る多軸振動板型光ファイバ加速度センサの構成を
示す図であり、図４では３軸の振動板型光ファイバ加速
度センサを示している。図において、１はレーザ光を出
力するレーザ、２はレーザ１から出力されたレーザ光を
パルス化して出力するパルスゲート、３、４、５、６、
７、７０、７１、７２、７３、７４、７５は光カプラ、
１０は光ファイバ、１１、１２、１００、１０１、１０
２は遅延ファイバ、１３、１４、２０、２１、２２、２
３、２４、２５、２６、９０、９１、９２、９３、９
４、９５は光ファイバ、３０、３１、３２、３３、３４
は振動板、４０、４１、４２、４３、４４、８０、８
１、８２、８３はファイバコイル、５０、５１、５２、
５３、１１０、１１１、１１２、１１３はミラーであ
り、振動板３０〜３３に直交する位置に、振動板３４、
３５及びファイバコイル４４、４５、８４、８５（図示
せず）が配置され、ファイバコイル４４、４５、８４、
８５にミラー５４、５５、１１４、１１５（図示せず）
を設けている。５６は筐体、５７は錘、６０は光・電気
変換器（図ではＯ／Ｅと書す）、６１はｘ、ｙ、ｚ方向
に対応した信号を分離するチャンネル分離器、６２は復
調器である。

【００３１】次に、図４の構成と各構成素子間の信号の
流れについて説明する。まず、立方体状の筐体５６はそ
の各面にそれぞれ振動板３０〜３５を取り付ける。そし
て、筐体５６の立方体の内側にある錘５７は６枚の振動
板３０〜３５で支えられている。また、光ファイバ（こ
こでは、渦巻き状に巻いたファイバコイル４０〜４５、
８０〜８５）を振動板３０〜３５の表裏に取り付ける。

【００３２】そして、レーザ１から出射されてパルスゲ
ート２でパルス化され、光ファイバ１０中を伝搬するレ
ーザ光は、光カプラ３により２つに分岐され、その一方
のレーザ光は遅延ファイバ１１を伝搬して、光カプラ４
により２つに分岐され、そのその一方のレーザ光は遅延
ファイバ１２を伝搬する。

【００３３】そして、光カプラ３により２つに分岐され
た他方のレーザ光は、光カプラ７０により２つに分岐さ
れ、その一方のレーザ光は遅延ファイバ１００を伝搬
し、光カプラ４により２つに分岐された他方のレーザ光
は、光カプラ７１により２つに分岐され、その一方のレ
ーザ光は遅延ファイバ１０１を伝搬し、遅延ファイバ１
２を伝搬するレーザ光は、光カプラ７２より２つに分岐
され、その一方のレーザ光は遅延ファイバ１０２を伝搬
する。

【００３４】そして、光カプラ７０により２つに分岐さ
れた他方のレーザ光は、光カプラ５により２つに分岐さ
れ、筐体５６の立方体の振動板３０の表裏に取り付けら
れたファイバコイル４０、４１の一端にそれぞれ入射さ
れ、光カプラ７１により２つに分岐された他方のレーザ
光は、光カプラ６により２つに分岐され、筐体５６の立
方体の振動板３２の表裏に取り付けられたファイバコイ
ル４２、４３の一端にそれぞれ入射され、光カプラ７２
により２つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ７
により２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３４
の表裏に取り付けられたファイバコイル４４、４５の一
端にそれぞれ入射される。

【００３５】また、遅延ファイバ１００を伝搬するレー
ザ光は、光カプラ７３より２つに分岐され、筐体５６の
立方体の振動板３１の表裏に取り付けられたファイバコ
イル８０、８１の一端にそれぞれ入射され、遅延ファイ
バ１０１を伝搬するレーザ光は、光カプラ７４より２つ
に分岐され、筐体５６の立方体の振動板３３の表裏に取
り付けられたファイバコイル８２、８３の一端にそれぞ
れ入射され、遅延ファイバ１０２を伝搬するレーザ光
は、光カプラ７５より２つに分岐され、筐体５６の立方
体の振動板３５の表裏に取り付けられたファイバコイル
８４、８５の一端にそれぞれ入射される。

