特開 2023-125265 光ファイバハイドロホン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023125265

(43)【公開日】2023-09-07

(54)【発明の名称】光ファイバハイドロホン

(51)【国際特許分類】

   G01H 9/00 20060101AFI20230831BHJP

   G01D 5/353 20060101ALI20230831BHJP

【ＦＩ】

G01H9/00 E

G01D5/353

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022029263

(22)【出願日】2022-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001461

【氏名又は名称】弁理士法人きさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 陵沢

(72)【発明者】

【氏名】亀山 泰生

(72)【発明者】

【氏名】笹原 優希

【テーマコード（参考）】

2F103

2G064

【Ｆターム（参考）】

2F103CA08

2F103EC09

2F103EC11

2G064AB01

2G064AB02

2G064AB13

2G064AB29

2G064BA02

2G064BA07

2G064BA08

2G064BA13

2G064BC06

2G064BC12

2G064BC14

2G064BC22

2G064BC26

2G064BC31

2G064CC17

(57)【要約】

【課題】音波検出の感度に対する温度による影響を抑制した光ファイバハイドロホンを得る。
【解決手段】光ファイバが円筒状に巻かれた光ファイバコイルと、光ファイバコイルの内側に配置された可撓管と、光ファイバコイルおよび可撓管のそれぞれの開放された両端を覆う一対の蓋部とを有し、少なくとも一方の蓋部は、可撓管と光ファイバコイルとの間の空間と一方の蓋部の外側の空間とを繋ぐ開口部を有し、可撓管は、外側の空間の圧力が可撓管の中心軸を含む空間の空洞部分の圧力よりも高くなると、中心軸に向かって中心軸を含む空間の空洞部分を収縮させ、弾性に関わる特性の温度変化が樹脂よりも小さい部材を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ファイバが円筒状に巻かれた光ファイバコイルと、
前記光ファイバコイルの内側に配置された可撓管と、
前記光ファイバコイルおよび前記可撓管のそれぞれの開放された両端を覆う一対の蓋部と、を有し、
前記一対の蓋部のうち、少なくとも一方の蓋部は、前記可撓管と前記光ファイバコイルとの間の空間と前記一方の蓋部の外側の空間とを繋ぐ開口部を有し、
前記可撓管は、前記外側の空間の圧力が前記可撓管の中心軸を含む空間の空洞部分の圧力よりも高くなると、前記中心軸に向かって前記中心軸を含む空間の空洞部分を収縮させ、
前記可撓管は、弾性に関わる特性の温度変化が樹脂よりも小さい部材を有する、
光ファイバハイドロホン。

【請求項2】

前記可撓管は、前記部材で構成され、前記中心軸に直交する面で切った断面が前記中心軸を中心とする円の円周に沿って山と谷とが交互に繰り返される形状である、
請求項１に記載の光ファイバハイドロホン。

【請求項3】

前記中心軸に配置され、前記一対の蓋部を連結する支柱を有し、
前記可撓管は、前記外側の空間の圧力が、前記可撓管の歪が弾性限界に到達する圧力と等しくなる前に、前記可撓管の内側の面が前記支柱に接触する構成である、
請求項２に記載の光ファイバハイドロホン。

【請求項4】

前記部材は、前記中心軸に沿って前記部材として設けられた１つまたは複数のバネであり、
前記可撓管は、前記１つまたは複数のバネを含む空間の空洞部分を密閉する被覆部を有する、
請求項１に記載の光ファイバハイドロホン。

【請求項5】

前記被覆部は、少なくとも前記１つまたは複数のバネと前記一対の蓋部とを包み込んでいる構成である、
請求項４に記載の光ファイバハイドロホン。

【請求項6】

前記被覆部の内側に設けられ、前記１つまたは複数のバネを囲む補強コイルをさらに有する、
請求項４または５に記載の光ファイバハイドロホン。

【請求項7】

前記可撓管は、互いに離れて配置される前記複数のバネを有し、
前記外側の空間の圧力が、前記バネの歪が弾性限界に到達する圧力と等しくなる前に、前記複数のバネは互いに他のバネと接触する、
請求項４～６のいずれか１項に記載の光ファイバハイドロホン。

