JP4684419B2 - 光学ファイバジャイロスコープ用の耐環境に優れた偏光解消素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は光学ファイバ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検知への環境の諸状態の作用を緩和する光学ファイバジャイロスコープの偏光解消素子の分野に関する。更に詳細には回転検知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回転不感応巻線パターンに巻装する光学ファイバジャイロスコープの偏光解消素子の伝達ファイバセグメントの分野に関する。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ファイバジャイロスコープの偏光解消素子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ファイバ偏光解消素子に関する。
【０００２】
（背景技術）
光学ファイバジャイロスコープは光学ファイバ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で角速度を測定する。光波はファイバに結合された光源から発し、分割され、そして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に沿って向けられる。その後対向伝達光波は再結合され、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の強度および対向の波間の位相差に従って出力信号が発生される。この位相差、ひいては角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の軸を中心にケーブルが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能力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能力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の原因と考えられる。振幅型位相エラーと強さ型位相エラーは光波が同一ファイバケーブルを透過する間の異なる偏光面からの光波要素の混合が原因と考えられる。これらの位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）ファイバは偏波面保存型（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の偏光面が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間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偏光解消素子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偏光解消することで、両逆伝播光波は同一の光路に出会いやすくなる。偏光解消素子は各逆伝播光波の強さを、全方向に均等に分布する偏光面を有した部分光の集合に分布させる。従って逆伝播光路を進行する理想的に偏光解消した光の干渉パターンは、同時逆伝播波の干渉パターンが各同時逆伝播波の偏光面とは独立するため、偏光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】
偏光解消素子の一形式であるＬｙｏｔ型ファイバ偏光解消素子は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偏光軸に対して４５度で整合した各ＰＭファイバセグメントを結合したものでなる。加えて偏光解消素子セグメントの長さは一軸に沿って偏光した光の伝播時間が、直角軸に沿って偏光した光の伝播時間に比して、そこを通って伝播する光のコヒーレンス時間よりも大となるようにする。しかしながら偏光解消素子は非回転誘起移相エラーを最小にし得たとしても、偏光解消素子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偏光解消素子が関与する問題を増大させる。
【０００９】
特にＬｙｏｔ型の偏光解消素子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偏光解消素子に、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偏光解消素子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偏光解消素子の設計に必要な研究を行っていない。特にファイバ偏光解消素子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５，５２６，１１５号、カーシー等の米国特許第５，３１９，４４０号はいずれも光学ファイバジャイロスコープでのファイバ偏光解消素子の使用を論議する。しかしながらいずれの特許も単に関連技術では通常の偏光解消素子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偏光解消素子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）が新しい型の偏光解消素子の作り方を教示している。ニシウラは偏波面保存型のファイバセグメントを偏光子のリード端に、偏光子ファイバセグメントの主軸に対して４５度の角度でのり付けする偏光解消素子の作り方を教示する。従ってニシウラは偏光解消素子の作成に当たってＰＭファイバのーセグメントを削除する方法を教えるが、偏光解消素子の対称性の改善あるいはファイバ偏光解消素子のより大きな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偏光解消素子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偏光解消素子設計の提供にある。
