JP3357061B2 - 光ファイバーコイルとその巻回方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は光ファイバーコイルとその製造方法、特に改
良コイルパターンに関するものである。

関連技術の説明 光ファイバーセンサコイルは、特にジャイロスコープ
において回転軸線の周りの車輪の回転（例えば、飛行
機）を測定するのに使用される出力光信号を生じるため
に使用される。典型的な光ファイバージャイロスコープ
は３つの直交軸の各々の周りの回転を感知するため３個
のセンサコイルを使用する。光ファイバージャイロスコ
ープは典型的に、光信号を与え光源と、光ファイバーリ
ングといわれる光ファイバーの多重巻きコイルと、電子
読み取り回路及び制御回路を含むサニャック干渉計とし
て形づくられる。光信号はまず光ビームスリッタ／コン
バイナに与えられ、これは２つの同一出力光信号を生
じ、その各々は光ファイバーコイルの一端に加えられ
る。２つの光信号はコイルを通じて反対向きに進行し、
ビームスプリッタ／コンバイナで再び結合される。光フ
ァイバーコイルの、その巻き、又は長軸の周りの回転は
コイルを通じ反対向きに伝播する光信号の間の位相シフ
トとなって現われる。この位相シフトはサニャック効果
位相シフトとして知られる。サニャック効果は、回転の
方向に回転コイルを通じて移行する波は回転方向と逆に
移行する波より多くの移行時間を要するという相対性理
論によって説明され得る。この時間差は再結合した光信
号の位相シフト干渉パターンにより表現される。光ジャ
イロにおいて、位相シフトの大きさは出力光検出器に加
えられた再結合信号の解析により決定される。検出器出
力は回転を表わす電気出力信号に翻訳される。

出力検出器で検出された位相シフトは２つの部分から
成り立つとみることができる。第１の部分はサニャック
効果位相シフトである。検出された位相シフトの他の部
分は環境因子により引き起こされる光ファイバー内の乱
れ（perturbation）によるものである。回転の大きさと
方向を規定するサニャック位相シフトは比較的小さく、
環境因子に起因する大きな位相シフトがあるとサニャッ
ク位相シフトの正確な読み取りを不明瞭にするようなこ
とがある。従って、再結合された光信号の検出位相シフ
トについて環境的乱れの効果を最小限にすることが望ま
しい。

１個の光入力信号に応答してスプリッタ／コンバイナ
から出る２つの光信号は位相が同じで、コイル状に巻か
れたファイバーの両端に加えられ、ファイバー内を反対
方向に移行する。望ましくない位相シフト効果は、環境
的乱れが光信号の１つに他と異なる影響を与えるときに
起こる。環境的乱れは除去することはできないが、その
乱れを対向して伝播する光信号に等しく加えるならその
効果は最小にできると一般に考えられている。環境的乱
れの影響を減少させる公知のアプローチは感知コイルの
対称性を作ることである。これらコイルの中では光ファ
イバーの長さの中点がスプールの１つの側部フランジ近
くに位置づけられ、この中点から出る２つの光ファイバ
ー切片（前部切片と後部切片といわれる）がついでコイ
ルの周りに反対向きに巻かれる。ダイポール（２極）の
場合は、前部及び後部切片はスプールに交互の層に巻か
れる。４極の場合は前部切片の層の次に後部切片の２層
が続き、その次に前部切片の２層というようになる。８
極形状の場合は後部切片の２層が前部切片の２層の間に
サンドイッチされ、続いて４層の次の組、すなわち後部
切片の２層にサンドイッチされた２層の前部切片が続
く。これら種々の形状のすべてはコイルの環境的乱れが
対向伝播する光信号に同じように影響するように対称性
を導入する試みである。しかしコイルが前部切片と後部
切片と交互の層、又は交互の層の対により巻かれると
き、前部及び後部切片は環境的乱れにより必ずしも同じ
ように影響されるわけではない。これは環境的乱れの性
質を考慮することによりよく理解される。

環境的乱れは機械的ゆがみ、振動、衝撃及び温度変化
に起因することがある。２つのタイプの温度的乱れ、す
なわち径方向温度勾配によるものと軸方向温度勾配によ
るものを扱わなければならないことが知られている。そ
の名が示すように、径方向温度勾配では、温度が径方向
に変動し、スプールのコアに近い光ファイバー切片はコ
アから離れた距離にある層内のファイバー切片とは違う
温度にある。軸方向勾配はスプールの巻回軸線に沿って
存在する。従って、コイルの前部及び後部切片の対応す
る切片部分が同じ環境的乱れを経験するように、それぞ
れの端部点から同じ距離にある光ファイバーの切片間に
は大きな径方向及び軸方向距離を避けることが望まし
い。

