ＦＢＧ振動センサ
【課題】振動測定時における温度補償を行いつつ、小型化することを実現したＦＢＧ振動センサを提供することを目的とする。
【解決手段】ＦＢＧ振動センサ１は、振動体Ｗに固定端２ｂ側が固定される板バネ２を備えている。板バネ２の自由端２ｃ側には錘４が設けられており、振動体Ｗの振動に同期して板バネ２が弾性変形する。また、板バネ２の上部表面２ａ上には、ＦＢＧ５が形成された光ファイバ３が固定されている。光ファイバ３は、ＦＢＧ５を間に挟む一対の接着剤７ａ、７ｂによって板バネ２に固定されており、振動体Ｗの振動に伴う板バネ２の弾性変形に応じて、ＦＢＧ５が伸縮するようになっている。板バネ２は、光ファイバ３の熱膨張係数に対して正負が逆の値となる値の熱膨張係数を有しており、雰囲気温度に起因して生じるブラッグ波長のシフトは、板バネ２の熱膨張によって相殺される。
【解決手段】ＦＢＧ振動センサ１は、振動体Ｗに固定端２ｂ側が固定される板バネ２を備えている。板バネ２の自由端２ｃ側には錘４が設けられており、振動体Ｗの振動に同期して板バネ２が弾性変形する。また、板バネ２の上部表面２ａ上には、ＦＢＧ５が形成された光ファイバ３が固定されている。光ファイバ３は、ＦＢＧ５を間に挟む一対の接着剤７ａ、７ｂによって板バネ２に固定されており、振動体Ｗの振動に伴う板バネ２の弾性変形に応じて、ＦＢＧ５が伸縮するようになっている。板バネ２は、光ファイバ３の熱膨張係数に対して正負が逆の値となる値の熱膨張係数を有しており、雰囲気温度に起因して生じるブラッグ波長のシフトは、板バネ２の熱膨張によって相殺される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動体の振動を測定するＦＢＧ振動センサに係り、特に、振動測定時における温度補償を行うための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば測定対象物のひずみ量等の物理量を測定するためのセンサに、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）が形成された光ファイバが利用される。ＦＢＧとは、光ファイバのコアの屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）で変化させた回折格子であって、光ファイバへの入射光に対し、グレーティング周期に応じた特定の波長（ブラッグ波長）を有する光を反射し、残りの光を透過するという特性を有するものである。
【０００３】
測定される物理量がひずみ量である場合、測定対象物のひずみを光ファイバに印加してＦＢＧにひずみを生じさせると、グレーティング周期が変化することによってブラッグ波長が長波長側または短波長側にシフトする。したがって、このシフト量に基づいて、測定対象物のひずみ量を測定することが可能となる。また、測定される物理量を振動とする場合、振動体の振動に同期して弾性変形する弾性部材を準備し、この部材のひずみが光ファイバに印加されるように構成すれば、ブラッグ波長のシフト量及びシフト周期に基づいて振動体の振動量及び振動周期が求められる。すなわち、ＦＢＧを有する光ファイバを、振動センサに適用することが可能となる。
【０００４】
ここで、ＦＢＧのグレーティング周期は、物理量測定時における雰囲気温度に応じて光ファイバが熱膨張することによっても変化する。また、ＦＢＧのブラッグ波長を決定する要素には、グレーティング周期の他に光ファイバのコアの屈折率が含まれており、この屈折率も雰囲気温度に応じて変化する。したがって、ＦＢＧが形成された光ファイバを振動センサに適用する場合、測定対象となる物理量（振動体の振動に起因して生じる弾性部材のひずみ）を正確に検出するためには、雰囲気温度に応じた温度補償を行うこと、すなわち雰囲気温度に起因して生じる物理量（光ファイバの熱膨張量及びコアの屈折率変化量）を取り除くことが必要となる。
【０００５】
例えば特許文献１には、雰囲気温度に応じて変形するバイメタルを利用して温度補償を行うＦＢＧ式変換器が開示されている。このＦＢＧ式変換器は、ＦＢＧを有する光ファイバをひずみセンサに適用したものであって、光ファイバをＦＢＧの両端側で支持する一対のバイメタル部材を備えている。バイメタル部材は、略Ｌ字状または略Ｕ字状に形成されており、その一端側に光ファイバが固定されている。また、バイメタル部材の他端側には固定金具が設けられており、この固定金具が被測定物に固定されている。すなわち、特許文献１に記載のＦＢＧ式変換器は、バイメタルの変形を利用してＦＢＧに作用する張力を調節することにより、雰囲気温度に応じた温度補償を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８７４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のＦＢＧ式変換器で温度補償を行うためには、被測定物の表面上から上方側に突出する固定部材と、固定部材の上方側にさらに突出するバイメタル部材とを設け、これらの部材を被測定物と光ファイバとの間に介在させることが必要となる。したがって、特許文献１に記載のＦＢＧ式変換器では、高さ方向、すなわち被測定物の表面に対して垂直な方向における寸法が必然的に大きくなるため、センサ全体を小型化することが困難であるという問題点を有していた。尚、上述したように、特許文献１に記載のＦＢＧ式変換器はひずみセンサとして適用されたものであるが、このＦＢＧ式変換器を振動センサとして用いた場合においても問題点は共通のものである。
【０００８】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、振動測定時における温度補償を行いつつ、小型化することを実現したＦＢＧ振動センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係るＦＢＧ振動センサは、振動体の振動に伴って弾性変形可能な弾性部材と、弾性部材に固定され、弾性部材の弾性変形量に応じて入射光に対する反射光の波長と入射光に対する透過光の波長とを変化させるＦＢＧを有する光ファイバとを備え、反射光の波長の変化量または透過光の波長の変化量に基づいて振動体の振動を測定するＦＢＧ振動センサにおいて、弾性部材は、光ファイバの熱膨張係数に対して正負が逆の値の熱膨張係数を有する材料から形成されることを特徴とする。
【００１０】
振動体の振動に伴って弾性部材が弾性変形すると、光ファイバのＦＢＧが伸縮して反射光及び透過光の波長が変化するため、その変化量及び変化周期に基づいて振動体の振動量及び振動周期が求められる。このように振動を測定する際、反射光または透過光の波長は、弾性部材の弾性変形量の他に雰囲気温度に起因して変化するが、弾性部材は、光ファイバの熱膨張係数に対して正負が逆となる値の熱膨張係数を有している。すなわち、雰囲気温度に起因した波長の変化は弾性部材の熱膨張（熱収縮）によって相殺されるため、弾性部材と光ファイバとの間にバイメタル等を設けることを必要とせず、弾性部材自体によって光ファイバの温度補償が行われる。したがって、ＦＢＧ振動センサにおいて、振動測定時における温度補償を行いつつ、小型化することが可能となる。
【００１１】
弾性部材の熱膨張係数は、弾性部材の熱膨張により、振動の測定時において光ファイバが熱膨張すること、及び振動の測定時において光ファイバの屈折率が変化することによる反射光の波長の変化量または透過光の波長の変化量を相殺可能な値であってもよい。振動の測定をさらに正確に行うことが可能となる。
【００１２】
弾性部材は平板状であり、弾性部材の一方の端部は振動体に固定可能であり、弾性部材の他方の端部は錘が取り付け可能であってもよい。弾性部材の一方の端部を振動体に固定し、他方の端部に錘を取り付けることにより、振動体の振動に伴って弾性部材が弾性変形する際、振動体側の端部に作用する曲げモーメントが増大される。すなわち、弾性部材に錘を取り付けない場合と比較すると、所定量の伸縮をＦＢＧに生じさせるために必要となる弾性部材の長さが短縮される。したがって、ＦＢＧ振動センサをさらに小型化することが可能となる。
