DE69207087T2

DE69207087T2 - Lichtleitfaserwickeleinheit für einen optischen Faserkreisel

Info

Publication number: DE69207087T2
Application number: DE69207087T
Authority: DE
Inventors: Ryuji Usui
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 1991-07-01
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2012-06-27
Also published as: US5245687A; EP0521400A3; DE69207087D1; JP2514483B2; JPH0511121A; EP0521400B1; EP0521400A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lichtwellenleiterspuleneinheit mit einem auf einen Spulenkörper gewickelten Lichtwellenleiter zur Verwendung beispielsweise in einem Lichtwellenleitersensor eines faseroptischen Gyroskops.
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Lichtwellenleiterspuleneinheit zur Verwendung in einem faseroptischen Gyroskop. Wie dargestellt, weist die herkömmliche Lichtwellenleitereinheit eine Lichtwellenleiterspule 12 auf, die auf einen zylindrischen Spulenkörper 11 gewickelt ist, welcher auf einer flachen Trägerplatte 13 montiert ist. Wenn eine Drehwinkelgeschwindigkeit an die Lichtwellenleiterspule 12 angelegt wird, die von Uhrzeigersinn- und Gegenuhrzeigersinnlichtstrahlen durchlaufen wird, tritt eine Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen auf. Durch elektrische Erfassung der Phasendifferenz wird die angelegte Winkelgeschwindigkeit gemessen.
Es ist im Stand der Technik bekannt, daß, wenn ein Sensorteil (eine Lichtwellenleiterspule) eines Gyroskops, das von einer ringförmigen Lichtwellenleiterspule Gebrauch macht, einer ungleichförmigen Temperaturänderung unterliegt, eine Phasendifferenz zwischen dem Uhrzeigersinnund dem Gegenuhrzeigersinnlichtstrahl hervorgerufen wird, die sich durch den Lichtwellenleiter des Sensorteils ausbreiten, was eine Drift im Ausgangssignal des Gyroskops zur Folge hat. Als eine Lösung dieses Problems ist in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 80581/89 ein Aufbau vorgeschlagen worden, bei dem beide Endteile eines um einen Spulenkörper gewickelten Lichtwellenleiters nebeneinander angeordnet sind, so daß sie gleichermaßen von Wärme beeinflußt werden.
Da jedoch bei einem solchen Aufbau jeweiligen Lagen der Spule abwechselnd gewickelt werden, überkreuzt der Windungsendteil der Lichtwellenleiterlage die darunterliegende Lichtwellenleiterlage, und in dem Lichtwellenleiter wird an dem Überkreuzungsabschnitt eine Spannung hervorgerufen, so daß folglich eine erhebliche Umgebungstemperaturänderung eine merkliche Änderung in der Lichtausbreitungscharakteristik des spannungsbehafteten Abschnitts verursachen wird. Dies führt zu einer erheblichen Drift im Ausgangssignal des Gyroskops. Ferner, selbst wenn der Lichtwellenleiter in einer symmetrischen Konfiguration mit seinen beiden Enden nebeneinanderliegend gewickelt wird, tritt infolge der Wärmeleitfähigkeit des Lichtwellenleiters selbst eine Zeitverzögerung in der Wärmeleitung auf, bis symmetrische Abschnitte des Wellenleiters (der Faser) die gleiche Temperatur erreichen, und in dieser Verzögerungszeit wird ein Unterschied zwischen den Ausbreitungscharakteristiken für den Uhrzeigersinn- und den Gegenuhrzeigersinnlichtstrahl hervorgerufen, was zu einer Drift im Ausgangssignal des Gyroskops führt.
Somit können selbst diese verschiedenen Lichtwellenleiterwicklungsarten die Drift im Ausgangssignal des Gyroskops, die von einer Temperaturänderung herrührt, nicht zufriedenstellend verringern. Vom Standpunkt aus, die Temperaturänderung über den gesamten Lichtwellenleiter gleichförmig zu machen, war es üblich, den Spulenkörper 11 aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Aluminium (Al) herzustellen, so daß die Lichtwellenleiterspule 12 einer möglichst gleichförmigen Temperatur über ihre gesamte Länge ausgesetzt wird, jedoch schlug auch dieser Versuch insoweit fehl, als es darum geht, die Drift im Ausgangssignal des Gyroskops infolge einer Umgebungstemperaturänderung zu verringern.
Eine Lichtwellenleiterspuleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in dem Dokument JP-A-2-00671 2 offenbart. Bei diesem Stand der Technik wird eine Faserspule von einem ringförmigen Spulenkörper getragen, der zwischen einer Grundplatte und einer Montageplatte angeordnet ist. Die Grundplatte, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, trennt zwei zylindrische Gehäuse, die ebenfalls gute Wärmeleitfähigkeit besitzen. Ein lichtemittierendes Element, bei dem es sich um die Hauptwärmequelle in dem Gehäuse 52 handelt, ist direkt auf der Grundplatte montiert, um die Wärme über die Grundplatte abzustrahlen. In demselben Gehäuse ist der Faserspulenkörper mit einem wärmeisolierenden Material wie etwa Schwamm oder Gummi bedeckt und zwischen der Grundplatte und der Montageplatte fixiert.
