DE4301480C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Wickeln von Faserspulen für optische Faserkreisel - Google Patents

Description

Faserkreisel weisen eine Faserspule auf, die aus einer lichtleitenden Faser gewickelt ist und deren beiden Enden jeweils mit einem Arm eines optischen Kopplers verbunden sind. Ein Arm auf der gegenüberliegenden Seite des optischen Kopplers ist mit einer Lichtquelle und zumindest ein weiterer Arm mit einem Detektor verbunden. Mit einem derartigen Faserkreisel wird die Drehgeschwindigkeit des mit dem Faserkreisel verbundenen Objektes um die Spulenachse gemessen. Hierzu wird Licht der Lichtquelle, üblicherweise ein Laser, über den optischen Koppler in beide Enden der Faserspule eingespeist, durchläuft diese gegensinnig und interferiert wiederum im optischen Koppler. Bei einer Drehung der Spule um ihre Achsen ergibt sich für die gegensinnig umlaufenden Lichtwellen eine unterschiedliche Umlaufzeit und damit eine Phasenverschiebung relativ zueinander; dies wird als Sagnac-Effekt bezeichnet. Die Sagnac-Phase ist direkt proportional zur Drehgeschwindigkeit. Sie kann gemessen werden durch die erwähnte Überlagerung bzw. Interferenz der Teilwellen im Koppler, was zu einer Intensitätsänderung des aus dem Koppler austretenden Lichtes in Abhängigkeit von der Sagnac-Phase und damit der Drehgeschwindigkeit führt.

Die Phasenverschiebung beim Sagnac-Effekt hängt zusätzlich von der vom Lichtweg umschlossenen Fläche der Faserspule ab. Je größer diese Fläche ist, desto empfindlicher ist der Faserkreisel. Die vom Lichtweg umschlossene Fläche läßt sich dadurch vergrößern, daß die Faserspule eine Vielzahl von Windungen aufweist, die über mehrere Lagen verteilt sind.

Die Messungen mit derartigen Faserkreiseln werden durch störende Effekte verfälscht. Die störenden Effekte basieren zum einen auf thermischen und akustischen Einflüssen und zum anderen auf mechanischen, meist durch das verwendete Wickelverfahren bedingten Einflüssen.

Thermische Einflüsse, d. h. genauer, zeitlich veränderliche Temperaturgradienten zwischen Spulenanfang und Spulenende, bewirken ein Signal am Ausgang des Faserkreisels, das von dem durch eine Drehung erzeugten Signal nicht zu unterscheiden ist. Dieser Effekt wird als Shupe-Effekt bezeichnet; vgl. hierzu den Artikel von David M. Shupe in "Applied Optics", Band 20, Nr. 2, 15.01.1981, Seiten 286- 289.

Mechanische Einflüsse beruhen im wesentlichen darauf, daß die Faser nicht vollständig spannungsfrei auf eine Wickelform gewickelt werden kann, wodurch sich innerhalb der Faser durch die Spannungen induzierte Doppelbrechungen ergeben.

Eine Kompensation dieser Störeffekte ist vor allem wichtig für Faserkreisel mit hohen Genauigkeitsanforderungen.

Es ist bekannt, den durch thermische Einflüsse bedingten Shupe-Effekt dadurch zu minimieren, daß die Faser in Lagen auf eine Wickelform derart aufgewickelt wird, daß in den vollständig abgelegten Lagen Faserabschnitte der beiden Faserhälften, die gleich weit von der Fasermitte entfernt sind, möglichst benachbart liegen, vgl. hierzu die DE-OS 35 33 687, die US-PS 48 56 900 und die EP-OS-0 292 103. Die benachbart liegenden Faserabschnitte unterschiedlicher Faserhälften sind im wesentlichen der gleichen Temperatur und den gleichen Temperaturschwankungen ausgesetzt, so daß sich durch die Temperatur bedingte Einflüsse kompensieren sollen.

