JP2009134268A - 光ファイバーコイルのための八重極巻線パターン - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバーコイルに関して相当量の光学的対称性を提供するように配置される、光ファイバーコイルを巻くための八重極パターを提供すること。
【解決手段】光ファイバーコイルを巻くための八重極巻線パターンは、それぞれの層の残りの部分の相当な部分とは逆の方向に形成される端部光ファイバーコイル直径を有する８層巻線パターンの少なくとも２つの層を含む。選択的に配置される八重極巻線パターンは、光ファイバージャイロスコープで使用されてもよい。光ファイバーコイルが巻かれるスプールは、取り外し可能であってもよい。好ましくは、八重極巻線パターンは有利には、光ファイバーコイルの巻線中心線に関して相当量の光学的対称性を提供するように配置される。加えて、八重極巻線パターンは、相当量の幾何学的、機械的、および熱的対称性を提供する。
【選択図】図３

Description

政府の権益
米国政府は、米国空軍によって発行された契約番号ＦＡ９４５３−０６−Ｃ−００９７に従って、本発明におけるある権益を取得した。

干渉型光ファイバージャイロスコープは典型的には、光がコイルを通って案内されて、サニャック効果を示すように、通常の八重極パターンで形成される単一モードの連続的な光ファイバーコイルを含む。光ファイバーコイルを巻くための通常の八重極パターンは、そのパターンが８層ごとに繰り返し現れる巻線パターンであると理解される。通常の八重極巻線パターンは、一般にジャイロスコープの分野で知られており、さらにパターンの様々な領域において光ファイバーコイルに少なくともいくらかの量の応力を加えることが知られている。

サニャック効果は一般に、反対方向に伝播する２つの光線、即ち１つが時計回り（ＣＷ）に進み、もう１つが反時計回り（ＣＣＷ）に進み、両方とも同じ光源から生成される光線が、同じ閉じた経路に沿って干渉計内部を伝播するときのものであると理解される。干渉計の出力においては、ＣＷおよびＣＣＷの光線は干渉して、もし回転速度が光線の経路面に垂直な軸に沿って印加されるならば偏移する縞パターンを生成する。したがって、ＣＷおよびＣＣＷの光線は、光ファイバージャイロスコープの回転速度に比例する相対位相差を経験する。そして、光ファイバージャイロスコープは一般に、それが設置される乗り物（例えば、航空機、ヘリコプタ、宇宙、または他の同様の乗り物）と同じ基準座標系に固定されるから、ＣＷおよびＣＣＷの光線の相対位相差はまた、乗り物の回転速度にも比例する。

光ファイバージャイロスコープで使用される光ファイバーは典型的には、内部全反射を通じて光伝播を支援する、細く、長い円筒構造である。一般に、光ファイバーは、プラスチックのような他の材料がときには使用されるけれども、典型的にはシリカガラスで作られる内部コアおよび外部クラッドから成る。

光ファイバージャイロスコープの精度は、光ファイバーコイル内の環境誘発要因によって影響されるかもしれず、一般に、光ファイバーコイルの所望の光学的、機械的、幾何学的および／または熱的対称性に関連する非対称性によって明らかにされるかもしれない。これらの要因および非対称性は、他のものと同様、屈折率変化を引き起こすかもしれず、それ故に反対方向に伝播する波に影響するかもしれない。その結果、環境誘発要因および／または非対称性の１つの結果は、光ファイバージャイロスコープの感知される回転を不正確に模倣する差動位相偏移が生じるだろうということである。さらに、幾何学的非対称性、機械的および／または熱的誘発応力が、光ファイバーコイルの長さに関する光学的非対称性に対応するまたはそれを生成するかもしれないことが理解される。

光ファイバーコイルを通常の八重極パターンで巻くとき、光ファイバーコイルの全直径を、形成される層の端部分と光ファイバーコイルが形成されているスプールのフランジとの間に位置する半直径空間内に押し込むまたは促す必要性が、毎８層内で少なくとも一度は生じる。通常の八重極パターンの１つの欠点は、光ファイバーコイルの全直径を半直径空間内に促すことが、巻かれた光ファイバーコイル内にこぶまたは出っ張りが生じる原因となるかもしれないことである。それに対応して、こぶまたは出っ張りは、しばしば幾何学的および機械的の両方の非対称性をもたらすかもしれず、それらは光ファイバージャイロスコープの性能および／または精度を低減するかもしれない。

