JP2003524148A - 光学繊維ジャイロスコープ用の耐環境の過大消極体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学繊維ジャイロスコープ（１）用の環境に強い繊維消極体（１０）の設計が開示される。繊維消極体（１０）の設計は、ジャイロスコープの検出コイル（１００）の両末端で結合される、ほぼ時計方向の伝達脚（２０．１）及び反時計方向の伝達脚（２０．２）を含む。消極体の繊維脚（２０．１及び２０．２）は、回転不感応パターン（３２）と対称巻きパターン（３１）とに巻付けられる。更に熱変化に対する消極体の感度を減少するように繊維消極体の軸方向、放射方向及び埋め込まれる検出コイル（１００）の装着方法を開示する。ジャイロスコープ（１）の繊維消極体（１０）の設計への特別の注意が環境の変化の応力に対して強化された耐性を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明は光学繊維ジャイロスコープ構成の分野に係り、更に詳細には本発明は
回転方向への環境の諸状態の作用を緩和する光学繊維ジャイロスコープの消極体
の分野に関する。更に詳細には回転方向への環境の諸状態に対する作用を緩和す
るよう補助する無感知の回転巻線パターンに巻装する光学繊維ジャイロスコープ
の消極体の伝達脚の分野に関する。また本発明は検出コイルあるいは検出コイル
のハブに軸方向の周囲あるいは放射方向のいずれかに装着される光学繊維ジャイ
ロスコープの消極体マイクロコイル構造体の分野に関する。且つまた本発明は回
転検出コイル内に埋設する繊維消極体に関する。

【０００２】 （背景技術） 光学繊維ジャイロスコープは光学繊維ケーブルが巻線として巻装され、時計方
向および反時計方向に伝達される光波間に形成される位相差に応じた円形を測定
する。光波は時計方向に伝達する光路および反時計方向に伝達する光路を下方に
向けて光源から受け取られる。従って対向伝達光波は非連結され、光学検出器に
突き当てられ、光学検出器は結合された対向伝達波および対向の波間の異相の強
化に従って出力信号が発生される。この異相且つ円形速度は光学検出器の出力信
号から引き出される。

【０００３】 従ってあるジャイロスコープについては、両逆伝播光波がファイバケーブル周
囲の不等長を進行する時と、巻回コイルが創る開口に対して垂直にケーブルがそ
の軸について回転した時との二つの状況下で位相差が生じる。対称的に設計した
伝播経路を有する理想的なジャイロスコープでは、両逆伝播光波間の測定可能な
位相差は両逆伝播光波間の回転誘起移相と直接相当する。更には零回転は逆伝播
光波間の零移相に相当することになる。

【０００４】 現実のジャイロスコープは理想的ではない。ジャイロスコープはその角速度測
定の可能性にエラーを生じさせる非理想的な要素で構成される。更に最も原価効
率性のファイバジャイロスコープを使いたい時は、通常非回転誘起移相エラーを
ジャイロスコープの測定可能性にも引き入れ得る要素選択で妥協する。

【０００５】 二種の望ましくない移相エラーが、ジャイロスコープファイバの非理想的特性
まで追跡し得る。振幅型相エラーと強さ型相エラーは異なる偏向面からの光波要
素の混合まで追跡し得るが、光波は同一ファイバケーブルを透過する。これらの
相エラーはジャイロスコープのファイバコイルを構成するために単一モード型の
ファイバを使用した時は合成される。

【０００６】 単一モード型（ＳＭ）ファイバは偏光維持型（ＰＭ）ファイバより安価である
ため一般的に使用される。しかしながらＳＭファイバはファイバケーブル内で、
異なる偏光面内で同一の位相定数を有する一以上の光波の同時伝播を許すため、
ＳＭファイバは最良の選択ではない。ファイバが光波要素を分けたままにしてお
けないことは両方の型の移相エラーとなり得る。また仮に逆方向に伝播する光波
が再結合される時に整列していない場合、干渉パターンの大きさが逆伝播光波の
偏光面内の鋭角のコサインに従って変化する。更にはファイバケーブルの温度変
化あるいは振動応力のような環境変化への高い感度は、多重偏光面や不都合な移
相エラーの問題を増大させる。