【請求項8】

前記部材は、金属材料で構成される、
請求項１～７のいずれか１項に記載の光ファイバハイドロホン。

【請求項9】

前記可撓管は、前記中心軸を含む空間の空洞部分に、空気よりも機械的な抵抗が大きい部材を有する、
請求項１～８のいずれか１項に記載の光ファイバハイドロホン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体中で音波を検出する光ファイバハイドロホンに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、高耐水圧の光ファイバハイドロホンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された光ファイバハイドロホンは、光ファイバコイルの内側に配置された弾性円筒と、光ファイバコイルの両端を閉塞する蓋と、蓋の一方に設けられ、光ファイバコイルの内側と外側との圧力平衡を保つ開口部とを有する。特許文献１には、弾性円筒として、樹脂材料で作られた弾性体を用いることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－６８０８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示された光ファイバハイドロホンにおいて、弾性円筒の材料に樹脂材料が用いられているが、樹脂材料は温度により硬さが変わる。そのため、弾性円筒の体積弾性率は、光ファイバハイドロホンの設置場所の水中の温度によって変化する。弾性円筒の体積弾性率が変わると、光ファイバハイドロホンの感度が変化する。そのため、樹脂製の弾性円筒を用いた光ファイバハイドロホンは、設置場所の温度が変わると感度が変化してしまうという課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係る光ファイバハイドロホンは、光ファイバが円筒状に巻かれた光ファイバコイルと、前記光ファイバコイルの内側に配置された可撓管と、前記光ファイバコイルおよび前記可撓管のそれぞれの開放された両端を覆う一対の蓋部と、を有し、前記一対の蓋部のうち、少なくとも一方の蓋部は、前記可撓管と前記光ファイバコイルとの間の空間と前記一方の蓋部の外側の空間とを繋ぐ開口部を有し、前記可撓管は、前記外側の空間の圧力が前記可撓管の中心軸を含む空間の空洞部分の圧力よりも高くなると、前記中心軸に向かって前記中心軸を含む空間の空洞部分を収縮させ、前記可撓管は、弾性に関わる特性の温度変化が樹脂よりも小さい部材を有するものである。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、光ファイバコイルの内側に可撓管が設けられ、可撓管は、光ファイバコイルの周囲の液体の圧力が自管の中心軸を含む空間の空洞部分の圧力よりも高くなると、中心軸を含む空間の空洞部分を収縮させるとともに、弾性に関わる特性の温度変化が樹脂よりも小さい部材を有する。そのため、光ファイバハイドロホンの設置場所の液体の温度変化による感度変化が、従来の樹脂製の弾性円筒の場合よりも小さくなる。その結果、音波検出の感度に対する温度による影響を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施の形態１に係る光ファイバハイドロホンを有する音波検出装置の一構成例を示す図である。

【図2】実施の形態１に係る光ファイバハイドロホンの一構成例を示す図である。

【図3】図２に示した光ファイバハイドロホンの作用を説明するための図である。

【図4】実施の形態２に係る光ファイバハイドロホンの一構成例を示す図である。

【図5】図４に示した光ファイバハイドロホンの作用を説明するための図である。

【図6】実施の形態３に係る光ファイバハイドロホンの一構成例を示す図である。

【図7】図６に示した光ファイバハイドロホンの作用を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

実施の形態１．
本実施の形態１の光ファイバハイドロホンを有する音波検出装置について説明する。図１は、実施の形態１に係る光ファイバハイドロホンを有する音波検出装置の一構成例を示す図である。

【0009】

音波検出装置５０は、水中の音波を検出するセンシング干渉計２１と、光をセンシング干渉計２１に提供する光源２２と、干渉した光を受光する受光部２３と、干渉した光から音波を復調する復調部２４とを有する。センシング干渉計２１は、光ファイバハイドロホン１と、光カプラ２と、ミラー３と、ミラー４とを有する。センシング干渉計２１は、水中の音波を検出する際、水中に投入される。

【0010】

光ファイバハイドロホン１は、光ファイバ５ｄが円筒状に巻かれた光ファイバコイル６を有する。光ファイバ５ｄの一方の端部は光カプラ２に延び、光ファイバ５ｄの他方の端部はミラー４に延びている。光ファイバコイル６は、音圧による機械的な歪によって光ファイバ５ｄを伝播する光の位相を変調する。

【0011】

光源２２は、光を、光ファイバ５ａを介して光カプラ２に出射する。光カプラ２は、光源２２から光ファイバ５ａを介して入射される光を分岐し、一方の光を光ファイバ５ｃに出射し、他方の光を光ファイバ５ｄに出射する。光カプラ２から光ファイバ５ｃに出射された光は、ミラー３で反射した後、光ファイバ５ｃを伝播して光カプラ２に戻る。一方、光カプラ２から光ファイバ５ｄに出射された光は、光ファイバコイル６を伝播してミラー４で反射した後、再び光ファイバコイル６を伝播して光カプラ２に戻る。光ファイバ５ｃから光カプラ２に戻る光をリファレンス光と称し、光ファイバコイル６から光カプラ２に戻る光をセンシング光と称する。

【0012】

光カプラ２は、光ファイバ５ｃから入射されるリファレンス光と光ファイバコイル６から入射されるセンシング光とを結合し、これらの光を結合した干渉光を、光ファイバ５ｂを介して受光部２３に出射する。音圧による機械的な歪によって光ファイバコイル６の経路および光ファイバ５ｃの経路は長さの差に変化が生じる。そのため、リファレンス光とセンシング光との位相差に変化が生じ、位相差に変化のある２種類の光の干渉光が光カプラ２から受光部２３に出射される。

【0013】

受光部２３は、光カプラ２から干渉光が入射されると、干渉光を電気信号に変換するＯ／Ｅ（Ｏｐｔｉｃａｌ／Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）変換を行う。受光部２３は、Ｏ／Ｅ変換後の電気信号を復調部２４に出力する。復調部２４は、受光部２３から電気信号を受信すると、電気信号から光ファイバコイル６によって検出された音波の音圧を復調する。