Das Dokument JP-A-63-134913 offenbart eine Lichtwellenleiterspule, die von wärmeisolierendem Material umgeben ist, das in einer umschlossenen Kammer einer Heliumgasatmosphäre enthalten ist. Das wärmebeständige Isoliermaterial weist eine moderate Elastizität zum Schutz der Spule vor externen Kräften auf.
Das Dokument EP-A-0 383 231 offenbart eine Lichtwellenleiterspuleneinheit für ein faseroptisches Gyroskop, bei der eine Lichtwellenleiterspule in Lagen um den Umfang eines scheibenförmigen Trägeraufbaus nahe dessen einer Seite gewickelt ist, und eine Lichtquelle, ein Fotodetektor und ein integriertes optisches Schaltungssubstrat sind auf dem Trägeraufbau innerhalb der Lichtweilenleiterspule montiert. Das integrierte optische Schaltungssubstrat ist über eine Versteifungsplatte an dem Trägeraufbau montiert, wobei die Versteifungsplatte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahezu gleich demjenigen des integrierten optischen Schaltungssubstrats aufweist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtwellenleiterspuleneinheit zu schaffen, die nicht die oben erwähnten Mängel des Standes der Technik besitzt und die Drift im Ausgangssignal des Gyroskops durch eine Temperaturänderung, wenn die Spuleneinheit in einem faseroptischen Gyroskop verwendet wird, niedrig hält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Lichtwellenleiterspuleneinheit für ein faseroptisches Gyroskop: einen zylindrischen Spulenkörper aus einem Material, dessen Wärmeleitfähigkeit nahezu gleich oder niedriger als die des Lichtwellenleiters der Lichtwellenleiterspule ist, wobei der Spulenkörper an seinen beiden Enden Flansche aufweist; die Lichtwellenleiterspule, die um den Spulenkörper zwischen den Flanschen gewickelt ist; und eine ringförmiges Element, mit dem der von dem Flanschen gebildete Gehäuseabschnitt der Lichtwellenleiterspule von dessen Außenseite her zur Bildung eines ringförmigen Gehäuses abgedeckt ist, wobei das ringförmige Element aus einem Material besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit nahezu gleich oder geringer ist als die des Lichtwellenleiters.
Bei diesem Aufbau ist die gesamte Lichtwellenleiterspule mit einem Material niedriger Wärmeleit fähigkeit bedeckt, und folglich kann die Drift im Ausgangssignal des Gyroskops durch den Einfluß einer Umgebungstemperaturänderung wirksam unterdrückt werden.
Es ist auch möglich, eine Konstruktion einzusetzen, bei der das ringförmige Gehäuse auf einer Tragplatte montiert ist, und zwar mittels eines Schenkels, dessen radiale Querschnittsfläche kleiner als die Fläche eines Endes des Flansches ist, der das ringförmige Gehäuse bildet, oder die Fläche der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Elements, um die Wärmemenge von der Tragplatte zu dem ringförmigen Gehäuse niedrig zu halten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die eine herkömmliche Lichtwellenleiterspuleneinheit zeigt;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine erste Ausführungsform der Lichtwellenleiterspuleneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, die Temperaturänderungen an drei Punkten des Spulenkörpers zeigt, wenn eine Temperaturänderung in der Tragplatte auftritt;
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die eine Änderung des Ausgangssignals des Gyroskops zeigt, wenn eine Temperaturänderung in der Tragplatte für einen keramischen Spulenkörper erfolgte;
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung, die eine Änderung des Ausgangssignals des Gyroskops zeigt, wenn eine Temperaturänderung in der Tragplatte für einen Aluminiumspulenkörper erfolgte;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