少なくとも一実施形態による本発明は一般に、光ファイバーコイルを巻くための八重極巻線パターンに関し、ここで巻かれる光ファイバーコイルは、光ファイバージャイロスコープで使用されてもよい。好ましい実施形態では、八重極巻線パターンは、取り外し可能なスプールに巻かれる８層の光ファイバーケーブルを含み、ここでその層は、光ファイバーコイルに関して相当量の光学的対称性を提供し、好ましくは八重極巻線パターンに関して相当量の幾何学的および機械的対称性を保持するように配置される。

本発明の一態様では、スプールに形成される少なくとも８層のコイルを含む八重極巻線パターンに従って光ファイバーコイルを巻くための方法は、第３の層の相当な部分を形成するために、スプールの周りで第１の方向に光ファイバーコイルを巻くことによって八重極巻線パターンの第３の層の相当な部分を形成するステップであって、第３の層は互いに隣接して置かれる連続する光ファイバーコイル直径を含む、第３の層の相当な部分を形成するステップと、第３の層が、第１の方向に巻かれる連続して配置される光ファイバーコイル直径および第２の方向に巻かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径を含むように、第３の層の相当な部分に隣接して、断面で見られるように、少なくとも１つのコイル直径を置くために、スプールの周りで第２の方向に光ファイバーコイルを巻くことによって八重極巻線パターンの第３の層を形成し続けるステップと、第７の相の相当な部分を形成するために、先に形成される層の周りで第２の方向に光ファイバーコイルを巻くことによって八重極巻線パターンの第７の層の相当な部分を形成するステップであって、第７の層は互いに隣接して置かれる連続する光ファイバーコイル直径を含む、第７の層の相当な部分を形成するステップと、第７の層が、第２の方向に巻かれる連続して配置される光ファイバーコイル直径および第１の方向に巻かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径を含むように、第７の層の相当な部分に隣接して少なくとも１つのコイル直径を置くために、先に形成される層の周りで第１の方向に光ファイバーコイルを巻くことによって八重極巻線パターンの第７の層を形成し続けるステップとを含む。

本発明の別の態様では、スプールに八重極パターンで巻かれる連続的な光ファイバーコイルは、スプールの周りで第１の方向に巻かれる第３の層の相当な部分であって、第３の層が、互いに隣接して置かれる連続する光ファイバーコイル直径と、第３の層の端部分において第２の方向に巻かれ、第３の層の相当な部分の光ファイバーコイル直径のうちの１つに隣接して置かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径とを含む、第３の層の相当な部分と、スプールの周りで第２の方向に巻かれる第７の層の相当な部分であって、第７の層が、互いに隣接して置かれる連続する光ファイバーコイル直径と、第７の層の端部分において第１の方向に巻かれ、第７の層の相当な部分の光ファイバーコイル直径のうちの１つに隣接して置かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径とを含む、第７の層の相当な部分とを含む。

本発明の好ましいおよび代替の実施形態は、次の図面を参照して以下で詳細に述べられる。

次の記述において、本発明の様々な実施形態の完全な理解を提供するために、ある特定の詳細が説明される。しかしながら、当業者は、本発明がこれらの詳細なしにまたはこれらの詳細の様々な組合せで実施されてもよいことを理解するであろう。他の事例では、光ファイバージャイロスコープ、光ファイバーコイル、八重極パターンで配置された光ファイバーコイルおよび集積回路（ＩＣ）チップと関連して、それらの製造および／または組立てを含む周知の構造および方法は、本発明の実施形態の記述を不必要にあいまいにすることを避けるために、示されないまたは詳細には述べられないかもしれない。

次の記述は一般に、光ファイバーコイル、例えば光ファイバージャイロスコープで使用されてもよい光ファイバーコイルのための八重極パターンを対象とする。好ましくは、八重極パターンは、光ファイバージャイロスコープのバイアス性能に影響するかもしれない光ファイバーコイルの区分中の非対称性を相当に低減する。バイアス性能は、別にバイアス誤差と呼ばれてもよく、それは温度の時間微分（Ｔｄｏｔ）誤差および／または機械的ひずみ誤差を含んでもよい。熱的非対称性、幾何学的非対称性、機械的非対称性、またはそれらのいくつかの組合せは、それらが誘発されるとき、バイアス性能の低減、または代わりにバイアス誤差の増加に寄与するかもしれない。バイアス性能を増加させるまたは代わりにバイアス誤差を低減するために、光ファイバーコイルが巻線後に十分な光学的対称性を有するように八重極巻線パターンを配置することが、本発明の目的である。

