(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-10
(45)【発行日】2023-10-18
(54)【発明の名称】音響センサ
(51)【国際特許分類】
H04R 23/00 20060101AFI20231011BHJP
【ＦＩ】
H04R23/00 320
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021554156
(86)(22)【出願日】2020-09-14
(86)【国際出願番号】 JP2020034647
(87)【国際公開番号】W WO2021084940
(87)【国際公開日】2021-05-06
【審査請求日】2022-04-18
(31)【優先権主張番号】P 2019196746
(32)【優先日】2019-10-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004237
【氏名又は名称】日本電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】矢野 隆
(72)【発明者】
【氏名】三隅 栄太郎
(72)【発明者】
【氏名】村松 順
【審査官】冨澤 直樹
(56)【参考文献】
【文献】特開平０２－１０３４２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２８０１１７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０９１８６７４３（ＣＮ，Ａ）
【文献】国際公開第２００５／０９５９０９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１３１５２０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００１－０４１８１７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｒ ２３／００
Ｇ０１Ｈ ９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光ファイバで構成される感受素子を有する感受部と、前記感受部と接続され、前記感受部にパルス光を送出し、前記感受部からの反射戻り光に基づいて、前記感受部が感受する音波振動を検出するインテロゲーターと、を備え、
前記感受素子は、前記光ファイバが、指向性感度を発現させる指向性方向に沿って複数回往復するように折り畳まれて成り、
前記感受素子は、前記光ファイバを、筒状に巻き取り可能なシート部材上に、偏平な渦巻状に周回させてなることで構成され、
前記偏平な渦巻きの長径方向が、前記シート部材を巻き取ってなる筒形の長手方向となるように、前記シート部材が巻かれて固定及び保護される、
音響センサ。
【請求項2】
前記感受素子は、前記光ファイバが前記指向性感度を発現させる方向に沿って複数回往復する部分の寸法は、媒質中での音響波の速度を、観測対象とする音響波周波数帯上限値の２倍で除した値と略等しい又は前記値よりも小さい、請求項１記載の音響センサ。
【請求項3】
前記感受素子を構成する光ファイバの全長は、前記光ファイバを伝搬する前記パルス光のパルス長と略等しい、請求項１又は２に記載の音響センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、音響センサに関し、特に光ファイバを用いて振動の一種である音をも検出する音及び振動センサに関する。
【背景技術】
【0002】
光ファイバに音波を当てると光ファイバを通過する光が変調され、その反射光または透過光を検波することで、遠隔地の音波をモニタすることができる。一般に、このようなセンサシステムは、近年ＤＡＳ(Distributed Acoustic Sensing)と呼称されている。光ファイバセンサは給電不要であり、かつ、検知した信号を光で送るため電気配線が不要である。そのため、落雷の影響を受けない、誘導ノイズを受けにくい、などの特徴を有している。
【0003】
今日の光ファイバセンサシステムは、音や振動を感じる光ファイバとインテロゲーター（Interrogator）と呼ばれる検出部とからなる。インテロゲーターは「問い合わせる者」の意味で、光ファイバにプローブ光を当て、光ファイバからの反射光又は透過光を受光し、光ファイバに作用する音波や振動の状態を検出するものである。
【0004】
光ファイバは、その周囲の状況を感受する部位であるとともに、その感受部とインテロゲーターとの間での光信号を伝える媒体でもある。通常、「センサ」という用語は感受部を指すが、光ファイバセンサの場合には、光ファイバやインテロゲーターのセットのうち全部又は一部を指し示すことが多い。また、元来、光ファイバは伝送媒体として用いられるものであり、光ファイバの全長のうち、どの部位がセンサの役割を担うのかは明確でない。そこで、周囲状況を感受する意図を持って設けられた光ファイバの部位を、感受素子もしくは感受部と呼んで区別する。
【0005】
光ファイバを音響センサとして利用する手法として、センサとなる光ファイバをコイル状、スパイラル状又は網目状に引き回す構成が知られている（特許文献１）。
【0006】
人間の可聴音域をセンシングするマイクロフォンには、無指向性マイクロフォンと指向性マイクロフォンとがある。無指向性マイクロフォンは、難しい調整が不要な汎用であり、失敗の少ない録音をしたい用途に向いている。一方、指向性マイクロフォンは、音の来る方向を調べる用途や、聞こうとする音源以外の音をなるべく除外したい専門的な用途に向いている。
【0007】
さらに、複数個の指向性マイクロフォンを互いに異なる方向に向けて配置した構成にすれば、無指向性マイクロフォンとは異なる形で、広い範囲に感度を持つ構成を実現できる。本構成によれば、例えば音源の方位を同定し、音源が移動する様子を計測することも可能となる。ただしその実現には、センサ数を増すことに加えて、それらの出力データを処理する能力も必要となる。
【0008】
光ファイバを用いた音響や振動を検出するセンサでは、感受部は指向性を有することが知られている。直線状に配置された光ファイバの長手方向に沿う方向に進む音波に対しては高感度であるが、光ファイバの真横から到来する音波に対する感度が無いことが知られている。こうした指向性を均質化して、無指向化する手法として、光ファイバをヘリカル巻きにする構成が提案されている（特許文献２～４）。
【0009】
特許文献４の段落［０００３］に、光ファイバが音波を検出する原理と指向性が生じる理由が説明されている。音波が光ファイバに与える影響には２つあることが記載されている。第１の効果は（音の疎密波が光ファイバを伝わることで）光散乱点間の間隔が変化する効果、すなわち光ファイバが伸縮する効果であり、第２の効果は光速が変化する効果(すなわち屈折率が変化する効果)である。光ファイバにプローブ光を入射し、その後方散乱光をモニタすることで、光ファイバ各点の状況を検出する場合、第１の効果は光ファイバの長手方向が伸縮する場合のみ検知可能なので、強い指向性をもつことになる。一方、第２の効果は指向性をもたないが、第１の効果の数分の一程度の弱い効果である。そのため、一般的なＤＡＳは、もっぱら第１の効果を利用して、音波や振動を検出する。よって、このようなＤＡＳは、光ファイバの延在方向に伝搬する音波や振動を高感度に検出する指向性を有することとなる。
【0010】
光ファイバにプローブ光を入射して、その後方散乱光をモニタすることにより、光ファイバ各点の伸縮状況をモニタする技術も、特許文献１０及び１１、非特許文献２などに開示されている。
【0011】
特許文献２及び３などに開示されているように、光ファイバ(感受部)をヘリカル巻きしたケーブル構成とすることは光ファイバセンシング分野において以前から行われていた。これがＤＡＳにおいて音波検知の指向性を均質化する効果も持つことが認識され、その最適化の技術が例えば特許文献４に開示されている。
【0012】
また、感受部を構成するうえで、音や振動を光ファイバとは別の物体で感受し、感受した振動をさらに光ファイバに伝えてセンシングするという構成も開示されている（特許文献５及び６）。
【0013】
光ファイバセンサが有する指向性を利用する構成も開示されている（特許文献７）。ただし、この先行技術では、特許文献５及び６に開示されているのと類似の、光ファイバを心棒(マンドレル：mandrel)に巻き付ける構成を基本素子としている。音波はまず心棒で感受され、その振動を、巻き付けた光ファイバの伸縮で読み取るものである。また配置方位として、直交した３軸に向ける形態のみが開示されている。この構成では、複数個の指向性を持つ光ファイバセンサを三軸直交配置している。すなわち、複数個の指向性マイクロフォンが、それぞれ異なる方向に向けて配置されている。これにより、全方位に対して感度を有し、かつ、音源の方位や移動を計測できる光ファイバセンサを提供している。
【0014】
さらに、長尺のセンサ用光ファイバをシート状にまとめて、取り扱いを容易にする技術が開示されている（特許文献８及び９）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0015】
【文献】米国特許第４，１６２，３９７号明細書
【文献】米国特許第４，５２４，４３６号明細書
【文献】特開昭６１－１５１４８５号公報
【文献】国際公開第２０１３／０９０５４４号
【文献】特開平２－１０７９２７号公報
【文献】特開平６－３３９１９３号公報
【文献】国際公開第２００７／１３０７４４号
【文献】特開昭６０－２１０７９１号公報
【文献】特開平８－０８６９２０号公報
【文献】特開昭５９－１４８８３５号公報
【文献】特許第２７４６４２４号公報
【非特許文献】
【0016】
【文献】Y. M. Sabry, D. Khalil, and T. Bourouina, ”Monolithic silicon-micromachined free-space optical interferometers onchip”, Laser Photonics Reviews, 2015, vol. 9, no. 1, pp. 1-24.
