WO2003002956A1

WO2003002956A1 - Dispositif et procede de mesure de vibration

Info

Publication number: WO2003002956A1
Application number: PCT/JP2002/006422
Authority: WO
Inventors: Kazuro Kageyama; Isamu Ohsawa; Makoto Kanai; Yukiya Tsuchida; Keiichi Nagata
Original assignee: Center For Advanced Science And Technology Incubation, Ltd.
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2003-01-09
Also published as: EP1400792A4; EP1400792A1; US20060152735A1; JP3517699B2; US7262834B2; CN1520511A; JPWO2003002956A1; KR20040019319A

Description

明細書振動計測装置および振動計測方法技術分野

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、 A E (Acoustic Emission) センサが用いられている。この A E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。しカゝしながら、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、レーザドッブラ光ファイバセンサを A E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 d LZ d t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 Z d t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つて形成してもよい。前記周回における卷数は、 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つて、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つており、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、前記被計測物の検查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、測定光用光ファィパぉよぴ基準光用光ファィバが、前記入力部から内部に入力された測定光おょぴ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画面表示である。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) の周波数スぺクトル図である。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 2 0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 2 0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。このダラフにおける横軸は、湾曲部 20の卷数である。

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 1 0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 1 1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 1 2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 1 3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 1 4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 1 5は、本発明の実施例 4における測定結果（6 0 5 Hz付近）を示すグラフである。

図 1 6は、本発明の実施例 4における測定結果（2 3 0 kHz 付近）を示すダラフである。

図 1 7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 1 8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 1 9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 2 0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 2 1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 2 2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 2 3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 2 4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 2 5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 2 6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 2 7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 2 8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 2 9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 3 0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 3 1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 3 2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 A O M (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つている。入力部 1は、力ブラ 2 1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 2 1との間には、入力光の一部を A OM 4に送るためのハーフミラー 1 1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レ、。

光ファイバ 2は、計測すべき振動が加えられる湾曲部 2 0を有している。湾曲部 2 0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。卷数（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 2 0 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 2 0は、振動を計測すべき箇所に配置される。例えば、湾曲部 2 0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 2 0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 G I型、 S I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 2 0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、ハーフミラ一 1 1、 A OM 4 (後述）、ハーフミラー 3 1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、ビ一ト周波数の変化を検出できるようになつている。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、力ブラ 2 2を介してファイバ 2に接続されている。

A O M 4は、入力光周波数 f 。を変化させて、 f 。十 f _M ( f _Mは正負を含む。）とすることができるようになつている。そのような A OM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、 A OM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 2 0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 2 0に振動（弾性波）が加わると、振動に応じて、湾曲部 2 0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 2 0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 2 0において検出できる振動は、湾曲部 2 0の半径方向へのべ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 2 0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、 A O M 4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、 A O M 4での周波数変化量 Δ f iを変えることにより、湾曲部 2 0を通過した光の周波数変化 Δ f ₂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、 Δ f ₁〉0としたとき、 Δ f ₂が大きくなれば、周波数変化は正方向となり、 A f ₂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 Δ f ₂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 2 0の垂線方向（法線方向）における、湾曲部 2 0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。

c

d f ：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、 f 。：入力光の周波数、

C ：光ファイバ中を伝播する光の速度、

d Θ ：湾曲部における微少部分、

V d 0部分の速度べクトル、

n 湾曲部での法線べクトル、演算子 · ：べクトルの内積、

である。つまり、湾曲部 2 0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 2 0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、 A O M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アイパ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 2 0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 2 7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 3 O mmとされている。直径が 3 0 mm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 2 0を、光ファイバ 2を周回させることによつて形成した。し力しながら、図 2に示すように、湾曲部 2 0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レ、。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 2 0における開口長さ 1 ₃ (図 2参照）も、湾曲部 2 0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 2 0の卷数を 1としたが、 2以上であってもよレ、。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 2 0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 2 0は、 1巻きで周回された構成とした。湾曲部 2 0の円周は 6 2 mm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つている。湾曲部 2 0と圧電素子との距離は、 5 O mmとした。なお、圧電素子の位置は、図 1を参照して、湾曲部 2 0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、 6 2 m mにわたつて、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 5 O m m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 2 0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、 3 0 ° づっ変化させた。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 0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 2 0の先端部での曲率半径は約 5 m mであり、全体としての折り曲げ角度ひは約 9 0 ° とした。

これらの結果から、湾曲部 2 0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 2 0 (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 0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 2 0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 2 0を、複数回周回した構成とした。周回数は、 2回、 5回おょぴ 1 0回とした。湾曲部の曲率半径は、 5 m m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の卷数 2、 4、 6、 8、 1 0の部分に示す。

比較例 3として、湾曲部 2 0の卷数を 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の卷数 1の部分に示す。