光ファイバーコイルの十分な光学的対称性は、お互いから等距離にあるコイルの同様の部分が、時間の関数としておよび／またはコイルの長さの関数として、まったく同じではないにしても実質的に同様な応力、ひずみ、熱的変動、その他を受けるときに生じる。光学的対称性は、図１を参照することによって最も良く理解され、それは、幾何学的またはコイル対称軸１０２の周りに配置される連続的な光ファイバーコイル１００を概略的に示す。説明および明瞭さだけのために、光ファイバーコイル１００は、光ファイバージャイロスコープ内へ組み込まれるべく巻かれているまたは別に構成されているようには例示されていない。したがって、図１は単に、光ファイバーコイル１００に関連する対称性および／または非対称性の概念を述べるために提供される。先に述べられたように、光学的対称性は、光ファイバーコイルの幾何学的、機械的、および／または熱的対称性と相互に関係があるかもしれない。光ファイバーコイルの第１の端部１０４および第２の端部１０６は、チップ１０８に結合される。数学的には、光ファイバーコイル１００の幾何学的、機械的、熱的、および光学的対称性は、次のとおりに与えられるかもしれない。
１．幾何学的対称性 ｌ_ｋ＝−ｌ_ｋ＝ Ｌコイル長さ
２．光学的対称性 γ［ｌ、Ｔ（ｔ）］＝γ［−ｌ、Ｔ（ｔ）］およびｎ（ｌ）＝ｎ（−ｌ）
３．機械的対称性 α_ｅ［ｌ、Ｔ（ｔ）］＝α_ｅ［−ｌ、Ｔ（ｔ）］または

４．熱的対称性 Ｔ（ｌ、ｔ）＝Ｔ（−ｌ、ｔ）
図１は、コイル１００が、中間点から等しく長さ方向に各々が延びる上側長さ１１２および下側長さ１１４を含むように、光ファイバーコイル１００の幾何学的中心１１０がコイル１００の中間点であることを概略的に示す。コイル対称軸１０２に沿ってコイル１００の長さ１１２、１１４をたどることによって、垂直線１１６によって例示される任意の垂直面において、上側交点１１８における光ファイバーコイル１００のいくつかの態様は、下側交点１２０に関して幾何学的に、機械的に、および／または熱的に非対称かもしれないことが想像されるかもしれない。幾何学的非対称性の一例は、コイル１００の長さ１１４において対称的に反映されない、長さ１１２におけるわずかなねじれまたは曲りであり得る。機械的非対称性の一例は、コイル１００のその部分への圧縮力またはねじり力のために、長さ１１２へ印加されるかまたはその中に残るように築き上げられるが、やはり長さ１１４において対称的に反映されない、ある量の応力またはひずみであり得る。温度非対称性の一例は、長さ１１２、１１４に沿った温度勾配が線形一様ではないとき、および／または上側交点１１８におけるコイル１００の温度が下側交点１２０におけるコイル１００の温度と異なるときであり得る。多くの場合、様々な非対称性は相互に関係するまたは相互に依存するかもしれず、例えば上述のような温度非対称性は、熱的膨張または収縮の異なる速度をもたらすかもしれず、次いでコイル長さ１１２、１１４内に機械的ひずみを誘発するかもしれない。

図２は、８層ごとに少なくとも一度、コイル２０４の全ファイバー直径２０２が半ファイバー直径空間２０６内へおよびそれを超えて押し込まれるまたは促される、従来技術の、通常の複数八重極巻線パターン２００を示す。コイル２０４は、フランジ２１０、２１２を有するスプール２０８に巻かれる。例示のパターン２００においては、第１の八重極パターン２１４は、巻かれたコイル２０４のうちの第１の８層を含み、第２の八重極パターン２１６は、巻かれたコイル２０４のうちの第２の８層を含む。コイル２０４の全長に依存して、八重極パターン２１４は、必要に応じて繰り返されてもよい。例えば、スプール２０８は、１、２、４、８またはそれ以上の繰り返される八重極パターンを有してもよい。したがって、８回繰り返される八重極パターンは、６４層のコイル２０４をもたらすであろう。