【文献】R.Posey Jr., G.A. Johnson and S.T. Vohra, “Strain Sensing based on coherent Rayleigh scattering in an optical fibre”, Electronics Letters, 2000, vol.36, No.20, pp.1688-1689.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
音波などの媒質の振動を検知するセンサでは、なるべく鋭い指向性を有することが望ましいことは、言うまでもない。よって、鋭い指向性を実現するため、光ファイバセンサが持つ指向性を積極的に利用して、音響センサとなる光ファイバ感受部の指向性を向上させることが求められている。
【0018】
また、鋭い指向性を持つセンサ部を複数組み合わせて、より鋭い指向性や、素子を傾けずに指向性を振ることができるセンサ集合体を実現する技術は、これまで存在しなかった。
【0019】
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、光ファイバを用いた高い指向性を有する音響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】
【0020】
本発明の一態様である音響センサは、光ファイバで構成される感受素子を有する感受部と、前記感受部と接続され、前記感受部にパルス光を送出し、前記感受部からの反射戻り光に基づいて、前記感受部が感受する音波振動を検出するインテロゲーターと、を備え、前記感受素子は、前記光ファイバが、指向性感度を発現させる指向性方向に沿って複数回往復するように折り畳まれて成るものである。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、光ファイバを用いた高い指向性を有する音響センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】実施の形態１にかかる感受部の斜視図である。
【図2】感受部の形状を平面かつ模式的に説明する図である。
【図3】実施の形態１にかかる音響センサの構成を模式的に示す図である。
【図4】感受部と光パルスとの関係を示す図である。
【図5】感受部の変形例の形状を平面かつ模式的に説明する図である。
【図6】シート部材上に形成した感受部の構成を模式的に示す図である。
【図7】テープ心線の構成を示す図である。
【図8】Ｖ溝アレイの例を示す図である。
【図9】テープ心線と光折り返し回路を結合した光折り返し部パッケージの外観の一例を示す図である。
【図10】光の折り返し部の第１の構成例を示す図である。
【図11】光の折り返し部の第２の構成例を示す図である。
【図12】光の折り返し部の第３の構成例を示す図である。
【図13】実施の形態２にかかる感受部の構成を模式的に示す図である。
【図14】実施の形態２にかかる感受部の変形例の構成を模式的に示す図である。
【図15】実施の形態３にかかる感受部の構成を模式的に示す図である。
【図16】実施の形態３にかかる感受部の構成を模式的に示す図である。
【図17】実施の形態４にかかる感受部の構成を模式的に示す図である。
【図18】実施の形態５にかかる感受部の第１の例の構成を模式的に示す図である。
【図19】実施の形態５にかかる感受部の第２の例の構成を模式的に示す図である。
【図20】実施の形態５にかかる感受部の第３の例の構成を模式的に示す図である。
【図21】実施の形態６にかかる感受部の第１の例の構成を模式的に示す図である。
【図22】実施の形態６にかかる感受部の第１の例の変形構成を模式的に示す図である。
【図23】実施の形態６にかかる感受部の第２の例の構成を模式的に示す図である。
【図24】実施の形態７にかかる感受部の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【0024】
実施の形態１
実施の形態１にかかる感受部を図１の斜視図および図２の平面図を用いて説明する。この感受部１０は、例えば図３の音響センサ１００のようにインテロゲーター（Interrogator）１と接続することで、そこに到来する音や振動をセンシングするものである。以下では、感受部を構成する基本単位を感受素子と称する。感受部は１つ以上の感受素子および後述する遮音材や形状保持材などを組み合わせたものの呼称として用いる。図１の感受部を構成する感受素子には、符号１０Ａを付している。図２および図３の感受素子１０Ａは、光ファイバＦを１周以上巻いて構成される最も基本的な感受素子の構成例である。本実施の形態では、インテロゲーター１はパルス光Ｐを感受部１０へ出力し、その戻り光（反射戻り光）ＲＰを受信する。感受素子１０Ａの形は、卵形、長円形、楕円形、角丸長方形（Obround）など、平面視でオーバル形状となるように構成されることが望ましい。当該形状により、感受部１０は、巻線の長径方向（図のＸ軸方向）に到来する音波や圧力などの振動ＳＷに対して高い感度を有する、すなわち指向性を示す。本実施の形態では感受素子の典型的な実現形状として光ファイバを偏平なコイル状に巻いたものとして説明する。
実施の形態１にかかる感受部を図１の斜視図および図２の平面図を用いて説明する。この感受部１０は、例えば図３の音響センサ１００のようにインテロゲーター（Interrogator）１と接続することで、そこに到来する音や振動をセンシングするものである。以下では、感受部を構成する基本単位を感受素子と称する。感受部は１つ以上の感受素子および後述する遮音材や形状保持材などを組み合わせたものの呼称として用いる。図１の感受部を構成する感受素子には、符号１０Ａを付している。図２および図３の感受素子１０Ａは、光ファイバＦを１周以上巻いて構成される最も基本的な感受素子の構成例である。本実施の形態では、インテロゲーター１はパルス光Ｐを感受部１０へ出力し、その戻り光（反射戻り光）ＲＰを受信する。感受素子１０Ａの形は、卵形、長円形、楕円形、角丸長方形（Obround）など、平面視でオーバル形状となるように構成されることが望ましい。当該形状により、感受部１０は、巻線の長径方向（図のＸ軸方向）に到来する音波や圧力などの振動ＳＷに対して高い感度を有する、すなわち指向性を示す。本実施の形態では感受素子の典型的な実現形状として光ファイバを偏平なコイル状に巻いたものとして説明する。
【0025】
なお、以下においては、音響センサが検出する振動は、音波や圧力などの縦波だけでなく、横波も含む、各種の振動現象であるものとする。
【0026】
図２及び図３に示すように、感受素子１０Ａの、平行に配置された直線部をそれぞれＬ１及びＬ２と称する。直線部Ｌ１及びＬ２の延在方向がＸ方向であり、紙面上でＸ方向（第１の方向）に直交する方向をＹ方向（第２の方向）とする。感受素子の周囲の振動伝搬媒質には、空気、水、地中（土砂や岩など）、など様々なものが考えられる。典型的には、それらの疎密波（縦波）が伝搬しながら光ファイバを伸縮させて、その様子がインテロゲーターにより検出される。したがって、感受素子１０Ａは、直線部Ｌ１及びＬ２の延在方向（Ｘ方向）を伝搬する振動波ＳＷに対して選択的な感度すなわち指向性を有する。なお、図３では、感受素子１０Ａの構成する感受素子（巻線）の外形の最大寸法であるＸ方向の長径をＬｘ、最小寸法であるＹ方向の短径をＬｙとして表示している。
【0027】
Ｘ方向に伝搬する振動波に対する感度を高めるため、ＬｘがＬｙよりも大きくなる（Ｌｘ＞Ｌｙ）ように感受素子が構成される。例えば、Ｘ方向の伝搬する振動に対する感度を高めるため、ＬｘをＬｙの２倍以上（Ｌｘ≧２Ｌｙ）としてもよい。
【0028】