【０００７】 不都合な非回転誘起移相エラーはジャイロスコープ方式に消極材を用いること
で減少あるいは除去し得る。ファイバケーブル内で光を減極することで、両逆伝
播光波は同一の光路に出会いやすくなる。消極材は各逆伝播光波の強さを、部分
光と全方向に均等に分布する分極面との集合内に分布させる。従って逆伝播光路
を進行する理想的に減極した光は、同時逆伝播波の干渉パターンが各同時逆伝播
波の分極面とは独立するため、分極面間の差あるいは不整合に従って変化するこ
とはない。

【０００８】 消極材の一形式であるリオットファイバ消極材はＰＭファイバのセグメントを
、次のＰＭファイバのセグメントの分極軸に対して４５度で整合した各ＰＭファ
イバセグメントの分極軸と結合したものでなる。加えて消極材セグメントの長さ
は一軸に沿って分極した光の伝播時間が、直角軸に沿って分極した光の伝播時間
に比して、そこを通って伝播する光の結合時よりも大となるようにする。しかし
ながら消極材は非回転誘起移相エラーを最小にし得たとしても、分極材は非回転
誘起移相エラーの源でもある。更にジャイロスコープが晒される環境の変化はし
ばしば消極材が関与する問題を増大させる。

【０００９】 特にリオットの消極材内の両伝播路の設計が正確な対称性になければ、環境変
化は予期し得ない影響を消極材に、結局はジャイロスコープの測定能力に与える
ことになる。従ってジャイロスコープの消極材の非対称性を最小にすることが望
まれる。

【００１０】 今日まで本発明に関連する技術は環境的に強い消極材の設計に必要な研究を行
っていない。特にファイバ消極材の環境変化に対する感度を下げようとする本発
明者が示唆する特定設計研究を関連技術は論議も提案もしていない。

【００１１】 例えばオオノ等の米国特許第５，１３６，６６７号、ニシウラ等の米国特許第
５，３７１，５９５号、ミュラー等の米国特許第５，３４７，３５４号、ネギシ
等の米国特許第５，２８５，２５７号、ニシウラの米国特許第５，５２６，１１
５号、カーシー等の米国特許第５，３１９，４４０号はいずれも光学繊維ジャイ
ロスコープでのファイバ消極材の使用を論議する。しかしながらいずれの特許も
単に関連技術では通常の消極材の使用を教示するものでしかない。更にこれらの
特許のいずれも環境変化の影響を軽減するファイバ消極材設計研究を特に開示す
るものではない。

【００１２】 最後にニシウラ等の米国特許第５，３３５，０６４号（以下ニシウラとする）
が新しい型の消極材の作り方を教示している。ニシウラは分極維持型のファイバ
セグメントを分極材のリード端に、分極材ファイバセグメントの長軸に対して４
５度の角度でのり付けする消極材の作り方を教示する。従ってニシウラは消極材
の作成に当たってＰＭファイバのーセグメントを削除する方法を教えるが、消極
材の対称性の改善あるいはファイバ消極材の影響を強めた環境鈍感性の必要性、
方法には教示も示唆もない。

【００１３】 （発明の開示） 本発明の目的は回転検出への温度変化と振動力の影響を軽減した光学ファイバ
ジャイロスコープを提供することにある。本発明の他の目的は回転検出に対する
温度変化を振動力の影響を軽減した光学ファイバジャイロスコープの消極材設計
を提供することにある。本発明の更に他の目的は回転検出への温度変化と振動力
の影響を軽減した光学ファイバジャイロスコープの単一モードファイバ消極材設
計の提供にある。

【００１４】 本発明の特徴と考えられる新規な特徴が添付の特許請求の範囲に特定して記載
される。しかしながらこの発明自体はその構成と動作のいずれも、他の目的並び
に利点と共に、本発明の望ましい実施形態の下記の説明を添付の図面と共に読め
ば最善に理解されよう。