【００３６】そして、ファイバコイル４０〜４５、８０
〜８５の他端にはミラー５０〜５５、１１０〜１１５が
接続されており、このミラー５０〜５５、１１０〜１１
５でファイバコイル４０〜４５、８０〜８５を伝搬して
きたレーザ光を反射させて、光カプラ５、６、７、７
３、７４、７５により筐体５１のの立方体の振動板３０
〜３４の表裏に取り付けられたファイバコイル４０−４
１、４２−４３、４４−４５、８０−８１、８２−８
３、８４−８５を伝搬してきたレーザ光を干渉させるこ
とによって、干渉計を構成し、その結果、ｘ、ｙ、ｚ軸
に６つの干渉計を構成している。

【００３７】そして、レーザ１からのレーザ光をパルス
ゲート２によりパルス化し、遅延ファイバ１１、１２、
１００、１０１、１０２を使用することによって、各軸
の干渉計を時分割で多重化している。そして、光カプラ
５、６、７、７３、７４、７５で生成された干渉光は光
カプラ３で合成され、光ファイバ２６を伝搬して、光・
電気変換器６０により電気信号に変換し、チャンネル分
離器６１によって各軸干渉光の光パルスをチャンネル分
離した後に、復調器６２によって復調された出力信号が
得られる。なお、光カプラ３からミラー５０〜５５、８
０〜８５までの各素子により、本発明の多軸振動板型光
ファイバ加速度センサ部が構成される。

【００３８】次に、この実施の形態の動作について説明
する。図４の多軸振動板型光ファイバ加速度センサは、
筐体５６が基礎わく、振動板３０〜３５の弾性がバネに
それぞれ対応しサイズモ系を構成している。例えば、３
軸振動板型光ファイバ加速度センサのｘ方向に固有振動
数以下の振動が加わると、錘５７は筐体５６に対しｘ方
向に振動する。この時、ｘ方向のファイバコイル４０、
４１とファイバコイル８０、８１は、振動板３０、３１
のたわみ振動により互いに逆方向に伸縮し、ｘ軸の各干
渉計を構成する２つのファイバコイル４０−４１と２つ
のファイバコイル８０−８１の間に長さの差が生じる。

【００３９】一方ｙ、ｚ軸方向の振動板３２〜３５にた
わみ振動は起きにくく、また変形したとしてもファイバ
コイルが互いに同じ方向に伸縮することになるので２つ
のファイバコイルの間に長さの差は生じない。したがっ
て、ｘ軸方向の振動加速度αにより干渉計の２つの光フ
ァイバの間に長さの差が生じ、２つの光ファイバ中を伝
搬しているレーザ光の間に位相差φ(t) が生じる。

【００４０】この位相差φ(t) の値の大小によって、光
カプラ５、７３の出力する干渉光を光・電気変換器６０
を介して変換し、チャンネル分離器６１で分離された電
気信号も変化するから、この電気信号を復調器６２が復
調処理することによりｘ軸方向の振動加速度αを求める
ことができる。なお、このとき、振動板３０と振動板３
１で構成される干渉計の感度を図４に示したように高感
度と低感度となるように設定し、ダイナミックレンジを
広くできるようにしている。同様に、ｙ軸方向の振動で
はｙ軸の干渉計のみが、ｚ軸方向の振動ではｚ軸の干渉
計のみが振動加速度を検出する。

【００４１】また、遅延ファイバ１１、１２、１００、
１０１、１０２を介して各軸の干渉計を接続しているた
め、各軸の各干渉計を伝搬し、光・電気変換器６０に到
達する光パルスには伝搬時間差が生じるようになってお
り、したがって、光・電気変換器６０により光・電気変
換した後、チャンネル分離器６１により各軸の光パルス
を分離し復調処理を行うようにすることにより、１つの
レーザで３軸の加速度を求めることができるようになっ
ている。