鋭い指向性を実現するため、すなわちＬｘとＬｙとの比（Ｌｘ／Ｌｙ）を大きくするためには、Ｌｙは短い方が望ましい。しかし、光ファイバには最小曲げ半径の制約があるため、感受素子の形状としてもその制約を受ける。例えば、ＩＴＵ－Ｔ（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector） Ｇ．６５２に準拠している一般的な光ファイバの最小曲げ半径は３０ｍｍである。なお、近年では光の閉じ込めを強化することで許容最小曲げ半径を５ｍｍまで小さくしたＩＴＵ－Ｔ Ｇ．６５７．Ｂ３に準拠する光ファイバも実用に供されており、このような光ファイバを用いることでＬｙを短くしてもよい。
【0029】
次いで、感受素子１０Ａの設計パラメータについて検討する。例えば、特許文献１では、Ｌｘを観測対象の音の波長の１／２以内としている。感受素子１０Ａを小型化する観点からはＬｘの寸法は短いことが望ましいが、その分、検出感度が低下する。また巻数Ｔを増やすことで（自ずと巻線の全長Ｌｔが長くなる）、感度を向上できる。ただし巻線の全長Ｌｔを長くしても、感度は音響センサ１００の空間分解能Ｌｐの制約を受ける。
【0030】
図４に、感受素子と光パルスとの関係を示す。図４の例では、感受素子１０Ａの全長Ｌｔと光パルスＰのパルス幅Ｗｐとを比較するため、感受素子１０Ａの巻線をほどいて直線状の光ファイバとして表示している。音響センサ１００では、感受素子１０Ａが設けられた光ファイバに光パルスＰを伝搬させ、感受素子１０Ａのうちで音波が到来している部分を光パルスが通過する際に、レイリー散乱を生じる散乱点が揺すられることで、当該光パルスが位相変調される。この例では、感受素子１０Ａの全長Ｌｔは、光パルスＰのパルス幅Ｗｐよりも長くなっている。この場合、感受素子１０Ａの全長Ｌｔの長さにかかわらず、パルス幅Ｗｐの区間に到達した音のみによって光パルスＰが変調される。つまり、この例では、感受素子１０Ａの全長Ｌｔではなく、パルス幅Ｗｐによって決定されることとなる。以下では、光パルスＰのパルス幅をＷｐ、音響センサ１００の空間分解能をＬｐとする。（空間分解能Ｌｐは、演算によってパルス幅Ｗｐより長くすることは可能だが、パルス幅Ｗｐ未満にすることはできない。）
【0031】
つまり、感受素子１０Ａの感受素子を構成する巻線の巻数Ｔを増やして全長Ｌｔを空間分解能Ｌｐより長くしても、感度は空間分解能Ｌｐによって制約されることが理解できる。
【0032】
以上より、検出対象の音の媒質中における速度をｖ、観測対象とする音響波周波数帯の上限をｆｃとすると、ｖ＝λ×ｆｃであるから、巻線の設計について以下の式が成立する。これらの式［１］及び［２］を満たすようにＬｘ、Ｌｙ及び巻線の巻数Ｔを設計することで、巻線の好適な設計値を導くことができる。
【数1】
【数2】
【0033】
ここで、式［１］及び［２］を用いて、巻線の設計値の具体例を示す。
計算例１
ｆｃ＝５ｋＨｚ、Ｗｐ＝Ｌｐ＝８ｍ、ｖ＝１５００ｍ（水中）である場合、Ｌｘ≦１５ｃｍである。Ｌｘ＝１５ｃｍ、Ｌｙ＝３ｃｍとすると、Ｔ＝２３巻が適切な設計値となる。
計算例１
ｆｃ＝５ｋＨｚ、Ｗｐ＝Ｌｐ＝８ｍ、ｖ＝１５００ｍ（水中）である場合、Ｌｘ≦１５ｃｍである。Ｌｘ＝１５ｃｍ、Ｌｙ＝３ｃｍとすると、Ｔ＝２３巻が適切な設計値となる。
【0034】
計算例２
ｆｃ＝１００Ｈｚ、Ｗｐ＝Ｌｐ＝８ｍ、ｖ＝１５００ｍ（水中）である場合、Ｌｘ≦７．５ｍである。Ｌｘ＝１ｍ、Ｌｙ＝３ｃｍとすると、Ｔ＝４巻が適切な設計値となる。
ｆｃ＝１００Ｈｚ、Ｗｐ＝Ｌｐ＝８ｍ、ｖ＝１５００ｍ（水中）である場合、Ｌｘ≦７．５ｍである。Ｌｘ＝１ｍ、Ｌｙ＝３ｃｍとすると、Ｔ＝４巻が適切な設計値となる。
【0035】
言うまでもないが、Ｌｘ及びＴを式［１］及び［２］で導出されるものよりも小さくした場合には、感度は低下する。Ｔを式［１］及び［２］で導出されるものよりも大きくしても、感度含めた特性の向上に寄与しない光ファイバを増やすことになる。
【0036】
ここまでは、感受素子は周回する光ファイバによって構成されるオーバル形状を有するものとして説明したが、多少の変形があっても本発明の効果が損なわれてしまうことはない。実装状況によっては多少の変形が生じることもあり得る。例えば、オーバル形状の環がよじれて（ツイストして）、８の字の形状となる場合でその影響度合いを推測する。
【0037】
図５に示す感受素子１０Ｂは、感受素子１０Ａがツイストしてしまい８の字状になったものである。この場合、感受素子１０Ｂの光ファイバ長のうち、Ｘ方向の長さは、感受素子１０Ａと同様に２Ｌｘであるのに対して、Ｙ方向の長さは感受素子１０Ａの２倍の４Ｌｙとなっている。指向性が光ファイバ長のＹ方向に対するＸ方向の比に比例すると簡単化して考えると、感受素子１０Ｂは、感受素子１０Ａと比べて指向性が半分近くに低下してしまうことになる。ただしそれでもＹ方向に対するＸ方向の比がまだ２を大きく超えていれば、Ｘ方向に指向性を持った感受素子として動作することが理解される。
【0038】
本実施の形態では、光ファイバを偏平なコイル状に巻いたものを感受素子の実現形状の例に用いて説明したが、巻線状にすることは必須要件ではない。指向性を得たい方向と平行な方向に光ファイバを折りたたんで往復させ、指向性を持ちたくない方向と平行な方向の光ファイバ経路は極力短くして、両者の比を大きくとることが本発明の効果を得るために必要とされる。光ファイバは急に曲げることが難しいために、偏平コイル状が好適な実施例の一つとなっている。
【0039】
以上述べた感受素子を取り扱いしやすいようにパッケージ化する構成例を説明する。音波は空気や水などの音波を伝える媒体を介して感受素子１０Ａに到達するので、感受素子１０Ａは音波を伝える媒体と接触している必要が有る。しかし、光ファイバは機械的強度が小さいので傷つきやすい。そのため、光ファイバを保護するための部材（保護部材）を設けることが望ましい。また、光ファイバだけでは棒状の形を維持することはできないので、形状を維持するための形状保持部材が必要となる。なお、これらの保護部材及び形状保持部材は、測定対象の音波や振動の光ファイバへの伝搬をなるべく阻害しない素材で構成されることが望ましい。
【0040】
具体的には、光ファイバの形状を保持及び保護するために、コイル状に巻いた光ファイバを樹脂でポッティング(resin potting)したり、折り畳んだ光ファイバをシート状にしてさらにそのシートを筒状に巻くなどの構成が考えられる。
【0041】
図６に、シート部材上に形成した感受素子１０Ｃの構成を模式的に示す。感受素子１０Ｃは、感受素子１０Ａの変形例であり、１本の光ファイバを折り返して構成したファイバペアをＸ－Ｙ平面上で渦巻き状に巻くことで構成される。図６の上段に示すように、光ファイバを感受素子１０Ｃの巻線の中心軸に向かって、時計回り（第１の周回方向）に渦状に周回させる。そして、中心軸近傍で周回方向が反時計回り（第２の周回方向）となるように光ファイバを折り返す。その後、光ファイバを感受素子１０Ｃの巻線の外周方向に向かって、反時計回りに渦状に周回させる。これにより、シート部材ＳＴ上に巻線を構成することができる。
【0042】
図６の下段に示すように、シート部材ＳＴは、Ｘ軸方向を軸として筒状に巻き取りが可能である。これにより、巻き取り後でも、感受素子１０Ｃの長径方向はＸ軸方向のままであるので、指向性が維持される。巻き取りによって感受素子１０Ｃがシート部材ＳＴで包まれるので、感受素子１０Ｃを確実に保護することができる。
【0043】
次いで、感受素子１０Ａを、広く普及しているテープ心線（リボン心線とも呼ばれる）を利用して実現する構成例を説明する。図７に、テープ心線５の構成を示す。テープ心線５は、複数の光ファイバＦＧが被覆５Ａに覆われてテープ状に並んで配置されている。そのテープ心線の光ファイバの端点を、折り返すように接続していけば、光ファイバを巻いたのと同じ構成が実現できる。テープ心線を用いることで、機械的に不安定で傷つきやすい光ファイバを安定的に管理しやすくなる。
【0044】