発明の概要 従来技術のこれら及びその他の問題は、本発明により
光ファイバー感知コイルにおいてコイル層の各々を前部
及び後部切片の交互（alternate、一つ置き）の巻きで
構成することにより克服される。本発明の一態様によれ
ば、コイルは両端をもつ内層から成り、光ファイバーの
中点は内層のほぼ中点に位置づけられる。有利なことに
ファイバーの中点を内層の中点に位置づけることは、コ
イルを中点から対向両方向に巻くことを許容し、環境的
乱れに起因する変動を減少させる傾向がある。これによ
り従来のコイルに対し環境的乱れの効果を実質的に減少
させることが観察されている。

本発明の他の態様によれば、光ファイバーの隣り合う
層は、１つの層の中の光ファイバーの巻きが前の層の隣
り合った巻きにより形成される溝の中に入るように配列
される。本発明の一実施例で、光ファイバーの近接層ど
うしは、次の層のファイバーが前の層の巻きにより形成
される溝の中に配置され得るように、異なる巻き数をも
つ。さらに他の実施例においては、隣り合う層は等しい
巻き数をもち、各層は次の層のファイバーが前の層の近
接する巻きにより形成された溝に入れるようにファイバ
ー径の半分にほゞ等しい距離だけ前の層から横にずらさ
れる。このような構成は有利なことにコイルに安定性を
追加し、その全体的外径を減少させる。或いは、小さい
径のスプール上に光ファイバーを巻くことによるゆがみ
を最小にするように、コイルの内径は外径を増加させる
ことなく増加させることができる。

本発明の特定な１実施例においては、ファイバーの交
互（alternate）近接切片のパターンは、コイル層の２
番目から５番目が各々前の層に関し独特なパターンをも
ち、６番目から９番目の層のパターンが個々にそれぞれ
２番目から５番目の層のパターンに対応し、コイルの残
りの層では４層ごとのパターン形状が繰り返される、と
いうものになる。本発明の他の実施例においては、偶数
番号の層が対応したパターンをもち、交互の奇数番号の
層が対応したパターンをもつ。

本発明による光ファイバーコイルを巻回する方法にお
いては、第１の層が前部及び後部切片の部分がスプール
の対向側部フランジの近くに位置するように形成され
る。第２の層は、前部切片の隣り合う巻きが予定の距離
だけ離間するようにファイバーの前部切片の交互（一つ
置き）巻きパターンを第１層の上に巻き、ついで前部切
片の交互巻きパターン間で第１層の上に後部切片の部分
を交互巻きパターンで巻いて前部切片と後部切片の交互
巻き層を形成することにより形成される。本発明の特定
態様においては、第２の層と追加の層は、次の層が前と
層の巻きの間に形成される溝内に位置するように次の層
を巻くことにより形成される。

図面の簡単な説明 本発明は以下の図面を参照して詳細に説明される。図
面のうち 第１図は本発明の原理に従い構成された感知コイルの
部分の断面略示図である。

第２図から第４図は異なるコイル巻きパターンを示す
本発明の異なる実施例を示す。

第５図は本発明にかかる光ファイバー巻回装置の略示
側面図である。

詳細な説明 第１図は、コア103と、対向フランジ104,106とを有す
るスプール102上に巻かれた感知コイル100の断面を略示
的に表わしている。コイルは、例えば光ファイバージャ
イロに使用する光ファイバー感知コイルとして構成され
ている。このコイルは、コアに近接するファイバー中間
点Ｍと露出した両端をもつ或る長さの連続ファイバーか
ら成り立つ。中間点から延びる２つの光ファイバー切片
（前部切片と後部切片といわれる）がスプール上に反対
向きに巻かれている。使用に際しては、発明の背景で述
べたように、２つの同一光信号がコイルの両端に個々に
加えられ、前部及び後部切片を通じて反対向きに伝播す
る。