【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を参照するに光学ファイバジャイロスコープ１が示される。本発明において主題としているのは光学ファイバジャイロスコープ用の環境に強いファイバ偏光解消素子１０を作成する構成並びに方法である。好適なファイバ偏光解消素子１０は実際上時計方向および反時計方向の実質的に同等のファイバセグメント２０．１，２０．２を備え、対称の巻線パターン３１に巻装され、即ちそれは回転方向に無感知の偏光解消素子ファイバ巻線パターン３２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の両端に末端で結合される。このときファイバ偏光解消素子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】
ファイバ偏光解消素子１０の環境の諸状態に対する感受性を最小限にするため、偏光解消素子１０のファイバセグメント２０．１，２０．２の長さは好ましくは実質的に同一の長さにされる。更にファイバ偏光解消素子１０を対称にするため、この発明のファイバ偏光解消素子１０は、時計方向の伝達ファイバセグメント２０．１に偏光解消素子セグメントの少なくとも一つと、且つ反時計方向の伝達ファイバセグメント２０．２に偏光解消素子セグメントの少なくとも一つを具備することが重要である。一方好ましくは各伝達ファイバセグメント２０．１および２０．２は図２に示されるように偏光解消素子セグメントの少なくとも二つを有する。
【００１７】
実質的に同等のファイバ偏光解消素子セクション２０に寄与する他の要素は、ファイバ偏光解消素子の伝達ファイバセグメント２０．１，２０．２における匹敵するファイバ構成２２である。
概してファイバ偏光解消素子セクション２０の更に別の特徴は、ファイバ偏光解消素子１０の伝達ファイバセグメント２０．１および２０．２におけるファイバ構成が適合されることにある。一般にファイバ偏光解消素子１０は偏波面保存（ＰＭ）のファイバセグメントにより全体的に、または偏波面保存（ＰＭ）と単一モード（ＳＭ）ファイバセグメントの結合により形成され得る。図２には時計方向の伝達ファイバセグメント２０．１における２つのＰＭセグメント，ＡおよびＢ、反時計方向の伝達ファイバセグメント２０．２における２つのＰＭセグメント，Ａ‘およびＢ’が示される。ファイバ偏光解消素子１０が全体的にＰＭセグメントで作成されている場合、逆伝播のファイバセグメント２０．１，２０．２の匹敵する熱膨張特性（２６）は、環境の諸状態に対する感応性を減少させることになろう。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’と同一のファイバ構成２２を有する。同一のファイバ構成２２とは対応するセグメント、実質的に同じタイプのＰＭファイバ、同一のファイバコーティング及び同一長を意味する。
【００１８】
一方ファイバ偏光解消素子１０はＰＭとＳＭとの組合わせ即ち合成で作成され、不釣合いなＰＭファイバ長を用いるようにもできる。図３には合成されたファイバ偏光解消素子１０が示される。通常は合成されたファイバ偏光解消素子１０においてＳＭファイバの付加セグメントは時計方向の伝達ファイバセグメント２０．１の一端部または反時計方向の伝達ファイバセグメント２０．２の一端部のいずれかに結合される。合成タイプのファイバ偏光解消素子については、時計方向伝達ファイバセグメント２０．１内のＰＭファイバセグメントの構成２２は反時計方向の伝達ファイバセグメント２０．２内に存在する対応したＰＭファイバっセグメントのファイバ構成と同じであるべきである。その後伝達ファイバセグメント２０．１または２０．２の一方に結合されたＳＭファイバは、逆方向の伝達ファイバセグメント２０．１および２０．２の長さに適合したものとされるべきである。更にＰＭファイバおよびＳＭファイバは同一のファイバコーティング材料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ファイバセグメント２０．２に加えられて両方のファイバセグメント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、時計方向伝播用のファイバセグメント２０．１が反時計方向伝播用のファイバセグメント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】
更にファイバ偏光解消素子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偏光解消素子１０であるかに関係なく、逆方向伝播用のファイバセグメント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。従って偏光解消素子ファイバセグメント２０．１、２０．２の熱膨張特性を平衡させる包封材２１で対向する偏光解消素子セクション２０を接着することも好ましい。逆方向伝播用のファイバセグメント２０．１、２０．２の熱膨張特性の平衡を取ると、偏光解消素子ファイバセグメント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、環境変数に対する偏光解消素子１０の感度が最少にされる。ファイバコイル１００を接着するのに当業者には周知の包封材２１を偏光解消素子ファイバセグメント２０．１、２０．２を接着するのにも用いることができる。更に包封は自立型マイクロコイル５０の形態の偏光解消素子１０のファイバセグメント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内へのファイバ偏光解消素子１０の装着法である。採用される偏光解消素子装着法は検出コイル１００、コイルハブ５５及び独立支持体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、偏光解消素子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、独立支持体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、コイルハブ５５に対し半径方向に接着される自立型マイクロコイル５０、独立支持体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、偏光解消素子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、及びファイバ偏光解消素子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偏光解消素子１０巻きパターンは以下に更に説明するバイフィラ巻き（二本巻き）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偏光解消素子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、ファイバ偏光解消素子ファイバセグメント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に示すようにファイバセグメント２０．