テープ心線を用いる構成における、端点の折り返し部の構成例について以下に説明する。その際、テープ心線の端部と光折り返し部との接続方法として典型的な構成は、図８に示すようなＶ溝アレイを用いた受動アライメントによる接続である。光折り返し部の光入出力部にＶ溝アレイを一体成型しておき、テープ心線端部の被覆を除去してＶ溝アレイに載せて固定することで、光折り返し部との結合を得るものである。
【0045】
図８は、Ｖ溝アレイによる結合部分を拡大して示している。Ｖ溝アレイＶＡは、基板ＳＵＢに複数のＶ溝ＶＧが配列されており、Ｖ溝ＶＧのそれぞれに光ファイバを載せる。図８に示すように、Ｖ溝ＶＧ上で、光ファイバＦ１と光ファイバＦ２とを接合（バットジョイント）する。接合部の反射を十分抑える必要があることから、屈折率整合液体などで周囲を満たしてもよい。
【0046】
図９は、テープ心線と光折り返し回路を結合した光折り返し部パッケージの外観の一例を示している。テープ心線を用いた感受素子の光折り返し部パッケージＲＴにおいて、光折り返し回路とテープ心線５は、Ｖ溝アレイＶＡを用いて光学的に接続され、感受素子としての取り扱いが可能な強度を備えるように固定されている。
【0047】
【0048】
図１０に、光の折り返し部の第１の構成例を示す。例えば、Ｓｉ基板上に、エッチングなどよって、上述したＶ溝アレイとマイクロミラーアレイを作製する。（このような光回路作成技術は例えば、非特許文献１を参照）この例では、光折り返し部であるＳｉ光回路６Ａ（第１の光回路とも称する）及び６Ｂ（第２の光回路とも称する）の間にテープ心線５を延在させ、テープ心線５の両端それぞれの光ファイバをＳｉ光回路６Ａ及び６ＢのＶ溝アレイ７Ａ及び７Ｂでアライメントする。Ｓｉ光回路６Ａには、アライメントされた光ファイバに対向して、２本の光ファイバの端部を光学的に接続するように、１つ以上のマイクロミラーＭＭ（第１のミラーとも称する）が設けられている。光路を屈折率整合流体で満たすなどの、光ファイバ端部でのフレネル反射戻り光を抑制する措置を行う。Ｓｉ光回路６Ａでは、テープ心線５の２本光ファイバの端部には光ファイバＦが接続され、その一方（接続用光ファイバとも称する）はインテロゲーター１又は他の感受素子と接続される。（接続用光ファイバＦとの接続は、光回路６Ａをスルーして、外部に出てから行ってもよい。）Ｓｉ光回路６Ｂにも、アライメントされた光ファイバに対向するように１つ以上のマイクロミラーＭＭ（第１のミラーとも称する）が設けられている。これにより、Ｓｉ光回路６Ａ及び６Ｂとテープ心線とによって、光が規定回数往復する光経路が構成され、感受素子となる。
【0049】
図１１に、光の折り返し部の第２の構成例を示す。図１１では、既知の光回路の構成技術であるＳｉＯ２光導波路を用いている。この例では、テープ心線５の両端それぞれに、曲線のＳｉＯ２光導波路ＷＧで構成された光の折り返し回路８Ａ（第１の光回路とも称する）及び８Ｂ（第２の光回路とも称する）が設けられている。本構成では、図１０のマイクロミラーに代えて、２本の光ファイバの端部がＳｉＯ２光導波路ＷＧによって接続されている。この場合、ＳｉＯ２光導波路の曲げの許容半径は数ｍｍ程度になるため、第１の例のＳｉ光回路と比べて、部品寸法は大きくなる。
【0050】
図１２に、光の折り返し部の第３の構成例を示す。この例は、第２の例のＳｉＯ２光導波路に代えて折り返しにもテープ心線を用いるものである。折り返し対象のテープ心線５の両端を、屈曲させたテープ心線９Ａ及び９Ｂで折り返している。図１２では、テープ心線９Ａ（第１の光回路とも称する）及び９Ｂ（第２の光回路とも称する）の被覆の外形線を破線で表示している。この場合、折り返し部のテープ心線９Ａ及び９Ｂは光ファイバを含んでいるため、数ｃｍ程度の最小曲げ半径を確保する必要がある（図１１と図１２とでは折り返し部のサイズが同じように表示されているが、これは図の表記上の都合であって図１２の折り返し部は図１１の折り返し部よりも数倍大きい）。この場合、折り返し部のテープ心線９Ａ及び９Ｂの光ファイバが振動に対する感度を持ってしまうため、不要な振動を受けないよう、適切な防音や防振を考慮して保持することが望ましい。
【0051】
テープ心線５とテープ心線９Ａ、９Ｂとの接続は、例えばＶ溝アレイ７Ｃ、７Ｄで接続されている。Ｖ溝アレイ７Ｃ及び７Ｄは、Ｓｉ基板上に形成されてもよいし、ＳｉＯ２基板に形成されてもよい。またテープ心線同士を融着接続する機器が広く普及しているので、それを用いてもよいが、そのためにはテープ心線９Ａ及び９Ｂの折り返し部を、その接続端点がテープ心線と同形状になるように、例えば図６でも利用した光ファイバシートの技法を使うなどしてフォーミングしておく必要がある。
【0052】
第１～第３の例のいずれでも、折り返し部の接続点での反射を十分小さいレベルに抑えることが、光ファイバセンシング用途では重要となることは、言うまでもない。これらの例ではＶ溝アレイによる接続の方法を説明したが、光ファイバ同士を接続する方法として一般的な融着接続を用いてもよい。
【0053】
以上、本構成によれば、感受素子を構成する光ファイバ巻線の長径方向に高い感度を示す指向性を有する音響センサを実現することができる。
【0054】
実施の形態２
実施の形態１では、指向性を有する感受素子について説明したが、この構成では、音波が右から到来したのか、左から到来したのかの区別はできない。そこで実施の形態２では、その区別を可能とする構成について説明する。
実施の形態１では、指向性を有する感受素子について説明したが、この構成では、音波が右から到来したのか、左から到来したのかの区別はできない。そこで実施の形態２では、その区別を可能とする構成について説明する。
【0055】
図１３に、実施の形態２にかかる感受部２０の構成を模式的に示す。感受部２０は、２つの感受素子２０Ａ（第１の感受素子とも称する）及び２０Ｂ（第２の感受素子とも称する）を有する。感受素子２０Ａ及び２０Ｂは、それぞれ実施の形態１にかかる感受素子１０Ａの感受素子と同様の構成を有する。感受素子２０Ａ及び２０Ｂは、長径がＸ方向と平行な軸に沿うように、Ｘ方向に並んで配置される。
【0056】
感受素子２０Ａと感受素子２０Ｂとの間には、遮音部材ＩＳが設けられる。これにより、図１３の右（Ｘ＋側）から伝搬してきた音波は感受素子２０Ａには到達するが、遮音部材ＩＳで遮音されて感受素子２０Ｂには到達しない。図１３の左（Ｘ－側）から伝搬してきた音波は感受素子２０Ｂには到達するが、遮音部材ＩＳで遮音されて感受素子２０Ａには到達しない。
【0057】
よって、図１３の右（Ｘ＋側）から伝搬してきた音波は感受素子２０Ａが感受し、図１３の左（Ｘ－側）から伝搬してきた音波は感受素子２０Ｂが感受する。これにより、本構成によれば、実施の形態１では区別できなかった、２つの音波の到来方向を一つに絞り込むことが可能となる。
【0058】
なお、遮音部材ＩＳは、音を吸収する遮音部材として構成してもよいし、音を反射する反射部材として構成してもよい。反射部材を用いる場合には、反射した音がさらにいずれかで反射してエコーを生じるなどの支障が生じないように、配置等について留意することは、言うまでもない。
【0059】
なお、本構成では、遮音部材ＩＳによって消音しきれない場合でも、２つの感受素子の一方が音波を強く感受することとなる。この場合、２つの感受素子での感受結果の差分を求める演算処理を行うことで、音波を好適に検出することができる。
【0060】
感受素子２０Ａの出力をＡ、感受素子２０Ｂの出力をＢとすると、右（Ｘ＋側）から伝搬する音波ＳＷ１及び左（Ｘ－側）から伝搬する音波ＳＷ２は、以下の式で求めることができる。これにより、遮音部材ＩＳによって消音しきれない音の影響を緩和することができる。
ＰＡ＝Ａ－Ｂ・γＢＡ
ＰＢ＝Ｂ－Ａ・γＡＢ
但し、係数γＢＡ及びγＡＢは、校正作業によって予め求められた、遮音部材ＩＳの音波透過率である。校正作業において、右から音を伝搬させた状態でＢ／Ａを計算することでγＡＢを求め（γＡＢ＝Ｂ／Ａ）、左から音を伝搬させた状態でＡ／Ｂを計算することでγＢＡを求める（γＢＡ＝Ａ／Ｂ）ことができる。
ＰＡ＝Ａ－Ｂ・γＢＡ
ＰＢ＝Ｂ－Ａ・γＡＢ
