研究開発

極限環境で利用可能なセンシング技術への挑戦

位相シフト光干渉法を利用したセンサの研究開発

光センサTOPイメージ公開:2020年9月18日

これまでにない発想をもとに基礎開発からスタート

2008年、極限環境下における地震観測を実現するため、これまでにない新しい技術開発を模索し始めていました。電子回路やセンサ部への給電が不要な地震計を志向し、光ファイバーを利用した光センサーに着目。ただ、当時一般的だった光干渉方式では長期間安定した出力を得ることが難しく、環境条件の厳しいフィールド使用には適さないと考えられました。
そこで、私たちは計測中に振動により変動する光の入力値について、パルス波を使えば、干渉したレベルとともに、計測中に変動した入力光のレベルも測定できないかと考え、基礎開発に着手。追って2011年には、光パルス波の一部の位相を変えることにより、光の半波長を超えて変動する距離を測定する方法を考案し、光センサシステムを開発しました。2012年末に開催された応用物理学会光波センシング技術研究会で、初めて「位相シフト光干渉法」という新しい独自技術について発表。そこで、実用化の検証を行うため、共同研究のパートナー探しをスタートさせました。

実証試験回路構成

社会課題とつなげる①JOGMEC「技術ソリューション事業」との連携

そんな折、今までにない国産技術で産油国等が抱える技術課題に対して、ソリューションを提供する事業を独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構(JOGMEC)が募集していました。
光センサシステムは、光送受信装置は電気を使用するものの、光ファイバとその先につけたセンサには電気が必要ないため、特に厳しい環境下(砂漠、深海、高温高圧)でメンテナンスが少なくて済む(バッテリー交換が不要である)ことや、高周波数帯域、高感度という点が石油探査業界のニーズに合致し、技術ソリューション事業のフェーズ1に採択されました。フェーズ1では2014年度から2015年度までの約2年間で、その期間中に試作品を作り、テストフィールドでの観測や物理探査を行い、通常物理探査で使用されるセンサと遜色ないデータが示されました。この結果を受け、2016年度から2017年度のフェーズ2に進み、菊間国家石油備蓄基地の観測坑で数か月間観測を実施。2018年度も続けてJOGMECの資金援助を受け、フィージビリティスタディとして改良検証を行いました。※採択された事業についてはJOGMECのHPより公開

使用イメージ

  • センサユニットの拡大図センサユニットの拡大図
  • システム構成システム構成

社会課題とつなげる②文部科学省「次世代火山研究・人材育成総合プロジェクト」との連携

JOGMEC技術ソリューション事業のフェーズ1が終った翌年の2016年、文部科学省の次世代火山研究・人材育成総合プロジェクト(火山PJ)にも、光センサシステムは課題Eとして採択されました。JOGMECのご了承・協力を得ながら、秋田大学(当時)の筒井先生に採択機関・事業責任者になっていただき、火山観測への応用実験を始めました。京都大学・井口先生のご厚意もあり、新しくできた桜島高免坑道で観測を実施。筒井先生には桜島構造探査の際に取得した光センサシステムのデータを使って桜島の地下構造についてご報告いただきました。この際の評価が次年度以降の課題B2-2への採択に繋がり、2027年度まで継続される予定です。
課題B2-2において、2017年度は浅間山にて長期観測を実施。その後、文科省評価会で出される課題と向き合い、2018年度は固有振動数が30Hz弱のセンサを作成。2019年度は京都大学・中道先生とともに桜島ハルタ山観測点で、雷多発時期を含めた約半年間連続的観測を行いました。耐雷性能については、今年度の解析結果報告にご期待ください。※火山PJの報告書は文科省のHPより公開

火山観測イメージ

  • 光送受信装置光送受信装置
  • 三成分センサ三成分センサ
  • 光ファイバケーブル光ファイバケーブル

課題をクリアして新たな手法を突きつめていく

精度の良い地震計測は実現できましたが、さらにその先を求める場合はいろいろと難題もあります。光ファイバの敏感さは、なかなかやっかいです。既存の光ファイバセンサ(温度計やひずみ計)は光ファイバ自体が温度や歪に敏感である特性を利用しています。一方、私たちは光ファイバをレーザー光の伝送路として用いるので、極力光ファイバへの影響を取り除く必要があり、現在も低周波数領域のノイズを更に低減するよう研究を重ねています。
安定して高精度な計測を実現するため、センサ筐体やファイバ被覆にも工夫を凝らしながら、一つひとつ確かに課題をクリアする地道な努力はこれからも続きます。

センサ写真

世界のさまざまな極限環境での高精度計測の実現へ

東京パワーテクノロジー株式会社の協力のもと、2019年6月から福島第二原子力発電所の観測坑に光センサシステムを設置しています。1回欠測がありましたが、すぐに修正対応することができ、1年を超える連続観測を記録。ここでも、データから見える課題を克服し、高精度かつ長期にわたって安定した計測を続けるシステムとするため改良を続けています。
今後、同システムは既存の地震観測網に用いるのではなく、現在世界中で観測できていない、もしくは観測しにくい場所への展開を考えています。

研究成果

学会発表・論文
  • 論文「Real-time displacement measurement system using phase-shifted optical pulse interferometry: Application to a seismic observation system」Japanese Journal of Applied Physics, 55 (2016) 022701.
  • 論文「光干渉法を利用した振動センサの原理検証と応用可能性」計測自動制御学会論文集Vol.54, No.1, 1/6(2018)
  • 論文「Feasibility Study on a Multi-Channeled Seismometer System with Phase-Shifted Optical Interferometry for Volcanological Observations」Journal of Disaster Research, Vol.14, 592-603, 2019.
  • 紀要・報告「位相シフト光パルス干渉法による火山観測の試み」月刊地球特集号、2018
  • 梗概など「半波長を越える動作範囲を有するホモダイン干渉原理に基づいた光センサの開発」Proceedings of 50th Meeting of Lightwave Sensing Technology, LST50-4, 2012.
  • 梗概など「位相シフト光パルス干渉法による地動のノイズ観測」Proceedings of 57th Meeting on Lightwave Sensing Technology, LST57-4, 2016.
  • 梗概など「Development of MEMS Vibrating Sensor with Phase-Shifted Optical Pulse Interferometry」EDTM (Electron Devices Technology and Manufacturing Conference), 2017.
  • 梗概など「位相シフト光パルス干渉法振動観測システムによる火山観測の試み」日本火山学会2017年秋季大会、A3-11.
  • 梗概など「位相シフト光干渉法振動観測システムによる浅間火山観測」日本火山学会2018年秋季大会、B3-8.
  • 梗概など位相シフト光干渉法を用いた観測システムの性能評価JpGU-AGU Joint Meeting, STT51-03, 2020
知的財産・特許
  • 特許番号 5118004光ファイバセンサ
  • 特許番号 5118246(米国特許番号9273948)光ファイバセンサ
  • 特許番号 5702623光ファイバセンサ(参照光を90度位相をずらしたもの)
  • 特許番号 6002329光干渉式センサ及びそれを用いた計測システム
  • 特許番号 6763567光ファイバセンサ
製品化・実用化
  • 光センサ地震計測システム

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