【００４２】以上のように、この実施の形態では、サイ
ズモ系の錘の振動を光ファイバの長さ変化として検出す
るのでセンサ部に電気回路を用いずに振動加速度を測定
できる。また、光ファイバを伝送路としても利用すれ
ば、レーザ１や光・電気変換器６０等の電気部品を陸上
に設置し、光カプラ３からミラー５０〜５５までの多軸
振動板型光ファイバ加速度センサ部を液体中に設置して
運用することも可能になる。したがって、液体中の加速
度測定でも長期信頼性が得られ、さらに測定結果である
干渉光の長距離伝送も可能になる。

【００４３】また、立方体の６面に振動板を取り付け、
互いに向かい合う面に取り付けたファイバコイルで干渉
計を構成した３軸振動板型光ファイバ加速度センサは３
軸の加速度を検出でき、同様に４面であれば２軸の加速
度を検出できる。また、光パルスと遅延ファイバを用い
て時分割の多重化を行えば、各軸ごとにレーザや光・電
気変換器を用意する必要が無く低コストでシステムを構
成できる。

【００４４】また、振動板周囲の温度が変化しても、振
動板が薄板であれば振動板内の温度分布がほぼ均一にな
る。光ファイバは温度により長さが変化するが、この型
のセンサは振動板の表裏にファイバコイルを取り付けて
いるので、温度が変化しても２本の光ファイバの長さの
差は変化しない。したがって、温度変化の影響を受けに
くいセンサになる。

【００４５】また、センサの加速度感度は錘の重さを一
定とした場合、振動板の板厚、ファイバコイルの長さに
より変化するので、ファイバコイルの長さや板厚を調整
し各軸に２つある干渉計を高感度型と低感度型とするこ
とにより、センサのダイナミックレンジが広いセンサと
することができる。

【００４６】実施の形態４．図５は本発明の実施の形態
４に係る多軸振動板型光ファイバ加速度センサの構成を
示す図であり、図５では３軸の振動板型光ファイバ加速
度センサを示している。図において、１はレーザ光を出
力するレーザ、２はレーザ１から出力されたレーザ光を
パルス化して出力するパルスゲート、３、４、５、６、
７は光カプラ、１０は光ファイバ、１１、１２は遅延フ
ァイバ、１３、１４、２０、２１、２２、２３、２４、
２５、２６は光ファイバ、３０、３１、３２、３３、３
４は振動板、４０、４１、４２、４３、４４、８０、８
１、８２、８３はファイバコイル、５０、５１、５２、
５３はミラーであり、振動板３０〜３３に直交する位置
に、振動板３４、３５及びファイバコイル４４、４５、
８４、８５（図示せず）が配置され、ファイバコイル８
４、８５にミラー５４、５５（図示せず）を設けてい
る。５６は筐体、５７は錘、６０は光・電気変換器（図
ではＯ／Ｅと書す）、６１はｘ、ｙ、ｚ方向に対応した
信号を分離するチャンネル分離器、６２は復調器であ
る。

【００４７】次に、図５の構成と各構成素子間の信号の
流れについて説明する。まず、立方体状の筐体５６はそ
の各面にそれぞれ振動板３０〜３５を取り付ける。そし
て、筐体５６の立方体の内側にある錘５７は６枚の振動
板３０〜３５で支えられている。また、光ファイバ（こ
こでは、渦巻き状に巻いたファイバコイル４０〜４５、
８０〜８５）を振動板３０〜３５の表裏に取り付ける。