但し、係数γＢＡ及びγＡＢは、校正作業によって予め求められた、遮音部材ＩＳの音波透過率である。校正作業において、右から音を伝搬させた状態でＢ／Ａを計算することでγＡＢを求め（γＡＢ＝Ｂ／Ａ）、左から音を伝搬させた状態でＡ／Ｂを計算することでγＢＡを求める（γＢＡ＝Ａ／Ｂ）ことができる。
【0061】
この実施の形態２の構成は、感受素子１０Ａを２つ使用した構成をしているが、以降ではこれを基本単位として、それを複数組み合わせた構成を説明するので、その都合上、以降では実施の形態２の構成も感受素子と称する。
【0062】
実施の形態２の変形例として、図１４に示す感受部２１を説明する。感受素子２０Ｂの背面側から到来する音を検知する必要がない場合は、感受素子１０Ａを２つ使用する必要はなく１つで十分である。遮音部材ＩＳにより、感受したい方向とは反対側から到来する音は遮音される。この感受部２１も感受素子１０Ａと遮音部材ＩＳを組み合わせた複合体であるが、以降ではこれを基本単位として複数組み合わせた構成を説明するので、その都合上、感受部２１の構成を感受素子と称する。
【0063】
実施の形態３
以上説明した感受素子を基本単位として、それらを組み合わせた応用形態を、以降で説明する。複数の感受素子を組み合わせた複合部を感受部と称して説明する。なお、本実施の形態以降で説明する感受部において組み合わせることができるのは感受素子だけでなく、図１３の感受部２０及び図１４の感受部２１のように感受素子と遮音部材とからなる構造を複数組み合わせてもよい。したがって、本実施の形態以降においては、感受部において組み合わされ複数の受光素子のそれぞれと、複数の感受部２０のそれぞれ、及び、複数の感受部２１のそれぞれを、感受構造と総称するものとする。
以上説明した感受素子を基本単位として、それらを組み合わせた応用形態を、以降で説明する。複数の感受素子を組み合わせた複合部を感受部と称して説明する。なお、本実施の形態以降で説明する感受部において組み合わせることができるのは感受素子だけでなく、図１３の感受部２０及び図１４の感受部２１のように感受素子と遮音部材とからなる構造を複数組み合わせてもよい。したがって、本実施の形態以降においては、感受部において組み合わされ複数の受光素子のそれぞれと、複数の感受部２０のそれぞれ、及び、複数の感受部２１のそれぞれを、感受構造と総称するものとする。
【0064】
図１５に、実施の形態３にかかる第１の構成例である感受部３０の構成を模式的に示す。感受部３０は、互いに長径の長さが異なる２つの感受素子３０Ａ及び３０Ｂを組み合わせた実施例である。感受素子３０Ａ及び３０Ｂは、実施の形態１または実施の形態２と同様に構成されるが、互いに長径の長さが異なっている。この例では、感受素子３０Ａの長径ＬｘＡは、感受素子３０Ｂの長径ＬｘＢよりも長くなっている。感受素子３０Ａ及び３０Ｂは、長径がＸ方向と平行な軸に沿うように、Ｙ方向に並んで配置される。感受素子３０Ａ及び３０Ｂは、同一の音場の音波を感受できるように、近接して配置される。
【0065】
感受素子３０Ａと感受素子３０Ｂとを直列接続して、共通のインテロゲーターでセンシングする場合には、両者の間に所定の光保持(storage)時間を有するダミー区間Ｄが設けられる。所定の光保持時間とは、光パルス幅Ｗｐよりも十分な余裕を持って長い時間である。ダミー区間Ｄの典型的な実施形態は光ファイバで構成された遅延線である。例えば光パルス幅Ｗｐが４０ｎｓである時、光ファイバ内での光パルス長さはおよそ８ｍであるから、光ファイバ遅延線は８ｍ以上とする。このダミー区間の設置により、１つの光パルスが、感受素子３０Ａと感受素子３０Ｂとにまたがって伝搬することを防止できるので、感受素子３０Ａ及び３０Ｂでの音波のセンシング情報の漏れ込みを防ぐことが可能となる。また、ダミー区間Ｄ自体で音波を感受してしまうことを防止するため、ダミー区間Ｄは必要に応じて遮音部材ＩＳ０の内部に収容することが望ましい。
【0066】
感受素子３０Ａ及び３０Ｂで光パルスが通過するタイミングがたとえわずかにずれていても、音波の変化に比べて光が光ファイバを伝搬する速度の方が遙かに速いため、実質的に同じ音波状態を感受できる。そのうえで上述したように、感受素子３０Ａの長径ＬｘＡは感受素子３０Ｂの長径ＬｘＢよりも長いため、両者の光ファイバ長がほぼ同じとすると、感受素子３０Ａは比較的に広帯域かつ低感度であり、感受素子３０Ｂは比較的に狭帯域かつ高感度である。よって、本構成によれば、感受帯域及び感度が異なる感受素子を組み合わせることで、より広範囲の条件で音波を感受することが可能となる。
【0067】
図１６に、実施の形態３にかかる第２の構成例である感受部３１の構成を模式的に示す。この構成例では、同じ外形を有するが巻数が異なる複数の感受素子の並列配置について説明する。
【0068】
感受部３１は、実施の形態１または実施の形態２と同様に構成される３つの感受素子３１Ａ～３１Ｃを有する。感受素子３１Ｃは、計算例１での設計値で示される構成（巻数３２）を有するものである。これに対し、感受素子３１Ａ及び３１Ｂは、感受素子３１Ｃと外形が同じであるが、感受素子３１Ｃよりも巻数が少なくなるように構成される。ここでは、感受素子３１Ｂの巻数を８、感受素子３１Ａの巻数を２としている。つまり、感受素子３１Ａ及び３１Ｂは最大感度を発揮するための巻数３２よりも少ない巻数であるため、感受素子３１Ｃよりも低感度となる。感受素子３１Ａ～３１Ｃは、長径がＸ方向と平行な軸に沿うように、Ｙ方向に並んで配置される。
【0069】
感受素子３１Ａ～３１Ｃを直列接続して、共通のインテロゲーターでセンシングする場合には、実施の形態３の第１の構成例と同様に、光パルス幅Ｗｐよりも十分長い光ファイバで構成されるダミー区間が間に挿入される。これは必要な理由は前述のとおりである。本構成では、感受素子３１Ａと感受素子３１Ｂとの間にはダミー区間ＤＡ、感受素子３１Ｂと感受素子３１Ｃとの間にはダミー区間ＤＢが設けられている。また、ダミー区間ＤＡ及びＤＢで音波を感受してしまうことを防止するため、ダミー区間ＤＡ及びＤＢは遮音部材ＩＳ１の内部に収容することが望ましい。
【0070】
一般に、高感度の感受素子は大振幅の入力の際に出力値が飽和しやすく、低感度の感受素子に大振幅の入力があっても感受素子は飽和しにくい。そのため本構成では、感度の異なる感受素子を組み合わせた感受部の構成としている。これにより、広いダイナミックレンジを実現できる。
【0071】
感度を下げることは、Ｌｔよりも光パルス幅Ｗｐを短くしても得られるが、光パルス幅を狭くするには光変調器およびその駆動回路の動作速度を速める必要があるなど物理的に制約がある場合もある。また光パルス幅Ｗｐを変更すると別のセンサ特性に影響する恐れもある。それに対して本実施の形態を用いれば、光パルス幅Ｗｐを変えることなく広いダイナミックレンジを実現できる。
【0072】
本実施の形態では、感受素子を２種類、もしくは３種類組み合わせた例について説明したが、それ以上の感受素子を組み合わせた構成としてもよいことは言うまでもない。
【0073】
実施の形態４
図１５や図１６の構成は、感受素子のパラメータは固定的であった。それに対して、本実施の形態では、光スイッチと組み合わせることでパラメータを切り替え可能な感受部について説明する。図１７に、実施の形態４にかかる感受部４０の構成を模式的に示す。この例は図１６にあるような巻き数の異なる感受素子を複数用意する代わりに光スイッチで特性を切り替える目的の構成である。感受部４０は、２つの感受素子４０Ａ及び４０Ｂと、光スイッチＯＳとを有する。感受素子４０Ａ及び４０Ｂは、それぞれ実施の形態３にかかる感受部３１の感受素子３１Ａ及び３１Ｂと同様の構成を有する。感受部４０では、感受素子４０Ａと感受素子４０Ｂとの間に、ダミー区間を設けない。