Gemäß der erwähnten DE-OS 35 33 687, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, wird hierzu die Faser von ihrer Mitte aus auf zwei Vorratsspulen aufgeteilt, so daß jede Vorratsspule die halbe Faserlänge enthält. Anschließend wird von der Mitte der zu erstellenden Wicklung ausgehend eine erste Lage von der ersten Vorratsspule gewickelt, dann eine zweite und eine dritte Lage von der zweiten Vorratsspule, eine vierte und eine fünfte Lage von der ersten Vorratsspule und schließlich eine sechste Lage von der zweiten Vorratsspule. Nach diesem Wickelschema wird dann weiter verfahren, bis eine Wicklung mit der gesamten Lichtleitfaserlänge gebildet ist und sich eine gerade Anzahl von Lagen auf der Wicklung befindet.

Ein ähnliches Verfahren beschreibt auch die US-PS 48 56 900. Hier werden die einzelnen Windungslagen abwechselnd zu zwei Lagen auf dem Wickelkörper abgelegt, wobei jedoch die Außenränder der Spule jeweils von dem gleichen, von einem Speicher abgewickelten Faserstrang, gebildet werden.

Mit diesem Wickelverfahren wird die oben erwähnte Kompensation thermischer Einflüsse jedoch nur zum Teil erreicht. Dies liegt u. a. daran, daß auch direkt übereinanderliegende Lagen aufgrund ihrer unterschiedlichen Durchmesser auf der gewickelten Spule nicht zu vernachlässigende Längenunterschiede aufweisen. Trotz der verwendeten dünnen Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm können bei den vielen Windungen pro Lage Längenunterschiede von einigen Zentimetern auftreten. Hat eine Lage z. B. 150 Windungen, so ergibt sich ein Längenunterschied zu der vorhergehenden bzw. zu der nachfolgenden Lage von 180 mm. Die Forderung, daß gleich weit von der Fasermitte entfernte Faserabschnitte auf der gewickelten Faserspule benachbart liegen, wird somit nur annähernd erreicht.

Gemäß der oben erwähnten EP-OS 0 292 103 wird ein ähnliches Wickelverfahren benutzt, wobei die Windungen einer Lage jeweils in dem durch zwei benachbarte Windungen der darunterliegenden Lage gebildeten Graben eingefügt sind; über einen kurzen Teil der jeweiligen Windung wird diese von dem auf einer Seite liegenden Graben einer darunterliegenden Windung zu dem auf der anderen Seite liegenden Graben geführt. Die einzelnen Windungen liegen hierdurch über einen großen Teil ihrer Länge in einer Ebene senkrecht zu der Spulenachse und sind nur längs des kleinen Zwischenstückes schräg hierzu geführt. Aufgrund des ähnlichen Wicklungsaufbaus treffen für dieses Wickelverfahren auch die oben erwähnten Argumente hinsichtlich der Längenunterschiede einzelner Lagen zu.

Mit den beschriebenen Verfahren lassen sich dennoch die thermischen Einflüsse relativ gut eliminieren. Es verbleiben jedoch noch mechanische Störeinflüsse, da beide Wickelverfahren im wesentlichen nicht spannungsfrei durchgeführt werden können.

Aus der DE-OS 33 32 718 ist ebenfalls eine Faserspule mit meh­ reren Windungslagen bekannt, wobei hier die spulenförmige An­ ordnung der Lichtleitfaser so gewählt ist, daß sich die beiden Enden der Lichtleitfaser in derselben Windungslage oder in zu­ einander benachbarten Windungslagen befindet und zudem zueinan­ der dicht benachbart sind. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß nach dem Wickeln von einigen Lagen der Spule eine Wicklung so gewickelt wird, daß eine von der Spule abstehende Schlaufe ge­ bildet wird, die nach dem vollständigen Wickeln und dem Verbin­ den der verbleibenden Enden aufgetrennt wird, um so Spulenan­ fang und Spulenende zu bilden. Bei diesem Wickelverfahren wird davon ausgegangen, daß die Störwirkung im Bereich der Licht­ leitfaserenden am größten ist; die übrigen oben angesprochenen Probleme bei Lichtleitfaserspulen mit einer Vielzahl von Win­ dungslagen wird hier jedoch nicht angesprochen, so daß weiter­ hin thermische und mechanische Belastungen der Faserspule zu Fehlmessungen führen.