【００４８】そして、レーザ１から出射されてパルスゲ
ート２でパルス化され、光ファイバ１０中を伝搬するレ
ーザ光は、光カプラ３により２つに分岐され、その一方
のレーザ光は遅延ファイバ１１を伝搬して、光カプラ４
により２つに分岐され、そのその一方のレーザ光は遅延
ファイバ１２を伝搬する。そして、光カプラ３により２
つに分岐された他方のレーザ光は、光カプラ５により２
つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３０の表裏に
取り付けられたファイバコイル４０、４１の一端にそれ
ぞれ入射され、光カプラ４により２つに分岐された他方
のレーザ光は、光カプラ６により２つに分岐され、筐体
５６の立方体の振動板３２の表裏に取り付けられたファ
イバコイル４２、４３の一端にそれぞれ入射され、遅延
ファイバ１２を伝搬するレーザ光は、光カプラ７により
２つに分岐され、筐体５６の立方体の振動板３４の表裏
に取り付けられたファイバコイル４４、４５の一端にそ
れぞれ入射される。

【００４９】そして、筐体５６の立方体の振動板３０の
表に取り付けられたファイバコイル４０の他端と筐体５
６の立方体の振動板３１の裏に取り付けられたファイバ
コイル８１の一端が接続され、同様にファイバコイル４
１の他端とファイバコイル８０の一端、ファイバコイル
４２の他端とファイバコイル８３の一端、ファイバコイ
ル４３の他端とファイバコイル８２の一端、ファイバコ
イル４４の他端とファイバコイル８５の一端、ファイバ
コイル４５の他端とファイバコイル８４一端が接続され
る。

【００５０】そして、ファイバコイル８０〜８５の他端
にはミラー５０〜５５が接続されており、このミラー５
０〜５５でファイバコイル８０〜８５を伝搬してきたレ
ーザ光を反射させて、光カプラ５、６、７により筐体５
１の立方体の振動板３０〜３５の表裏に取り付けられた
ファイバコイル４０−４１と８１−８０、４２−４３と
８３−８２、４４−４５と８５−８４を伝搬してきたレ
ーザ光を干渉させることによって、干渉計を構成し、そ
の結果、ｘ、ｙ、ｚ軸に３つの干渉計を構成している。

【００５１】そして、レーザ１からのレーザ光をパルス
ゲート２によりパルス化し、遅延ファイバ１１、１２を
使用することによって、各軸の干渉計を時分割で多重化
している。そして、光カプラ５、６、７で生成された干
渉光は光カプラ３で合成され、光ファイバ２６を伝搬し
て、光・電気変換器６０により電気信号に変換し、チャ
ンネル分離器６１によって各軸干渉光の光パルスをチャ
ンネル分離した後に、復調器６２によって復調された出
力信号が得られる。なお、光カプラ３からミラー５０〜
５５までの各素子により、本発明の多軸振動板型光ファ
イバ加速度センサ部が構成される。

【００５２】次に、この実施の形態の動作について説明
する。図５の多軸振動板型光ファイバ加速度センサは、
筐体５６が基礎わく、振動板３０〜３５の弾性がバネに
それぞれ対応しサイズモ系を構成している。例えば、３
軸振動板型光ファイバ加速度センサのｘ方向に固有振動
数以下の振動が加わると、錘５７は筐体５６に対しｘ方
向に振動する。この時、ｘ方向のファイバコイル４０、
４１とファイバコイル８０、８１は、それぞれ振動板３
０、３１のたわみ振動により互いに逆方向に伸縮し、干
渉計を構成する２つのファイバコイル４０−４１と２つ
のファイバコイル８０−８１の間に長さの差が生じる。

【００５３】また、このとき、ファイバコイル４０−４
１とファイバコイル８０−８１の接続を、図５に示すよ
うに、筐体５６の立方体の振動板３０の表に取り付けら
れたファイバコイル４０と筐体５６の立方体の振動板３
１の裏に取り付けられたファイバコイル８１を接続し、
筐体５６の立方体の振動板３０の裏に取り付けられたフ
ァイバコイル４１と筐体５６の立方体の振動板３１の表
に取り付けられたファイバコイル８０を接続するように
して、センサの感度を上げるようにしている。