Fig. 7 ist eine Schnittansicht, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Lichtwellenleiterspuleneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Bezugszahl 13 bezeichnet eine Tragplatte, etwa aus Aluminium (Al), auf der ein ringförmiges Gehäuse 14 fest montiert ist, innerhalb dessen die Lichtwellenleiterspule 1 2 untergebracht ist. Das ringförmige Gehäuse 14 wird von einem zylindrischen Spulenkörper 11 aus einem Material niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Keramik, und einem keramischen ringförmigen Element 15 gebildet, welches einen Gehäuseabschnitt 11C bedeckt, der von den Spulenkörper 11 bildenden Flanschen 11B definiert wird. Die Lichtwellenleiterspule 12 ist in dem ringförmigen Gehäuse 14 zur Bildung der Lichtwellenleitereinheit untergebracht. Bevorzugterweise ist die Wärmeleitfähigkeit des Spulen körpers 11 und des ringförmigen Elements 15 etwa gleich oder niedriger als die Wärmeleitfähigkeit der Lichtwellenleiterspule 12. Wenn die Lichtwellenleiterspule 12 beispielsweise aus einer Quarzfaser gebildet wird, deren Wärmeleitfähigkeit 3,5 x 10&supmin;&sup4; cal/mm sec ºC beträgt, sind der Spulenkörper 11 und das ringförmige Element 15 aus Keramik gebildet, das eine Wärmeleitfähigkeit nahezu gleich oder niedriger als die Quarzfaser besitzt. Es ist auch möglich, Polyamidharz (Wärmeleitfähigkeit 3,6 x 10&supmin;&sup5; cal/mm sec ºC) oder einige andere Kunstharze für den Spulenkörper 11 und das ringförmige Element 15 zu verwenden. Der Spulenkörper 11 und das ringförmige Element 15 brauchen nicht immer aus demselben Material zu bestehen.
In Fig. 3 sind mit C1, C2 und C3 errechnete Werte von Temperaturänderungen an drei Punkten P1, P2 und P3 an dem Spulen körper 11 gezeigt, der aus Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit von 5 x 10&supmin;&sup4; cal/mm sec ºC besteht, und zwar für den Fall, daß die Temperatur der aus Aluminium (Al) bestehenden Tragplatte 13 erhöht wird und das ringförmige Element bei der Ausfüh rungsform von Fig. 2 abgenommen ist. Zu Vergleichszwecken sind mit A1, A2 und A3 Temperaturänderungen an denselben Positionen des herkömmlichen Spulenkörpers 11, der aus Aluminium besteht (Wärmeleitfähigkeit: 4 x 10&supmin;² cal/mm sec ºC), dargestellt. Die axiale Länge, der Außendurchmesser und die Wanddicke des zylindrischen Abschnitts des Spulenkörpers 11 betragen 30 mm, 50 mm bzw. 2,5 mm, und der Außendurchmesser und die Dicke des Flansches 11B betragen 70 mm bzw. 1,5 mm. Die Aluminiumtragplatte 13 ist eine quadratische Platte von 75 x 75 mm und 6 mm Dicke.
In Fig. 4 sind mit VC Meßwerte der Ausgangsspannung eines faseroptischen Gyroskops dargestellt, in das die Lichtwellenleitereinheit der Ausführungsform von Fig. 2 eingebaut ist, und zwar für den Fall, daß die Aluminiumtragplatte 13 gemäß Darstellung durch T0 erwärmt und dann abgekühlt wurde, wobei das ringförmige Element 15 entfernt war. Die Lichtwellenleiterspuleneinheit wurde in diesem Fall keiner Winkelgeschwindigkeit ausgesetzt. Fig. 5 zeigt in ähnlicher Weise das Ausgangssignal VA des Gyroskops und die Temperatur To der Trag platte 13 für den Fall des Spulenkörpers 11 aus Aluminium (Al). In beiden Fällen wurde die Temperatur T0 der Tragplatte von 25ºC auf 60ºC angehoben und dann wieder auf 25ºC abgesenkt.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, folgen, wenn eine Temperaturänderung im Spulenkörper 11 von der Seite der Tragplatte 13 her bewirkt wird, die Temperaturänderungen A1, A2 und A3 in dem Aluminiumspulenkörper der Temperaturänderung T0 in der Tragplatte 13 in einer kurzen Zeit, und die Temperatur des Spulenkörpers ändert sich im wesentlichen gleichförmig über denselben, während hingegen die Temperaturänderung in dem Keramikspulenkörper der Temperaturänderung der Tragplatte sehr langsam folgt. Wie in Fig. 4 gezeigt, waren daher die Drifterscheinungen im Ausgangssignal des Gyroskops nicht mehr als 5,25 und 2,25 µV, wenn die Temperatur der Tragplatte 13 erhöht bzw. abgesenkt wurde.
Im Fall des Aluminiumspulenkörpers überträgt sich die Temperaturänderung der Tragplatte 13 in kurzer Zeit auf die äußerste Lage der Lichtwellenleiterspule 12. Da jedoch die Wärmeleitfähigkeit der Lichtwellenleiterspule 12 selbst in der Größenordnung von 10&supmin;&sup4; cal/mm sec ºC, also sehr viel niedriger liegt als die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium (Al), folgt die Temperatur des Lichtwellenleiters, der von der Kontaktfläche des Spulenkörpers 11 mit der Lichtwellenleiterspule 12 entfernt liegt, der Temperaturänderung sehr verzögert, was zu einer ungleichförmigen Temperaturverteilung in dem die einzelnen Lagen aufweisenden Block der Lichtwellenleiterspule 12 führt. Wie Fig. 5 zeigt, entstand dementsprechend eine Drift von bis zu 9,35 µV in dem Ausgangssignal des Gyroskops, wenn die Temperatur erhöht bzw. erniedrigt wurde.
