JP3740015B2 - 光学ファイバーコイルの巻回パターン - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は光学ファイバー速度センサのような光学ファイバー装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
光学ファイバー速度センサは回転感知用の先進的な地球位置決定と慣性誘導方式に汎用されている。光学ファイバー速度センサは通常光源と、光線スプリッタと、検出器と、台上に設置した光線路とを含む干渉計でなる。光源からの光は光線スプリッタにより２本の光ビームに分けられ、これらの光ビームは光学路の対向する両端に向けられる。２本の光ビームは光学路を回って逆伝送され、光学路を出るところで再結合される。再結合された光ビームは検出器に当てられる。
【０００３】
光学路が回転すれば、一方の光ビームの通過距離は他方の光ビームの通過距離より大きくなるので、光学路の出口点における２本の光ビーム間に位相差が生じる。検出器に接続した感知回路がこの位相差を回転の程度と方向の表示として決定する。
【０００４】
光学ファイバー速度センサの光学路は、代表的に巻回形状を成すスプールまたはハブの周囲にコイル巻きされる光学ファイバーによって形成される。巻回形状は各層が多数の巻線を含む多数の層を通常は有している。各種の巻回形状が知られているが、光学ファイバー速度センサに用いるコイルは代表的に四極子あるいは間挿パターンとして巻回される。
【０００５】
四極子を形成するには、１本の連続する光学ファイバーの第１端部を第１の中間スプール上に巻き、このファイバーの第２の端部を第２の中間スプールに巻回する。次いで第１の中間スプール上の光学ファイバーをハブ周囲に時計方向の第１巻線層の巻回に用い、第２中間スプール上の光学ファイバーを第１巻線層上の反時計方向の第２巻線層の巻回に用い、第２中間スプール上の光学ファイバーを第２巻線層上の第３巻線層巻回に用い、第１中間スプール上の光学ファイバーを第３巻線層上の第４巻線層巻回に用いる。
【０００６】
光学ファイバーの第１と第２の端部のそれぞれを表すために“＋”と“−”を用いるとすれば、結果的な四極子巻回パターンは＋−−＋巻回形状を有し、ここで＋は光学ファイバーの第１端部で巻いた層を表し、−は光学ファイバーの第２端部で巻いた層を表す。理想的には“＋”層の光学ファイバーの長さは“−”層の光学ファイバーの長さと等しくされる。この四極子巻回パターンは光学ファイバー速度計に好適な量反復して巻回される。従って第１四極子について＋−−＋層で第２の四極子を巻回すると、結果的に２つの四極子構成は＋−−＋＋−−＋巻回パターンを有する。
【０００７】
光学ファイバーの“＋”端と“−”端とで逆向き四極子を巻くことも知られている。この場合逆向き四極子は＋−−＋−＋＋−の巻線パターンを有し、一般には八極子と言われる。この八極子巻線パターンは光学ファイバー回転センサに好適な量反復して巻回される。事実、逆向き八極子は＋−−＋−＋＋−−＋＋−＋−−＋の巻回パターンに従って巻回されよう。
【０００８】
間挿巻回パターンを有するコイル形成のためには、１本の光学ファイバーの第１、第２の端部から交互の巻線として一層またはそれ以上のコイルが巻かれる。従ってこのような一層の場合、光学ファイバーの第１端から奇数番巻線が巻回され、光学ファイバーの第２端から偶数番巻線が巻回される。このような巻回の結果として、間挿層の各巻線（外側巻線以外）が光学ファイバーの一方端から巻回され、光学ファイバーの他端から巻かれた２巻線間に挟持される。
【０００９】
間挿巻線パターンを有するコイルの全層が間挿巻線パターンで巻回することは絶対的要件ではない。例えばコイルの最内層の全巻線は光学ファイバーの同じ端から巻回し得るし、あるいはコイルの最内層に隣接する一群またはそれ以上の群は光学ファイバーの第１端部から巻回でき、また最内層コイルに隣接する一またはそれ以上の群を光学ファイバーの第２端部から巻回し得る。
【００１０】