両者の対比から、卷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 2 0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 1 0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ゃ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 1 1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 2 0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 2 0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 1 2に基づいて説明する。この実施形態では、湾曲部 2 0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力所）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 2 0によつ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本の光フアイパ 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 2 0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 1 2参照）。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、 d L Z d t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 1 2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 1 3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つている。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、これによつて、湾曲部 2 0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 1 4に基づいて説明する。被測定物の長さ 1 iは 4 m、直径は 1 5 mm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、光フアイバ 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 5 0 c mの距離 1 ₂とした。光ファイバ 2の周回により、湾曲部 2 0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、 A0M 4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、 2 3 0 kHz 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、 6 0 5 Hz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 1 5に示す。図には、光ファイバ 2を 1 0回卷きした場合と、 1回卷きした場合とが示されている。 1 0回卷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、 2 30kHz 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 1 6に示す。この図においても、光ファイバ 2を 1 0回卷きした場合と、 1回卷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、

V»n =V_R(t) (3)

となる。また、速度成分は 0方向によらないため、周回数が mの場合、湾曲部 2 0での周波数変化は、

_{Δ =} _2^^₍ (4)

c 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 2 0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 2 0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 2 0の曲率半径が 5 mn！〜 1 0讓より小さいと、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 1 7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、これによつて複数の湾曲部 2 0が形成されている。複数の湾曲部 2 0は、図 1 7に示されているように、一つの検查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 2 0 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 1 7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 1 8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 2 0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 1 9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 2 0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 2 0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アイパ 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、 C FRP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 2 0参照）。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 2：!〜 24に示すように変化させた。各図において、剥離部分 5 aをハッチングで示している。剥離の長さは 3 0 Ommとした。以下、各図における条件を説明する。

(1) 図 2 1では、剥離部分 5 aの中央に湾曲部 20を配置した。さらに、弾性波を、剥離部分 5 aの外側から入力した（図中矢印の通り）。

(2) 図 2 2では、剥離部分 5 aの端部近傍（端から約 1 Ommの位置）に湾曲部 20を配置した。さらに、弾性波を、剥離部分 5 aの外側（正常部分側）から入力した。

(3) 図 2 3では、剥離部分 5 aの端部近傍（端から約 1 Ommの位置）に湾曲部 20を配置した。さらに、弾性波を、剥離部分 5 aの側（剥離部分側）力ら入力した。

(4) 図 24では、剥離部分 5 aの外側（剥離部分の端から約 1 Ommの位置）に湾曲部 2 0を配置した。さらに、弾性波を、剥離部分 5 a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 2 0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 2 5に示す。図 2 0〜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 2 2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 2 6参照）、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 2 0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 2 8〜図 3 1に基づいて説明する。以下の説明においては、湾曲部 2 0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。表 1 測定光と基準光の組み合わせ

この表において、「一方向」とは、測定光おょぴ基準光をそれぞれ伝送する光フアイパが、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 2 8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、力ブラ 2 3により分岐されて、測定光用光ファイバ 2 0 1と基準光用光ファイバ 2 0 2とに入力される。これらの光ファイバ 2 0 1と 2 0 2は、ファイバ 2の一部を構成している。これらのファイバ 2 0 1および 2 0 2を通過した光は、力ブラ 2 4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 2 9には、測定光用光ファイバ 2 0 1と基準光用光ファイバ 2 0 2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 2 8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 3 0には、測定光用光ファイバ 2 0 1がループされ、基準光用光ファイバ 2 0 2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 2 8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 ) 力光ファイバの端部で反射される構成を意味する。図 3 1には、測定光用光ファイバ 2 0 1および基準光用光ファイバ 2 0 2力いずれも、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 2 0 1 aおよび 2 0 2 aにおいて反射され、戻される。戻された光は、カプラ 2 5および 2 6を介して、力ブラ 2 4において合成され、検出部 3に送られる。他の構成は図 2 8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 2 0 1と基準光用光ファイバ 2 0 2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 2 0 1と基準光用光ファイバ 2 0 2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、振動ノィ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 3 2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 2 0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 2 0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、ァ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、振動計測装置によつ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。

Claims

請求の範囲

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、前記光フア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ィパ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。

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。

3 . 前記周回における卷数は 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。

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。

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、前記光フアイパ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。

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。

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。

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。

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。 '

1 0 . 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。

1 1 . 請求項 1 0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。

1 2 . 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。

1 3 . 請求項 1 2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。

1 4 . 請求項 1 2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。

1 5 . 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、前記光ファィ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。

1 6 . 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、前記光ファィ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。

1 7 . 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。

1 8 . 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 1 7記載の振動計測装置。

1 9 . 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 1 7または 1 8記載の振動計測装置。

2 0 . 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 1 7記載の振動計測装置。

2 1 . 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。

2 2 . 請求項：！〜 4、 6、 9、 1 0、 1 2、 1 5〜 2 1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口ールシステム。