第１図は28層をもつコイルを描いており、各層は反対
向きに巻かれたファイバー前部及び後部切片の或る巻き
数から成る。説明として、前部切片の巻きは図を見る者
から遠ざかる方へ向かうものとして×印を付して示し、
後部切片は見る者の方へ近づくものとして○で示してあ
る。第１図に示すコイル100は奇数巻き、例えば99巻き
をもつ第１の層（１）をもつ。巻きは、Ｍで表わすファ
イバー中間点から対向フランジ104,106の方へ延びてい
る。次の層（２）は交互に反対向きに巻かれた偶数巻き
のファイバーを有している。この層の一番外側の巻きは
好適にファイバー径の約半分の距離だけフランジ104,10
6の各々から離されていて、第２層が第１層より１つ少
ない巻き数となるようにしている。この層構成はすべて
の偶数番層が奇数番層より１つ少ない巻きとなるように
繰り返される。これにより次の層のファイバーの巻きは
前の層の近接する巻きの間に自然に形成された溝内に配
置されるようになる。この層構成はコイルに安定性を与
える。また、これによりコイルの全体径は減少され、こ
れは宇宙船その他実質的にスペースに制限がある用途に
おいては重要なことである。隣り合う巻きは選択された
距離だけ離して、次の層の巻きのためのより強調された
深い溝を形成するようにしてもよい。

第１図に示すように、第１層（１）は前部切片と後部
切片の各々の半分から成り立つ。第１層ののちに、前部
及び後部切片の巻きの特定パターンが現われる。第１図
に示す層の巻きパターンは４層ごとに繰り返されるよう
なものである。層（２）から（５）の各々の巻きパター
ンは、各先行する層に対し独特なものである。しかし、
層（５）の後、層（２）ないし（５）の巻きパターンは
次の４つの層で繰り返される。こうして層（６）は層
（２）の巻きと同じパターンである。第１図に示すその
他の層すなわち層（28）は層（４）と同じパターンをも
つ。

前部及び後部切片の交互巻きの他のパターンを作り出
すこともできる。第２図に示すパターンにおいて、偶数
番の列、例えば（２）（４）（６）はすべて同じパター
ンであり、これに対し奇数列例えば（３）（５）（７）
（９）は一つ置き繰返し（alternating）巻きパターン
である。こうして層（３）のパターンは層（７）（11）
等で繰り返され、層（５）のパターンは層（９）（13）
等で繰り返される。第１図、第２図に示したもの以外の
パターンも容易に考えられる。第１図と第２図に示した
パターンはコア103に近接する第１層が奇数巻きをもつ
構成に対してのものである。第３図は第１層（１）が偶
数の巻き数をもつ構成を示している。この形状におい
て、奇数番の層、すなわち（３）（５）等々は同じ巻き
パターンをもち、偶数番の層（２）（４）（６）等々は
一つ置き繰返しパターンをもつ。これら巻きパターンは
４つの層ごとに繰り返される。こうして、層（６）は層
（２）と同じパターンをもち、層（８）は層（４）と同
じパターン（以下同様）という具合である。層の巻きパ
ターンの形成はコイル100の巻回方法の関数である。

第４図は、すべての層が同じ巻き数をもち、近接する
層のファイバーの巻きはファイバー径の約1/2に等しい
距離だけ横にずらされるような巻き方で巻かれた感知コ
イル100の一部を略示的に表わす断面図である。この特
定の形状において、偶数番の層は前部及び後部切片の巻
きが対応した形状をもち、第３層から始まる奇数番の層
も前部及び後部切片の巻きが対応した（同じ）形状を有
する。各層における巻きの総数は偶数又は奇数であり得
る。第４図の構成において、第１層はファイバー径の半
分にほゞ等しい距離だけ右のフランジ104から離されて
いる。ファイバー径の約半分の横寸法のスペーサ105が
コア103と右フランジ104に近接して設けられ、第１層の
一番右の巻きに右フランジ104から所望の距離を与えて
いる。第２層（２）は左フランジ106からファイバー径
の半分にほぼ等しい距離だけ離され、この第２層は第１
層の巻きにより形成される溝の中に収まっている。後続
の層は交互に右フランジ104及び左フランジ106から離さ
れて近接層との間にファイバー径半分のズレを維持して
いる。