図１５や図１６の構成は、感受素子のパラメータは固定的であった。それに対して、本実施の形態では、光スイッチと組み合わせることでパラメータを切り替え可能な感受部について説明する。図１７に、実施の形態４にかかる感受部４０の構成を模式的に示す。この例は図１６にあるような巻き数の異なる感受素子を複数用意する代わりに光スイッチで特性を切り替える目的の構成である。感受部４０は、２つの感受素子４０Ａ及び４０Ｂと、光スイッチＯＳとを有する。感受素子４０Ａ及び４０Ｂは、それぞれ実施の形態３にかかる感受部３１の感受素子３１Ａ及び３１Ｂと同様の構成を有する。感受部４０では、感受素子４０Ａと感受素子４０Ｂとの間に、ダミー区間を設けない。
【0074】
光スイッチＯＳは、例えば光クロスバー(crossbar)スイッチであり、そのバー(bar)ステートとクロス(cross)ステートとの間で切り換えが可能である。バー(bar)ステートの場合には、光パルスは巻数２の感受素子４０Ａだけを通過するので、比較的低感度で音波を感受することとなる。クロスステートの場合には、光パルスは、巻数２の感受素子４０Ａと巻数８の感受素子４０Ｂとを通過することとなるので、より高感度で音波を感受できる。
【0075】
すなわち、本構成によれば、必要に応じて感受素子のパラメータを切り換えることができる。これにより、例えば、通常は高感度で音波の感受を行い、大きな入力を検知した場合に感度を下げるといった柔軟な運用が可能となる。
【0076】
以上説明した指向性を持つ感受素子を、異なる方向に向けて複数組み合わせて用いる実施の形態を、以降では説明していく。指向性を持つ感受部を構成する感受素子の最小単位は図１３に示す構成とし、図中では５０Ａのようなシンボルで表記する。なお複数の感受素子間の接続方法、および数珠繋ぎ（直列接続）する場合に必要に応じてダミー区間を設けることについては前述のとおりであるので、以下の実施形態説明ではその説明は省略する。
【0077】
実施の形態５
本実施の形態では、指向性を有する感受素子を、互いに異なる角度で交わるように配置して、２次元の方位同定を可能とする感受部について説明する。図１８に、実施の形態５にかかる感受部の第１の例の構成を模式的に示す。図１８の感受部５０は、２つの感受素子５０Ａ（第１の感受素子とも称する）及び５０Ｂ（第２の感受素子とも称する）を有し、互いに直交するように配置されている。具体的には、感受素子５０ＡはＸ軸に、感受素子５０ＢはＹ軸に沿うように配置される。これにより２次元の方位識別が可能となる。浅海エリアのように空間がほぼ２次元で表せる場合には２次元の方位同定ができれば十分である。
本実施の形態では、指向性を有する感受素子を、互いに異なる角度で交わるように配置して、２次元の方位同定を可能とする感受部について説明する。図１８に、実施の形態５にかかる感受部の第１の例の構成を模式的に示す。図１８の感受部５０は、２つの感受素子５０Ａ（第１の感受素子とも称する）及び５０Ｂ（第２の感受素子とも称する）を有し、互いに直交するように配置されている。具体的には、感受素子５０ＡはＸ軸に、感受素子５０ＢはＹ軸に沿うように配置される。これにより２次元の方位識別が可能となる。浅海エリアのように空間がほぼ２次元で表せる場合には２次元の方位同定ができれば十分である。
【0078】
感受素子５０Ａ及び５０Ｂは、同一の音場の音波を感受できるように、なるべく近接して配置される。感受素子５０Ａ及び５０Ｂは、それぞれ単独にインテロゲーター（Interrogator）に接続されてもよいし、１つのインテロゲーターに数珠繋ぎに(直列接続)されてもよいし、その混在でもよい。ただし数珠繋ぎする場合は、隣接する感受素子との分離を十分に確保するために適切にダミー区間を設ける。ダミー区間の意味及び構成上の留意点は、実施の形態３にて説明している。
【0079】
本構成によれば、異なる方向の音波を区別して感受できるので、各感受素子の出力を分析して音波の到来方向を識別可能な音響センサを実現できる。
【0080】
図１８の細い破線は各感受素子の等感度曲線を示し、太い破線は２つの感受素子の等感度曲線を合成した感受部全体の等感度曲線を示している。このように、２つの感受素子を配置することで、Ｘ－Ｙ平面において、あらゆる角度から到来する音波を感受することが可能となる。
【0081】
次いで、図１９に、実施の形態５にかかる感受部の第２の例の構成を模式的に示す。感受部５１は、感受部５０の変形例であり、感受素子の数が増えている。感受部５１は、３つの感受素子５１Ａ～５１Ｃ（それぞれ、第１～第３の感受素子とも称する）を有し、Ｘ－Ｙ平面において互いに６０°ずつ向きが異なるように配置される。
【0082】
図１９の細い破線は各感受素子の等感度曲線を示し、太い破線は３つの感受素子の等感度曲線を合成した感受部全体の等感度曲線を示している。このように、３つの感受素子を放射状に配置することで、Ｘ－Ｙ平面において、あらゆる角度から到来する音波を感受することが可能となる。
【0083】
また、感受部５０の等感度曲線には凹みが存在しているのに対し、６つの感受素子からなる感受部５１の等感度曲線では凹みが低減されて円に近づいている。これは、感受素子の配置の角度間隔が縮まったことで、感度が弱い領域が減少したためである。よって、本構成によれば、感受部５０と比べて、合成等感度曲線の形状がより円に近づき、よりまんべんなく方位同定できることになる。
【0084】
次いで、図２０に、実施の形態５にかかる感受部の第３の例の構成を模式的に示す。感受部５２は、３つの感受素子５２Ａ～５２Ｃ（それぞれ、第１～第３の感受素子とも称する）を有する。感受素子５２Ａ～５２Ｃのそれぞれは、原点を中心として、Ｘ－Ｙ平面において１２０°ずつ異なるように配置される。ここで用いる感受素子は、図１４に示すような背面側の音を拾わないように工夫した感受素子を用いる。そのため感受部５２は、感受部５１に比べて、感受素子の規模が半減している。３つの素子の吸音材を統合して構成しても構わない。
【0085】
本構成によれば、感受部５１と比べて感度の方向依存性が強くなってしまうものの、感受素子の規模を減らすことでより経済的な感受部を実現できる。
【0086】
実施の形態６
実施の形態５では２次元の方位識別を可能とする感受部について説明した。実施の形態６では、３次元の方位識別を可能とする感受部について説明する。図２１に、実施の形態６にかかる第１の例の構成を模式的に示す。感受部６０では、感受部５１又は５２と同様の３つの感受素子６０Ａ～６０Ｃ（それぞれ、第１～第３の感受素子とも称する）を有し、互いに直交するように配置される。具体的には、感受素子６０ＡはＸ軸に、感受素子６０ＢはＹ軸に、感受素子６０ＣはＺ軸（第３の方向）に沿うように配置される。これにより３次元の方位識別が可能となる。感受素子６０Ａ～６０Ｃは、同一の音場の音波を感受できるように、なるべく近接して配置される。
実施の形態５では２次元の方位識別を可能とする感受部について説明した。実施の形態６では、３次元の方位識別を可能とする感受部について説明する。図２１に、実施の形態６にかかる第１の例の構成を模式的に示す。感受部６０では、感受部５１又は５２と同様の３つの感受素子６０Ａ～６０Ｃ（それぞれ、第１～第３の感受素子とも称する）を有し、互いに直交するように配置される。具体的には、感受素子６０ＡはＸ軸に、感受素子６０ＢはＹ軸に、感受素子６０ＣはＺ軸（第３の方向）に沿うように配置される。これにより３次元の方位識別が可能となる。感受素子６０Ａ～６０Ｃは、同一の音場の音波を感受できるように、なるべく近接して配置される。
【0087】
感受素子６０Ａ～６０Ｃの複合が可能であれば複合して図２２のように配置してもよい。この場合、感受部全体の小型化が可能となる。以下に述べる構成でも同様である。
【0088】
図２１及び２２では、各感受素子の等感度曲線およびそれらを合成した感受部全体の等感度曲線は図示を省略しているが、図１８などと同様の考えを３次元に拡張することができる。３次元空間のあらゆる角度から到来する音波を感受することが可能となる。
【0089】