【００１５】 （発明を実施するための最良の形態） 図１を参照するに光学繊維ジャイロスコープ１が示される。本発明においては
光学繊維ジャイロスコープ用の環境に強い繊維消極体１０を作成する構成並びに
方法である。好適な繊維消極体１０は実際上時計方向および反時計方向の同等の
繊維脚部２０．１，２０．２を備え、対称の巻線パターン３１に巻装され、回転
方向に無感知の消極体に繊維巻線パターン３０にされ、且つ自由なマイクロコイ
ル体５０のようにジャイロスコープの検出コイル１００の両端の末端に結合され
る。このとき繊維消極体１０の構成での詳細な留意は環境の諸状態の応力に対す
る対応力を増大するように設けられている。

【００１６】 繊維消極体１０の環境の諸状態の検知能力を最小限にする場合、消極体１０の
繊維脚部２０．１，２０．２の伝達する長さは多くは好ましくは同一の長さにさ
れる。更に繊維消極体１０を対称にし、この発明の繊維消極体１０は基本的なも
のであり、時計方向の伝達脚２０．１の消極体セグメントの少なくとも一を具備
し、且つ反時計方向の伝達脚２０．２の消極体セグメントの少なくとも一を具備
する。一方好ましくは各伝達脚２０．１および２０．２は図２に示されるように
消極体セグメントの少なくとも二つを有する。

【００１７】 概して繊維消極体セクション２０の更に別の特徴は、繊維消極体１０の伝達脚
２０．１および２０．２における繊維構成が適合されることにある。一般に繊維
消極体１０は極性維持（ＰＭ）の繊維セグメント、または極性維持（ＰＭ）と単
一モード（ＳＭ）繊維セグメントにより全体的に形成される。図２には時計方向
の伝達脚２０．１，ＡおよびＢ、反時計方向の伝達脚２０．２，Ａ‘およびＢ’
において２つのＰＭセグメントが示される。繊維消極体１０は全体的にＰＭセグ
メントが作成され、環境の諸状態に対する感知性が減少される伝達繊維脚２０．
１，２０．２における熱膨張特性２６が適合する。従って図２に示すようにセグ
メントＡおよびＢはセグメントＡ‘およびＢ’のように同一の繊維構成体２２を
有する。同一の繊維構成体２２は対応するセグメント、多くは大概ＰＭ繊維の同
一のタイプが用いられ、ＰＭ繊維には同一の繊維コーティングされ、同一長に設
けられる。

【００１８】 一方繊維消極体１０は合成体ＰＭとＳＭとで作成され、ＰＭ繊維長を用いる。
図３には合成された繊維消極体１０が示される。通常は合成された繊維消極体１
０においてＳＭ繊維の付加セグメントは時計方向の伝達脚２０．１の一端部また
は反時計方向の伝達脚２０．２の一端部のいずれかに結合される。繊維が埋設さ
れた消極体に対し時計方向の伝達脚２０．１におけるＰＭ繊維のセグメント用の
繊維構成体２２が反時計方向の伝達脚２０．２におけるＰＭ繊維の対応セグメン
トに作用するように設けられる。その後ＳＭ繊維は伝達脚２０．１または２０．
２の一が結合され、時計方向の伝達脚２０．１および２０．２の長さが適合され
る。更にＰＭ繊維およびＳＭ繊維は同一の繊維コーティング材料２５が施され、
環境の諸状態に有効に対抗する特性を有する。

【００１９】 図３において、セグメントＡ、Ｂは長さが個々においてあるいは集合的にもセ
グメントＡ’、Ｂ’と一致しないので、ＳＭファイバセグメントＣ’は反時計方
向伝播用の脚部２０．２に加算されて両方の脚部２０．１及び２０．２の長さが
等しくされる。この場合ＳＭセグメントＣ’はＰＭファイバセグメントＡ、Ｂ、
Ａ’、Ｂ’と同じファイバ被覆材料を有する必要があり、時計方向伝播用の脚部
２０．１が反時計方向伝播用の脚部２０．２の長さに実質的に等しいように個々
の長さを有する必要がある。