第５図はコイル100の巻回装置の略示図である。第５
図に示すように、スプール102が駆動モータ201により駆
動される駆動シャフト203に取り付けられる。ファイバ
ーをコイル100として巻くべき場合、ファイバーは最初
２個の別個の供給スプール209,223上にファイバーの各
端部から始めて巻かれている。供給スプール209,223は
それぞれ右，左の支持ブラケット207,221に取り付けら
れている。好適なコイル100の巻回方法においては、一
方の供給スプール、例えば右供給スプール209上のファ
イバーの長さはファイバー全長の半分プラス第１層
（１）の半分に相当する長さに等しい。右フランジ104
と左フランジ106とを有する光ファイバーコイルスプー
ル102の例えば左フランジ部を、２個の供給スプール209
と223の中点におき、左から右に巻き付けていく。この
ようにして、光ファイバーの長さの中点が第１図に示し
たようにコイルの中央に配置されるようになる。それか
らコイル100の残りが２個の供給スプール209,223から巻
きつけられる。

左、右支持ブラケット221、207は相当する左、右シャ
フト区間204、205にそれぞれ取り付けられている。クラ
ッチ215、216がスプール102を回転させるためシャフト
区間204、205をそれぞれ駆動シャフト203と選択的に係
合させるように設けられている。ブラケット207上の供
給スプール209からの光ファイバーはローラ213を通じて
スプール102に供給される。ローラ213はブラケット207
に取り付けたブラケット211により支持されている。同
様に、ブラケット221に結合したブラケット225はローラ
226を支持してブラケット221上のスプール223から光フ
ァイバーをコイル100に案内する。コイル100が右ブラケ
ット207上に取り付けた供給スプール209から巻きとられ
るべき時は、左クラッチ215が係合して左シャフト区間2
04とブラケット221をロックし、シャフト203をスプール
102と共に回転させる。右クラッチは駆動シャフト205か
ら切り離され、固定位置に保持される。同様に、左ブラ
ケット221上の供給スプール223からスプール100に巻き
つけるべき時は、右クラッチ216を係合させて右シャフ
ト区間205とブラケット207をロックし、駆動シャフト20
3と共にスプール102を回転させる。クラッチ215は切り
離され、ブラケット221は静止に保持される。モータ201
は可逆性であり、コイル100を時計回りにも反時計回り
にも回転させる。

層（１）を除いて、各層は前部切片と後部切片とから
成っているから、各層の２番目の半分の巻き始めで交差
が起こるであろう。というのは、２番目の半分の巻きは
その層の最初の半分の巻きの間に形成されたスペース内
に位置するからである。この交差は各層ごとに一回、右
フランジ104又は左フランジ106のいずれかで生じる。２
つの異なる供給スプールからのファイバー間の干渉を避
けるため、供給スプール209、223は隔てられていて、そ
れらの位置は各交差ごとに交換される。

第５図に示した装置を使って第１図に示したパターン
を得るようにコイル100を巻回する方法について以下に
述べる。以下の説明において、スプール223は光ファイ
バー感知コイル100の前部切片を表わす×スプールとい
い、スプール209は後部切片を表わす○スプールとい
う。第１図から第４図に示したように、隣り合う層内の
巻きは互いにずれている。これは次の層の巻きを前の層
に形成された溝に従わせることにより以下に説明するよ
うに巻回工程を容易にさせる。これは特に、近接する巻
きが以下さらに説明するようにファイバー径に等しいか
又はやや大きい距離だけ離間されるようなスキマ巻きパ
ターンを形成するのに助けとなる。

第１図に示した形状にコイルを巻回する方法は以下の
工程から成る。

1. 後部切片○供給スプールに、ファイバーの全長の半
分にプラスしてスプール102上にコイルの第１の層の半
分を形成するのに要する長さに相当するファイバーの長
さを巻きつけ、その切片の端すなわちファイバーの中点
にマークをつける。

2. 光ファイバーの残りを前部切片×供給スプール上に
巻く。

3. ×スプールを左供給ブラケット221上に位置づけ、
○スプールを右供給ブラケット207上に位置づける。

4. スプール100の左フランジ106に近い光ファイバーの
マークした位置から始めて、○供給スプールからの第１
層を反時計回りに巻き、左から右に移動して第１層を完
成させる。

5. 右フランジ104近くで第２層の一部として○供給ス
プールから反時計周りに１回転だけ巻く。

6. 離間した交互（一つ置き）巻きパターンを×供給ス
プールから時計回りに巻きつけ、左から右に移動する。

7. ○供給スプールを右ブラケット207から左ブラケッ
ト221へ移動させ、×供給スプールを左ブラケット221か
ら右ブラケット207へ移動させることにより×供給スプ
ールと○供給スプールを交換する。