Aus dem obigen ergibt sich, daß es zur Verringerung der Drift wirkungsvoll ist, ein Material niedriger Wärmeleitfähigkeit für den Spulenkörper 11 zu verwenden, der die Lichtwellenleiterspule 12 umgibt, um dadurch die Übertragung der Temperaturänderung auf die Lichtwellenleiterspule 12 durch den Spulenkörper 11 möglichst stark zu verzögern. In diesem Sinne, ist bei solch einer Konstruktion, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, wo der Gehäuseabschnitt 11C mit dem ringförmigen Element 15 an der Außenseite der Lichtwellenleiterspule 12 zur Bildung des ringförmigen Gehäuses 14 bedeckt ist, die Lichtwellenleiterspule 12 nicht direkt einer Änderung der Umgebungstemperatur ausgesetzt, und folglich kann die Ausgangssignaldrift des faseroptischen Gyroskops auf einen beträchtlich kleinen Wert reduziert werden. Das heißt, selbst wenn eine Temperaturänderung der Lichtwellenleitereinheit dreidimensional in jeder Richtung erfolgt, kann die Ausgangsignaldriftkomponente des faseroptischen Gyroskops mit der darin eingebauten Lichtwellenleitereinheit so unterdrückt werden, daß sie sehr gering ist, weil die Temperaturänderung allmählich in das ringförmige Gehäuse 14 übertragen wird.
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Lichtwellenleiterspuleneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der das ringförmige Element 15 im wesentlichen in seiner Mitte in seiner Axialrichtung einen Schenkel 16 aufweist, der im Querschnitt wie ein umgedrehtes L ausgebildet ist. Das untere Ende des Schenkels 16 erstreckt sich über die untere Stirnfläche des Spulen körpers 11 hinaus nach unten und ist an der Tragplatte 13 fixiert, womit ein Zwischenraum zwischen der Oberseite der Tragplatte 13 und der unteren Stirnfläche des Spulen körpers 11 gebildet wird. Das ringförmige Element 15 und der Schenkel 16 sind als einheitliche Struktur unter Verwendung von Keramik oder Kunstharz ausgebildet, dessen Wärmeleitfähigkeit nahezu gleich oder geringer ist als die der Lichtwellenleiterspule 12. Die Querschnittsfläche des Schenkels 16 in seiner Radialrichtung ist kleiner gewählt als die äußere Umfangsfläche des ringförmigen Elements 15, damit die Wärmeleitung von dort zur Tragplatte 13 reduziert wird. Die Konstruktion des Spulenkörpers 11 mit der darauf gewickelten Lichtwellenleiterspule 12 ist die gleiche wie bei der Ausführungsform von Fig. 2.
Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein ringförmiger Schenkel eines Durchmessers kleiner als der des Flansches 11B zwischen die untere Stirnfläche des Flansches 11B und die Oberseite der Tragplatte 13 gesetzt ist. Der Schenkel 16 kann als einheitliche Struktur mit dem Spulen körper 11, kann aber auch aus einem Material niedriger Wärmeleitfähigkeit gesondert von dem letzteren ausgebildet werden. Die Querschnittsfläche des Schenkels 16 in seiner Radialrichtung ist kleiner gewählt als die untere Stirnfläche des Flansches 11B, damit die Wärmeleitung dorthin von der Tragplatte 13 reduziert wird. Diese Ausführungsform ist mit Ausnahme des obigen identisch aufgebaut wie die von Fig. 2.
Bei den obigen Ausführungsformen kann die in dem ringförmigen Gehäuse 14 untergebrachte Lichtwellenleiterspule 12 einen Lagenspulenaufbau aufweisen, bei dem ein Lichtwellenleiter einfach in Lagen gewickelt ist, oder einen Aufbau, bei dem ein Lichtwellenleiter mit beiden Enden nebeneinanderliegend gewickelt ist, so wie es in der zuvor erwähnten offengelegten Japanischen Patentanmeldung offenbart ist. Die Tragplatte 13 kann aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit wie etwa Aluminium oder einem Material niedriger Wärmeleitfähigkeit wie etwa Keramik oder Kunstharz bestehen.
Wie oben beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Lichtwellenleiterspule 12 in dem ringförmigen Gehäuse 14 aus einem Material schlechter Wärmeisolierung untergebracht, weshalb, selbst wenn Umgebungstemperaturänderungen abrupt auftreten, die zur Lichtwellenleiterspule 12 übertragenen Temperaturänderung so allmählich ist, daß die Drift im Ausgangssignal des faseroptischen Gyroskops klein gehalten werden kann.
Es ist ersichtlich, daß viele Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen des neuen Konzepts der vorliegenden Erfindung, so wie sie beansprucht wird, zu verlassen.