【００５４】一方ｙ、ｚ軸方向の振動板３２〜３５にた
わみ振動は起きにくく、また変形したとしてもファイバ
コイルが互いに同じ方向に伸縮することになるので２つ
のファイバコイルの間に長さの差は生じない。したがっ
て、ｘ軸方向の振動加速度αにより干渉計の２つの光フ
ァイバの間に長さの差が生じ、２つの光ファイバ中を伝
搬しているレーザ光の間に位相差φ(t) が生じる。この
位相差φ(t) の値の大小によって、光カプラ５の出力す
る干渉光を光・電気変換器６０を介して変換し、チャン
ネル分離器６１で分離された電気信号も変化するから、
この電気信号を復調器６２が復調処理することによりｘ
軸方向の振動加速度αを求めることができる。同様に、
ｙ軸方向の振動ではｙ軸の干渉計のみが、ｚ軸方向の振
動ではｚ軸の干渉計のみが振動加速度を検出する。

【００５５】また、遅延ファイバ１１、１２を介して各
軸の干渉計を接続しているため、各軸の干渉計を伝搬
し、光・電気変換器６０に到達する光パルスには伝搬時
間差が生じるようになっており、したがって、光・電気
変換器６０により光・電気変換した後、チャンネル分離
器６１により各軸の光パルスを分離し復調処理を行うよ
うにすることにより、１つのレーザで３軸の加速度を求
めることができるようになっている。

【００５６】以上のように、この実施の形態では、サイ
ズモ系の錘の振動を光ファイバの長さ変化として検出す
るのでセンサ部に電気回路を用いずに振動加速度を測定
できる。また、光ファイバを伝送路としても利用すれ
ば、レーザ１や光・電気変換器６０等の電気部品を陸上
に設置し、光カプラ３からミラー５０〜５５までの多軸
振動板型光ファイバ加速度センサ部を液体中に設置して
運用することも可能になる。したがって、液体中の加速
度測定でも長期信頼性が得られ、さらに測定結果である
干渉光の長距離伝送も可能になる。

【００５７】また、立方体の６面に振動板を取り付け、
互いに向かい合う面に取り付けたファイバコイルで干渉
計を構成した３軸振動板型光ファイバ加速度センサは３
軸の加速度を検出でき、同様に４面であれば２軸の加速
度を検出できる。また、光パルスと遅延ファイバを用い
て時分割の多重化を行えば、各軸ごとにレーザや光・電
気変換器を用意する必要が無く低コストでシステムを構
成できる。

【００５８】また、振動板周囲の温度が変化しても、振
動板が薄板であれば振動板内の温度分布がほぼ均一にな
る。光ファイバは温度により長さが変化するが、この型
のセンサは振動板の表裏にファイバコイルを取り付けて
いるので、温度が変化しても２本の光ファイバの長さの
差は変化しない。したがって、温度変化の影響を受けに
くいセンサになる。

【００５９】また、筐体の立方体の対向する振動板の表
裏に取り付けられたファイバコイルを図５に示すように
接続しているので高感度のセンサとすることができる。
また、立方体の筐体の互いに直交する面に振動板を取り
付け、各振動板の表裏に取り付けたファイバコイルで干
渉計を構成した多軸振動板型光ファイバ加速度センサは
２又は３軸の加速度を検出できる。また、光パルスと遅
延ファイバを用いて時分割の多重化を行えば、各軸ごと
にレーザや光・電気変換器を用意する必要が無く低コス
トでシステムを構成できる。

【００６０】なお、実施の形態１〜４では筐体の形状を
立方体として説明したが、筐体の形状は６面体に限った
ものではなく、球および円筒等の多面体でもよい。ま
た、実施の形態１〜４における光ファイバ加速度センサ
の時分割多重は、３軸に限ったものではなく、多点計測
にも低コストで適用可能になる。