【００１３】
光ファイバを弾性部材に固定する一対の取り付け部材をさらに備え、一対の取り付け部材は、ＦＢＧの長さ以上の間隔を置いて配置され、ＦＢＧは間隔の内側に対応する部位に配置されてもよい。
また、光ファイバ及び弾性部材は長手方向をそれぞれ有し、弾性部材の長手方向と光ファイバの長手方向とが互いに沿うように配置されてもよい。
【００１４】
また、この発明に係るＦＢＧ振動センサは、車両の衝突を検知する車両用センサとして用いられ、この場合の車両用センサは、車両は複数の被測定部を有し、光ファイバは複数の被測定部に設けられる複数のＦＢＧを有し、複数の被測定部の少なくとも１つから対応するＦＢＧに印加される振動に基づいて、車両の衝突を検知することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、ＦＢＧ振動センサにおいて、振動測定時における温度補償を行いつつ、小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態１に係るＦＢＧ振動センサの構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るＦＢＧ振動センサにおけるＦＢＧの構成を概略的に示す部分拡大断面側面図である。
【図３】実施の形態１に係るＦＢＧ振動センサの構成を概略的に示す断面側面図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係るＦＢＧ振動センサの構成を概略的に示す斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係るＦＢＧ振動センサを用いた車両用センサの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係るＦＢＧ振動センサ１を概略的に示す。
ＦＢＧ振動センサ１は、振動体Ｗ（図３参照）の振動を測定するセンサであって、矩形に形成された平板状の弾性部材である板バネ２と、板バネ２の上部表面２ａ上に固定される光ファイバ３とを備えている。板バネ２は、図１の矢印Ａで示される方向を長手方向とする部材であって、この長手方向における一方の端部が、振動体Ｗに固定可能な固定端２ｂとなっている。一方、板バネ２の他方の端部は自由端２ｃとなっており、その上部表面２ａ上に、所定の質量を有する錘４を取り付け可能となっている。光ファイバ３は、その軸方向が矢印Ａで示される方向に沿って延びるように、すなわち板バネ２の長手方向と光ファイバ３の長手方向とが互い沿うように、板バネ２の中央部に配置されている。また、光ファイバ３は、以下に説明するＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）５を有しており、ＦＢＧ５が板バネ２の上部表面２ａ上に配置されている。
【００１８】
図２に示すように、光ファイバ３は、図示しない光源から入射される入射光Ｌ１が伝播するコア１１と、コア１１の外周部を覆うクラッド１２とを有しており、例えば石英ガラス等の材料から形成されている。ＦＢＧ５は、コア１１の屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）Λで変化させた回折格子であって、入射光Ｌ１に対し、ブラッグ波長と呼ばれる特定の波長を有する光を反射光Ｌ２として反射し、残りの光を透過光Ｌ３として透過するという特性を有している。ここで、ＦＢＧ５におけるグレーティング周期Λは、ブラッグ波長を規定する要素の１つとなっている。すなわち、ＦＢＧ５が伸縮すると、それに伴ってグレーティング周期Λも変化するため、グレーティング周期Λの変化量に応じてブラッグ波長がシフトする。具体的には、ＦＢＧ５が伸張するとブラッグ波長は長波長側にシフトし、ＦＢＧ５が収縮するとブラッグ波長は短波長側にシフトする。
【００１９】
ブラッグ波長のシフト量はＦＢＧ５の伸縮量に比例するため、ブラッグ波長のシフト量を測定することにより、ＦＢＧ５に印加された伸縮量を求めることが可能となっている。尚、ＦＢＧ５が透過する透過光Ｌ３は、光ファイバ３に入射される入射光Ｌ１からブラッグ波長を有する反射光Ｌ２を除いたものであるため、ブラッグ波長のシフト量は、反射光Ｌ２だけではなく、透過光Ｌ３から求めることも可能となっている。また、ＦＢＧ５は、光ファイバ３のコア１１に紫外線等を照射することによって形成される。
【００２０】
次に、ＦＢＧ振動センサ１が振動体Ｗに取り付けられている状態を図３に示す。
図３に示すように、振動体Ｗに対するＦＢＧ振動センサ１の設置は、板バネ２の固定端２ｂ側を、固定部材６を介して振動体Ｗに固定することによって行われる。固定部材６は、一方の端面６ａ側に開口する溝部６ｂを有しており、この溝部６ｂ内に板バネ２の固定端２ｂが挿入され、接着等によって固定されている。また、固定部材６の他方の端面６ｃは接着等によって振動体Ｗに固定されており、それにより、振動体Ｗと板バネ２とが一体として固定された状態となっている。したがって、振動体Ｗが矢印Ｂ１で示される方向に振動すると、その振動が固定部材６を介して板バネ２に伝達され、矢印Ｂ２で示される方向における板バネ２の弾性変形が振動体Ｗの振動に同期して繰り返される。
【００２１】
ＦＢＧ５の反射光Ｌ２（図２参照）に基づいて振動体Ｗの振動を測定する場合、光ファイバ３の一方の端部は、錘４に隣接する部位で切断されている。また、光ファイバ３の他方の端部は、固定部材６の内部に導かれるとともに、固定部材６の側部に形成された図示しない貫通孔から外部に引き出されている。固定部材６の外部に引き出された光ファイバ３には、光ファイバ３に入射光Ｌ１（図２参照）を入射するための図示しない光源や、ＦＢＧ５からの反射光Ｌ２（図２参照）を測定するための、すなわちブラッグ波長を測定するための図示しない計測器等が接続されている。
【００２２】
また、光ファイバ３は、固定部材６に隣接する部位に塗布された接着剤７ａと、錘４に隣接する部位に塗布された接着剤７ｂとによって、板バネ２の上部表面２ａに固定されている。接着剤７ａ及び接着剤７ｂは、ＦＢＧ５の軸方向に沿った長さｄ１以上の間隔ｄ２をおいて配置されており、この間隔ｄ１の内側に対応する部位にＦＢＧ５が配置されている。したがって、振動体Ｗの振動に伴って板バネ２が弾性変形すると、その弾性変形量に応じてＦＢＧ５が伸縮するため、ＦＢＧ５のグレーティング周期Λが変化してブラッグ波長がシフトするようになっている。ここで、接着剤７ａ及び接着剤７ｂは、ＦＢＧ振動センサ１における取り付け部材を構成するものである。尚、光ファイバ３を板バネ２に固定する箇所の一方を固定部材６に隣接する部位、すなわち板バネ２が弾性変形したときに最大の応力が作用する部位としたことにより、板バネ２の弾性変形を確実にＦＢＧ５に伝達することが可能となっている。
【００２３】
以上のように構成されるＦＢＧ振動センサ１において、板バネ２は、光ファイバ３の熱膨張係数に対して正負が逆の値の熱膨張係数を有する材料から形成されている。すなわち、光ファイバ３が正の熱膨張係数を有する場合、ＦＢＧ振動センサ１の周囲温度である雰囲気温度が上昇すると光ファイバ３が膨張するのに対し、負の熱膨張係数を有する板バネ２は収縮する。逆に、雰囲気温度が低下すると正の熱膨張係数を有する光ファイバ３が収縮するのに対し、負の熱膨張係数を有する板バネ２は膨張する。一方、光ファイバ３が負の熱膨張係数を有し、板バネ２が正の熱膨張係数を有する場合は、雰囲気温度の上昇に伴って光ファイバ３が収縮し、板バネ２が膨張する。逆に、雰囲気温度が低下すると、光ファイバ３が膨張して板バネ２が収縮する。
【００２４】