【００２０】 更にファイバ減偏光子１０が全部ＰＭセグメントからなるかあるいは混合ファ
イバ型の減偏光子１０であるかに関係なく、反時計方向伝播用の脚部２０．１、
２０．２の熱膨張特性の平衡が取れていることが望ましい。従って減偏光子脚部
２０．１、２０．２の熱膨張特性も平衡が取れていることも好ましい。反時計方
向伝播用の脚部２０．１、２０．２の熱膨張特性の平衡を取ると、減偏光子ファ
イバ脚部２０．１、２０．２が長いか同様ではないファイバから作られている場
合、環境変数に対する減偏光子１０の感度が最少にされる。ファイバコイル１０
０を接着するのに当業者には周知の包封材２１を用いて減偏光子ファイバ脚部２
０．１、２０．２を接着することもできる。更に包封は自立型マイクロコイル５
０の形態の減偏光子１０の脚部２０．１、２０．２のストーイング処理中に実行
可能である。

【００２１】 環境的に堅牢なファイバジャイロスコープ１の設計における別の要素はファイ
バジャイロスコープ１内へのファイバ減偏光子１０の装着法である。採用される
減偏光子装着法は検出コイル１００、コイルハブ５５及び独立搬送波５６に対し
一般に軸方向あるいはそれに対し半径方向である。更に詳しく説明するに、減偏
光子１０装着法は検出コイル１００に対し軸方向に接着される自立型マイクロコ
イル５０、コイルハブ５５に対し軸方向に接着される自立型マイクロコイル５０
、独立搬送波５６に対し軸方向に接着される自立型マイクロコイル５０、検出コ
イル１００に対し半径方向に接着される自立型マイクロコイル５０、独立搬送波
５６に対し半径方向に接着される自立型マイクロコイル５０である。更に、減偏
光子１０はまた検出コイル１００の最後の数層にあるいは検出コイル１００の埋
込み初期層に巻くことができる。図４〜図１１はそれぞれ開示した装着を示す。

【００２２】 図４〜図１１は検出コイル１００が回転感応方法で巻かれた、及びファイバ減
偏光子１０が回転不感応巻きパターン３２で巻かれたハブ５５を示す。軸方向装
着法を示すために使用された特定減偏光子１０巻きパターンは以下に更に説明す
るバイフィラ巻きパターンである。一方以下に説明する巻きパターンを集めたも
のもファイバ減偏光子１０を巻くために使用できる。これらのパターンは対称巻
きパターン３１である回転不感応巻きパターン３２である。包封を制御し環境変
数に対する耐性を増加するため、本発明の好ましい装着により、ファイバ減偏光
子脚部２０．１、２０．２がジャイロスコープ検出コイル１００と連結され、図
９に示すように脚部２０．１、２０．２が巻かれて半径方向に装着され独立搬送
波５０．６に接着された自立型マイクロコイルにされる。

【００２３】 回転感応するように巻かれた減偏光子マイクロコイル５０の機械的不整合はま
た静的及び環境的に変動するジャイロスコープ誤差の発生源となる。更にファイ
バ減偏光子１０は多くの場合特に環境変数を受ける光回路の領域に配置される。
従って、環境変数に対する感度をさらい減少するため、減偏光子ファイバ脚部２
０．１、２０．２を回転不感応の減偏光子ファイバ巻きパターン３２に巻くこと
が望ましい。

【００２４】 対向する減偏光子伝播脚部２０．１、２０．２を近接することにより、通路間
の環境勾配が最少にされ、環境不感応巻きパターン３２は減偏光子ファイバ脚部
２０．１、２０．２の好ましい巻きパターンである。回転不感応巻きパターン３
２に対し、ファイバ減偏光子１０の時計方向脚部２０．１と反時計方向脚部２０
．２間の領域が最少にされる。同じ方向で互いに接触して減偏光子１０の互いに
反対方向に伝播する脚部２０．１、２０．２により回転不感応巻きパターン３２
が得られる。換言するに、回転不感応巻きパターン３２はファイバ減偏光子１０
のマイクロコイル５０、ファイバ減偏光子１０の時計方向脚部２０．１及びファ
イバ減偏光子１０の反時計方向脚部２０．２上に長手に配置する。