コイルパターンの巻回に際しては、第１層に隣接する巻線間には谷部が生じる。これらの谷部は第２層の各巻線が落ち着く領域となり、第２層の各巻線は第３層に巻かれる巻線の落ち着く領域となる谷部を形成する。しかしながら先行層の隣接する各巻線が作る谷部に一層の巻線が落ち着くためには通常は相当な力を要する。この力のために光学ファイバーの各巻線が変形され、同一の層の他の隣接巻線を押圧し勝ちになる。この光学ファイバーの変形は光学ファイバーセンサの巻線の変位を引き起こす。
【００１１】
例えば図１は第１層１２と第２層１４を有する光学ファイバーコイル１０の一部分を示す。巻回過程で光学ファイバーに加わる応力は、巻線１６，１８，２０，２２においてファイバーを円形から長円形に変形させる。この結果変形した寸法でこれらの全巻線を受容するには不充分なスペースとなる。従って巻線２２のような一部の巻線が先行層の隣接巻線が作った谷部から逸脱する。
【００１２】
更に光学ファイバーの全長に沿う径が名目上の径から変動することも周知である。図２の光学ファイバー子供３０が示すように、第１層３２の巻回に用いた光学ファイバーの径が、第２層巻回中に僅かに増えた場合、蓄積されたファイバー位置の誤差の積み重ねが生じる。その結果巻線の一部、例えば巻線３６が先行層の隣接巻線が作った谷部から再び逸脱する。
【００１３】
また更に間挿パターンで巻く場合には、各層の隣接交互の巻線が光学ファイバーの第１端と第２端から巻回される。この間挿パターンを有する層４０が図３に示され、光学ファイバーの第１端を用いて巻線４２，４４，４６，４８等を巻回し、光学ファイバーの第２端を用いて巻線５０，５２，５４等を巻回する。図３から明らかなように、光学ファイバーの一端から巻いた各巻線（外側巻線以外）は光学ファイバーの他端から巻いた２つの巻線間に挟持される。一方図４に示すように、変動する緩衝径あるいは巻回中に光学ファイバーに加わる応力はまた間挿巻回パターンに巻回誤差を生じ得る。これらの誤差は巻線６０のように乗り上げたり、巻数６２のように巻回位置を誤ったり、巻回がなくなるものを含む。
【００１４】
そこで上述のように、光学ファイバーコイルの巻線が所望の位置になければ、過渡的な熱若しくは振動が光学ファイバーセンサの特性を低下させることになる。
【００１５】
米国特許第５，４９２，２８１号公報に教示されるコイル巻回はこの問題に触れていない。この公報に述べられているように、フィラメントパックの底層を、パックを巻回するボビンの寸法上の変化からパックを隔離するように巻回して、フィラメントパックの膨張係数を調和させ、フィラメントパックの受板として働かせ、ガス状または液状の材料の吸収あるいは脱離による寸法変化からフィラメントパックを補償するよう作用する。受板としての機能は第２層の巻線が相互に触れ合わないようにすることを企図していない。即ち受板機能は底層内のフィラメントの寸法をフィラメントパック内のフィラメントの寸法に一致させて所望の巻回パターンを得るように構成される。
【００１６】
１９８８年１１月２３日の公開の欧州特許公開公報Ａ−０２９２１０３に開示の巻回コイルは、複数層の複数の巻線を有する直交巻コイルであり、これも上記の問題に触れていない。この直交巻コイルの各巻線はコイル軸線に直角の第１部分とコイル軸線に斜交する第２部分を有する。各層の巻線の第１部分は互いに平行をなし、各層の巻線の第２部分も互いに平行となる。各層の巻線は下方層の巻線が形成する溝内に適合する。
【００１７】
本発明は各層の隣接巻線間に空間を置いて先行技術の過渡的温度若しくは振動の問題を軽減あるいは回避する。
【００１８】
（発明の開示）
本発明の一実施形態によれば、光学ファイバーを巻回した光学ファイバーコイルは第１と第２の巻線層を備える。第１の巻線層は光学ファイバーを巻回してなり、第１巻線層の光学ファイバーは第１の径を有する。第２巻線層は光学ファイバーから巻回され、第２巻線層の巻線は第１巻線層の巻線上に巻回され、第２巻線層の光学ファイバーは第２の径を有し、第２の径は第１の径より小さい。
【００１９】