ここで、上述したように、ＦＢＧ５におけるグレーティング周期Λはブラッグ波長を規定する要素の１つとなっているが、このグレーティング周期Λは、板バネ２の弾性変形に応じてＦＢＧ５が伸縮することの他に、光ファイバ３が雰囲気温度に応じて熱膨張することによっても変化する。また、ブラッグ波長を規定する要素には、光ファイバ３のコア１１の屈折率も含まれており、コア１１の屈折率も雰囲気温度に応じて変化する。板バネ２の熱膨張係数は、振動の測定時において光ファイバ３が熱膨張することによるブラッグ波長のシフト量をΔλ１とし、振動の測定時において光ファイバ３のコアの屈折率が変化することによるブラッグ波長のシフト量をΔλ２とすると、これらのシフト量Δλ１及びΔλ２が相殺可能となるように、すなわち、ブラッグ波長が、板バネ２の弾性変形に伴うＦＢＧ５の伸縮量のみに応じてシフトするように選択される。したがって、ＦＢＧ５には、振動体Ｗの振動に起因して生じる板バネ２の弾性変形量のみが印加されるため、振動体Ｗの振動を雰囲気温度による誤差なく測定することが可能となっている。
【００２５】
次に、この発明の実施の形態１に係るＦＢＧ振動センサ１を用いて振動体Ｗの振動を測定する方法、及び振動体Ｗの振動を測定する際のＦＢＧ振動センサ１の動作について説明する。
図３に示すように、まず、固定部材６の端面６ｃを接着等によって振動体Ｗに固定することにより、ＦＢＧ振動センサ１が振動体Ｗに固定される。尚、固定部材６に対する板バネ２の固定は、振動体Ｗに対する固定部材６の固定前及び固定後のどちらで行ってもよい。次いで、固定部材６の図示しない貫通孔から外部に引き出されている光ファイバ３に対し、図示しない光源や図示しない計測器等が接続される。この計測器は、ＦＢＧ５のブラッグ波長のシフト量及びシフト周期に基づいて、振動体Ｗの振動量及び振動周期を算出するものである。
【００２６】
振動体ＷにＦＢＧ振動センサ１が固定されると、図示しない光源から光ファイバ３に入射光Ｌ１（図２参照）が入射される。入射光Ｌ１に対し、ＦＢＧ５はブラッグ波長を有する光を反射光Ｌ２として反射し、残りの光を透過光Ｌ３として透過する（図２参照）。このような状態で、振動体Ｗが矢印Ｂ１で示される方向に振動すると、その振動が固定部材６を介して板バネ２に伝達され、矢印Ｂ２で示される方向への板バネ２の弾性変形が振動体Ｗの振動に同期して繰り返される。また、板バネ２の弾性変形は二箇所の接着剤７ａ、７ｂを介して光ファイバ３に伝達されるため、これらの接着剤７ａ、７ｂの間に配置されているＦＢＧ５は、板バネ２の弾性変形に応じて周期的に伸縮する。尚、板バネ２の自由端２ｃ側には錘４が設けられているため、板バネ２が弾性変形する際に固定端２ｂ側に作用する曲げモーメントが増大された状態となっている。したがって、自由端２ｃ側に錘４を設けない場合と比較すると、所定量の伸縮をＦＢＧ５に生じさせるために必要となる板バネ２の長さを短縮してＦＢＧ振動センサ１を小型化することが可能となっている。
【００２７】
ＦＢＧ５が周期的に伸縮することに伴い、グレーティング周期Λの周期的な伸縮が繰り返される。また、グレーティング周期Λの周期的な伸縮に伴い、ブラッグ波長の長波長側及び短波長側への周期的なシフトが繰り返される。光ファイバ３に接続された図示しない計測器はブラッグ波長を常時監視しており、ブラッグ波長のシフト量及びシフト周期に基づいて、振動体Ｗの振動量及び振動周期が算出される。ここで、板バネ２の熱膨張係数の値は、光ファイバ３の熱膨張係数の値に対して正負が逆の値となるように、且つ、振動の測定時において光ファイバ３が熱膨張することによるブラッグ波長のシフト量Δλ１と、光ファイバ３のコアの屈折率が変化することによるブラッグ波長のシフト量Δλ２とを相殺可能となるように選択されている。したがって、ＦＢＧ５のブラッグ波長は、板バネ２の弾性変形に伴うＦＢＧ５の伸縮量のみを反映したものとなっており、振動体Ｗの振動測定時における雰囲気温度に起因して生じるブラッグ波長のシフトが取り除かれた状態、すなわち温度補償が行われた状態となっているため、振動体Ｗの振動が雰囲気温度による誤差なく測定される。
【００２８】
このように、ＦＢＧ５を有する光ファイバ３を板バネ２に固定したので、振動体Ｗの振動に伴って板バネ２が弾性変形すると、光ファイバ３のＦＢＧ５が伸縮してブラッグ波長がシフトする。したがって、ブラッグ波長のシフト量及びシフト周期に基づいて振動体Ｗの振動量及び振動周期が求められる。このように振動を測定する際、ブラッグ波長は、板バネ２の弾性変形量の他に雰囲気温度に起因して変化するが、板バネ２は、光ファイバ３の熱膨張係数に対して正負が逆の値の熱膨張係数を有する材料から形成されているため、雰囲気温度に起因したブラッグ波長の変化は板バネ２の熱膨張によって相殺される。すなわち、板バネ２と光ファイバ３との間にバイメタル等を設けることを必要とせず、板バネ２自体によってＦＢＧ５の温度補償が行われる。したがって、ＦＢＧ振動センサ１において、振動測定時における温度補償を行いつつ、小型化することが可能となる。
【００２９】
また、板バネ２の熱膨張係数は、振動体Ｗの振動測定時において光ファイバ３が熱膨張することによるブラッグ波長のシフト量Δλ１と、光ファイバ３の屈折率が変化することによるブラッグ波長のシフト量Δλ２とを相殺可能であるため、振動の測定がさらに正確に行われる。
さらに、板バネ２の自由端２ｃに錘４を取り付けたので、振動体Ｗの振動に伴って板バネ２が弾性変形する際、板バネ２の固定端２ｂ側に作用する曲げモーメントが増大される。すなわち、錘４を取り付けない場合と比較すると、所定量の伸縮をＦＢＧ５に生じさせるために必要となる板バネ２の長さが短縮されるため、ＦＢＧ振動センサ１をさらに小型化することが可能となる。
【００３０】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係るＦＢＧ振動センサについて説明する。この実施の形態２に係るＦＢＧ振動センサは、実施の形態１におけるＦＢＧ振動センサ１がＦＢＧ５からの反射光Ｌ２に基づいて振動体Ｗの振動を測定していたのに対し、透過光Ｌ３に基づいて振動を測定するように構成したものである（図２、３参照）。尚、以下に説明する実施の形態において、図１〜３に示される符号と同一の符号は同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
図４に示すように、ＦＢＧ振動センサ２１における板バネ２の上部表面２ａ上には、貫通孔２４ａを有する錘２４と、貫通孔２４ａを貫通して延びる光ファイバ２３とが固定されている。光ファイバ２３の一方の端部側２３ａには、入射光Ｌ１を光ファイバ２３に入射するための図示しない光源が接続されている。また、錘２４の貫通孔２４ａを貫通した光ファイバ１３の端部側２３ｂには、ＦＢＧ５が透過した透過光Ｌ３を測定可能な図示しない計測器が接続されている。他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００３２】
以上のように構成されるＦＢＧ振動センサ２１において、図示しない計測器によって測定される透過光Ｌ３のスペクトルは、入射光Ｌ１に対して反射光Ｌ２の波長、すなわちブラッグ波長が欠落した状態のスペクトルとなる。したがって、透過光Ｌ３のスペクトルから欠落した部分のシフト量及びシフト周期を読み取ることにより、振動体Ｗの振動量及び振動周期を算出することが可能となる。すなわち、透過光Ｌ３を利用して振動体Ｗの振動測定を行う場合においても、振動測定時における温度補償を行いつつ小型化するという実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、実施の形態１におけるＦＢＧ振動センサ１のように、ＦＢＧ５からの反射光Ｌ２を利用して振動測定を行う場合、反射光Ｌ２を計測器に導くためにサーキュレータ等を用いることが一般的である。一方、ＦＢＧ振動センサ２１のように透過光Ｌ３を利用する場合、光ファイバ２３の一端側に光源を接続し、他端側に計測器を接続すれば振動の測定を行うことが可能となるため、振動を計測するシステム全体としての構成が簡素化される。