Aus der DE-OS 41 15 166 ist eine Faserspule mit vorzugsweise nur einer ein­ zigen Windungslage bekannt, die als Flachspule ausgebildet ist und in die ein vierarmiger Koppler integriert ist. Der vierar­ mige Koppler wird in eine Nut des Trägersubstrates eingelegt. Er weist zwei kurze Faserenden auf, die Ein- bzw. Ausgang der Faserspule bilden, sowie zwei weitere Faserenden, nämlich ein kürzeres und ein längeres Faserende, wobei aus dem längeren Fa­ serende im wesentlichen die Spule gewickelt wird. Das Wickeln erfolgt so, daß ein zylindrischer Wickelkörper auf die Oberflä­ che des Trägersubstrates aufgesetzt und an diese angedrückt wird. Dann wird eine Windungslage aus dem dritten kürzeren Fa­ serende und dem vierten längeren Faserende gewickelt, die an­ schließend miteinander verklebt werden. Die Flachspule wird z. B. durch einen Kleber auf dem Substrat fixiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wickeln von Faserspulen für optische Faserkreisel anzugeben, mit denen der Wickelvorgang so erfolgen kann, daß durch Spannungen hervorgerufene Doppelbrechungen in der Faser vermieden werden können und Faserabschnitte gleichen Abstandes von der Fasermitte möglichst direkt benachbart liegen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch einen Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.

Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, die Faser mittels eines sogenannten Träufelwickelverfahrens in einzelnen Lagen jeweils in einer horizontalen Ebene senkrecht zur späteren Spulenachse spannungsfrei abzulegen, wozu eine Wickelform verwendet wird, die ein nach oben offener Trog aus einem ringförmig verlaufenden U-Profil ist, auf dessen horizontalen Boden die erste Lage und darauf dann die folgenden Lagen von oben spannungsfrei "eingeträufelt" werden.

Um Überkreuzungen der von den beiden Vorratsspulen abwechselnd abgelegten Windungen zu vermeiden, wird von jeder Vorratsspule zumindest eine vollständige Lage abgelegt, bevor auf die nächste Vorratsspule gewechselt wird. Auch mit dieser werden dann immer vollständige Lagen in die Wickelform spannungsfrei eingeträufelt.

Es sind mehrere Möglichkeiten zum Wickeln der Faserspulen möglich. So kann zunächst von jeder Vorratsspule je eine Lage von innen nach außen in die Wickelform eingeträufelt werden, dann anschließend abwechselnd von außen nach innen und so fort, wobei die Wickelrichtungen der beiden Vorratsspulen jeweils entgegengesetzt sind.

Ferner ist es möglich, zunächst eine erste vollständige Lage von einer Vorratsspule von innen nach außen einzuträufeln und dann jeweils zwei Lagen abwechselnd von jeder Vorratsspule spannungsfrei in den Wickeltrog, wiederum mit entgegengesetzter Wickelrichtung, einzulegen.

Mit dem Wickelverfahren gemäß der Erfindung kann die Faserspule spannungsfrei in einzelnen Lagen auf gebaut werden, wobei diese Lagen jeweils in Ebenen senkrecht zur späteren Spulenachse verlaufen. Mit diesem Wickelverfahren kann auch die Forderung nach möglichst direkter Nachbarschaft von Faserabschnitten, die gleich weit von der Fasermitte entfernt sind, besser als bisher erfüllt werden.

