JPH02212712A - 光ファイバジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光ファイバループをセンシング部として回
転角速度を検出する光ファイバジャイロに関するもので
ある。

［従来の技術］ 光ファイバジャイロは、光ファイバループの両端から入
射した相反光間のサニヤック位相差（Δφ）を検出して
、光ファイバループの回転角速度を検出するものであり
、その出力Ｓは、５＝ＫｃａｓΔφ と表わされる　（Ｋは比例定数）。

しかし、このままでは、微小回転角速度の検出感度が低
く、入出力特性が非線型で広範な回転角速度範囲が得ら
れないなどの問題を含んでいる。

そのため、これに種々の変調方式を用いて、高感度化、
線型化、検出範囲の拡大化が図られる。

般には、位相変調方式、周波数変調方式、七ロダイン変
調方式などが用いられているが、これらの変調方式を用
いる際の共通の問題点として、センシングコイルのサニ
ヤック位相差以外の耐環感度を如何に低減するか、とい
うものがある。即ち、ファイバループに、温度、磁場、
圧力などの環境変動が加わった場合、ファイバループ伝
搬相反光が、異なるタイミングでこれらの影響を受ける
こどにより、両光間にサニヤック位相差以外の位相差か
発生してしまうというものであり、この出力誤差項を低
減することが、高精度ジャイロ実現における一−−−）
の大きな課題となっている。

これらの誤差要素の中でも、温度変動誘起位相差誤差は
、その誤差補償をパッシブ制御のみて解決したいという
立場から考えると、最も課題を多く含んでおり、有効な
解決策が望まれている問題と言える。、 これまて、 ＜０　▽７ア・イバループを、温度変動から完全に隔離
してしまう。

（ｉｉ＞　　ファイバのコア、クラッド部に財源感度の
低い材料を用いる。

（ｉｉｉ＞　　温度変動はやむを得ないが、巻付構造を
］二夫して温度変動に起因する位相誤差を相殺させる。

などσ）方法が考えられているが、最も現実的な解決策
としては、（ｉｉｉ＞の巻付構造の工夫が有力であり、
これまで、いくつかの巻付方法が試みられている。第４
図および第５図はその一例′ζあり、第４図はｄｉｌ＋
ｏｌａｒ巻、第５図はｑｕａｄｒｕｐｏｌａｒ巻と呼ば
れ、いずれの巻付態様も、長尺ファイバの１／／２の点
から等距離にある光フアイバ部分か近接するように、全
体としては一＝方向に巻付＋−するという点を技術的特
徴としており、通常、対称巻付法と呼ばれている。

ここで、第４図、第５図において、（１）εＪ７７・イ
バボビン、（２）はジャイロヘースへの取付部（熱ブリ
ツジ部）　、　（１３＞は光ファイバ、（▽１▽３▽ａ
　）は光フアイバ中点から見たＣ　Ｗ方向異イ・１端、
（▽１▽３▽ｂ　）は光フアイバ中点から見たＣ　Ｃ▽
Ｗ方向巻（＝ｆ端、（１３ｃ）は光フアイバ中点を示し
ている。Ｊな、（′−）印はＣＣＷ方向、Ｘ印はＣＷＷ
Ｎ２△印はファイバ中点を示す。

以下、温度変動に起因する位相誤差の発生原理および対
称巻付構造の作用について述べる。

光が、光路長１．のファイバ中を伝搬する場りに生じる
伝搬遅延位相φは、 φ−βｏＬ　・　・・・　・・（１） なだ１７、βｏ＝、　２７ｒｎｆ、、７λ、、　：伝搬
定数λθ：光源の波長 ▽ｒ 、ファイバの平均屈折率である。

である。

になる、。

仔−爵一編ｑ十β。対ｒ ｄｔの間に生じる位相差ｄφｅは、 ｄφｅ ２Ｌ（ａ　ｌ−／Ｅｉ　−ｏｆ）ｄｔ−ｄ／−▽１λｏ
ｄｔ ・（２） 〜１　×１０▽−　’　／　℃ 〜、５．１４０−’／℃ となる。