【００３４】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係るＦＢＧ振動センサについて説明する。この実施の形態３に係るＦＢＧ振動センサは、車両の衝突を検知する車両用センサとして適用されたものであり、単一の光ファイバに対してＦＢＧ及び板バネが複数となるように構成されている。
図５に示すように、車両用センサ３１は、例えばエアバッグ等の機器を作動させるために車両４０の衝突を検知するセンサであって、車両４０は、例えばボディー４１の前部、中間部及び後部における両側等に、実施の形態１、２における振動体Ｗに相当する複数の被測定部Ｗ１〜Ｗ６を有している。また、ボディー４１の内部には、各被測定部Ｗ１〜Ｗ６を順次通過するように単一の光ファイバ３３が敷設されている。
【００３５】
各被測定部Ｗ１〜Ｗ６には、実施の形態２におけるＦＢＧ振動センサ２１と同様に、貫通孔２４ａを有する錘２４が設けられた板バネ２が固定されている。また、光ファイバ３３は複数のＦＢＧ５を有しており、ＦＢＧ５が形成された各部位が被測定部Ｗ１〜Ｗ６における板バネ２上でそれぞれ固定されている。すなわち、車両用センサ３１は、実施の形態２におけるＦＢＧ振動センサ２１を各被測定部Ｗ１〜Ｗ２にそれぞれ設け、これらを単一の光ファイバ３３によって直列に接続したものである。尚、光ファイバ３３の一端には、光ファイバ３３に入射光Ｌ１（図２参照）を入射するための図示しない光源が接続されている。また、光ファイバ３３の他端には、被測定部Ｗ１〜Ｗ６に対応する各ＦＢＧ５が透過した透過光Ｌ３（図２参照）を測定して振動の有無を検出可能な図示しない検知部が接続されている。この検知部は、車両４０の図示しない制御部に電気的に接続されており、検知部から制御部への出力に基づいて、エアバッグ等の機器の作動が制御される。他の構成については実施の形態２と同様である。
【００３６】
以上のように構成される車両用センサ３１において、車両４０が衝突を起こして各被測定部Ｗ１〜Ｗ６の少なくとも一箇所が振動すると、振動した箇所に対応する板バネ２が弾性変形するのに伴ってＦＢＧ５におけるブラッグ波長がシフトする。図示しない制御部は、各被測定部Ｗ１〜Ｗ６における振動量や振動周期が予め設定された値を上回ると、車両４０が衝突したと判断してエアバッグ等の機器を作動させる。ここで、車両用センサ３１では、実施の形態１、２と同様に振動測定を行う際の温度補償が行われるため、車両４０内の温度変化にかかわらず振動を正確に測定することが可能となっており、雰囲気温度に起因する誤作動を起こすことがない。また、車両用センサ３１にように、単一の光ファイバ３３に対してＦＢＧ及び板バネが複数となるように構成した場合、光ファイバ３３が断線すると図示しない検知部に透過光が届かなくなるため、断線の有無の判定を行うことが可能となる。
【００３７】
実施の形態１（図３参照）において、振動体Ｗに対するＦＢＧ振動センサ１の固定は、固定部材６の溝部６ｂ内に板バネ２の固定端２ｂ側を固定することによって行われたが、固定部材６を用いること、及び固定部材６が溝部６ｂを有することに限定するものではない。振動体Ｗの振動をＦＢＧ振動センサ１に伝達することが可能であればよいため、板バネ２を直接振動体Ｗに接着することや、例えば板バネ２の両側部を保持するような固定部材を用いることも可能である。
【００３８】
また、実施の形態１（図３参照）において、光ファイバ３は、取り付け部材としての接着剤７ａ、７ｂによって二箇所で板バネ２に固定されたが、板バネ２に対する光ファイバ３の固定構造を限定するものではない。板バネ２の弾性変形を光ファイバ３のＦＢＧ５に伝達可能であればよく、例えば板バネ２と光ファイバ３との固定を三箇所以上で固定を行うことや、全面で固定することも可能である。
【００３９】
実施の形態３における車両用センサは、各ＦＢＧが透過する透過光に基づいて振動の測定が行われるように構成されたが、透過光を利用することに限定されるものではない。入射光が光源から入射される方向における上流側に計測器を配置し、各ＦＢＧからの反射光を計測器に導くためのサーキュレータ等を設ければ、反射光に基づいて振動の測定を行うことも可能である。この場合、光ファイバに断線が生じると、断線箇所より上流側、すなわち光源側に配置されているＦＢＧからの反射光のみが計測器に導かれ、断線箇所より下流側に配置されているＦＢＧからの反射光は計測器に届かなくなる。したがって、光ファイバの断線の有無を判定する他に、断線箇所を特定することが可能となる。
【００４０】
実施の形態１〜３における弾性部材は、長手方向を有する矩形、すなわち長方形に形成された平板状の板バネ２として形成されているが、弾性部材の形状を限定するものではない。振動体の振動に伴って弾性変形可能であればよく、例えば、長手方向を有さない正方形や円形等の形状とすること、あるいはその他の多角形や棒状等の形状とすることも可能である。
【００４１】
実施の形態１〜３において、弾性部材である板バネ２の熱膨張係数は、振動の測定時に光ファイバ３が熱膨張することによるブラッグ波長のシフト量Δλ１と、光ファイバ３のコアの屈折率が変化することによるブラッグ波長のシフト量Δλ２とを相殺可能となるように選択されたが、これらの双方を完全に相殺することに限定するものではない。板バネ２の熱膨張は、少なくとも光ファイバ３の熱膨張を打ち消す方向に生じればよく、より好ましい形態として、光ファイバ３の熱膨張及び屈折率の変化の双方が相殺される。
【符号の説明】
【００４２】
１，２１ ＦＢＧ振動センサ、２ 板バネ（弾性部材）、２ｂ 固定端（一方の端部）、２ｃ 自由端（他方の端部）、３，２３，３３ 光ファイバ、４，２４ 錘、５ ＦＢＧ、７ａ，７ｂ 接着剤（一対の取り付け部材）、３１ 車両用センサ、４０ 車両、ｄ１ ＦＢＧの長さ、ｄ２ 一対の取り付け部材の間隔、Ｌ１ 入射光、Ｌ２ 反射光、Ｌ３ 透過光、Ｗ 振動体、Ｗ１〜Ｗ６ 被測定部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動体の振動を測定するＦＢＧ振動センサに係り、特に、振動測定時における温度補償を行うための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば測定対象物のひずみ量等の物理量を測定するためのセンサに、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）が形成された光ファイバが利用される。ＦＢＧとは、光ファイバのコアの屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）で変化させた回折格子であって、光ファイバへの入射光に対し、グレーティング周期に応じた特定の波長（ブラッグ波長）を有する光を反射し、残りの光を透過するという特性を有するものである。
【０００３】
測定される物理量がひずみ量である場合、測定対象物のひずみを光ファイバに印加してＦＢＧにひずみを生じさせると、グレーティング周期が変化することによってブラッグ波長が長波長側または短波長側にシフトする。したがって、このシフト量に基づいて、測定対象物のひずみ量を測定することが可能となる。また、測定される物理量を振動とする場合、振動体の振動に同期して弾性変形する弾性部材を準備し、この部材のひずみが光ファイバに印加されるように構成すれば、ブラッグ波長のシフト量及びシフト周期に基づいて振動体の振動量及び振動周期が求められる。すなわち、ＦＢＧを有する光ファイバを、振動センサに適用することが可能となる。
【０００４】