Fertigungstechnisch stellt das Wickelverfahren kaum Probleme dar. Zur sauberen Ablage der Faser in der Wickelform kann eine Andrückeinrichtung mit z. B. einem Andrückfinger vorgesehen werden, so daß die einzelnen Windungen in einer Lage mit gegenseitiger Anlage abgelegt werden. Außerdem ist es zweckmäßig, insbesondere bei dem Wickeln von außen nach innen, die Windungen mit einem Fixiermittel untereinander zu fixieren, z. B. mit einem schnellhärtenden Kleber oder einem Heißwachs.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht einer Wickelvorrichtung zum Wickeln einer Faserspule für einen optischen Faserkreisel;

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Trog der Wickelvorrichtung mit einer nur teilweise dargestellten eingeträufelten Faser;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Hälfte des Troges der Wickelvorrichtung mit einer schematischen Darstellung des Wickelvorganges.

In Fig. 1 ist eine Wickelvorrichtung 1 dargestellt, die als Wickelkörper einen nach oben offenen Trog 2 aus einem kreisringförmigen U-Profil 3 aufweist. Die vertikale Trogachse ist mit Z bezeichnet, so daß der Boden 4 des Troges horizontal verläuft.

Zum Wickeln der Faserspule sind zwei Vorratsspulen 5 und 6 vorgesehen, auf die jeweils die halbe Länge einer Lichtleitfaser 7 aufgewickelt ist. Für die Vorratsspule 5 ist am Außenrand des Troges ein Haltezapfen 8 vorgesehen; ein ähnlicher Haltezapfen 9 für die Vorratsspule 6 ist in der Mitte des Troges koaxial zur Trogachse Z angeordnet.

Für die Vorratsspulen 5 und 6 ist eine Halte- und Führungseinrichtung 10 vorgesehen, mit denen die beiden Spulen ergriffen und koaxial zur Trogachse Z umlaufend geführt werden können, um damit die Lichtleitfaser 7 in den Trog 2 einzuträufeln. Die Halte- und Führungseinrichtung 10 weist ein zentrales Mittelstück 11 auf, welches höhenverstellbar ist und um die Trogachse Z gedreht werden kann. In dem Mittelstück 11 ist ein Tragbalken 12 verschiebbar gelagert, an dessen gekröpften freien Ende 13 eine Vorratsspule, in diesem Falle die Vorratsspule 5, befestigt werden kann. Mit dem Arm 12 ist noch eine Andrückeinrichtung 14 verbunden, die im wesentlichen aus einem nach unten führenden Stab 15 und einem an dessen Ende vorgesehenen Andrückfinger 16 besteht. In dem Stab 15 kann noch ein Kanal einer Dosiereinrichtung 17 integriert sein, der in der Nähe des Andrückfingers 16 in einer Auslaufdüse 18 endet.

Die Halte- und Führungseinrichtung 10 ist lediglich beispielhaft dargestellt; es ist selbstverständlich auch möglich, für jede Vorratsspule 5 oder 6 eine eigene Halte- und Führungseinrichtung zu verwenden bzw. die Vorratsspulen auf um den Trog umlaufenden Tischen anzuordnen, etc.

Zum Wickeln der Faserspule wird zunächst die zweite Vorratsspule 6, wie in Fig. 1 gezeigt, auf dem Haltezapfen 9 "geparkt". Mit der Halte- und Führungseinrichtung 10 wird die erste Vorratsspule 5 ergriffen. Die Lichtleitfaser 7 wird zunächst längs einer Nut 19 (Fig. 2, 3) in der Innenwand des Troges 2 bis auf dessen Boden geführt. Unter Verfahren des Mittelstückes 11 und des Tragbalkens 12 wird die Halte- und Führungseinrichtung 10 derart um die Trogachse Z gedreht, daß die Lichtleitfaser 7 in einer ersten Lage L1 von innen nach außen auf dem Boden 4 des Troges 2 abgelegt wird. Nach Wickeln der Lage L1 wird die Lichtleitfaser 7 längs einer­ entsprechenden vertikalen Nut 20 in der Außenwand des Troges 2 nach oben geführt, wonach die Vorratsspule 5 auf ihren Haltezapfen 8 gesetzt und dort geparkt wird.