明瞭さのために、八重極パターン２１４、２１６は、黒塗の円または白抜きの円として横断面で例示される。黒塗および白抜きの円を示す目的は、通常の八重極巻線パターン２００が、２つの別個の供給スプール（図示されず）からのコイル２０４を用いて形成される八重極パターン２１４、２１６を含むからである。例えば、第１の供給スプールは、黒塗の円で示されるコイル２０４を提供し、第２の供給スプールは、白抜きの円で示されるコイル２０４を提供する。実際には、コイル２０４は、２つの供給スプールに装着される１本の連続的な光ファイバーコイルであり、ここで第１の供給スプールは、コイル２０４を時計回り（ＣＷ）方向に導き、一方第２の供給スプールは、コイル２０４を反時計回り（ＣＣＷ）方向に導く、またはその逆である。

図３は、本発明の例示の実施形態による複数八重極巻線パターン３００を示す。複数八重極巻線パターン３００は、光ファイバーコイル３０４の少なくとも２つの八重極パターン３０２を含み、各々のパターン３０２は、取り外し可能なスプール３０６に形成される少なくとも８層を有する。明瞭さおよび簡潔さのために、上述の通常の八重極巻線パターン２００に対して変更が行われた層だけが、本明細書で詳細に述べられるだろう。例示の実施形態では、コイル３０４は、２つの供給スプール（図示されず）に装着される１本の連続的な光ファイバーコイルであり、ここで第１の供給スプールは、コイル３０４をＣＷ方向に導き、一方第２の供給スプールは、コイル３０４をＣＣＷ方向に導く、またはその逆である。第１の供給スプールは、黒塗の円で示されるコイル３０４を提供し、第２の供給スプールは、白抜きの円で示されるコイル３０４を提供する、またはその逆である。

八重極パターン３０２の第３の層３０８を参照すると、第３の層３０８は、第２の供給スプールにより提供される複数のコイル直径３１２を含む第３の層３０８の残りの部分に隣接して配置される、第１の供給スプールにより提供される少なくとも１つのコイル直径３１０を含む。第７の層３１４は、第１の供給スプールにより提供される複数のコイル直径３１８を有する第７の層３１４の残りの部分に隣接して配置される、第２の供給スプールにより提供される少なくとも１つのコイル直径３１６を含む。別の言い方をすれば、第３の層３０８および第７の層３１４は、第１および第２の供給スプールから引き出されるコイル３０４に関して互いに逆に配置される。第３の層３０８および第７の層３１４の端部におけるファイバーコイル３０４の経路指定は、より効率的な層から層への移行を提供し、光ファイバーコイル３０４のクラッドの圧縮を低減し、取り除きさえするかもしれない。加えて、八重極巻線パターン３００は、所望量の光学的対称性を提供し、それは次いで、通常の八重極巻線パターン２００に存在する残留非対称性誤差または不規則性の蓄積を低減する。

好ましくは、複数八重極巻線パターン３００は、少なくとも２つの八重極パターン３０２を含み、そこでは１つのパターンがベースパターンの上部に積み重ねられる。この配置は有利には、全体的な巻線パターン３００の反転対称性を提供し、さらに任意の残留非対称性誤差または不規則性の蓄積を低減するように作用する。加えて、複数八重極巻線パターン３００は、コイル巻線中心線３２０に関して時間変化する熱的または機械的ひずみ勾配を低減するまたは取り除くように作用する。複数八重極巻線パターン３００の結果として、反対方向に伝播する２つの波の間の光学的経路長に影響するかもしれない、望まれないまたは不要な位相偏移が生じる可能性はあまりなく、それ故に望まれない回転測定は、複数八重極パターン３００が組み込まれる光ファイバージャイロスコープによっては検出されないだろう。

本発明の好ましい実施形態が、上述のように例示され、述べられてきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことが可能である。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されない。その代わりに、本発明は、付随する特許請求の範囲を参照することにより全体的に決定されるべきである。

独占的な所有権または特権が請求される本発明の実施形態は特許請求の範囲のとおりに規定される。

光ファイバーコイルの様々な部分に関して十分な量の光学的対称性を達成する方法を述べるための、連続的な光ファイバーコイルの概略図である。 従来技術の、通常の複数八重極巻線パターンの横断面図である。 本発明の例示の実施形態による、そのそれぞれの層の残りの部分に関して反対方向に選択的に導かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径を有する複数八重極巻線パターンの横断面図である。