ここで、ＦＢＧのグレーティング周期は、物理量測定時における雰囲気温度に応じて光ファイバが熱膨張することによっても変化する。また、ＦＢＧのブラッグ波長を決定する要素には、グレーティング周期の他に光ファイバのコアの屈折率が含まれており、この屈折率も雰囲気温度に応じて変化する。したがって、ＦＢＧが形成された光ファイバを振動センサに適用する場合、測定対象となる物理量（振動体の振動に起因して生じる弾性部材のひずみ）を正確に検出するためには、雰囲気温度に応じた温度補償を行うこと、すなわち雰囲気温度に起因して生じる物理量（光ファイバの熱膨張量及びコアの屈折率変化量）を取り除くことが必要となる。
【０００５】
例えば特許文献１には、雰囲気温度に応じて変形するバイメタルを利用して温度補償を行うＦＢＧ式変換器が開示されている。このＦＢＧ式変換器は、ＦＢＧを有する光ファイバをひずみセンサに適用したものであって、光ファイバをＦＢＧの両端側で支持する一対のバイメタル部材を備えている。バイメタル部材は、略Ｌ字状または略Ｕ字状に形成されており、その一端側に光ファイバが固定されている。また、バイメタル部材の他端側には固定金具が設けられており、この固定金具が被測定物に固定されている。すなわち、特許文献１に記載のＦＢＧ式変換器は、バイメタルの変形を利用してＦＢＧに作用する張力を調節することにより、雰囲気温度に応じた温度補償を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８７４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のＦＢＧ式変換器で温度補償を行うためには、被測定物の表面上から上方側に突出する固定部材と、固定部材の上方側にさらに突出するバイメタル部材とを設け、これらの部材を被測定物と光ファイバとの間に介在させることが必要となる。したがって、特許文献１に記載のＦＢＧ式変換器では、高さ方向、すなわち被測定物の表面に対して垂直な方向における寸法が必然的に大きくなるため、センサ全体を小型化することが困難であるという問題点を有していた。尚、上述したように、特許文献１に記載のＦＢＧ式変換器はひずみセンサとして適用されたものであるが、このＦＢＧ式変換器を振動センサとして用いた場合においても問題点は共通のものである。
【０００８】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、振動測定時における温度補償を行いつつ、小型化することを実現したＦＢＧ振動センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係るＦＢＧ振動センサは、振動体の振動に伴って弾性変形可能な弾性部材と、弾性部材に固定され、弾性部材の弾性変形量に応じて入射光に対する反射光の波長と入射光に対する透過光の波長とを変化させるＦＢＧを有する光ファイバとを備え、反射光の波長の変化量または透過光の波長の変化量に基づいて振動体の振動を測定するＦＢＧ振動センサにおいて、弾性部材は、光ファイバの熱膨張係数に対して正負が逆の値の熱膨張係数を有する材料から形成されることを特徴とする。
【００１０】
振動体の振動に伴って弾性部材が弾性変形すると、光ファイバのＦＢＧが伸縮して反射光及び透過光の波長が変化するため、その変化量及び変化周期に基づいて振動体の振動量及び振動周期が求められる。このように振動を測定する際、反射光または透過光の波長は、弾性部材の弾性変形量の他に雰囲気温度に起因して変化するが、弾性部材は、光ファイバの熱膨張係数に対して正負が逆となる値の熱膨張係数を有している。すなわち、雰囲気温度に起因した波長の変化は弾性部材の熱膨張（熱収縮）によって相殺されるため、弾性部材と光ファイバとの間にバイメタル等を設けることを必要とせず、弾性部材自体によって光ファイバの温度補償が行われる。したがって、ＦＢＧ振動センサにおいて、振動測定時における温度補償を行いつつ、小型化することが可能となる。
【００１１】
弾性部材の熱膨張係数は、弾性部材の熱膨張により、振動の測定時において光ファイバが熱膨張すること、及び振動の測定時において光ファイバの屈折率が変化することによる反射光の波長の変化量または透過光の波長の変化量を相殺可能な値であってもよい。振動の測定をさらに正確に行うことが可能となる。
【００１２】
弾性部材は平板状であり、弾性部材の一方の端部は振動体に固定可能であり、弾性部材の他方の端部は錘が取り付け可能であってもよい。弾性部材の一方の端部を振動体に固定し、他方の端部に錘を取り付けることにより、振動体の振動に伴って弾性部材が弾性変形する際、振動体側の端部に作用する曲げモーメントが増大される。すなわち、弾性部材に錘を取り付けない場合と比較すると、所定量の伸縮をＦＢＧに生じさせるために必要となる弾性部材の長さが短縮される。したがって、ＦＢＧ振動センサをさらに小型化することが可能となる。
【００１３】
光ファイバを弾性部材に固定する一対の取り付け部材をさらに備え、一対の取り付け部材は、ＦＢＧの長さ以上の間隔を置いて配置され、ＦＢＧは間隔の内側に対応する部位に配置されてもよい。
また、光ファイバ及び弾性部材は長手方向をそれぞれ有し、弾性部材の長手方向と光ファイバの長手方向とが互いに沿うように配置されてもよい。
【００１４】
また、この発明に係るＦＢＧ振動センサは、車両の衝突を検知する車両用センサとして用いられ、この場合の車両用センサは、車両は複数の被測定部を有し、光ファイバは複数の被測定部に設けられる複数のＦＢＧを有し、複数の被測定部の少なくとも１つから対応するＦＢＧに印加される振動に基づいて、車両の衝突を検知することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、ＦＢＧ振動センサにおいて、振動測定時における温度補償を行いつつ、小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態１に係るＦＢＧ振動センサの構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るＦＢＧ振動センサにおけるＦＢＧの構成を概略的に示す部分拡大断面側面図である。
【図３】実施の形態１に係るＦＢＧ振動センサの構成を概略的に示す断面側面図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係るＦＢＧ振動センサの構成を概略的に示す斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係るＦＢＧ振動センサを用いた車両用センサの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係るＦＢＧ振動センサ１を概略的に示す。
ＦＢＧ振動センサ１は、振動体Ｗ（図３参照）の振動を測定するセンサであって、矩形に形成された平板状の弾性部材である板バネ２と、板バネ２の上部表面２ａ上に固定される光ファイバ３とを備えている。板バネ２は、図１の矢印Ａで示される方向を長手方向とする部材であって、この長手方向における一方の端部が、振動体Ｗに固定可能な固定端２ｂとなっている。一方、板バネ２の他方の端部は自由端２ｃとなっており、その上部表面２ａ上に、所定の質量を有する錘４を取り付け可能となっている。光ファイバ３は、その軸方向が矢印Ａで示される方向に沿って延びるように、すなわち板バネ２の長手方向と光ファイバ３の長手方向とが互い沿うように、板バネ２の中央部に配置されている。また、光ファイバ３は、以下に説明するＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）５を有しており、ＦＢＧ５が板バネ２の上部表面２ａ上に配置されている。
【００１８】