１、２０．２が巻かれて半径方向に装着され独立支持体５６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偏光解消素子マイクロコイル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。更にファイバ偏光解消素子１０は多くの場合特に環境変動を受ける光回路の領域に配置される。従って、環境変動に対する感度をさらに減少するため、偏光解消素子ファイバファイバセグメント２０．１、２０．２を回転不感応の偏光解消素子ファイバ巻きパターン３２に巻くことが望ましい。
【００２４】
対向する偏光解消素子伝播ファイバセグメント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るので、回転不感応巻きパターン３２は偏光解消素子ファイバファイバセグメント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３２に対し、ファイバ偏光解消素子１０の時計方向ファイバセグメント２０．１と反時計方向ファイバセグメント２０．２間の領域が最少にされる。同じ方向で互いに接触する偏光解消素子１０の互いに反対方向に伝播するファイバセグメント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はファイバ偏光解消素子１０のマイクロコイル５０、ファイバ偏光解消素子１０の時計方向ファイバセグメント２０．１及びファイバ偏光解消素子１０の反時計方向ファイバセグメント２０．２と共に存在する。
【００２５】
図１２は回転不感応巻きパターン３２に巻かれたファイバセグメント２０．１、２０．２を有するファイバ偏光解消素子１０のマイクロコイル５０の上面図であるあ。
【００２６】
環境変動に対する感度を更に最少にするため、偏光解消素子セクション２０を対称巻きパターン３１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ファイバセグメント２０．１と反時計方向のファイバセグメント２０．２のファイバセクション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ファイバセグメント２０．１の巻き層と反時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２をマイクロコイル５０のファイバを全体を通じ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ファイバセグメント２０．２を完全に１層巻きその後時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２を完全に２層巻きその後反時計方向に伝播するファイバセグメント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ファイバセグメント２０．２を完全に１層巻き、その後時計方向に伝播するファイバセグメント２０．１を完全に２層巻き、その後反時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２を完全に１層巻き、その後時計方向に伝播するファイバセグメント２０．１を完全に１層巻き、その後反時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２を２層巻き、最後に時計方向に伝播するファイバセグメント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ファイバセグメント２０．１を１／２層巻き反時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２を１／２層巻き、次にファイバセグメント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ファイバセグメント２０．１と反時計方向ファイバセグメント２０．２を巻きを交互にすることを特徴とする。環境変動に対する耐性を最大にするため、ファイバ偏光解消素子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のファイバセグメントがファイバ偏光解消素子１０のファイバセグメント２０．１、２０．２に対し連結された後回転不感応パターン３２に移行する必要がある。従って、ファイバ偏光解消素子１０の時計方向に伝播するファイバセグメント２０．１あるいは反時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２を再度配向しファイバセグメント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ファイバセグメント２０．１あるいは反時計方向に伝播するファイバセグメント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、両ファイバセグメント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はファイバ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は複数の偏波面保存セグメントのＬｙｏｔ型ファイバ偏光解消素子の簡略図である。
【図３】図３はファイバ偏光解消素子の伝達路の一に連結される単一モード型ファイバの付加的セグメントを具備するＬｙｏｔ型ファイバ偏光解消素子の簡略図である。