本発明の他の実施形態によれば、光学ファイバーコイルは第１、第２、第３、第４、第５の巻線層でなる。第１巻線層は光学ファイバーの第１の部分で巻回され、光学ファイバーの第１の部分は第１の径を有し、第１巻線層は谷部を有する。第２巻線層は光学ファイバーの第２の部分で巻回され、光学ファイバーの第２の部分は第２の径を有し、第２巻線層は谷部を有し、第２巻線層の巻線は第１巻線層の谷部を占有し、第２の径は第１の径より小さい。第３巻線層は光学ファイバーの第２の部分で巻回され、第３巻線層は谷部を有し、第３巻線層の巻線は第２巻線層の谷部を占有する。第４巻線層は光学ファイバーの第２の部分で巻回され、第４巻線層は谷部を有し、第４巻線層は第３巻線層の谷部を占有する。第５巻線層は光学ファイバーの第２の部分で巻回され、第５巻線層の巻線は第４巻線層の谷部を占有する。
【００２０】
本発明の他の実施形態によれば、光学ファイバーコイルは第１層から第９層までの近接巻線を含む。第１近接巻線層は第１の径を有する光学ファイバーで巻回される。第２〜第９の近接巻線は第２の径を有する光学ファイバーで巻回され、第２〜第９の近接巻線は第１近接巻線層の上に連続して巻回され、第２の径は第１の径より小さい。
【００２１】
（発明を実施するための最良の形態）
これらの構成ないしは他の特徴と利点とは、添付図面に沿う本発明の詳細な説明から更に明らかとなろう。
【００２２】
図５に示す光学ファイバーコイル７０は層７２，７４，７６，７８，８０を含む。また後述のように光学ファイバーコイル７０は所望の層数を含み得る。層７２，７４，７６，７８，８０の各々は光学ファイバーから巻回した複数の巻線を有する。一方層７２の巻線巻回に用いた光学ファイバーの部分は層７４，７６，７８，８０の巻回に用いた光学ファイバーの部分の外径より大きい外径を有する。層７２の巻線巻回に用いた光学ファイバーの部分の外径と層７４，７６，７８，８０の巻線巻回に用いた光学ファイバーの部分の外径との間の差は、図５で誇張して示すが、層７４，７６，７８，８０の各々の隣接巻線が接触しないようにするに充分な大きさで良い。従って層７２は後続の各層の巻線巻回に用いる光学ファイバー部分の外径より僅かに大きい外径の光学ファイバー部分を用いて巻回される。
【００２３】
外層が巻回されると、各層の巻線を結合し、先に巻回した層上の一層を結合するために接着材を塗布する。
【００２４】
層７２の巻線は光学ファイバーコイル７０の機能部分であっても、機能部分でなくとも良い。層７２の巻線を光学ファイバーコイル７０の機能部分とするときは、層７２の巻線を残りの層の巻線より大きい外径とするための多くの方法がある。例えば大きい径の光学ファイバーの第１の部分を小さい径の光学ファイバーの第２の部分に継いで、層７２を光学ファイバーの第１の部分から巻回し、残りの層を光学ファイバーの第２の部分から巻回するようにする。他の例としては光学ファイバーの第１の部分を前以てコーティングして光学ファイバーの第２の部分の径に対して径を大きくし、層７２が光学ファイバーの第１の部分から巻回され、残りの層が光学ファイバーの第２の部分から巻回されるようにする。両例において各層７２，７４，７６，７８は四極子巻回構成を形成すべきものとして層７２の一端の光学ファイバーが層７４の初めの光学ファイバーに光学的に接続され、層７２の他端の光学ファイバーが層７８の初めの光学ファイバーの一端に光学的に接続される。仮に他の巻回形式が光学ファイバーコイル７０に用いられるのであれば、その時は層７２の各端部が光学ファイバーコイル７０のうちの適宜の層と光学的に接続される必要がある。
【００２５】
仮に層７２の巻線が光学ファイバーコイル７０の機能部分ではないものとすれば、層７２の光学ファイバーは他の層の光学ファイバーに光学的に接続しない。
【００２６】
層７２の巻線の巻回に使われる光学ファイバーの径は、光学ファイバーコイル７０の後続の層の巻線の巻回に用いる光学ファイバーの径より大きいため、光学ファイバーコイル７０の層７４，７６，７８，８０等の各々における隣接巻線は接触しない。事実上隣接巻線間には小さな空間が設けられる。従って層７４内で巻線は互いに接触せず、層７６内で巻線は互いに接触せず、そして光学ファイバーコイル７０の後続の層においても同様となる。従ってコイル構造は巻線の欠点を免れ、一時的な熱若しくは振動条件上の光学ファイバーコイル７０の特性は公知の光学ファイバーコイルを越えて相当に高められる。光学ファイバーコイル７０が提供する巻線形状は光学ファイバーコイル７０のコイル巻回パターンと構成上高度の一貫性をもたせている。