図２に示すように、光ファイバ３は、図示しない光源から入射される入射光Ｌ１が伝播するコア１１と、コア１１の外周部を覆うクラッド１２とを有しており、例えば石英ガラス等の材料から形成されている。ＦＢＧ５は、コア１１の屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）Λで変化させた回折格子であって、入射光Ｌ１に対し、ブラッグ波長と呼ばれる特定の波長を有する光を反射光Ｌ２として反射し、残りの光を透過光Ｌ３として透過するという特性を有している。ここで、ＦＢＧ５におけるグレーティング周期Λは、ブラッグ波長を規定する要素の１つとなっている。すなわち、ＦＢＧ５が伸縮すると、それに伴ってグレーティング周期Λも変化するため、グレーティング周期Λの変化量に応じてブラッグ波長がシフトする。具体的には、ＦＢＧ５が伸張するとブラッグ波長は長波長側にシフトし、ＦＢＧ５が収縮するとブラッグ波長は短波長側にシフトする。
【００１９】
ブラッグ波長のシフト量はＦＢＧ５の伸縮量に比例するため、ブラッグ波長のシフト量を測定することにより、ＦＢＧ５に印加された伸縮量を求めることが可能となっている。尚、ＦＢＧ５が透過する透過光Ｌ３は、光ファイバ３に入射される入射光Ｌ１からブラッグ波長を有する反射光Ｌ２を除いたものであるため、ブラッグ波長のシフト量は、反射光Ｌ２だけではなく、透過光Ｌ３から求めることも可能となっている。また、ＦＢＧ５は、光ファイバ３のコア１１に紫外線等を照射することによって形成される。
【００２０】
次に、ＦＢＧ振動センサ１が振動体Ｗに取り付けられている状態を図３に示す。
図３に示すように、振動体Ｗに対するＦＢＧ振動センサ１の設置は、板バネ２の固定端２ｂ側を、固定部材６を介して振動体Ｗに固定することによって行われる。固定部材６は、一方の端面６ａ側に開口する溝部６ｂを有しており、この溝部６ｂ内に板バネ２の固定端２ｂが挿入され、接着等によって固定されている。また、固定部材６の他方の端面６ｃは接着等によって振動体Ｗに固定されており、それにより、振動体Ｗと板バネ２とが一体として固定された状態となっている。したがって、振動体Ｗが矢印Ｂ１で示される方向に振動すると、その振動が固定部材６を介して板バネ２に伝達され、矢印Ｂ２で示される方向における板バネ２の弾性変形が振動体Ｗの振動に同期して繰り返される。
【００２１】
ＦＢＧ５の反射光Ｌ２（図２参照）に基づいて振動体Ｗの振動を測定する場合、光ファイバ３の一方の端部は、錘４に隣接する部位で切断されている。また、光ファイバ３の他方の端部は、固定部材６の内部に導かれるとともに、固定部材６の側部に形成された図示しない貫通孔から外部に引き出されている。固定部材６の外部に引き出された光ファイバ３には、光ファイバ３に入射光Ｌ１（図２参照）を入射するための図示しない光源や、ＦＢＧ５からの反射光Ｌ２（図２参照）を測定するための、すなわちブラッグ波長を測定するための図示しない計測器等が接続されている。
【００２２】
また、光ファイバ３は、固定部材６に隣接する部位に塗布された接着剤７ａと、錘４に隣接する部位に塗布された接着剤７ｂとによって、板バネ２の上部表面２ａに固定されている。接着剤７ａ及び接着剤７ｂは、ＦＢＧ５の軸方向に沿った長さｄ１以上の間隔ｄ２をおいて配置されており、この間隔ｄ１の内側に対応する部位にＦＢＧ５が配置されている。したがって、振動体Ｗの振動に伴って板バネ２が弾性変形すると、その弾性変形量に応じてＦＢＧ５が伸縮するため、ＦＢＧ５のグレーティング周期Λが変化してブラッグ波長がシフトするようになっている。ここで、接着剤７ａ及び接着剤７ｂは、ＦＢＧ振動センサ１における取り付け部材を構成するものである。尚、光ファイバ３を板バネ２に固定する箇所の一方を固定部材６に隣接する部位、すなわち板バネ２が弾性変形したときに最大の応力が作用する部位としたことにより、板バネ２の弾性変形を確実にＦＢＧ５に伝達することが可能となっている。
【００２３】
以上のように構成されるＦＢＧ振動センサ１において、板バネ２は、光ファイバ３の熱膨張係数に対して正負が逆の値の熱膨張係数を有する材料から形成されている。すなわち、光ファイバ３が正の熱膨張係数を有する場合、ＦＢＧ振動センサ１の周囲温度である雰囲気温度が上昇すると光ファイバ３が膨張するのに対し、負の熱膨張係数を有する板バネ２は収縮する。逆に、雰囲気温度が低下すると正の熱膨張係数を有する光ファイバ３が収縮するのに対し、負の熱膨張係数を有する板バネ２は膨張する。一方、光ファイバ３が負の熱膨張係数を有し、板バネ２が正の熱膨張係数を有する場合は、雰囲気温度の上昇に伴って光ファイバ３が収縮し、板バネ２が膨張する。逆に、雰囲気温度が低下すると、光ファイバ３が膨張して板バネ２が収縮する。
【００２４】
ここで、上述したように、ＦＢＧ５におけるグレーティング周期Λはブラッグ波長を規定する要素の１つとなっているが、このグレーティング周期Λは、板バネ２の弾性変形に応じてＦＢＧ５が伸縮することの他に、光ファイバ３が雰囲気温度に応じて熱膨張することによっても変化する。また、ブラッグ波長を規定する要素には、光ファイバ３のコア１１の屈折率も含まれており、コア１１の屈折率も雰囲気温度に応じて変化する。板バネ２の熱膨張係数は、振動の測定時において光ファイバ３が熱膨張することによるブラッグ波長のシフト量をΔλ１とし、振動の測定時において光ファイバ３のコアの屈折率が変化することによるブラッグ波長のシフト量をΔλ２とすると、これらのシフト量Δλ１及びΔλ２が相殺可能となるように、すなわち、ブラッグ波長が、板バネ２の弾性変形に伴うＦＢＧ５の伸縮量のみに応じてシフトするように選択される。したがって、ＦＢＧ５には、振動体Ｗの振動に起因して生じる板バネ２の弾性変形量のみが印加されるため、振動体Ｗの振動を雰囲気温度による誤差なく測定することが可能となっている。
【００２５】
次に、この発明の実施の形態１に係るＦＢＧ振動センサ１を用いて振動体Ｗの振動を測定する方法、及び振動体Ｗの振動を測定する際のＦＢＧ振動センサ１の動作について説明する。
図３に示すように、まず、固定部材６の端面６ｃを接着等によって振動体Ｗに固定することにより、ＦＢＧ振動センサ１が振動体Ｗに固定される。尚、固定部材６に対する板バネ２の固定は、振動体Ｗに対する固定部材６の固定前及び固定後のどちらで行ってもよい。次いで、固定部材６の図示しない貫通孔から外部に引き出されている光ファイバ３に対し、図示しない光源や図示しない計測器等が接続される。この計測器は、ＦＢＧ５のブラッグ波長のシフト量及びシフト周期に基づいて、振動体Ｗの振動量及び振動周期を算出するものである。
【００２６】
振動体ＷにＦＢＧ振動センサ１が固定されると、図示しない光源から光ファイバ３に入射光Ｌ１（図２参照）が入射される。入射光Ｌ１に対し、ＦＢＧ５はブラッグ波長を有する光を反射光Ｌ２として反射し、残りの光を透過光Ｌ３として透過する（図２参照）。このような状態で、振動体Ｗが矢印Ｂ１で示される方向に振動すると、その振動が固定部材６を介して板バネ２に伝達され、矢印Ｂ２で示される方向への板バネ２の弾性変形が振動体Ｗの振動に同期して繰り返される。また、板バネ２の弾性変形は二箇所の接着剤７ａ、７ｂを介して光ファイバ３に伝達されるため、これらの接着剤７ａ、７ｂの間に配置されているＦＢＧ５は、板バネ２の弾性変形に応じて周期的に伸縮する。尚、板バネ２の自由端２ｃ側には錘４が設けられているため、板バネ２が弾性変形する際に固定端２ｂ側に作用する曲げモーメントが増大された状態となっている。したがって、自由端２ｃ側に錘４を設けない場合と比較すると、所定量の伸縮をＦＢＧ５に生じさせるために必要となる板バネ２の長さを短縮してＦＢＧ振動センサ１を小型化することが可能となっている。
【００２７】
ＦＢＧ５が周期的に伸縮することに伴い、グレーティング周期Λの周期的な伸縮が繰り返される。また、グレーティング周期Λの周期的な伸縮に伴い、ブラッグ波長の長波長側及び短波長側への周期的なシフトが繰り返される。光ファイバ３に接続された図示しない計測器はブラッグ波長を常時監視しており、ブラッグ波長のシフト量及びシフト周期に基づいて、振動体Ｗの振動量及び振動周期が算出される。ここで、板バネ２の熱膨張係数の値は、光ファイバ３の熱膨張係数の値に対して正負が逆の値となるように、且つ、振動の測定時において光ファイバ３が熱膨張することによるブラッグ波長のシフト量Δλ１と、光ファイバ３のコアの屈折率が変化することによるブラッグ波長のシフト量Δλ２とを相殺可能となるように選択されている。したがって、ＦＢＧ５のブラッグ波長は、板バネ２の弾性変形に伴うＦＢＧ５の伸縮量のみを反映したものとなっており、振動体Ｗの振動測定時における雰囲気温度に起因して生じるブラッグ波長のシフトが取り除かれた状態、すなわち温度補償が行われた状態となっているため、振動体Ｗの振動が雰囲気温度による誤差なく測定される。