【0014】

（構成）
次に、図１に示した光ファイバハイドロホン１の構成を説明する。図２は、実施の形態１に係る光ファイバハイドロホンの一構成例を示す図である。図２（ａ）は光ファイバハイドロホン１の光ファイバコイル６の一部を取り除いて内部構造を模式的に示す図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ａ’断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ－Ｂ’断面図である。図２（ａ）には、説明の便宜上、３次元空間における方向を示す３つの軸を示している。

【0015】

光ファイバハイドロホン１は、光ファイバコイル６と、光ファイバコイル６の内側に配置された可撓管８と、光ファイバコイル６および可撓管８のそれぞれの開放された両端を覆う一対の蓋部７ａおよび７ｂと、一対の蓋部７ａおよび７ｂを連結する支柱９とを有する。一対の蓋部７ａおよび７ｂのうち、蓋部７ａに開口部１０が形成されている。蓋部７ａの代わりに蓋部７ｂに開口部１０が形成されていてもよい。

【0016】

開口部１０は、可撓管８と光ファイバコイル６との間の空間Ｓ１と光ファイバハイドロホン１の外側の空間とを繋ぐ役目を果たす。光ファイバハイドロホン１が水中にある状態において、開口部１０を介して外側から水が空間Ｓ１に流れ込むことで、光ファイバコイル６の周囲の水と圧力と空間Ｓ１の水の圧力とが同等になる。これにより、光ファイバコイル６は、到来する音波の内、開口部１０の流れの応答時間より短い周期の音波の音圧には対応して伸縮するが、周囲の水の圧力によって機械的に歪むことが抑制される。

【0017】

可撓管８の両端は一対の蓋部７ａおよび７ｂと連結している。可撓管８は、可撓管８の中心軸Ａｘを含む空間Ｓ２を蓋部７ａおよび７ｂと協働して密閉する。図２（ｃ）に示す中心軸Ａｘは、図２（ａ）に示すＺ軸と平行な座標軸である。図２（ｃ）に示すように、可撓管８は、中心軸Ａｘに直交する面で切った断面の形状が中心軸Ａｘを中心とする円の円周に沿って波打つように山と谷とが交互に繰り返される形状である。可撓管８は、光ファイバハイドロホン１の外側の空間の圧力が空間Ｓ２の空洞部分の圧力よりも高くなると、中心軸Ａｘに向かって空間Ｓ２が収縮する構成である。

【0018】

可撓管８の材料には、ヤング率またはポアソン比などの弾性に関わる特性の温度変化が樹脂よりも小さい材料が用いられている。具体的には、可撓管８の材料は金属材料が適している。金属材料として、作動圧力範囲の広さが重要になる用途では弾性限界が大きいスチールが適しており、可撓管８の軽量化が重要になる用途ではアルミ合金またはチタン合金が適している。本実施の形態１は、可撓管８の材料が金属材料の場合である。可撓管８の材料の厚みである肉厚、可撓管８の断面形状、および支柱９の直径は、少なくとも次の３つの事項を勘案して設計される。１つ目の事項は、空間Ｓ２を含む可撓管８の体積弾性率が、光ファイバハイドロホン１が投入される液体の体積弾性率より小さいことである。２つ目の事項は、可撓管８が収縮することによって可撓管８に生じる歪が弾性限界に到達する前に可撓管８が支柱９と接触し、弾性限界を超える歪が可撓管８に生じないようにすることである。３つ目の事項は、光ファイバハイドロホン１の作動圧力範囲内で可撓管８が支柱９と接触しないようにすることである。可撓管８の材料を金属材料とすることで、樹脂よりも強度が増す。そのため、本実施の形態１によれば、可撓管８の肉厚を樹脂の場合よりも薄くすることで、樹脂の場合と同等の感度が得られる。

【0019】

光ファイバハイドロホン１の通常状態においては、空間Ｓ２の空洞部分には空気等の気体が満たされる。ただし、可撓管８の機械的な共振によって光ファイバハイドロホン１の感度周波数偏差が大きくなり、音波検出に影響を及ぼす場合、固体中に気体が分散されたゴムまたはスポンジ等の部材を空間Ｓ２に挿入する。このようにして、空気等の気体よりも機械的な抵抗の大きいゴムなどの部材を空間Ｓ２に設け、機械的な抵抗の大きい材料に可撓管８を接触させることで、可撓管８の振動に対する機械抵抗が増加し、共振周波数近傍での感度変化を低減することができる。

【0020】

（動作）
次に、本実施の形態１の光ファイバハイドロホン１の動作を説明する。図３は、図２に示した光ファイバハイドロホンの作用を説明するための図である。図３（ａ）は図２（ａ）のＡ－Ａ’断面図であり、図３（ｂ）は図２（ａ）のＢ－Ｂ’断面図である。図３（ａ）には、図２（ａ）と同様に、３次元空間における方向を示す３つの軸を示している。