【００２７】
光学ファイバーコイル７０には相当な利点がある。例えば光学ファイバーコイル７０はハブで支える必要がなく、代わりに単に光学ファイバーと接着材とでなる同質の独立したコイル構造にし得る。また各層の巻線を分離して隣接する巻線間に隙間を設けるように、光学ファイバーコイルが巻かれるハブの周りに溝を設けることも公知である。本発明はそのような溝付ハブを不必要とする。更に本発明はスティック被覆のない巻回具の使用も可能にする。
【００２８】
光学ファイバーコイル７０の光学ファイバーはどのような型の巻回形状にでもし得る。その巻回形状の３つの例を図６，７，８に示す。図６に示す巻回形状９０は四極子巻回構成を有する。図７に示す巻回形状１１０は逆四極子または八極子巻回構成を示す。図８に示す巻回形状１３０は間挿巻回形状を有する。巻回形状９０と１１０の各々における巻線の第１層は機能的であり、巻回形状１３０の巻線の第１層は機能的ではないものとする。従って上述したように、巻回形状の巻線の第１層は機能性または非機能性のいずれでも良い。
【００２９】
巻回形状９０は層９２，９４，９６，９８，１００，１０２，１０４，１０６を含む。巻線層９２，９８，１００，１０６は光学ファイバーの第１の端部から巻回され、巻線層９４，９６，１０２，１０４は光学ファイバーの第２の端部から巻回される。巻線層９２の巻回に用いる光学ファイバーの第１の端部の一部は（ｉ）層９４，９６，１０２，１０４の巻回に用いる光学ファイバーの第２の端部と（ｉｉ）層９８，１００，１０６の巻回に用いる光学ファイバーの第１の端部の残りの部分との外径より大きい外径を有する。
【００３０】
従って層９４は光学ファイバーの第２の端部から巻回した巻線を有し、層９６は光学ファイバーの第２端部から巻いた巻線を有し、層９８は光学ファイバーの第１端部から巻いた巻線を有し、層１００は光学ファイバーの第１端部から巻いた巻線を有し、層１０２は光学ファイバーの第２端部から巻いた巻線を有し、層１０４は光学ファイバーの第２端部から巻いた巻線を有し、層１０６は光学ファイバーの第１端部から巻いた巻線を有する。層９２の光学ファイバーの一端は層９４の光学ファイバーの一端と光学的に接続され、層９２の光学ファイバーの他端は層９８の光学ファイバーの一端と光学的に接続され、層９２，９４，９６，９８が第１の四極子巻回形状を形成する。同様に層１００，１０２，１０４，１０６は第２の四極子巻回形状を形成する。所望により付加的な四極子を設け得る。
【００３１】
仮に層９２が巻回形状９０の機能部分ではないとすれば、層９４は光学ファイバーの第１端から巻いた巻線を、層９６は光学ファイバーの第２端から巻いた巻線を、層９８は光学ファイバーの第２端から巻いた巻線を、そして層１００は光学ファイバーの第１端から巻いた巻線をそれぞれ有する。しかして層９４，９６，９８，１００は四極子を形成する。後続する各層は同一の四極子巻回形状で巻回される。
【００３２】
巻回形状１００は層１１２，１１４，１１６，１１８，１２０，１２２，１２４，１２６を含む。層１１２，１１８，１２２，１２４の巻線は光学ファイバーの第１端から巻回し、層１１４，１１６，１２０，１２６の巻線は光学ファイバーの第２端から巻回される。層１１２の巻線巻回に用いる光学ファイバーの第１端の一部は（ｉ）層１１４，１１６，１２０，１２６の巻回に用いた光学ファイバーの第２端と（ｉｉ）層１１８，１２２，１２４の巻回に用いた光学ファイバーの第１端の残りの部分の外径より大きい外径を有する。
【００３３】