素子数をさらに増やせば、合成等感度曲線が球に近づき、よりまんべんなく音波を感受できることになる。しかしながら利用状況によっては、特定の方向については精緻に調べたいが、別の特定の方向はおおざっぱで構わないので経済的に実現したい、というケースも考えらえる。例えばＸ－Ｙ平面は緻密に調べるが、Ｚ軸方向はおおざっぱでよいというような場合は、Ｚ軸方向を向く感受素子の指向性を下げて１つでより広範囲をカバーすれば素子数を減らすこともできる。
【0090】
感受素子６０Ａ～６０Ｃは、それぞれ単独にインテロゲーターに接続されてもよいし、１つのインテロゲーターに数珠繋ぎに(直列接続)されてもよいし、その混在でもよい。ただし数珠繋ぎする場合は、隣接する感受素子との分離を十分に確保するために適切にダミー区間を設ける。ダミー区間の意味及び構成上の留意点は、実施の形態３にて説明している。
【0091】
次いで、図２３に、実施の形態６にかかる感受部の第２の例の構成を模式的に示す。感受部６１は、３次元の方位識別が可能な構成で、それを４つの感受素子６１Ａ～６１Ｄ（それぞれ、第１～第４の感受素子とも称する）で実現している。感受素子６１Ａ～６１Ｄは、中心点を中心として、それぞれ正四面体の異なる頂点に向かう方向に長径が沿うように配置される。図２３では説明の都合上、４つの素子をやや離して描いているが、実際には影が生じぬよう留意しつつなるべく近接させることが望ましい。
【0092】
本構成によれば、それぞれ異なる方向に指向性を有する感受素子６１Ａ～６１Ｄでの音波の感受を区別することができるので、各感受素子の感受結果を合成して３次元の音波の到来方向を識別できる音響センサを実現できる。
【0093】
また、感受部６０と比べて感受素子の数が増えているので、よりまんべんなく方位同定できる。
【0094】
実施の形態５，６は、指向性を持つ感受素子を互いに向きを異ならせて配置することで方位同定を実現する技術である。ここに実施の形態３，４の技術、すなわち各感受素子のパラメータが異なるものを組み合わせる技術、素子パラメータを可変とする技術を組み合わせてもよいことは言うまでもない。
【0095】
実施の形態７
本実施の形態では、指向性を演算で制御できる感受部について説明する。実施の形態７にかかる感受部７０は、フェーズドアレイアンテナに類似の原理により、演算でその指向性を制御できる。
本実施の形態では、指向性を演算で制御できる感受部について説明する。実施の形態７にかかる感受部７０は、フェーズドアレイアンテナに類似の原理により、演算でその指向性を制御できる。
【0096】
図２４に、実施の形態７にかかる感受部７０の構成を模式的に示す。感受部７０は、Ｘ方向に指向性を有する８つの感受素子７０Ａ～７０ＨをＹ方向に配列している。感受素子７０Ａ～７０Ｈのそれぞれは、図１３のような双方向のものでも図１４のような片方向のものでもよいが、背面側からの音を採る必要性は低いと考えられるため、図１４の片方向の素子を、吸音材を統合して並べる構成が経済性に優れると考えられる。
【0097】
各感受素子は互いに独立性が確保されていれば、一つのインテロゲーターに直列つなぎになっていても、複数のインテロゲーターに接続されていてもその混在でも構わないことは上述の組み合わせ感受部の実施例と同様である。
【0098】
本構成では、感受素子７０Ａ～７０Ｈからの出力を、演算部７１０内部での演算によって、仮想的な位相シフタＰＳ１～ＰＳ８で所定の時間だけシフトして加算（合成部７１１で加算）する。これにより、感受素子７０Ａ～７０Ｈの物理的な向きを変えることなく、演算パラメータである時間シフト量を変えるだけで指向性の向きを変化できる。なお、演算部７１０及び換算部７１１は、インテロゲーター１内に設けてもよいことは、言うまでもない。
【0099】
図２４では、説明の都合上、感受素子を線状に（一次元的に）配列しているが、二次元フェーズドアレイアンテナ同様に、面状に（二次元的に）配置してもよいことは言うまでもない。
【0100】
実施の形態３及び４の技術、すなわち各感受素子のパラメータが異なるものを組み合わせる技術、素子パラメータを可変とする技術を組み合わせてもよいことは言うまでもない。
【0101】
その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態３などで、１台のインテロゲーターに直列接続された２つの感受素子の間に、空間分解能よりも長い光ファイバで構成されるダミー区間を挿入することについて説明したが、ダミー区間の実現方法はこれに限定されるものではない。ダミー区間は、所定時間だけ光をストレージできるものであれば、光ファイバ以外の任意の光部品で構成してもよい。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態３などで、１台のインテロゲーターに直列接続された２つの感受素子の間に、空間分解能よりも長い光ファイバで構成されるダミー区間を挿入することについて説明したが、ダミー区間の実現方法はこれに限定されるものではない。ダミー区間は、所定時間だけ光をストレージできるものであれば、光ファイバ以外の任意の光部品で構成してもよい。
【0102】
感受部５０～５２のように、２次元の方位同定が可能な感受部を互いに直交するように配置することで、３次元の方位同定が可能な感受部を構成してもよい。
【0103】
感受部５０～５１では、実施の形態２と同様に、１本の直線上に２つの感受素子が並んで配置されている。よって、実施の形態２と同様に、予め既知の方位から音を入力し、各感受素子から出力される振幅を漏れ込み係数として設定してもよい。同様に、感受部５２では、それぞれの感受素子の指向性を有する方向から音波を出して、本来感受すべき素子の出力と、それ以外の素子の出力を記録し、漏れ込み係数として設定してもよい。例えばＹ軸の＋方向から音波を出したとき、感受素子５２Ａが感受すべきであって、感受素子５２Ｂ、５２Ｃが感受しているとすればそれは漏れ込み成分である。このように互いの素子間での漏れ込み係数を予め較正計量しておき、各感受素子の出力に重み付けをして合成することにより、漏れ込み成分を低減、除去することが可能である。
【0104】
１つのインテロゲーターでセンシングできる光ファイバの長さにはサンプリング周波数に制約がある。そのため、適宜複数のインテロゲーターに振り分けてもよい。
【0105】
なお、本発明では、光ファイバから後方散乱された光を受信する原理のインテロゲーターを用いることで説明したが、本発明は到来音波によって光ファイバが伸縮する現象を、指向性を持って感受するという新たな機能を備えた感受部の実現方法の技術開示であるので、光ファイバの伸縮をセンシングする方法はどのようなものを用いても構わない。光ファイバを透過する光を受信する方式を用いてもよい。
【0106】
また、感受部の光ファイバがヘリカル状に巻かれる場合、特許文献４に記載されるように指向性は低下するものの、指向性を有する振動の検出が可能であることは、言うまでもない。
【0107】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【0108】
（付記１）光ファイバで構成される感受素子を有する感受部と、前記感受部と接続され、前記感受部にパルス光を送出し、前記感受部からの反射戻り光に基づいて、前記感受部が感受する音波振動を検出するインテロゲーターと、を備え、前記感受素子は、前記光ファイバが、指向性感度を発現させる指向性方向に沿って複数回往復するように折り畳まれて成る、音響センサ。
【0109】
（付記２）前記感受素子は、前記光ファイバが前記指向性感度を発現させる方向に沿って複数回往復する部分の寸法は、媒質中での音響波の速度を、観測対象とする音響波周波数帯上限値の２倍で除した値と略等しい又は前記値よりも小さい、付記１記載の音響センサ。
【0110】
（付記３）前記感受素子を構成する光ファイバの全長は、前記光ファイバを伝搬する前記パルス光のパルス長と略等しい、付記１又は２に記載の音響センサ。
【0111】
（付記４）前記感受素子は、前記指向性方向を長径とするオーバル形状に前記光ファイバが巻かれて成る、付記１乃至３のいずれか１つに記載の音響センサ。