【００２５】 図１２は回転不感応巻きパターン３２に巻かれた脚部２０．１、２０．２を有
するファイバ減偏光子１０のマイクロコイル５０の上面図であるあ。

【００２６】 環境変数に対する感度を更に最少にするため、減偏光子部２０を対称巻きパタ
ーン３２に巻くことも好ましい。対称巻きパターン３１は巻きパターンの幾何学
的中心から等距離に時計方向通路２０．１と反時計方向の通路２０．２のファイ
バ部を配置するパターンである。多くの別の対称巻きパターン３１が回転不感応
巻きパターン３２に製作可能である。例えば、２極３１．１、４極３１．２、８
極３１．３、間挿３１．４、及びバイフィラ３１．５は回転不感応巻きパターン
３２に巻かれることのできる対称巻きパターン３１である。図１３、図１４、図
１５、図１６及び図１７は回転不感応巻きパターン３２に巻くことのできる対称
巻きパターン３１を示す。

【００２７】 図１３に示す２極巻きパターン３１．１は時計方向に伝播する脚部２０．１の
巻き層と反時計方向に伝播する脚部２０．２をマイクロコイル５０のファイバを
経て交互にすることにより実行される。図１４の４極巻きパターン３１．２は反
時計方向に伝播する脚部２０．２を完全に１層巻きその後時計方向に伝播する脚
部２０．２を完全に２層巻きその後時計方向に伝播する脚部２０．２を完全に２
層巻きその後マイクロコイル５０の残りのファイバに対し上記パターンを反復す
ることにより実行される。図１５の８極巻きパターン３１．３はまず反時計方向
に伝播する脚部２０．１を完全に２層巻き、その後反時計方向に伝播する脚部２
０．２を完全に１層巻き、その後反時計方向に伝播する脚部２０．１を完全に１
層巻き、その後反時計方向に伝播する脚部２０．２を２層巻き、最後に時計方向
に伝播する脚部２０．１を一層巻きその後マイクロコイル５０の残りのファイバ
に対しパターンを反復することにより実行される。図１６に示す間挿３１．４の
巻きパターンはまず時計方向に伝播する脚部２０．１を１／２層巻き反時計方向
に伝播する脚部２０．２を１／２層まき、次に脚部２０．１、２０．２の両方の
混合層を巻き、その後マイクロコイル５０の残りのファイバに対しパターンを反
復することを特徴とする。図１７はバイフィラ巻きパターン３１．５を示す。バ
イフィラ巻きパターン３１．５はマイクロコイル５０のファイバ全体にわたり時
計方向脚部２０．１と反時計方向脚部２０．２を巻きを交互にすることを特徴と
する。環境変数に対する耐性を最大にするため、ファイバ減偏光子１０の好まし
い巻きパターンは回転不感応巻きパターン３２に巻かれた間挿パターン３１．４
である。

【００２８】 ジャイロスコープ１のファイバコイル１００は回転に感応するように巻かれる
ので、検出コイル１００の脚部がファイバ減偏光子１０の脚部２０．１、２０．
２に対し連結された後回転不感応パターン３２に変換する必要がある。従って、
ファイバ減偏光子１０の時計方向に伝播する脚部２０．１あるいは反時計方向に
伝播する脚部２０．２を再度配向し脚部２０．１、２０．２の両方のファイバの
端部を同様に配向し終らせる必要がある。好ましくは、時計方向に伝播する脚部
２０．１あるいは反時計方向に伝播する脚部２０．２からファイバを再度配向す
る方法はファイバの一方をファイバマイクロコイル構造体５０上にＵ字形態に包
封することである。その後、両脚部２０．１、２０．２のファイバは同じ方向に
向けられ回転不感応巻きパターン３２が実行できる。

【００２９】 上記説明は上記実施形態について直接説明したが、当業者はここに示し説明し
た特定実施形態の変更物及び／あるいは変化物を考えることができることは理解
されよう。このような変化物は同様に本発明の範囲に含まれる。ここでの説明は
図示の目的だけであり本発明を制限するものではないことは理解されよう。むし
ろここに説明した本発明の範囲は添付の請求項のみにより制限される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は繊維ジャイロスコープのブロックダイアグラムである。