【0021】

本実施の形態１の光ファイバハイドロホン１を含むセンシング干渉計２１が、音波検出対象の水中に投入されると、図２（ｂ）に示した開口部１０を介して外側から水が空間Ｓ１に流入する。空間Ｓ１の圧力と光ファイバコイル６の周囲の水の圧力とが同等になる。そのため、光ファイバコイル６の内側の水圧と外側の水圧とが均等になり、光ファイバコイル６が外側からの水圧によって変形することが抑制される。このようにして、光ファイバハイドロホン１は、高い耐水圧性が得られる。

【0022】

センシング干渉計２１が水中に投入された後、光源２２が、光を、光ファイバ５ａを介して光カプラ２に出射する。光カプラ２は、光源２２から入射された光を分岐し、一方の光を光ファイバ５ｃに出射し、他方の光を光ファイバ５ｄに出射する。光カプラ２から光ファイバ５ｃに出射された光は、ミラー３で反射した後、光ファイバ５ｃを伝播して光カプラ２に戻る。

【0023】

一方、光カプラ２から光ファイバ５ｄに出射された光は、光ファイバコイル６を伝播してミラー４で反射した後、再び光ファイバコイル６を伝播して光カプラ２に戻る。光ファイバハイドロホン１に音波が到来すると、音波の音圧によって光ファイバコイル６が伸縮する。これにより、光ファイバコイル６を伝播する光の位相が変調される。

【0024】

光ファイバコイル６の周囲の水の圧力が空間Ｓ２の空洞部分の圧力よりも高くなると、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、可撓管８が支柱９に向かって収縮するが、可撓管８の断面の形状が、波打つように山と谷とが交互に繰り返される形状である。そのため、光ファイバコイル６の周囲の水の圧力によって可撓管８が折れ曲がる座屈が起きることが抑制され、空間Ｓ２の空洞部分が小さくなることが抑制される。そのため、空間Ｓ２を含む可撓管８の体積弾性率が光ファイバコイル６の周囲の水の体積弾性率より小さくなる。その結果、光ファイバコイル６に到来する音波に対して、高い感度が得られる。

【0025】

光ファイバコイル６の伸縮によって位相が変調された光は、センシング光となって、光ファイバコイル６から光カプラ２に戻る。光カプラ２は、光ファイバ５ｃから入射されるリファレンスと光ファイバコイル６から入射されるセンシング光とを結合した干渉光を、光ファイバ５ｂを介して受光部２３に出射する。受光部２３は、光カプラ２から干渉光が入射されると、干渉光をＯ／Ｅ変換した電気信号を復調部２４に出力する。復調部２４は、受光部２３から電気信号を受信すると、電気信号から光ファイバコイル６によって検出された音波の音圧を復調する。このようにして、水中において、光ファイバハイドロホン１に到来した音波が検出される。

【0026】

なお、光ファイバハイドロホン１は、光ファイバコイル６の周囲の水の圧力が作動圧力範囲を超えると、可撓管８が支柱９と接触して感度が低下するが、光ファイバコイル６の周囲の水の圧力が作動圧力範囲に戻ると高い感度での音波の検出を再開する。

【0027】

（効果）
本実施の形態１の光ファイバハイドロホン１の効果を説明する。本実施の形態１の光ファイバハイドロホン１は、光ファイバコイル６の周囲の液体の圧力が空間Ｓ２の空洞部分の圧力よりも高くなると、中心軸Ａｘに向かって空間Ｓ２の空洞部分を収縮させる可撓管８を有する。可撓管８は、弾性に関わる特性の温度変化が樹脂よりも小さい部材で構成される。そのため、光ファイバハイドロホン１の設置場所の液体の温度変化による感度変化が従来の樹脂性の弾性円筒よりも小さくなる。その結果、音波検出の感度に対する温度による影響を抑制することができる。

【0028】

また、本実施の形態１の光ファイバハイドロホン１は、光ファイバコイル６の周囲の液体の圧力が作動圧力範囲を超えると、可撓管８が支柱９と接触する構成である。そのため、可撓管８に弾性限界を超える歪が生じて可撓管８が変形することを防ぎ、周囲の水の圧力が作動圧力範囲に戻った後の感度が変化してしまうことを抑制できる。

【0029】

従来の光ファイバハイドロホンと比較して、本実施の形態１の光ファイバハイドロホン１の効果を説明する。例えば、特許文献１に開示された光ファイバハイドロホンにおいて、弾性円筒の樹脂材料の代わりに金属材料を用いた場合、感度の温度変化は小さくなるが、感度が大幅に低下する。金属材料の弾性円筒の肉厚を薄くすることで感度を樹脂の場合と同等に保とうとすると、水の圧力によって弾性円筒に座屈が起きやすくなる。その結果、耐水圧性が低下する。これに対して、本実施の形態１の光ファイバハイドロホン１は、中心軸Ａｘに直交する面の断面が波打つように山と谷とが交互に繰り返される形状の可撓管８を有する構成である。そのため、密閉された空間Ｓ２の空洞部分を保持する弾性部材に座屈が起きることを抑制するとともに、高い感度が得られる。