【図４】図４は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検出コイルに直接結合されたファイバ偏光解消素子が軸方向に二本巻きで装着された簡略図である。
【図５】図５は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検出コイルが巻装されたハブに直接結合されたファイバ偏光解消素子が軸方向に二本巻きで装着された簡略図である。
【図６】図６は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検出コイルが巻装されたハブに結合されると共に独立した支持体に接合されたファイバ偏光解消素子が軸方向に二本巻きで装着された簡略図である。
【図７】図７は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検知コイルに直接結合されたファイバ偏光解消素子が半径方向に二本巻きで装着される簡略図である。
【図８】図８は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検出コイルが巻装されたハブに直接結合されたファイバ偏光解消素子が半径方向二本巻きで装着される簡略図である。
【図９】図９は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検出コイルが巻装されたハブに結合されると共に、独立した支持体に接合されたファイバ偏光解消素子が半径方向に二本巻きで装着される簡略図である。
【図１０】図１０はファイバ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最後の数層として巻装されるファイバ偏光解消素子が二本巻きで装着される簡略図である。
【図１１】図１１はファイバ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ファイバ偏光解消素子が二本巻きで装着される簡略図である。
【図１２】図１２は回転不感応偏光解消素子のファイバ巻回パターンの簡略図である。
【図１３】図１３はファイバ偏光解消素子の２極巻きパターンの簡略図である。
【図１４】図１４はファイバ偏光解消素子の４極巻きパターンの簡略図である。
【図１５】図１５はファイバ偏光解消素子の８極巻きパターンの簡略図である。
【図１６】図１６はファイバ偏光解消素子のインタ・リーヴ（間挿）巻きパターンの簡略図である。
【図１７】図１７はファイバ偏光解消素子の二本巻きパターンの簡略図である。
（技術分野）
本発明は光学ファイバ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検知への環境の諸状態の作用を緩和する光学ファイバジャイロスコープの偏光解消素子の分野に関する。更に詳細には回転検知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回転不感応巻線パターンに巻装する光学ファイバジャイロスコープの偏光解消素子の伝達ファイバセグメントの分野に関する。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ファイバジャイロスコープの偏光解消素子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ファイバ偏光解消素子に関する。
【０００２】
（背景技術）
光学ファイバジャイロスコープは光学ファイバ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で角速度を測定する。光波はファイバに結合された光源から発し、分割され、そして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に沿って向けられる。その後対向伝達光波は再結合され、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の強度および対向の波間の位相差に従って出力信号が発生される。この位相差、ひいては角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の軸を中心にケーブルが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能力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能力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の原因と考えられる。振幅型位相エラーと強さ型位相エラーは光波が同一ファイバケーブルを透過する間の異なる偏光面からの光波要素の混合が原因と考えられる。これらの位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）ファイバは偏波面保存型（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の偏光面が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間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偏光解消素子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偏光解消することで、両逆伝播光波は同一の光路に出会いやすくなる。偏光解消素子は各逆伝播光波の強さを、全方向に均等に分布する偏光面を有した部分光の集合に分布させる。従って逆伝播光路を進行する理想的に偏光解消した光の干渉パターンは、同時逆伝播波の干渉パターンが各同時逆伝播波の偏光面とは独立するため、偏光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】