【００６１】また、実施の形態１〜４では、ファイバコ
イルを渦巻き状に巻いたものとして説明したが、ファイ
バコイルの形状は渦巻き状に限ったものではなく、直線
など他の形状でもよい。また、実施の形態１〜４では、
多重化方法を時分割で説明したが、これに限ったもので
はなく、ＷＤＭ（wavelength division multiplex ：波
長分割多重）等の他の多重化方法を用いてもよい。

【００６２】また、実施の形態１〜４では、ミラーを使
用した干渉計（マイケルソン型）を用いて、多軸振動板
型光ファイバ加速度センサを構成しているが、その他の
干渉計、例えば、２つの光カプラを使用した干渉計（マ
ッハ・ツェンダ型）などの干渉計を用いて、多軸振動板
型光ファイバ加速度センサを構成してもよい。

【００６３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、多面体
の筐体と、多面体の筐体の各面にそれぞれ取り付けられ
た振動板と、各振動板により支えられた錘と、各振動板
の外側又は内側に取り付けられ、該振動板のたわみ振動
により伸縮する光ファイバとを備えた多軸振動板型光フ
ァイバ加速度センサ部により、測定用レーザ光のパルス
を、各振動板の互いに対向する位置に取り付けられた光
ファイバごとに、所定の遅延を持たせて導入し、各振動
板の対向する位置に取り付けられた光ファイバを通過し
たレーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の干渉光として出
力するようにしたので、サイズモ系の錘の振動を光ファ
イバの長さ変化として検出しセンサ部に電気回路を用い
ずに振動加速度を測定することができ、また、多軸振動
板型光ファイバ加速度センサ部を液体中に設置しても、
このセンサ部には電気信号を使用しないため長期的に信
頼性のある測定器を構成できると共に、測定結果である
干渉光の長距離伝送も可能になるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る多軸振動型光ファ
イバ加速度センサの構成を示す図である。

【図２】多軸振動板型光ファイバ加速度センサの外観を
示す図である。

【図３】本発明の実施の形態２に係る多軸振動型光ファ
イバ単軸加速度センサの構成を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態３に係る多軸振動型光ファ
イバ加速度センサの構成を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態４に係る多軸振動型光ファ
イバ単軸加速度センサの構成を示す図である。