Anschließend ergreift die Halte- und Führungseinrichtung 10 die zweite Vorratsspule 6 und führt diese entsprechend, so daß eine zweite Lage L2 auf der Lage L1 ebenfalls von innen nach außen abgelegt wird. Zum Veranschaulichen sind in der Fig. 3 jeweils die Lagen, die von der ersten Vorratsspule 5 abgezogen werden, in diesem Falle bisher nur die Lage L1, durchgezogen gezeichnet, wohingegen die von der zweiten Vorratsspule 6 abgelegten Lagen, in diesem Falle bisher nur die Lage L2, gestrichelt dargestellt sind. Anschließend an die Lage L2 wird weiter von der zweiten Vorratsspule eine neue Lage L3 von außen nach innen abgelegt, wonach anschließend die Lichtleitfaser über die Nut 19 herausgeführt und die Vorratsspule 6 wieder auf ihrem Haltezapfen 9 geparkt wird. Bei dem geschilderten Wickelvorgang kann mit Hilfe der Andrückeinrichtung 14 die Lichtleitfaser jeweils an die vorhergehende Windung leicht angedrückt werden, wobei insbesondere bei dem Wickeln von außen nach innen, d. h. in diesem Falle in der Lage L3, über die Dosiereinrichtung 17 und die Auslaufdüse 18 ein Fixiermittel, z. B. ein schnellhärtender Kleber oder ein Wachs in den Bereich der jeweiligen Kontaktstelle zwischen den Windungen eingebracht wird.

Auf die Lage L3 wird von der ersten Vorratsspule 5 die Lage L4 von außen nach innen eingeträufelt, wiederum unter Fixierung mit Hilfe des Fixiermittels, anschließend wird von der gleichen Vorratsspule die Lage L5 von innen nach außen eingelegt.

Dieses Wechselspiel, bei dem jeweils von jeder Vorratsspule zwei Lagen abgelegt werden, setzt sich fort, bis als letzte Lage L_n von der Vorratsspule 5 die Lichtleitfaser von außen nach innen abgelegt wird. Die beiden Enden der Lichtleitfaser liegen dann im Bereich der Innenwand des Troges. Die fertige Spule kann aus dem Trog entnommen und gegebenenfalls weiterverarbeitet werden.

Bei dem geschilderten Wickelverfahren haben die einzelnen Lagen stets die gleiche Länge, so daß die oben erwähnte Forderung nach benachbarter Lage von Faserabschnitten, die gleich weit von der Fasermitte entfernt sind, sehr gut erfüllt wird.

Damit die Faserspule insgesamt einen Halt hat, kann entweder während des Wickelns stets ein Fixiermittel über die Dosiereinrichtung 17 zugeführt werden; es ist jedoch auch möglich, nach Ablegen einer Lage auf diese z. B. einen Kleber aufzubringen und die Windungen der nächsten Lage in den Kleber abzulegen.