偏光解消素子の一形式であるＬｙｏｔ型ファイバ偏光解消素子は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偏光軸に対して４５度で整合した各ＰＭファイバセグメントを結合したものでなる。加えて偏光解消素子セグメントの長さは一軸に沿って偏光した光の伝播時間が、直角軸に沿って偏光した光の伝播時間に比して、そこを通って伝播する光のコヒーレンス時間よりも大となるようにする。しかしながら偏光解消素子は非回転誘起移相エラーを最小にし得たとしても、偏光解消素子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偏光解消素子が関与する問題を増大させる。
【０００９】
特にＬｙｏｔ型の偏光解消素子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偏光解消素子に、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偏光解消素子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偏光解消素子の設計に必要な研究を行っていない。特にファイバ偏光解消素子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５，５２６，１１５号、カーシー等の米国特許第５，３１９，４４０号はいずれも光学ファイバジャイロスコープでのファイバ偏光解消素子の使用を論議する。しかしながらいずれの特許も単に関連技術では通常の偏光解消素子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偏光解消素子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）が新しい型の偏光解消素子の作り方を教示している。ニシウラは偏波面保存型のファイバセグメントを偏光子のリード端に、偏光子ファイバセグメントの主軸に対して４５度の角度でのり付けする偏光解消素子の作り方を教示する。従ってニシウラは偏光解消素子の作成に当たってＰＭファイバのーセグメントを削除する方法を教えるが、偏光解消素子の対称性の改善あるいはファイバ偏光解消素子のより大きな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偏光解消素子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偏光解消素子設計の提供にある。
【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を参照するに光学ファイバジャイロスコープ１が示される。本発明において主題としているのは光学ファイバジャイロスコープ用の環境に強いファイバ偏光解消素子１０を作成する構成並びに方法である。好適なファイバ偏光解消素子１０は実際上時計方向および反時計方向の実質的に同等のファイバセグメント２０．１，２０．２を備え、対称の巻線パターン３１に巻装され、即ちそれは回転方向に無感知の偏光解消素子ファイバ巻線パターン３２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の両端に末端で結合される。このときファイバ偏光解消素子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】
ファイバ偏光解消素子１０の環境の諸状態に対する感受性を最小限にするため、偏光解消素子１０のファイバセグメント２０．１，２０．２の長さは好ましくは実質的に同一の長さにされる。更にファイバ偏光解消素子１０を対称にするため、この発明のファイバ偏光解消素子１０は、時計方向の伝達ファイバセグメント２０．１に偏光解消素子セグメントの少なくとも一つと、且つ反時計方向の伝達ファイバセグメント２０．２に偏光解消素子セグメントの少なくとも一つを具備することが重要である。一方好ましくは各伝達ファイバセグメント２０．１および２０．２は図２に示されるように偏光解消素子セグメントの少なくとも二つを有する。
【００１７】
実質的に同等のファイバ偏光解消素子セクション２０に寄与する他の要素は、ファイバ偏光解消素子の伝達ファイバセグメント２０．１，２０．２における匹敵するファイバ構成２２である。
概してファイバ偏光解消素子セクション２０の更に別の特徴は、ファイバ偏光解消素子１０の伝達ファイバセグメント２０．１および２０．２におけるファイバ構成が適合されることにある。一般にファイバ偏光解消素子１０は偏波面保存（ＰＭ）のファイバセグメントにより全体的に、または偏波面保存（ＰＭ）と単一モード（ＳＭ）ファイバセグメントの結合により形成され得る。図２には時計方向の伝達ファイバセグメント２０．１における２つのＰＭセグメント，ＡおよびＢ、反時計方向の伝達ファイバセグメント２０．２における２つのＰＭセグメント，Ａ‘およびＢ’が示される。ファイバ偏光解消素子１０が全体的にＰＭセグメントで作成されている場合、逆伝播のファイバセグメント２０．１，２０．２の匹敵する熱膨張特性（２６）は、環境の諸状態に対する感応性を減少させることになろう。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’と同一のファイバ構成２２を有する。同一のファイバ構成２２とは対応するセグメント、実質的に同じタイプのＰＭファイバ、同一のファイバコーティング及び同一長を意味する。
【００１８】
一方ファイバ偏光解消素子１０はＰＭとＳＭとの組合わせ即ち合成で作成され、不釣合いなＰＭファイバ長を用いるようにもできる。図３には合成されたファイバ偏光解消素子１０が示される。通常は合成されたファイバ偏光解消素子１０においてＳＭファイバの付加セグメントは時計方向の伝達ファイバセグメント２０．１の一端部または反時計方向の伝達ファイバセグメント２０．２の一端部のいずれかに結合される。合成タイプのファイバ偏光解消素子については、時計方向伝達ファイバセグメント２０．１内のＰＭファイバセグメントの構成２２は反時計方向の伝達ファイバセグメント２０．２内に存在する対応したＰＭファイバっセグメントのファイバ構成と同じであるべきである。その後伝達ファイバセグメント２０．１または２０．２の一方に結合されたＳＭファイバは、逆方向の伝達ファイバセグメント２０．１および２０．２の長さに適合したものとされるべきである。更にＰＭファイバおよびＳＭファイバは同一のファイバコーティング材料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ファイバセグメント２０．２に加えられて両方のファイバセグメント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、時計方向伝播用のファイバセグメント２０．１が反時計方向伝播用のファイバセグメント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】