【0030】

さらに、特許文献１に開示された光ファイバハイドロホンを用いて、複数のハイドロホンがアレイ状に配置された構成によって音波到来方向を検出する場合を考える。アレイ状に配置された全てのハイドロホンの感度が均等でない場合、音波到来方向の検出誤差が大きくなる。樹脂製の弾性円筒を用いた光ファイバハイドロホンの場合、設置場所の水の温度の違いによって音波到来方向の検出誤差が大きくなるおそれがある。これに対して、本実施の形態１によれば、可撓管８が弾性に関わる特性の温度変化の小さい材料で構成されているため、ハイドロホンの設置場所の水の温度の違いによる感度変化が小さくなる。そのため、複数のハイドロホンの設置場所間の水の温度の違いによる感度変化を低減し、音波到来方向の検出誤差が大きくなることを抑制できる。

【0031】

実施の形態２．
本実施の形態２は、可撓管が弾性に関わる特性の温度変化が樹脂よりも小さい部材として複数のバネを有するものである。本実施の形態２においては、実施の形態１で説明した構成と同一の構成に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、本実施の形態２においては、実施の形態１と異なる構成および動作を詳しく説明し、実施の形態１と同様な構成および動作の説明を省略する。

【0032】

図４は、実施の形態２に係る光ファイバハイドロホンの一構成例を示す図である。本実施の形態２における音波検出装置５０は、図１に示したセンシング干渉計２１における光ファイバハイドロホン１を図４に示す光ファイバハイドロホン１ａに置き換えた構成になる。そのため、以下においては、図１に示した光カプラ２、光源２２、受光部２３および復調部２４の構成について、その詳細な説明を省略する。

【0033】

（構成）
本実施の形態２の光ファイバハイドロホン１ａの構成について、図４を参照して説明する。図４（ａ）は光ファイバハイドロホン１ａの光ファイバコイル６の一部を取り除いて内部構造を模式的に示す図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ－Ａ’断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ－Ｂ’断面図である。図４（ａ）には、説明の便宜上、３次元空間における方向を示す３つの軸を示している。

【0034】

光ファイバハイドロホン１ａは、光ファイバコイル６と、光ファイバコイル６の内側に配置された可撓管８ａと、一対の蓋部７ａおよび７ｂとを有する。可撓管８ａは、中心軸Ａｘに沿って設けられた複数のバネ１１と、複数のバネ１１を含む空間Ｓ２を蓋部７ａおよび７ｂと協働して密閉する被覆部１２とを有する。被覆部１２は、例えば、シート状、または筒状の部材である。被覆部１２の材料は、金属材料であってもよいが、金属材料でなくてもよい。被覆部１２の材料は、樹脂であってもよい。

【0035】

被覆部１２は、蓋部７ａおよび蓋部７ｂのそれぞれに接着等により取り付けられている。これにより、空間Ｓ２の空洞部分に光ファイバハイドロホン１ａの周囲から液体が入らないようにしている。各バネ１１は同じ材料で同じ形のものが用いられている。複数のバネ１１は、互いに離れて配置されているが、全体の重心と中心軸Ａｘとが重なるように配置されている。図４（ｃ）に示す構成例においては、８本のバネ１１は、中心軸Ａｘを中心とした仮想円の円周において、隣り合う２本のバネ１１の中心角が同じになるように配置されている。図４（ｃ）はバネ１１の本数が８本の場合を示しているが、バネ１１の本数は８本に限らない。バネ１１の材料には、ヤング率またはポアソン比などの弾性に関わる特性の温度変化が樹脂よりも小さい材料が用いられている。具体的には、バネ１１の材料は金属材料が適している。金属材料として、作動圧力範囲の広さが重要になる用途では弾性限界が大きいスチールが適しており、可撓管８ａの軽量化が重要になる用途ではアルミ合金またはチタン合金が適している。本実施の形態２は、バネ１１の材料が金属材料の場合である。

【0036】

可撓管８ａは、次の複数の事項を勘案して設計される。１つ目の事項は、被覆部１２と一対の蓋部７ａおよび７ｂで囲まれた空間Ｓ２を含む可撓管８ａの体積弾性率が、光ファイバハイドロホン１ａが投入される液体の体積弾性率より小さいことである。２つ目の事項は、可撓管８ａが収縮することによってバネ１１に生じる歪が弾性限界に到達する前に複数のバネ１１が互いに他のバネ１１と接触し、弾性限界を超える歪がバネ１１に生じないようにすることである。３つ目の事項は、光ファイバハイドロホン１の作動圧力範囲内では複数のバネ１１が互いに他のバネ１１と接触しないようにすることである。

【0037】

また、光ファイバハイドロホン１ａの周囲の液体の圧力が高くなることで、空間Ｓ１の圧力が高くなったとき、被覆部１２および複数のバネ１１が中心軸Ａｘに向かって収縮する。このとき、被覆部１２の周囲の長さが伸びる変形よりも、複数のバネ１１の曲がることによる変形が大きくなるように、被覆部１２を構成するシートおよびバネ１１の強度が設計される。