Die Anordnung der "Parkstellungen" der beiden Vorratsspulen ist beispielhaft. Es ist, wenn jeweils abwechselnd Lagen von den beiden Vorratsspulen in die Form eingelegt werden, möglich, lediglich eine Parkeinrichtung innen oder außen an der Wickelform anzuordnen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Wickeln von Faserspulen für optische Faserkreisel aus einer lichtleitenden Faser, die ausgehend von ihrer Mitte auf zwei Speicher, insbesondere zwei Vorratsspulen, aufgeteilt wird, so daß jeder Speicher die halbe Faserlänge enthält, wobei anschließend die Faser abwechselnd von den Speichern abgezogen und jeweils die von einem Speicher abgezogene Faser in Windungen derart abgelegt wird, daß jeweils zumindest eine vollständige Windungslage abgelegt wird und in den vollständig abgelegten Windungslagen Faserabschnitte der beiden Faserhälften, die gleich weit von der Fasermitte entfernt sind, benachbart liegen, dadurch gekennzeichnet, daß auf auf den horizontal angeordneten Boden (4) eines nach oben offenen Troges (2) aus einem ringförmig verlaufenden U-Profil zunächst die erste Windungslage (L1) und darauf dann die folgenden Windungslagen (L2 bis Ln) spannungsfrei und von jeweils gleicher Länge abgelegt werden, so daß die einzelnen Windungslagen (L1 bis Ln) jeweils in einer Ebene senkrecht zur vorgesehenen Spulenachse (Z) abgelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem einen Speicher (5) die Windungen in einer Windungslage im Uhrzeigersinn und von dem anderen Speicher (6) die Windungen im Gegenuhrzeigersinn abgelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst von dem ersten Speicher (5) eine Windungslage (L1) von innen nach außen abgelegt und der erste Speicher (5) dann geparkt wird, daß anschließend von dem zweiten Speicher (6) auf die erste Windungslage (L1) eine zweite Windungslage (L2) von innen nach außen und danach eine dritte Windungslage (L3) von außen nach innen abgelegt und der zweite Speicher (6) dann geparkt wird, daß anschließend von dem außen geparkten ersten Speicher (5) eine vierte Windungslage (L4) von außen nach innen und eine fünfte Windungslage (L5) von innen nach außen abgelegt und der erste Speicher (5) danach geparkt wird, wonach anschließend abwechselnd von den beiden Speichern jeweils im entsprechenden Sinne zwei Windungslagen abgelegt werden, und daß als Abschluß eine letzte Windungslage (Ln) von dem außen geparkten ersten Speicher (5) von außen nach innen abgelegt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen in den einzelnen Windungslagen (L1 bis Ln) zumindest teilweise untereinander fixiert werden.

5. Vorrichtung zum Wickeln von Faserspulen für optische Faserkreisel aus einer lichtleitenden Faser, mit zwei Speichern, insbesondere zwei Vorratsspulen, auf die die Faser ausgehend von ihrer Mitte aufgeteilt ist, so daß jeder Speicher die halbe Faserlänge enthält, und mit einer Wickelform, auf die die Faser in Windungslagen derart ablegbar ist, daß jeweils zumindest eine vollständige Windungslage abgelegt wird und in den vollständig abgelegten Windungslagen Faserabschnitte der beiden Faserhälften, die gleich weit von der Fasermitte entfernt sind, benachbart liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelform ein nach oben offener Trog (2) aus einem ringförmig verlaufenden U-Profil (3) ist, dessen Boden horizontal und in einer Ebene senkrecht zur vorgesehenen Spulenachse (Z) angeordnet ist, und daß eine Einrichtung (10) zum spannungsfreien Einträufeln der Faser in den Trog (2) in Windungslagen (L1 bis Ln) parallel zu dem Boden (4) des Troges (2) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (4) des Troges (2) längs eines Kreisringes verläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einträufeln der Faser in den Trog (2) eine Halte- und Führungseinrichtung (10) aufweist, mit der die Speicher (5, 6) koaxial um die Trogachse (Z) umlaufend geführt werden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Andrückeinrichtung (14) zum im wesentlichen spannungsfreien Andrücken des gerade abgelegten Faserstückes an die zuvor abgelegte Windung vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückeinrichtung (14) einen Andrückfinger (16) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dosiereinrichtung (17, 18) zum Dosieren eines Fixiermittels, vorzugsweise eines schnellhärtenden Klebers oder eines Heißwachses, zwischen das gerade abgelegte Faserstück und die zuvor abgelegte Windung vorgesehen ist.