更にファイバ偏光解消素子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偏光解消素子１０であるかに関係なく、逆方向伝播用のファイバセグメント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。従って偏光解消素子ファイバセグメント２０．１、２０．２の熱膨張特性を平衡させる包封材２１で対向する偏光解消素子セクション２０を接着することも好ましい。逆方向伝播用のファイバセグメント２０．１、２０．２の熱膨張特性の平衡を取ると、偏光解消素子ファイバセグメント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、環境変数に対する偏光解消素子１０の感度が最少にされる。ファイバコイル１００を接着するのに当業者には周知の包封材２１を偏光解消素子ファイバセグメント２０．１、２０．２を接着するのにも用いることができる。更に包封は自立型マイクロコイル５０の形態の偏光解消素子１０のファイバセグメント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内へのファイバ偏光解消素子１０の装着法である。採用される偏光解消素子装着法は検出コイル１００、コイルハブ５５及び独立支持体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、偏光解消素子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、独立支持体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、コイルハブ５５に対し半径方向に接着される自立型マイクロコイル５０、独立支持体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、偏光解消素子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、及びファイバ偏光解消素子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偏光解消素子１０巻きパターンは以下に更に説明するバイフィラ巻き（二本巻き）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偏光解消素子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、ファイバ偏光解消素子ファイバセグメント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に示すようにファイバセグメント２０．１、２０．２が巻かれて半径方向に装着され独立支持体５６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偏光解消素子マイクロコイル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。更にファイバ偏光解消素子１０は多くの場合特に環境変動を受ける光回路の領域に配置される。従って、環境変動に対する感度をさらに減少するため、偏光解消素子ファイバファイバセグメント２０．１、２０．２を回転不感応の偏光解消素子ファイバ巻きパターン３２に巻くことが望ましい。
【００２４】
対向する偏光解消素子伝播ファイバセグメント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るので、回転不感応巻きパターン３２は偏光解消素子ファイバファイバセグメント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３２に対し、ファイバ偏光解消素子１０の時計方向ファイバセグメント２０．１と反時計方向ファイバセグメント２０．２間の領域が最少にされる。同じ方向で互いに接触する偏光解消素子１０の互いに反対方向に伝播するファイバセグメント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はファイバ偏光解消素子１０のマイクロコイル５０、ファイバ偏光解消素子１０の時計方向ファイバセグメント２０．１及びファイバ偏光解消素子１０の反時計方向ファイバセグメント２０．２と共に存在する。
【００２５】
図１２は回転不感応巻きパターン３２に巻かれたファイバセグメント２０．１、２０．２を有するファイバ偏光解消素子１０のマイクロコイル５０の上面図であるあ。
【００２６】
環境変動に対する感度を更に最少にするため、偏光解消素子セクション２０を対称巻きパターン３１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ファイバセグメント２０．１と反時計方向のファイバセグメント２０．２のファイバセクション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ファイバセグメント２０．１の巻き層と反時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２をマイクロコイル５０のファイバを全体を通じ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ファイバセグメント２０．２を完全に１層巻きその後時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２を完全に２層巻きその後反時計方向に伝播するファイバセグメント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ファイバセグメント２０．２を完全に１層巻き、その後時計方向に伝播するファイバセグメント２０．