【0112】
（付記５）前記感受素子を構成する前記光ファイバは、樹脂ポッテイングによって固定及び保護される、付記１乃至４のいずれか１つに記載の音響センサ。
【0113】
（付記６）前記感受素子は、前記光ファイバを、筒状に巻き取り可能なシート部材上に、偏平な渦巻状に周回させてなることで構成され、前記偏平な渦巻きの長径方向が、前記シート部材を巻き取ってなる筒形の長手方向となるように、前記シート部材が巻かれて固定及び保護される、付記１乃至３のいずれか１つに記載の音響センサ。
【0114】
（付記７）前記感受素子は、複数本の光ファイバが並列に配置されたテープ心線と、
前記テープ心線の両端に接続される光折り返し部と、から成る、付記１乃至４のいずれか１つに記載の音響センサ。
前記テープ心線の両端に接続される光折り返し部と、から成る、付記１乃至４のいずれか１つに記載の音響センサ。
【0115】
（付記８）前記光折り返し部は、シリコン光回路で構成された、付記７に記載の音響センサ。
【0116】
（付記９）前記光折り返し部は、石英光回路で構成された、付記７に記載の音響センサ。
【0117】
（付記１０）前記光折り返し部も、テープ心線で構成された、付記７に記載の音響センサ。
【0118】
（付記１１）前記感受部は、少なくとも１つの前記感受素子を含む感受構造が１つ以上設けられる、付記１乃至１０のいずれか１つに記載の音響センサ。
【0119】
（付記１２）前記感受構造は、前記感受素子と遮音部材からなり、前記感受構造では、前記感受素子から見て前後２方向存在する感度指向性の一方を、遮音部材を設けることにより、阻止することを特徴とする、付記１１に記載の音響センサ。
【0120】
（付記１３）前記感受構造は、前記指向性方向が同一方向となるように一直線上に配置された、前記感受素子である第１及び第２の感受素子を備え、前記第１及び第２の感受素子との間に、前記遮音部材が設けられる、付記１２に記載の音響センサ。
【0121】
（付記１４）前記遮音部材を透過して前記第１の感受素子へ到達する音波振動の第１の透過率と、前記遮音部材を透過して前記第２の感受素子へ到達する音波振動の第２の透過率と、が予め検量され、前記第１の透過率を用いて前記遮音部材を透過して前記第１の感受素子へ到達する振動による感受を除外することで、前記第１の感受素子での感受結果を求め、前記第２の透過率を用いて前記遮音部材を透過して前記第２の感受素子へ到達する振動による感受を除外することで、前記第２の感受素子での感受結果を求める、付記１３に記載の音響センサ。
【0122】
（付記１５）複数の前記感受構造が、同じ場の音響振動を感受するように配置される、
付記１１乃至１４のいずれか１つに記載の音響センサ。
付記１１乃至１４のいずれか１つに記載の音響センサ。
【0123】
（付記１６）前記感受素子の前記指向性方向の寸法が互いに異なる前記複数の感受構造を、指向性方向を揃えて組み合わせた、付記１５に記載の音響センサ。
【0124】
（付記１７）前記感受素子が互いに異なる光ファイバ往復回数を持った前記複数の感受構造を、指向性方向を揃えて組み合わせた、付記１５に記載の音響センサ。
【0125】
（付記１８）前記複数の感受構造は、縦続接続され、隣接する前記感受構造の間に、光を保持するダミー区間が設けられ、前記ダミー区間が光を保持する時間は、前記パルス光のパルス長より長い、付記１５に記載の音響センサ。
【0126】
（付記１９）前記ダミー区間は、光ファイバで構成され、かつ、遮音した環境に保持される、付記１８に記載の音響センサ。
【0127】
（付記２０）前記感受部は、前記複数の感受構造と、光スイッチとからなり、前記光スイッチによって、特定の前記感受構造の組み込みを選択可能とする、付記１５に記載の音響センサ。
【0128】
（付記２１）前記複数の感受構造、２次元平面上又は３次元空間において互いの指向性が異なる方向に配置して組み合わせた、付記１５に記載の音響センサ。
【0129】
（付記２２）前記複数の感受構造、２次元平面上又は３次元空間において互いの指向性が直交する方向に配置して組み合わせた、付記１５に記載の音響センサ。
【0130】
（付記２３）前記複数の感受構造を、所定の点を中心として放射状に配置した、付記２１又は２２に記載の音響センサ。
【0131】
（付記２４）第１～第３の前記感受構造を、２次元平面上において互いの指向性を６０°ずつ異ならせて配置した、付記２３に記載の音響センサ。
【0132】
（付記２５）第１～第３の前記感受構造を、２次元平面上において互いの指向性を１２０°ずつ異ならせて配置した、付記２３に記載の音響センサ。
【0133】
（付記２６）第１～第４の前記感受構造を、各々の指向性が、正四面体の中心と４つの頂点とを結ぶそれぞれ異なる方向に向くように配置した、付記２３に記載の音響センサ。
【0134】
（付記２７）前記複数の感受構造は、各々の指向性が揃うように、前記指向性と垂直な面上に配置され、前記インテロゲーターは、前記複数の感受構造で得られる音波感受波形を、所定量位相シフトして合成することで、前記複数の感受構造を全体で一つの感受部として機能させ、各音波感受波形の位相シフト量を変化することで、前記感受部の指向性を制御する、付記１５に記載の音響センサ。
【0135】
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【0136】
この出願は、２０１９年１０月２９日に出願された日本出願特願２０１９－１９６７４６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【0137】
ＲＴ テープ心線を用いた感受素子の光折り返し部パッケージ
Ｄ、ＤＡ、ＤＢ ダミー区間
Ｆ、Ｆ１、Ｆ２ 光ファイバ
ＦＧ 複数の光ファイバ
ＩＳ、ＩＳ０、ＩＳ１ 遮音部材
Ｌ１、Ｌ２ 直線部
ＭＭ マイクロミラー
ＯＳ 光スイッチ
Ｐ 光パルス
ＰＳ１～ＰＳ８ 位相シフタ
ＳＴ シート部材
ＳＵＢ 基板
ＶＡ、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ Ｖ溝アレイ
ＶＧ Ｖ溝
ＷＧ ＳｉＯ２光導波路
１ インテロゲーター
５、９Ａ、９Ｂ テープ心線
５Ａ 被覆
６Ａ、６Ｂ Ｓｉ光回路
８Ａ及び８Ｂ 折り返し回路
１０、１１、２０、２１、３０、３１、４０、５０、５１、５２、６０、６１、７０ 感受部
１０Ａ～１０Ｃ、２０Ａ、２０Ｂ、３０Ａ、３０Ｂ、３１Ａ～３１Ｃ、４０Ａ、４０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５１Ａ～５１Ｃ、５２Ａ～５２Ｃ、６０Ａ～６０Ｃ、６１Ａ～６１Ｄ、７０Ａ～７０Ｈ 感受素子
１００ 音響センサ
７１０ 演算部
７１１ 合成部
Ｄ、ＤＡ、ＤＢ ダミー区間
Ｆ、Ｆ１、Ｆ２ 光ファイバ
ＦＧ 複数の光ファイバ
ＩＳ、ＩＳ０、ＩＳ１ 遮音部材
Ｌ１、Ｌ２ 直線部
ＭＭ マイクロミラー
ＯＳ 光スイッチ
Ｐ 光パルス
ＰＳ１～ＰＳ８ 位相シフタ
ＳＴ シート部材
ＳＵＢ 基板
ＶＡ、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ Ｖ溝アレイ
ＶＧ Ｖ溝
ＷＧ ＳｉＯ２光導波路
１ インテロゲーター
５、９Ａ、９Ｂ テープ心線
５Ａ 被覆
６Ａ、６Ｂ Ｓｉ光回路
８Ａ及び８Ｂ 折り返し回路
１０、１１、２０、２１、３０、３１、４０、５０、５１、５２、６０、６１、７０ 感受部
１０Ａ～１０Ｃ、２０Ａ、２０Ｂ、３０Ａ、３０Ｂ、３１Ａ～３１Ｃ、４０Ａ、４０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５１Ａ～５１Ｃ、５２Ａ～５２Ｃ、６０Ａ～６０Ｃ、６１Ａ～６１Ｄ、７０Ａ～７０Ｈ 感受素子
１００ 音響センサ
７１０ 演算部
７１１ 合成部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】