従って層１１４は光学ファイバーの第２端から巻回した巻線を、層１１６は光学ファイバーの第２端から巻いた巻線を、層１１８は光学ファイバーの第１端から巻いた巻線を、層１２０は光学ファイバーの第２端から巻いた巻線を、層１２２は光学ファイバーの第１端から巻いた巻線を、層１２４は光学ファイバーの第１端から巻いた巻線を、そして層１２６は光学ファイバーの第２端から巻いた巻線をそれぞれ含む。層１１２内の光学ファイバーの一端は層１１４内の光学ファイバーの一端と光学的に接続され、層１１２内の光学ファイバーの他端は層１１８内の光学ファイバーの一端と光学的に接続されて、層１１２，１１４，１１６，１１８が第１の四極子巻回形状を形成するようにしている。同様に層１２０，１２２，１２４，１２６は逆四極子巻回形状を形成するように構成して、層１１２，１１４，１１６，１１８，１２０，１２２，１２４，１２６が八極子を形成するようにする。所望に応じて八極子を付加して設けても良い。実際上層１１２−１２６内の巻線は光学ファイバーコイル等の次の８層において逆向きにしても良い。
【００３４】
仮に層１１２が巻回形状１１０の機能部分でないものとすれば、層１１４は光学ファイバーの第１端から巻回した巻線を、層１１６は光学ファイバーの第２端から巻回した巻線を、層１１８は光学ファイバーの第２端から巻いた巻線を、層１２０は光学ファイバーの第１端から巻いた巻線をそれぞれ有する。しかして層９４，９６，９８，１００は四極子を形成する。後続する４層は逆四極子を形成し、層９４，９６，９８，１００と共に八極子を形成する。次の８層は逆八極子として巻回しても良い。
【００３５】
巻回形状１３０は層１３２，１３４，１３６，１３８，１４０，１４２，１４４，１４６，１４８を含む。層１３２の巻線は第１の光学ファイバーから巻回され、各層１３４，１３６，１３８，１４０，１４２，１４４，１４６，１４８の巻線は第２光学ファイバーから巻回される。従って層１３２の巻線は、前述したように機能部分であっても、巻回形状１３０の機能部分ではない。層１３２の巻線の巻回に用いた第１光学ファイバーの外径は、各層１３４，１３６，１３８，１４０，１４２，１４４，１４６，１４８の巻回に用いる第２光学ファイバーの外径より大きい。
【００３６】
図８に示すように、層１３４〜１４８は第２光学ファイバーの第１端と第２端とから巻回した巻線を交互に含む。全層１３４−１４８について特定の間挿巻回パターンを図８に示すが、他の間挿巻回パターンも採用し得る。間挿巻回パターンの例が１９９６年６月２１日出願され、米国特許商標局の許可を受けた米国特許出願第０８／６６８，４８５号に開示される。
【００３７】
本発明の幾つかの変更形態を上述した。他の変更形態が本発明の技術の実施の際に生じよう。例えば本発明は光学ファイバー速度センサで説明したが、本発明は他の光学ファイバー装置にも同様に使用し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は光学ファイバーコイルの巻回中に光学ファイバーに加えられた応力によって生じた巻回誤差を示す図である。
【図２】 図２は光学ファイバーの径の変動で生じた巻回誤差を示す図である。
【図３】 図３は間挿巻回パターンを示す図である。
【図４】 図４は光学ファイバーコイルの巻回中に光学ファイバーにかかる応力ないし光学ファイバーの径の変動で生じる間挿巻回パターンにおける巻回誤差を示す図である。
【図５】 図５は本発明を併有する一般的な巻回パターンを示す図である。
【図６】 図６は本発明を併有する四極子巻回パターンを示す図である。
【図７】 図７は本発明を併有する八極子巻回パターンを示す図である。
【図８】 図８は本発明を併有する間挿巻回パターンを示す図である。

Claims (1)

1. 光学ファイバーから巻回した第１の巻線層（７２，９２，１１２，１３２）と第２の巻線層（７４，９４，１１４，１３４）とを有し、第１巻線層（７２，９２，１１２，１３２）の光学ファイバーは第１の径を有し、第２巻線層（７４，９４，１１４，１３４）の巻線は第１巻線層の巻線の周囲に巻回され、第２巻線層（７４，９４，１１４，１３４）の光学ファイバーは第２の径を有する光学ファイバーから巻回した光学ファイバーコイル（７０，９０，１１０，１３０）であって、第１の径を第２の径より大きくして第２巻線層（７４，９４，１１４，１３４）の巻線の相互の接触を実質的に防止することを特徴とした光学ファイバーコイル（７０，９０，１１０，１３０）。

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