【００２８】
このように、ＦＢＧ５を有する光ファイバ３を板バネ２に固定したので、振動体Ｗの振動に伴って板バネ２が弾性変形すると、光ファイバ３のＦＢＧ５が伸縮してブラッグ波長がシフトする。したがって、ブラッグ波長のシフト量及びシフト周期に基づいて振動体Ｗの振動量及び振動周期が求められる。このように振動を測定する際、ブラッグ波長は、板バネ２の弾性変形量の他に雰囲気温度に起因して変化するが、板バネ２は、光ファイバ３の熱膨張係数に対して正負が逆の値の熱膨張係数を有する材料から形成されているため、雰囲気温度に起因したブラッグ波長の変化は板バネ２の熱膨張によって相殺される。すなわち、板バネ２と光ファイバ３との間にバイメタル等を設けることを必要とせず、板バネ２自体によってＦＢＧ５の温度補償が行われる。したがって、ＦＢＧ振動センサ１において、振動測定時における温度補償を行いつつ、小型化することが可能となる。
【００２９】
また、板バネ２の熱膨張係数は、振動体Ｗの振動測定時において光ファイバ３が熱膨張することによるブラッグ波長のシフト量Δλ１と、光ファイバ３の屈折率が変化することによるブラッグ波長のシフト量Δλ２とを相殺可能であるため、振動の測定がさらに正確に行われる。
さらに、板バネ２の自由端２ｃに錘４を取り付けたので、振動体Ｗの振動に伴って板バネ２が弾性変形する際、板バネ２の固定端２ｂ側に作用する曲げモーメントが増大される。すなわち、錘４を取り付けない場合と比較すると、所定量の伸縮をＦＢＧ５に生じさせるために必要となる板バネ２の長さが短縮されるため、ＦＢＧ振動センサ１をさらに小型化することが可能となる。
【００３０】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係るＦＢＧ振動センサについて説明する。この実施の形態２に係るＦＢＧ振動センサは、実施の形態１におけるＦＢＧ振動センサ１がＦＢＧ５からの反射光Ｌ２に基づいて振動体Ｗの振動を測定していたのに対し、透過光Ｌ３に基づいて振動を測定するように構成したものである（図２、３参照）。尚、以下に説明する実施の形態において、図１〜３に示される符号と同一の符号は同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
図４に示すように、ＦＢＧ振動センサ２１における板バネ２の上部表面２ａ上には、貫通孔２４ａを有する錘２４と、貫通孔２４ａを貫通して延びる光ファイバ２３とが固定されている。光ファイバ２３の一方の端部側２３ａには、入射光Ｌ１を光ファイバ２３に入射するための図示しない光源が接続されている。また、錘２４の貫通孔２４ａを貫通した光ファイバ１３の端部側２３ｂには、ＦＢＧ５が透過した透過光Ｌ３を測定可能な図示しない計測器が接続されている。他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００３２】
以上のように構成されるＦＢＧ振動センサ２１において、図示しない計測器によって測定される透過光Ｌ３のスペクトルは、入射光Ｌ１に対して反射光Ｌ２の波長、すなわちブラッグ波長が欠落した状態のスペクトルとなる。したがって、透過光Ｌ３のスペクトルから欠落した部分のシフト量及びシフト周期を読み取ることにより、振動体Ｗの振動量及び振動周期を算出することが可能となる。すなわち、透過光Ｌ３を利用して振動体Ｗの振動測定を行う場合においても、振動測定時における温度補償を行いつつ小型化するという実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、実施の形態１におけるＦＢＧ振動センサ１のように、ＦＢＧ５からの反射光Ｌ２を利用して振動測定を行う場合、反射光Ｌ２を計測器に導くためにサーキュレータ等を用いることが一般的である。一方、ＦＢＧ振動センサ２１のように透過光Ｌ３を利用する場合、光ファイバ２３の一端側に光源を接続し、他端側に計測器を接続すれば振動の測定を行うことが可能となるため、振動を計測するシステム全体としての構成が簡素化される。
【００３４】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係るＦＢＧ振動センサについて説明する。この実施の形態３に係るＦＢＧ振動センサは、車両の衝突を検知する車両用センサとして適用されたものであり、単一の光ファイバに対してＦＢＧ及び板バネが複数となるように構成されている。
図５に示すように、車両用センサ３１は、例えばエアバッグ等の機器を作動させるために車両４０の衝突を検知するセンサであって、車両４０は、例えばボディー４１の前部、中間部及び後部における両側等に、実施の形態１、２における振動体Ｗに相当する複数の被測定部Ｗ１〜Ｗ６を有している。また、ボディー４１の内部には、各被測定部Ｗ１〜Ｗ６を順次通過するように単一の光ファイバ３３が敷設されている。
【００３５】
各被測定部Ｗ１〜Ｗ６には、実施の形態２におけるＦＢＧ振動センサ２１と同様に、貫通孔２４ａを有する錘２４が設けられた板バネ２が固定されている。また、光ファイバ３３は複数のＦＢＧ５を有しており、ＦＢＧ５が形成された各部位が被測定部Ｗ１〜Ｗ６における板バネ２上でそれぞれ固定されている。すなわち、車両用センサ３１は、実施の形態２におけるＦＢＧ振動センサ２１を各被測定部Ｗ１〜Ｗ２にそれぞれ設け、これらを単一の光ファイバ３３によって直列に接続したものである。尚、光ファイバ３３の一端には、光ファイバ３３に入射光Ｌ１（図２参照）を入射するための図示しない光源が接続されている。また、光ファイバ３３の他端には、被測定部Ｗ１〜Ｗ６に対応する各ＦＢＧ５が透過した透過光Ｌ３（図２参照）を測定して振動の有無を検出可能な図示しない検知部が接続されている。この検知部は、車両４０の図示しない制御部に電気的に接続されており、検知部から制御部への出力に基づいて、エアバッグ等の機器の作動が制御される。他の構成については実施の形態２と同様である。
【００３６】
以上のように構成される車両用センサ３１において、車両４０が衝突を起こして各被測定部Ｗ１〜Ｗ６の少なくとも一箇所が振動すると、振動した箇所に対応する板バネ２が弾性変形するのに伴ってＦＢＧ５におけるブラッグ波長がシフトする。図示しない制御部は、各被測定部Ｗ１〜Ｗ６における振動量や振動周期が予め設定された値を上回ると、車両４０が衝突したと判断してエアバッグ等の機器を作動させる。ここで、車両用センサ３１では、実施の形態１、２と同様に振動測定を行う際の温度補償が行われるため、車両４０内の温度変化にかかわらず振動を正確に測定することが可能となっており、雰囲気温度に起因する誤作動を起こすことがない。また、車両用センサ３１にように、単一の光ファイバ３３に対してＦＢＧ及び板バネが複数となるように構成した場合、光ファイバ３３が断線すると図示しない検知部に透過光が届かなくなるため、断線の有無の判定を行うことが可能となる。
【００３７】
実施の形態１（図３参照）において、振動体Ｗに対するＦＢＧ振動センサ１の固定は、固定部材６の溝部６ｂ内に板バネ２の固定端２ｂ側を固定することによって行われたが、固定部材６を用いること、及び固定部材６が溝部６ｂを有することに限定するものではない。振動体Ｗの振動をＦＢＧ振動センサ１に伝達することが可能であればよいため、板バネ２を直接振動体Ｗに接着することや、例えば板バネ２の両側部を保持するような固定部材を用いることも可能である。
【００３８】