Claims

-7-

1. Lichtwellenleiterspuleneinheit für ein faseroptisches Gyroskop, umfassend:

eine Lichtwellenleiterspule (12), und

einen Spulenkörper (11), auf den die Lichtwellenleiterspule in einem Gehäuseabschnitt (11C) gewickelt ist, der von an den entgegengesetzten Enden des Spulenkörpers ausgebildeten Flanschen (11B) definiert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (11) aus einem Material besteht, das eine Wärmeleitfähigkeit nahezu gleich oder geringer als diejenige eines Lichtwellenleiters der Lichtwellenleiterspule (12) aufweist, und

ein ringförmiges Element (15) den Gehäuseabschnitt zwischen den Flanschen an der Außenseite des Gehäuseabschnitts zur Bildung eines ringförmigen Gehäuses (14) abdeckt, wobei

das ringförmige Element (15) aus einem Material besteht, das eine Wärmeleitfähigkeit nahezu gleich oder niedriger als die des Lichtwellenleiters aufweist.

2. Lichtwellenleiterspuleneinheit nach Anspruch 1, bei der die Stirnfläche einer der Flansche (11B) an einer Tragplatte (13) fixiert ist.

3. Lichtwellenleiterspuleneinheit nach Anspruch 1, ferner umfassend Schenkelmittel (16), die sich von der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Elements (15) erstrecken und über die Stirnfläche des einen Flansches (11B) in Axialrichtung des Spulenkörpers (11) hinausragen, und eine Tragplatte (13), die in einem Abstand von der Stirnfläche des einen Flansches angeordnet ist und an welcher der Endabschnitt der Schenkelmittel fixiert ist, wobei die Schenkelmittel eine thermische Leitfähigkeit aufweisen, die nahezu gleich oder niedriger als die des Lichtwellenleiters ist, und die Querschnittsfläche der Schenkelmittel in deren Radialrichtung kleiner ist als die äußere Oberfläche des ringförmigen Elements.

4. Lichtwellenleiterspuleneinheit nach Anspruch 1, ferner umfassend Schenkelmittel (16), die in Kontakt mit der Stirnfläche eines der Flansche (11B) ausgebildet sind und einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als die Flansche ist, und eine Tragplatte (13), die dem einen Flansch mit den Schenkelmitteln dazwischenliegend gegenüberliegt, wobei die Schenkelmittel eine thermische Leitfähigkeit nahezu gleich oder niedriger als die des Lichtwellenleiters aufweisen und die Querschnittsfläche der Schenkelmittel in deren Radialrichtung kleiner ist als die Fläche der Stirnfläche des einen Flansches.

5. Lichtwellenleiterspuleneinheit nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der der Spulenkörper (11) unter Verwendung von Keramik als einheitliche Struktur mit den Flanschen (11B) ausgebildet ist.