また、ファイバ端からｌの位置を通過する相反光の伝搬
遅延時間τは ただし、Ｃｏは真空中の光速 となるので、相反光間に生じる位相差Δφｅζ」、とな
る。

簡単のため、第６図に示すように、ファイハル動があり
、他の層に温度変動がない場りを仮定すると、（３）式
は以下のようになる。

また、第６図において、（１３）は光ファイバ（１３ｄ
）はＣＷ光（ＣＣＷ光）入射端、（］、３ｅ）は（：Ｃ
Ｗ光（ＣＷ光）入射端、（１４）は温度変動のある任意
の層である。

対称巻付法の原理的な要点としては、ファイバ中点から
等距離にあるポイントの温度変動を近づけることにより
、相反光の受ける位相シフト量を等しくして互いに相殺
させるというものであり、これは、式（４）にＬ＋＝Ｌ
　　Ｌｌ、Ｌ２＝Ｌ−Ｌ２を代入しても同一の結果とな
ることから、容易に理解できる。

しかしながら、第４図または第５図に示す従来の巻付構
造では、ファイバ中点から等距離の光フアイバ部分が、
異なる層に位置することになるなめ、各層の温度変動が
一様でない場合には、発生する位相誤差を完全に相殺し
きれない。即ち、ファイバ間、あるいはファイバ層間の
熱伝達が有限時間で行われるなめ、各層で発生する位相
誤差に時間的なずれが生じ、相殺のタイミングがずれる
という問題があった。

このため、ファイバ層間に金属シートを巻いて熱伝達速
度を高めたり、逆にファイバ間にシリコン樹脂等を充填
して熱伝達速度を低くするなどの手段が講じられたが、
いずれも本質点な解決策ではなかった。

巻付構造で、ファイバ長５００ｉ＋、巻付層数５０層の
ファイバループに、１℃／ｍｉｎ以上の温度変化を与え
た場合、数”　／ｈｒｐ−ｐのジャイロドリフトを生じ
る結果となった。

［発明が解決しようとする課題］ 以上説明した巻付構造の光ファイバループをもつ従来の
光ファイバジャイロは、光ファイバジャイロをイナーシ
ャルグレードレベルの高精度ジャイロに適用する場合や
、低精度であっても、急激な温度変動下で使用するよう
な、要求環境条件が厳しい場合には、十分な性能が得ら
れないという問題があった。

この発明はかような課題を解決するためになされたもの
で、耐環境性能にすぐれた光ファイバジャイロを得るこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る光ファイバジャイロは、ファイバボビン
をジャイロベースへの取付部（熱ブリツジ部）に関し上
下対称な構造となるように設計し、かつ、従来の対称巻
付構造をさらに改良して、長尺ファイバの中点から同一
の距離にある２点が、同一層（同−半径上）の上下対称
位置に来て、しかも全体として一定方向になるように巻
付けた構造の光ファイバループを備えている。

［作用］ この発明においては、ジャイロ外部から流入した熱が、
光フアイバルーズに上下対称に伝達される。

［実施例コ 第１図はこの本発明の一実施例、第２図は第１図のもの
の巻付手順を示した図である。第１図、第２図において
、〈１）はファイバボビン、（２）はジャイロベース取
付部（熱ブリツジ部）　、（３）は光ファイバ、（３ａ
）は光ファイバの中点から見たＣＣＷ方向巻付端、（３
ｂ）は光フアイバ中点から見たＣＷ方向巻付端、（３Ｃ
）は光ファイバの中点、（４）は回転角速度検出軸、（
５）はマイラフィルム等の断熱シートである。

第１図において、ファイバボビン（１）の構造上＝８ の特徴としては、ジャイロベースとの取付部（２）に関
し上下対称な構造を持つという点であり、材質としては
、高強度、高熱伝導率、低線膨張係数、低比重であるこ
とが望ましい。

光ファイバの巻付手順としては、第２図に示す以下の手
順で行われる。まず、第２図（ａ）において、光ファイ
バ（３）の中点（３Ｃ）を、ファイバボビン（１）の上
下方向中点に固定し、光ファイバ（３）の一端（３ａ）
をＣＷ力方向ファイバボビン（１）の上端まで巻付けて
いき、他端（３ｂ）をＣＣＷ方向にファイバボビン（１
）の下端まで巻付けていく。このとき、端部（３ａ）側
と（３ｂ）側の巻付数が同数となるように注意する。