【0038】

光ファイバハイドロホン１ａの通常状態においては、空間Ｓ２の空洞部分には空気等の気体が満たされる。ただし、バネ１１の機械的な共振によって光ファイバハイドロホン１ａの感度周波数偏差が大きくなり、音波検出に影響を及ぼす場合、固体中に気体が分散されたゴムまたはスポンジ等の部材を空間Ｓ２に挿入する。このようにして、上記の空気等の気体よりも機械的な抵抗の大きいゴムなどの部材を空間Ｓ２に設け、機械的な抵抗の大きい材料にバネ１１を接触させることで、バネ１１の振動に対する機械抵抗が増加し、共振周波数近傍での感度変化を抑制することができる。

【0039】

（動作）
次に、本実施の形態２の光ファイバハイドロホン１ａの動作を説明する。図５は、図４に示した光ファイバハイドロホンの作用を説明するための図である。図５（ａ）は図４（ａ）のＡ－Ａ’断面図であり、図５（ｂ）は図４（ａ）のＢ－Ｂ’断面図である。図５（ａ）には、図４（ａ）と同様に、３次元空間における方向を示す３つの軸を示している。

【0040】

光源２２、受光部２３、復調部２４、光カプラ２、ミラー３およびミラー４の動作については、実施の形態１で説明した動作と同様になるため、本実施の形態２においては、その詳細な説明を省略する。

【0041】

本実施の形態２の光ファイバハイドロホン１ａを含むセンシング干渉計２１が、音波検出対象の水中に投入されると、図４（ｂ）に示した開口部１０を介して外側から水が空間Ｓ１に流入する。空間Ｓ１の圧力と光ファイバコイル６の周囲の水の圧力とが同等になる。そのため、光ファイバコイル６の内側の水圧と外側の水圧とが均等になり、光ファイバコイル６が外側からの水圧によって変形することが抑制される。このようにして、光ファイバハイドロホン１ａは、高い耐水圧性が得られる。

【0042】

また、光ファイバコイル６の周囲の水の圧力が空間Ｓ２の空洞部分の圧力よりも高くなると、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、複数のバネ１１および被覆部１２が中心軸Ａｘに向かって収縮する。可撓管８ａの被覆部１２の断面の形状は、バネ１１と接している部分が山、接していない部分が谷となり、波打つように山と谷とが交互に繰り返される形状になる。

【0043】

なお、光ファイバハイドロホン１ａは、光ファイバコイル６の周囲の水の圧力が作動圧力範囲を超えると、複数のバネ１１が互いに他のバネ１１と接触して感度が低下する。しかし、光ファイバコイル６の周囲の水の圧力が作動圧力範囲に戻ると、光ファイバハイドロホン１ａは、高い感度での音波の検出を再開する。

【0044】

（効果）
本実施の形態２の光ファイバハイドロホン１ａの効果を説明する。本実施の形態２の光ファイバハイドロホン１ａは、可撓管８ａのバネ１１が弾性に関わる特性の温度変化の小さい材料で構成されている。そのため、光ファイバハイドロホン１ａの設置場所の液体の温度変化による感度変化が従来の樹脂製の弾性円筒の場合よりも小さくなる。その結果、音波検出の感度に対する温度変化による影響を抑制することができる。

【0045】

また、本実施の形態２によれば、可撓管８ｂのバネ１１が弾性に関わる特性の温度変化の小さい材料で構成されているため、ハイドロホンの設置場所の水の温度の違いによる感度変化が小さくなる。そのため、本実施の形態２の光ファイバハイドロホン１ａが複数組み合わされてアレイ状に配置されても、複数のハイドロホンの設置場所間の水の温度の違いによる感度変化を低減し、音波到来方向の検出誤差が大きくなることを抑制できる。

【0046】

また、例えば、特許文献１に開示された光ファイバハイドロホンにおいて、弾性円筒の材料を金属材料にすると、感度の温度変化は小さくなるが、感度が大幅に低下する。これに対して、本実施の形態２によれば、弾性円筒の圧縮弾性よりも柔軟なバネ１１の弾性を用いているので、硬い金属材料を用いても高い感度が得られる。

【0047】

さらに、本実施の形態２においては、光ファイバコイル６の周囲の液体の圧力が光ファイバハイドロホン１ａの作動圧力範囲を超えると、バネ１１が他のバネ１１と接触することで弾性限界を超える歪がバネ１１に発生しない。これにより、光ファイバコイル６の周囲の液体の圧力が光ファイバハイドロホン１ａの作動圧力範囲に戻ると、光ファイバハイドロホン１ａは、元の感度で音波の検出を再開できる。

【0048】

実施の形態３．
本実施の形態３は、実施の形態２で説明した可撓管をさらに補強するものである。本実施の形態３においては、実施の形態１および２で説明した構成と同一の構成に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、本実施の形態３においては、実施の形態１および２と異なる構成および動作を詳しく説明し、実施の形態１および２と同様な構成および動作の説明を省略する。