【図２】 図２は多岐偏光持続セグメントの繊維消極体の簡略図である。

【図３】 図３は繊維消極体の伝達路の一に連結される単一モード型繊維の付加的セグメ
ントを具備する繊維消極体の簡略図である。

【図４】 図４は無感知の回転巻線パターンが巻装され且つ繊維ジャイロスコープの検出
コイルに直接結合された繊維消極体が巻装された軸方向に二本巻きで装着された
簡略図である。

【図５】 図５は無感知の回転巻線パターンが巻装され且つ繊維ジャイロスコープの検出
コイルがハブに直接結合された繊維消極体が巻装された軸方向に二本巻きで装着
された簡略図である。

【図６】 図６は無感知の回転巻線パターンが巻装され且つ繊維ジャイロスコープの検出
コイルがハブに直接結合されると共に独立した支承体に接合された繊維消極体が
巻装された軸方向に二本巻きで装着された簡略図である。

【図７】 図７は無感知のか移転巻線パターンが巻装され且つ繊維ジャイロスコープの検
知コイルに直接結合された繊維消極体が巻装された軸方向に二本巻きで装着され
る簡略図である。

【図８】 図８は無感知の回転巻線パターンが巻装され且つ繊維ジャイロスコープの検出
コイルに直接結合された繊維消極体が巻装された軸方向二本巻きで装着される簡
略図である。

【図９】 図９は無感知の回転巻線パターンが巻装され且つ繊維ジャイロスコープの検出
コイルがハブに直接結合されると共に、独立した支承体に接合された繊維消極体
が巻装された軸方向に二本巻きで装着される簡略図である。

【図１０】 図１０は繊維ジャイロスコープの検出コイルに結合され、検出コイルの少なく
とも数層に巻装される繊維消極体が巻装された軸方向に二本巻きまで装着される
簡略図である。

【図１１】 図１１は繊維ジャイロスコープの検出コイルに結合され、検出コイルの最初の
層に埋設された繊維消極体が巻装された軸方向に二本巻ききで装着される簡略図
である。

【図１２】 図１２は無感知の回転消極体の繊維巻回パターンの簡略図である。

【図１３】 図１３は繊維消極体の無偏光巻線パターンの簡略図である。

【図１４】 図１４は繊維消極体の極子巻線パターンの簡略図である。

【図１５】 図１５は繊維消極体の８極子巻線パターンの簡略図である。

【図１６】 図１６は繊維消極体のインタ・リーヴ巻線の簡略図である。

【図１７】 図１７は繊維消極体の二本巻線パターンの簡略図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランジ，チヤールズ エイチ． アメリカ合衆国 アリゾナ州 85310，グ レンデイル，ダブリユウ．アラメダ ロー ド 4611 (72)発明者 サマーズ，エドワード アメリカ合衆国 アリゾナ州 85310，グ レンデイル，ダブリユウ．ロビン レイン 6043 Ｆターム(参考） 2F105 BB09 BB20 DD01 DE01 DE03 DE21 DE26 DE27 DE28 DE30 2H038 AA03 AA06 CA35

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 時計方向に延びる伝達脚および反時計方向に延びる伝達脚を
   備え、前記伝達脚には無感知の回転巻線パターンで巻装され且つジャイロスコー
   プ検出巻線の両端部が末端連結され、環境の多様の有効性を緩和する光学繊維ジ
   ャイロスコープ用の消極体。
2. 【請求項２】 時計方向に延びる伝達脚と、反時計方向に延びるジャイロス
   コープ検出巻線の両端部が末端連結された伝達脚と、無感知の回転巻線パターン
   で巻かれた巻線と、ジャイロスコープ検出巻線の回転検出軸に軸方向に装着され
   たマイクロ巻線構造体とを備える光学的消極体。
3. 【請求項３】 時計方向に延びる伝達脚と、反時計方向に延びるジャイロス
   コープ検出巻線の両端部が末端連結される伝達脚と、無感知の回転巻線パターン
   で巻かれた巻線と、ジャイロスコープ検出巻線の回転検出軸に軸方向に装着され
   たマイクロ巻線構造体とを備え、環境の多様性における有効性を緩和する光学繊
   維の消極体。