次に、同図（ｂ）に示すように、第２層目は、−端（３
ａ）と他端（３ｂ）が、ファイバボビン（１）の上下方
向中点に向かうように同じ要領で巻付けて行く。

このとき、第１層目と第２層目の間に、断熱シート（５
）を巻付けると、整列巻きが確保できる。なお、断熱シ
ート（５）は、光ファイバ（３）に局部的なストレスが
かからないよう光ファイバ（３）の出口部をカッ１−シ
ておくとよい。

ついで、同図（ｃ）のように、光ファイバ端（３ａ）。

（３ｂ）を各々ファイバボビン（１）の」１下方向中点
で出合うまで巻付けていく。なお、第２層目以降も、光
ファイバ端（３ａ）、　（３ｂ）の巻付数が同数となる
ように注意する。

さらに、同図（ｄ）のように、同図（ｂ）と同じ要領で
断熱シート（５）を巻付ける。ただし、光ファイバ（３
）の出口がファイバボビン（１）の北下方向中点にある
ので注意を要する。

同図（ｅ）は第３層の巻始めを示す。

次に、同図（ｆ）に示すように、同図（ａ）と同じ要領
で巻付けていくが、今度は、光ファイバ端（３ａ）を光
フアイバボビン（１）の下端方向に巻付けていき、光フ
ァイバ端（３ｂ）を光フアイバボビン（１）の上端方向
に巻付けていく。そのため、光ファイバ端（３ａ）と（
３ｂ）が同一層内で入れ代わる箇所があるが、できるだ
け隙間があかないように注意を要する。

以上の手順を繰り返していき、全体としては、第１図に
示すように巻付けることにより、光フアイバ中点（３ｃ
）から同一の距離にある２点が同一・層（同一半径上）
の−ト下対称位置に確実に来るように、また、ファイバ
ループ全体としては、同一方向となるように巻付けるこ
とができる。

なお、ファイバ層間に巻くシートを金属製のものにする
ことも考えられるが、そうすると、ファイバ、金属シー
ト、ファイバボビン間の接触熱抵抗を安定化させるのが
難しく、熱伝達の不均一性を招き易いため、断熱シート
を用いる方が望ましいと言える。

以上の構成により、例えばジャイロ外部から流入する熱
は、熱ブリッジ（２）を介してファイバルーズに上下対
称に伝達される。従って、光フアイバ中点（３ｃ）から
同一の距離にある２点の温度変化率は常に等しい値とな
る。そのため式（４）で表わした位相差が常に相殺され
零となることが分かる。

第３図は他の実施例を示し、ファイバ中点（３Ｃ）に関
してＣＣＷ方向巻付端（３ｂ）とＣＷ方向巻付端（３ａ
）とを上下に配置したものであり、同様の効果が得られ
る。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、ジャイロベースへの
取付部に関して上下対称のファイバボビンを用い、光フ
ァイバを、中点から同一距離にある２点が同一層の上下
対称位置にあるように、かつ、全体として一定方向に巻
付けた構造としたので、ジャイロ外部からのいかなる熱
の流入に対しても、これにより発生ずる位相誤差が自動
的に完全に除去され、耐環境性能のすぐれた、高精度の
ものが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の要部横断面図、第２図は
第１図のものの巻付は工程を示す側面図、第３図は他の
実施例の要部横断面図、第４図および第５図はそれぞれ
従来の光ファイバジャイロの要部横断面図、第６図は同
じく作用説明のための一部模式図である。 （１）・・ファイバボビン、（２）・・・ジャイロベー
ス取付部、（３）　　光ファイバ。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　光ファイバループをセンシング部として回転角速度を
   検出する光ファイバジャイロにおいて、ジャイロベース
   への取付部に関して上下対称に形成されたファイバボビ
   ンと、 長尺ファイバの中点から同一の距離にある２点が同一層
   の上下対称位置にあり、しかも、全体として一定方向に
   なるように前記ファイバボビンに巻付けられた光ファイ
   バでなる前記光ファイバループと、 を備えてなることを特徴とする光ファイバジャイロ。