【図６】従来の一般的な振動加速度センサの構成を示す
模式説明図である。

【符号の説明】

１ レーザ ２ パルスゲート ３、４、５、６、７ 光カプラ １０ 光ファイバ １１、１２ 遅延ファイバ １３、１４、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２
６ 光ファイバ ３０、３１、３２、３３、３４、３５ 振動板 ４０、４１、４２、４３、４４、４５ ファイバコイル ５０、５１、５２、５３、５４、５５ ミラー ５６ 筐体 ５７ 錘 ６０ 光・電気変換器 ６１ 分離するチャンネル分離器 ６２ 復調器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定用レーザ光を多軸振動板型光ファイ
   バ加速度センサ部に入力し、該センサ部が印加された振
   動に基づき出力する干渉光を光・電気変換した後に復調
   処理して振動加速度を検出する振動板型光ファイバ加速
   度センサにおいて、 前記多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部は、 多面体の筐体と、 前記多面体の筐体の各面にそれぞれ取り付けられた振動
   板と、 前記各振動板により支えられた錘と、 前記各振動板の外側又は内側に取り付けられ、該振動板
   のたわみ振動により伸縮する光ファイバとを備え、 前記測定用レーザ光のパルスを、前記各振動板の互いに
   対向する位置に取り付けられた光ファイバごとに、所定
   の遅延を持たせて導入し、 前記各振動板の対向する位置に取り付けられた光ファイ
   バを通過した前記レーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の
   干渉光として出力することを特徴とする多軸振動板型光
   ファイバ加速度センサ。
2. 【請求項２】 測定用レーザ光を多軸振動板型光ファイ
   バ加速度センサ部に入力し、該センサ部が印加された振
   動に基づき出力する干渉光を光・電気変換した後に復調
   処理して振動加速度を検出する振動板型光ファイバ加速
   度センサにおいて、 前記多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部は、 多面体の筐体と、 前記多面体の筐体の互いに対向する面の一方の面にそれ
   ぞれ取り付けられた振動板と、 前記各振動板により支えられた錘と、 前記各振動板の外側及び内側に取り付けられ、該振動板
   のたわみ振動により伸縮する光ファイバとを備え、 前記測定用レーザ光のパルスを、前記各振動板の外側と
   内側に取り付けられた光ファイバごとに、所定の遅延を
   持たせて導入し、 前記各振動板の外側と内側に取り付けられた光ファイバ
   を通過した前記レーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の干
   渉光として出力することを特徴とする多軸振動板型光フ
   ァイバ加速度センサ。
3. 【請求項３】 測定用レーザ光を多軸振動板型光ファイ
   バ加速度センサ部に入力し、該センサ部が印加された振
   動に基づき出力する干渉光を光・電気変換した後に復調
   処理して振動加速度を検出する振動板型光ファイバ加速
   度センサにおいて、 前記多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部は、 多面体の筐体と、 前記多面体の筐体の各面にそれぞれ取り付けられた振動
   板と、 前記各振動板により支えられた錘と、 前記各振動板の外側及び内側に取り付けられ、該振動板
   のたわみ振動により伸縮する光ファイバとを備え、 前記測定用レーザ光のパルスを、前記各振動板の外側と
   内側に取り付けられた光ファイバごとに、所定の遅延を
   持たせて導入し、 前記各振動板の外側と内側に取り付けられた光ファイバ
   を通過した前記レーザ光をそれぞれ干渉させ、各軸の干
   渉光として出力することを特徴とする多軸振動板型光フ
   ァイバ加速度センサ。
4. 【請求項４】 測定用レーザ光を多軸振動板型光ファイ
   バ加速度センサ部に入力し、該センサ部が印加された振
   動に基づき出力する干渉光を光・電気変換した後に復調
   処理して振動加速度を検出する振動板型光ファイバ加速
   度センサにおいて、 前記多軸振動板型光ファイバ加速度センサ部は、 多面体の筐体と、 前記多面体の筐体の各面にそれぞれ取り付けられた振動
   板と、 前記各振動板により支えられた錘と、 前記各振動板の外側及び内側に取り付けられ、該振動板
   のたわみ振動により伸縮する光ファイバとを備え、 前記測定用レーザ光のパルスを、互いに対向する振動板
   の一方の振動板の外側と内側に取り付けられた光ファイ
   バごとに、所定の遅延を持たせて導入し、 前記測定用レーザ光が導入された振動板の外側の光ファ
   イバ及びその対向する振動板の内側の光ファイバを通過
   した前記レーザ光と前記測定用レーザ光が導入された振
   動板の内側の光ファイバ及びその対向する振動板の外側
   の光ファイを通過した前記レーザ光をそれぞれ干渉さ
   せ、各軸の干渉光として出力することを特徴とする多軸
   振動板型光ファイバ加速度センサ。
5. 【請求項５】 前記多軸振動板型光ファイバ加速度セン
   サ部からの各軸の干渉光が入力され、その干渉光を電気
   信号に変換する光・電気変換器と、 前記光・電気変換器の出力信号のパルスの遅延に基づい
   て、各軸のデータに分離するチャンネル分離器と、 前記チャンネル分離器の出力信号を各軸のデータごとに
   復調処理して各軸に対する振動加速度を検出する復調器
   とを備えることを特徴とする請求項１、２、３又は４記
   載の多軸振動板型光ファイバ加速度センサ。