【0049】

図６は、実施の形態３に係る光ファイバハイドロホンの一構成例を示す図である。本実施の形態３における音波検出装置５０は、図１に示したセンシング干渉計２１における光ファイバハイドロホン１を図６に示す光ファイバハイドロホン１ｂに置き換えた構成になる。そのため、以下においては、図１に示した光カプラ２、光源２２、受光部２３および復調部２４の構成について、その詳細な説明を省略する。

【0050】

（構成）
本実施の形態３の光ファイバハイドロホン１ｂの構成について、図６を参照して説明する。図６（ａ）は光ファイバハイドロホン１ｂの光ファイバコイル６の一部を取り除いて内部構造を模式的に示す図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ－Ａ’断面図であり、図６（ｃ）は図６（ａ）のＢ－Ｂ’断面図である。図６（ａ）には、説明の便宜上、３次元空間における方向を示す３つの軸を示している。

【0051】

光ファイバハイドロホン１ｂは、光ファイバコイル６と、光ファイバコイル６の内側に配置された可撓管８ｂと、一対の蓋部７ａおよび７ｂとを有する。可撓管８ｂは、複数のバネ１１と、複数のバネ１１を囲む補強コイル１３と、複数のバネ１１および補強コイル１３を含む空間Ｓ２の空洞部分を密閉する被覆部１２とを有する。補強コイル１３は、複数のバネ１１の外側、かつ被覆部１２の内側に配置されている。

【0052】

本実施の形態３の光ファイバハイドロホン１ｂは、実施の形態２で説明した光ファイバハイドロホン１ａとの相違点が３つある。１つ目の相違点は、複数のバネ１１と被覆部１２との間に補強コイル１３を設けたことである。補強コイル１３に用いる線材には、曲げやすく伸びにくい線材を用いる。具体的には、線材は、硬鋼の高張力線であるピアノ線またはアラミド繊維の線などが適している。補強コイル１３は、中心軸Ａｘに平行に配置される複数のバネ１１に対して、中心軸Ａｘと直交する方向で全てのバネ１１の側面を覆うように線材を巻いた形状である。

【0053】

２つ目の相違点は、一対の蓋部７ａおよび７ｂを連結する支柱９を設けたことである。支柱９の直径および各バネ１１から支柱９までの距離は、光ファイバハイドロホン１ｂの作動圧力範囲内では各バネ１１が支柱９および他のバネ１１と接触せず、かつバネ１１の歪が弾性限界を超える前にバネ１１が支柱９に接触することで弾性限界を超える歪がバネ１１に生じないように設計される。

【0054】

３つ目の相違点は、支柱９と、複数のバネ１１と、補強コイル１３と、一対の蓋部７ａおよび７ｂとを被覆部１２で包み込んだことである。これらの部材を被覆部１２で密閉する方法の具体例を説明する。被覆部１２の材料として、例えば、熱可塑性樹脂を用いる場合、これらの部品をシート状、筒状、または袋状の被覆部１２の材料に入れてから外周端等の開いた部分を溶着することで、これらの部品および空間Ｓ２の空洞部分を密閉する。被覆部１２の材料として熱硬化性樹脂を用いる場合、これらの部品を硬化前の材料で包んでから硬化させ、被覆部１２を形成させればよい。

【0055】

（動作）
次に、本実施の形態３の光ファイバハイドロホン１ｂの動作を説明する。図７は、図６に示した光ファイバハイドロホンの作用を説明するための図である。図７（ａ）は図６（ａ）のＡ－Ａ’断面図であり、図７（ｂ）は図６（ａ）のＢ－Ｂ’断面図である。図７（ａ）には、図６（ａ）と同様に、３次元空間における方向を示す３つの軸を示している。

【0056】

光源２２、受光部２３、復調部２４、光カプラ２、ミラー３およびミラー４の動作については、実施の形態１で説明した動作と同様になるため、本実施の形態３においては、その詳細な説明を省略する。

【0057】

本実施の形態３の光ファイバハイドロホン１ｂを含むセンシング干渉計２１が、音波検出対象の水中に投入されると、図６（ｂ）に示した開口部１０を介して外側から水が空間Ｓ１に流入する。空間Ｓ１の圧力と光ファイバコイル６の周囲の水の圧力とが同等になる。そのため、光ファイバコイル６の内側の水圧と外側の水圧とが均等になり、光ファイバコイル６が外側からの水圧によって変形することが抑制される。このようにして、光ファイバハイドロホン１ｂは、高い耐水圧性が得られる。

【0058】

また、光ファイバコイル６の周囲の水の圧力が空間Ｓ２の空洞部分の圧力よりも高くなると、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、複数のバネ１１、補強コイル１３および被覆部１２が支柱９に向かって収縮する。可撓管８ｂの被覆部１２の断面の形状は、バネ１１と接している部分が山、接していない部分が谷となり、波打つように山と谷とが交互に繰り返される形状になる。