１００ 光ファイバーコイル
１０２ 幾何学的またはコイル対称軸
１０４ 光ファイバーコイルの第１の端部
１０６ 光ファイバーコイルの第２の端部
１０８ チップ
１１０ 幾何学的中心
１１２ 上側長さ
１１４ 下側長さ
１１６ 垂直線
１１８ 上側交点
１２０ 下側交点
２００ 通常の複数八重極巻線パターン
２０２ 全ファイバー直径
２０４ 光ファイバーコイル
２０６ 半ファイバー直径空間
２０８ スプール
２１０ フランジ
２１２ フランジ
２１４ 第１の八重極パターン
２１６ 第２の八重極パターン
３００ 複数八重極巻線パターン
３０２ 八重極パターン
３０４ 光ファイバーコイル
３０６ 取り外し可能なスプール
３０８ 第３の層
３１０ １つのコイル直径
３１２ 複数のコイル直径
３１４ 第７の層
３１６ １つのコイル直径
３１８ 複数のコイル直径
３２０ コイル巻線中心線

Claims (3)

1. スプールに形成される少なくとも８層の光ファイバーコイルを含む八重極巻線パターンに従って前記光ファイバーコイルを巻くための方法であって、
   第３の層の相当な部分を形成するために、前記スプールの周りで第１の方向に前記光ファイバーコイルを巻くことによって、前記八重極巻線パターンの前記第３の層の前記相当な部分を形成するステップであって、前記第３の層が、互いに隣接して置かれる連続する光ファイバーコイル直径を含む、前記第３の層の前記相当な部分を形成するステップと、
   前記第３の層が、前記第１の方向に巻かれる連続して配置される光ファイバーコイル直径および第２の方向に巻かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径を含むように、前記第３の層の前記相当な部分に隣接して少なくとも１つのコイル直径を置くために、前記スプールの周りで前記第２の方向に前記光ファイバーコイルを巻くことによって、前記八重極巻線パターンの前記第３の層を形成し続けるステップと、
   第７の層の相当な部分を形成するために、先に形成される層の周りで前記第２の方向に前記光ファイバーコイルを巻くことによって、前記八重極巻線パターンの前記第７の層の前記相当な部分を形成するステップであって、前記第７の層が、互いに隣接して置かれる連続する光ファイバーコイル直径を含む、前記第７の層の前記相当な部分を形成するステップと、
   前記第７の層が、前記第２の方向に巻かれる連続して配置される光ファイバーコイル直径および前記第１の方向に巻かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径を含むように、前記第７の層の前記相当な部分に隣接して少なくとも１つのコイル直径を置くために、前記先に形成される層の周りで前記第１の方向に前記光ファイバーコイルを巻くことによって、前記八重極巻線パターンの前記第７の層を形成し続けるステップとを含む、前記方法。
2. スプールに八重極パターンで巻かれる連続的な光ファイバーコイルであって、
   前記スプールの周りで第１の方向に巻かれる第３の層の相当な部分であって、前記第３の層が、互いに隣接して置かれる連続する光ファイバーコイル直径と、前記第３の層の端部分において第２の方向に巻かれ、前記第３の層の前記相当な部分の前記光ファイバーコイル直径のうちの１つに隣接して置かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径とを含む、前記第３の層の前記相当な部分と、
   前記スプールの周りで前記第２の方向に巻かれる第７の層の相当な部分であって、前記第７の層が、互いに隣接して置かれる連続する光ファイバーコイル直径と、前記第７の層の端部分において前記第１の方向に巻かれ、前記第７の層の前記相当な部分の前記光ファイバーコイル直径のうちの１つに隣接して置かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径とを含む、前記第７の層の前記相当な部分とを含む、連続的な光ファイバーコイル。
3. 取り外し可能なスプールと、
   前記取り外し可能なスプールに八重極パターンで巻かれる光ファイバーコイルであって、前記光ファイバーコイルが少なくとも８層のコイルを含み、第３の層の相当な部分が第１の方向に巻かれ、前記第３の層が、互いに隣接して置かれる連続する光ファイバーコイル直径と、前記第３の層の端部分において第２の方向に巻かれ、前記第３の層の前記相当な部分の前記光ファイバーコイル直径のうちの１つに隣接して置かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径とを含み、さらに第７の層の相当な部分が前記第２の方向に巻かれ、前記第７の層が、互いに隣接して置かれる連続する光ファイバーコイル直径と、前記第７の層の端部分において前記第１の方向に巻かれ、前記第７の層の前記相当な部分の前記光ファイバーコイル直径のうちの１つに隣接して置かれる少なくとも１つの光ファイバーコイル直径とを含む、前記光ファイバーコイルと、
   を含む光ファイバージャイロスコープ。

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