また、実施の形態１（図３参照）において、光ファイバ３は、取り付け部材としての接着剤７ａ、７ｂによって二箇所で板バネ２に固定されたが、板バネ２に対する光ファイバ３の固定構造を限定するものではない。板バネ２の弾性変形を光ファイバ３のＦＢＧ５に伝達可能であればよく、例えば板バネ２と光ファイバ３との固定を三箇所以上で固定を行うことや、全面で固定することも可能である。
【００３９】
実施の形態３における車両用センサは、各ＦＢＧが透過する透過光に基づいて振動の測定が行われるように構成されたが、透過光を利用することに限定されるものではない。入射光が光源から入射される方向における上流側に計測器を配置し、各ＦＢＧからの反射光を計測器に導くためのサーキュレータ等を設ければ、反射光に基づいて振動の測定を行うことも可能である。この場合、光ファイバに断線が生じると、断線箇所より上流側、すなわち光源側に配置されているＦＢＧからの反射光のみが計測器に導かれ、断線箇所より下流側に配置されているＦＢＧからの反射光は計測器に届かなくなる。したがって、光ファイバの断線の有無を判定する他に、断線箇所を特定することが可能となる。
【００４０】
実施の形態１〜３における弾性部材は、長手方向を有する矩形、すなわち長方形に形成された平板状の板バネ２として形成されているが、弾性部材の形状を限定するものではない。振動体の振動に伴って弾性変形可能であればよく、例えば、長手方向を有さない正方形や円形等の形状とすること、あるいはその他の多角形や棒状等の形状とすることも可能である。
【００４１】
実施の形態１〜３において、弾性部材である板バネ２の熱膨張係数は、振動の測定時に光ファイバ３が熱膨張することによるブラッグ波長のシフト量Δλ１と、光ファイバ３のコアの屈折率が変化することによるブラッグ波長のシフト量Δλ２とを相殺可能となるように選択されたが、これらの双方を完全に相殺することに限定するものではない。板バネ２の熱膨張は、少なくとも光ファイバ３の熱膨張を打ち消す方向に生じればよく、より好ましい形態として、光ファイバ３の熱膨張及び屈折率の変化の双方が相殺される。
【符号の説明】
【００４２】
１，２１ ＦＢＧ振動センサ、２ 板バネ（弾性部材）、２ｂ 固定端（一方の端部）、２ｃ 自由端（他方の端部）、３，２３，３３ 光ファイバ、４，２４ 錘、５ ＦＢＧ、７ａ，７ｂ 接着剤（一対の取り付け部材）、３１ 車両用センサ、４０ 車両、ｄ１ ＦＢＧの長さ、ｄ２ 一対の取り付け部材の間隔、Ｌ１ 入射光、Ｌ２ 反射光、Ｌ３ 透過光、Ｗ 振動体、Ｗ１〜Ｗ６ 被測定部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体の振動に伴って弾性変形可能な弾性部材と、
前記弾性部材に固定され、前記弾性部材の弾性変形量に応じて入射光に対する反射光の波長と前記入射光に対する透過光の波長とを変化させるＦＢＧを有する光ファイバと
を備え、前記反射光の波長の変化量または前記透過光の波長の変化量に基づいて前記振動体の振動を測定するＦＢＧ振動センサにおいて、
前記弾性部材は、前記光ファイバの熱膨張係数に対して正負が逆の値の熱膨張係数を有する材料から形成されることを特徴とするＦＢＧ振動センサ。
【請求項２】
前記弾性部材の熱膨張係数は、前記弾性部材の熱膨張により、
前記振動の測定時において前記光ファイバが熱膨張すること、及び前記振動の測定時において前記光ファイバの屈折率が変化することによる前記反射光の波長の変化量または前記透過光の波長の変化量
を相殺可能な値である請求項１に記載のＦＢＧ振動センサ。
【請求項３】
前記弾性部材は平板状であり、前記弾性部材の一方の端部は前記振動体に固定可能であり、前記弾性部材の他方の端部は錘が取り付け可能である請求項１または２に記載のＦＢＧ振動センサ。
【請求項４】
前記光ファイバを前記弾性部材に固定する一対の取り付け部材をさらに備え、
前記一対の取り付け部材は、前記ＦＢＧの長さ以上の間隔を置いて配置され、前記ＦＢＧは前記間隔の内側に対応する部位に配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載のＦＢＧ振動センサ。
【請求項５】
前記光ファイバ及び前記弾性部材は長手方向をそれぞれ有し、
前記弾性部材の長手方向と前記光ファイバの長手方向とが互いに沿うように配置される請求項１〜４のいずれか一項に記載のＦＢＧ振動センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のＦＢＧ振動センサを用いて車両の衝突を検知する車両用センサであって、
前記車両は複数の被測定部を有し、
前記光ファイバは前記複数の被測定部に設けられる複数のＦＢＧを有し、
前記複数の被測定部の少なくとも１つから対応する前記ＦＢＧに印加される振動に基づいて、前記車両の衝突を検知する車両用センサ。
【請求項１】
振動体の振動に伴って弾性変形可能な弾性部材と、
前記弾性部材に固定され、前記弾性部材の弾性変形量に応じて入射光に対する反射光の波長と前記入射光に対する透過光の波長とを変化させるＦＢＧを有する光ファイバと
を備え、前記反射光の波長の変化量または前記透過光の波長の変化量に基づいて前記振動体の振動を測定するＦＢＧ振動センサにおいて、
前記弾性部材は、前記光ファイバの熱膨張係数に対して正負が逆の値の熱膨張係数を有する材料から形成されることを特徴とするＦＢＧ振動センサ。
【請求項２】
前記弾性部材の熱膨張係数は、前記弾性部材の熱膨張により、
前記振動の測定時において前記光ファイバが熱膨張すること、及び前記振動の測定時において前記光ファイバの屈折率が変化することによる前記反射光の波長の変化量または前記透過光の波長の変化量
を相殺可能な値である請求項１に記載のＦＢＧ振動センサ。
【請求項３】
前記弾性部材は平板状であり、前記弾性部材の一方の端部は前記振動体に固定可能であり、前記弾性部材の他方の端部は錘が取り付け可能である請求項１または２に記載のＦＢＧ振動センサ。
【請求項４】
前記光ファイバを前記弾性部材に固定する一対の取り付け部材をさらに備え、
前記一対の取り付け部材は、前記ＦＢＧの長さ以上の間隔を置いて配置され、前記ＦＢＧは前記間隔の内側に対応する部位に配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載のＦＢＧ振動センサ。
【請求項５】
前記光ファイバ及び前記弾性部材は長手方向をそれぞれ有し、
前記弾性部材の長手方向と前記光ファイバの長手方向とが互いに沿うように配置される請求項１〜４のいずれか一項に記載のＦＢＧ振動センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のＦＢＧ振動センサを用いて車両の衝突を検知する車両用センサであって、
前記車両は複数の被測定部を有し、
前記光ファイバは前記複数の被測定部に設けられる複数のＦＢＧを有し、
前記複数の被測定部の少なくとも１つから対応する前記ＦＢＧに印加される振動に基づいて、前記車両の衝突を検知する車両用センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２０２６８５（Ｐ２０１２−２０２６８５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６４２６５（Ｐ２０１１−６４２６５）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（３０４０２８３４６）国立大学法人 香川大学 (285)
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（３０４０２８３４６）国立大学法人 香川大学 (285)
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
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