【0059】

なお、光ファイバハイドロホン１ｂは、光ファイバコイル６の周囲の水の圧力が作動圧力範囲を超えると、複数のバネ１１が支柱９に接触して感度が低下する。しかし、光ファイバコイル６の周囲の水の圧力が作動圧力範囲に戻ると、光ファイバハイドロホン１ｂは、高い感度での音波の検出を再開する。

【0060】

（効果）
本実施の形態３の光ファイバハイドロホン１ｂの効果を説明する。本実施の形態３の光ファイバハイドロホン１ｂは、実施の形態２で説明した光ファイバハイドロホン１ａと同様な効果が得られるだけでなく、次のような効果が得られる。

【0061】

実施の形態２においては、可撓管８ａに高い圧力がかかって被覆部１２が伸びた後、可撓管８ａにかかる圧力が下がると、被覆部１２が元の形にすぐに戻らなくなることで、被覆部１２がバネ１１に挟まれて破損してしまうおそれがある。これに対して、本実施の形態３は、被覆部１２とバネ１１との間に補強コイル１３が設けられているので、被覆部１２が伸びたときにバネ１１に挟まれることが抑制される。そのため、被覆部１２が破損してしまうことが抑制され、耐水圧性がより向上する。

【0062】

実施の形態２においては、複数のバネ１１が中心軸Ａｘに向かって曲がることで他のバネ１１と接触した状態からさらに高い圧力がバネ１１にかかると、各バネ１１から中心軸Ａｘまでの距離が異なるように可撓管８ａが変形してしまうおそれがある。この場合、可撓管８ａにかかる圧力が低くなっても、複数のバネ１１の全てが元の位置に戻らなくなる故障が発生することがある。これに対して、本実施の形態３は、各バネ１１が外側からの圧力によって変形する方向に支柱９が配置されており、各バネ１１が圧力によって変形すると支柱９に接触する。そのため、各バネ１１から中心軸Ａｘまでの距離が均等になり、耐水圧性がより向上する。

【0063】

実施の形態２においては、可撓管８ａに高い圧力がかかると、被覆部１２は、蓋部７ａおよび７ｂの一方または両方に接続した端部から空間Ｓ２の空洞部分の密閉性が損なわれてしまうおそれがある。これに対して、本実施の形態３では、被覆部１２は、支柱９と、複数のバネ１１と、補強コイル１３と、一対の蓋部７ａおよび７ｂとを包み込み、他の部材と接続した端部のない閉じた形状である。そのため、空間Ｓ２の空洞部分の密閉性が向上し、耐水圧性がより向上する。

【0064】

（変形例）
上述した実施の形態１および３において、光ファイバコイル６の周囲の液体の圧力が光ファイバハイドロホンの作動圧力範囲より高くなったとき、支柱９に可撓管８またはバネ１１が接触する場合を説明したが、この場合に限らない。例えば、一対の蓋部７ａおよび７ｂのうち、一方の蓋部にだけ連結された支柱９に可撓管８またはバネ１１が接触することで、高い圧力による変形を抑制する構成にしてもよい。また、複数のバネ１１のうち、１つのバネ１１に取り付けられる部品（図示せず）を設け、隣り合う他のバネ１１が部品に接触することで、高い圧力による変形を抑える構成にしてもよい。

【0065】

また、実施の形態２および３においては、複数のバネ１１を用いる場合で説明したが、バネ１１の本数は複数に限らず、１本であってもよい。バネ１１が１本である場合、例えば、中心軸Ａｘに沿って支柱９を設け、支柱９を囲むようにコイル状にバネ１１を設ける構成にする。この場合、実施の形態２および３と同様に、支柱９およびバネ１１を含む空間Ｓ２の空洞部分が密閉される。

【0066】

さらに、上述の実施の形態１～３においては、センシング干渉計２１が光カプラ２ならびにミラー３およびミラー４を用いるマイケルソン干渉計で構成する場合で説明したが、この場合に限らない。センシング干渉計２１は、２つのファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を用いる干渉計など他のタイプの干渉計で構成されてもよい。

【0067】

上述した実施の形態１～３において、一対の蓋部７ａおよび７ｂのうち、一方の蓋部に開口部１０を１つ設ける構成例について説明したが、両方の蓋部７ａおよび７ｂのそれぞれに開口部１０を設けてもよく、複数の開口部１０を設けてもよい。また、実施の形態１～３においては、可撓管８、８ａおよび８ｂの中心軸Ａｘと光ファイバコイル６の円筒の中心軸とが重なる場合の構成例について説明したが、これらの軸が重ならなくてもよい。

【符号の説明】

【0068】

１、１ａ、１ｂ 光ファイバハイドロホン
２ 光カプラ
３、４ ミラー
５ａ～５ｄ 光ファイバ
６ 光ファイバコイル
７ａ、７ｂ 蓋部
８、８ａ、８ｂ 可撓管
９ 支柱
１０ 開口部
１１ バネ
１２ 被覆部
１３ 補強コイル
２１ センシング干渉計
２２ 光源
２３ 受光部
２４ 復調部
５０ 音波検出装置
Ａｘ 中心軸
Ｓ１、Ｓ２ 空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】