8. 交互巻きパターンを○供給スプールから×ファイバ
ーの交互パターンの巻きの間に反時計回りに巻き、右か
ら左に移動して第２層を完成させる。

9. ×供給スプールから時計回りに離間した交互巻きパ
ターンを巻き、右から左に移動する。

10.×供給スプールを左ブラケット221へ、そして○供給
スプールを幹ブラケット207へ移動することにより×及
び○スプールを交換する。

11.×ファイバーの交互巻きの間に○供給スプールから
反時計回りに交互巻きパターンを巻き、左から右へ移動
して、第３層を完成させる。

12.離間した交互巻きパターンを時計回りに×供給スプ
ールから巻き、左から右へ移動する。

13.×供給スプールを右ブラケット207へ、そして○供給
スプールを左ブラケット221へ移動させることにより×
及び○供給スプールを交換する。

14.×ファイバーの交互巻きの間へ○供給スプールから
反時計回りに交互巻きパターンを巻き、右から左へ移動
して第４層を完成させる。

15.離間した交互巻きパターンを○供給スプールから反
時計回りに巻き、左から右へ移動する。

16.×供給スプールを左ブラケット221へ、そして○供給
スプールを右ブラケット207へ移動させることにより×
と○供給スプールを交換する。

17.○ファイバーの交互巻きの間に×スプールから時計
回りに交互巻きパターンを巻き、右から左へ移動して第
５層を完成させる。

18.工程５から17を４層ごと、すなわち層（６）から
（９）、層（10）から（13）等々ごとに繰返し、コイル
を完成させる。

以上の説明は本発明の原理の応用の単なる例示であっ
て、多くの他の様式が請求の範囲から逸脱することなく
当業者に想到し得るものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミリマン，ダグラス アメリカ合衆国ミシガン49058ハスティ ングス、チーフ・ヌーンデイ5704 (56)参考文献 特開 平４−195104（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−296211（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/00 G01C 19/72

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバー中間点からそれぞれ延び時計
   回りに巻いた光ファイバーの第１切片の多数の巻きと、
   反時計回りに巻いた光ファイバーの第２切片の多数の巻
   きとから成り、第１切片と第２切片との巻きが一緒にな
   って光ファイバーの多数の巻き層を形成し、この層の第
   １層の巻きが中央を境として第１切片のみの巻きと第２
   切片のみの巻きとで構成され、第２層以降の少なくとも
   １つが光ファイバーの第１切片と第２切片を一つおきに
   近接させた巻きを有する、実質的に対称的に巻かれた光
   ファイバーコイル。
2. 【請求項２】実質的に均一な円形断面の光ファイバーを
   実質的に対称的に巻いた光ファイバーのコイルであっ
   て、 光ファイバー中間点からそれぞれ延び時計回りに巻かれ
   た光ファイバーの第１切片の多数の巻きと、反時計回り
   に巻かれた光ファイバーの第２切片の多数の巻きとから
   成り、 第１切片及び第２切片の巻きが一緒になって光ファイバ
   ーの多数の層を形成し、この層の第１層の巻きが中央を
   境として第１切片のみの巻きと第２切片のみの巻きとで
   構成され、第２層以降の層が光ファイバーの第１切片と
   第２切片を一つおきに近接させた巻きを有するととも
   に、層内の直近する巻きの間に溝が形成され、光ファイ
   バーの前記第２層以降の各層の巻きが隣接する層に形成
   された上記溝内に一部収まっているコイル。
3. 【請求項３】所定の長さと径で、前部切片と後部切片と
   を有する光ファイバーを軸方向に離間した側部フランジ
   を有するスプール上に巻くことにより多数の層から成る
   光ファイバー感知コイルを形成する方法であって、 前部切片と後部切片の巻き部分がそれぞれ対向側部フラ
   ンジ近くに配置されるように、光ファイバーをスプール
   上に巻くことにより第１層を形成し、 前部切片の近接する巻きが光ファイバーの径に実質的に
   等しい距離だけ離間されるように前部切片の一部を交互
   巻き（一つ置き）パターンで第１層上に巻き、後部切片
   の一部を前部切片の交互巻きパターンの巻きの間で第１
   層上に交互巻きパターンで巻くことにより第２層を形成
   することから成る方法。