１を完全に２層巻き、その後反時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２を完全に１層巻き、その後時計方向に伝播するファイバセグメント２０．１を完全に１層巻き、その後反時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２を２層巻き、最後に時計方向に伝播するファイバセグメント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ファイバセグメント２０．１を１／２層巻き反時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２を１／２層巻き、次にファイバセグメント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ファイバセグメント２０．１と反時計方向ファイバセグメント２０．２を巻きを交互にすることを特徴とする。環境変動に対する耐性を最大にするため、ファイバ偏光解消素子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のファイバセグメントがファイバ偏光解消素子１０のファイバセグメント２０．１、２０．２に対し連結された後回転不感応パターン３２に移行する必要がある。従って、ファイバ偏光解消素子１０の時計方向に伝播するファイバセグメント２０．１あるいは反時計方向に伝播するファイバセグメント２０．２を再度配向しファイバセグメント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ファイバセグメント２０．１あるいは反時計方向に伝播するファイバセグメント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、両ファイバセグメント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はファイバ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は複数の偏波面保存セグメントのＬｙｏｔ型ファイバ偏光解消素子の簡略図である。
【図３】図３はファイバ偏光解消素子の伝達路の一に連結される単一モード型ファイバの付加的セグメントを具備するＬｙｏｔ型ファイバ偏光解消素子の簡略図である。
【図４】図４は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検出コイルに直接結合されたファイバ偏光解消素子が軸方向に二本巻きで装着された簡略図である。
【図５】図５は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検出コイルが巻装されたハブに直接結合されたファイバ偏光解消素子が軸方向に二本巻きで装着された簡略図である。
【図６】図６は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検出コイルが巻装されたハブに結合されると共に独立した支持体に接合されたファイバ偏光解消素子が軸方向に二本巻きで装着された簡略図である。
【図７】図７は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検知コイルに直接結合されたファイバ偏光解消素子が半径方向に二本巻きで装着される簡略図である。
【図８】図８は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検出コイルが巻装されたハブに直接結合されたファイバ偏光解消素子が半径方向二本巻きで装着される簡略図である。
【図９】図９は回転不感応巻線パターンで巻装され且つファイバジャイロスコープの検出コイルが巻装されたハブに結合されると共に、独立した支持体に接合されたファイバ偏光解消素子が半径方向に二本巻きで装着される簡略図である。
【図１０】図１０はファイバ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最後の数層として巻装されるファイバ偏光解消素子が二本巻きで装着される簡略図である。
【図１１】図１１はファイバ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ファイバ偏光解消素子が二本巻きで装着される簡略図である。
【図１２】図１２は回転不感応偏光解消素子のファイバ巻回パターンの簡略図である。
【図１３】図１３はファイバ偏光解消素子の２極巻きパターンの簡略図である。
【図１４】図１４はファイバ偏光解消素子の４極巻きパターンの簡略図である。
【図１５】図１５はファイバ偏光解消素子の８極巻きパターンの簡略図である。
【図１６】図１６はファイバ偏光解消素子のインタ・リーヴ（間挿）巻きパターンの簡略図である。
【図１７】図１７はファイバ偏光解消素子の二本巻きパターンの簡略図である。
Claims (3)
- 第１の光伝達用のファイバセグメントおよび第２の光伝達用のファイバセグメントを備え、前記第１の光伝達用のファイバセグメントおよび前記第２のファイバセグメントは相まって回転不感応巻き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に末端で連結され、これにより環境変動の作用を緩和する光学ファイバジャイロスコープ用の偏光解消素子。
- ジャイロスコープ検出巻線の両端部に末端で連結された、第１の光伝達用のファイバセグメントと、第２の光伝達用のファイバセグメントとを備え、これら光伝達用のファイバセグメントは、相まって回転不感応巻きパターンで巻かれ、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を形成しており、これにより環境変動の作用を緩和するファイバ偏光解消素子。
- ジャイロスコープ検出巻線の両端部に末端で連結された、第１の光伝達用のファイバセグメントと、第２の光伝達用のファイバセグメントとを備え、これら光伝達用のファイバセグメントは、相まって回転不感応巻きパターンで巻かれ、ジャイロスコープ検出巻線の回転検出軸に半径方向に装着されたマイクロ巻線構造体を形成しており、これにより環境変動の作用を緩和するファイバ偏光解消素子。
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