JPH07261026A

JPH07261026A - 光ファイバジャイロのコイル取付構造

Info

Publication number: JPH07261026A
Application number: JP6325000A
Authority: JP
Inventors: Richard B Dyott; リチャード・ビー・ディオット; Eric L Brooker; エリック・エル・ブルッカー; Sidney M Bennett; シドニー・エム・ベネット; John D Myhre; ジョン・ディー・マイヒー
Original assignee: Andrew LLC
Current assignee: Commscope Technologies LLC
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1995-10-13
Also published as: CA2138814A1; DE69412442T2; US5481358A; DE69412442D1; CA2138814C; EP0660082B1; EP0660082A1

Abstract

(57)【要約】【目的】光ファイバジャイロの検出コイルを取り付け
るための優れたコイル取付構造を提供する。【構成】光ファイバジャイロの検出コイル１０をゲル
１１で全体的または部分的に囲繞する。コイルに付随す
る方向性結合器や偏光子等の構成要素も併せてゲルの中
に埋め込むことができる。剛性のハウジング１３のキャ
ビティ内にコイル及びゲルを収容する。ゲルは、ジャイ
ロの動作温度範囲の全域に亙って、コイルをハウジング
に対して相対的に略々固定した位置に保持できるだけの
充分なこわさを維持し、またコイルのｈパラメータに大
きな影響が及ぶのを回避できるだけの充分な柔軟性を維
持する。更に、ゲルに粒子を充填してゲルの比重を調節
し、ゲルの熱的特性を変化させ、またゲルの粘性を増大
させて振動減衰特性を改善する。変更例では、検出コイ
ルを載置面に載置し、載置面に接触している部分以外の
部分をゲルで囲繞する。別の変更例では、コイル支持面
にゲル層を設けた巻付部材の周囲に光ファイバを巻回し
て検出コイルを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、広くは光ファイバジャ
イロに関し、より詳しくは光ファイバジャイロにおける
検出コイル及びその他の構成部材の取付構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバジャイロは、検出コイルの中
を互いに逆向きに伝搬する２つの光波の間のサグナック
効果による位相差を検出することによって、その検出コ
イルの回転を測定するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】光ファイバジャイロで
は、検出コイルの取付構造が極めて重要であり、それに
は幾つもの理由がある。先ず、光ファイバジャイロは検
出コイルの微細な回転運動を検出する能力を備えていな
ければならないため、検出コイルの取付に際しては、検
出コイルを形成している光ファイバに局部的な外乱とし
て作用するおそれのある応力が検出コイルに加わらぬよ
う、検出コイルをその種の応力から隔離する必要があ
る。光ファイバに局部的な外乱が作用すると、それが光
波に影響を及ぼして、検出コイルの回転と誤認されるお
それがあるからである。また、検出コイルを所定位置に
確実に安定させる必要もあり、それは、検出コイルが、
それを取り付けた部材に対して相対的に運動することに
よって偽信号が発生するのを回避するためである。更
に、これらの、検出コイルを応力から隔離することと、
検出コイルを所定位置に固定することとが、一般的に、
例えば -55℃〜 +85℃という比較的広い温度範囲の全域
に亙って確実になされねばならない。

【０００４】干渉計型光ファイバジャイロ及び共振型光
ファイバジャイロでは、方向性結合器を介して検出コイ
ルの両端へ光エネルギを入射させて、入射した光エネル
ギがその同じ方向性結合器を介して検出コイルから出射
してくるようにしてある。これらの光ファイバジャイロ
に用いられているサグナック・リング（コイル）は、し
ばしば、単一モード偏波面保存光ファイバで製作されて
おり、これによって、光エネルギが確実に、方向性結合
器との接続面において最初に持っていた偏波面の方向を
維持したままで検出コイルの光ファイバの中を伝搬でき
るようにしている。この偏波面保存特性は、ｈパラメー
タで表わされる。

【０００５】在来のサグナック・リングには、単一モー
ド光ファイバ（偏波面保存特性を持たない単なる単一光
ファイバ）で製作されているものもある。その種のもの
では光エネルギの偏光解消を行なっており、そうするた
めに、典型的な場合ではリオ偏光解消板（Lyot depolar
izer）を使用している。ところが、偏光解消はしばしば
不完全であるため、検出コイルの光ファイバの複屈折率
が一定でなかったり、検出コイルを取り付けた取付部材
に対するその検出コイルの相対的な移動が生じたりする
と、それによって、偏波面保存光ファイバを用いた検出
コイルに関して上で述べたのと同様の影響が生じること
がある。

【０００６】当業界において周知のごとく、検出コイル
の偏波保存特性の指標値として、その検出コイルの消光
比（ＥＲ）が用いられている。更に詳しく説明すると、
ＥＲの値は、所望の偏光方向の光信号が光ファイバの中
を所定距離に亙って伝搬した後の、その所望の偏光方向
の光信号の強度と、その所望の偏光方向に対して直交す
る偏光方向の光信号の強度との比を、デシベル（dB）を
単位として表わしたものである。長さがｌの光ファイバ
で形成した検出コイルの消光比は、その光ファイバのｈ
パラメータとの間に所定の関係を持ち、この場合ｈは、
光ファイバ１メートルあたりの消光比であると定義され
る。従って、ＥＲ＝ 10 log₁₀ ｈ＋ 10 log₁₀ ｌ（dB）である。

【０００７】ある光ファイバのｈパラメータを測定する
には、一般的に、直径の大きな巻付部材の周囲に、サン
プル長さ（例えば１００メートル）の光ファイバを緩や
かに巻回して、その光ファイバの消光比を計測するよう
にしている。この場合、ｈパラメータは、次の式で表わ
すことができる。ｈ＝Ｐ_min ／ｌ_testＰ_max この式において、ｌ_testは、試験用サンプルの光ファイ
バの長さであり、また、Ｐ_min とＰ_max とは、その光フ
ァイバを通過させ、更に一方は互いに方向を直交させた
偏光子を通過させ、他方は互いに方向を揃えた偏光子を
通過させた、夫々の光エネルギの強度である。従って、
Ｐ_max は望ましい信号のレベルを表わし、一方、Ｐ_min
は望ましくない（交差偏波した）信号のレベルを表わ
す。また、以上の式による表わし方とは別に、ｈパラメ
ータを次の式のように dB-m を単位として表わすことも
ある。Ｈ＝ 10 log₁₀ ｈこのＨの典型的な値は -45 dB-m である。

【０００８】ｈパラメータの値は、多くのファクタによ
って左右され、従ってそれらファクタの関数であり、そ
れらファクタには例えば、光ファイバの構造、光ファイ
バに被覆した防護被覆層（緩衝被覆層）の種類、それに
外部応力等がある。光ファイバを巻回してコイルを形成
したときの消光比は、そのコイルを形成している光ファ
イバの長さ、その光ファイバの巻回方法、それに、その
コイルをジャイロに取り付ける取付方法に左右される。
コイルの性能を表わすのに、ＥＲで表わすことも可能で
あるが、おそらくはｈパラメータで表わす方が優れてお
り、なぜなら、具体的なある製品の要求仕様を満足する
コイルの直径並びに光ファイバ長は一通りではないから
である。ｈパラメータの値が不良である（1.0 に近い値
である）と、２つの偏波モードが結合するという不都合
が生じるために、ジャイロのドリフトが発生する。この
結合は一般的にはランダムに発生するが、場合によって
は温度依存性を持つこともある。

【０００９】ｈパラメータの値が劣化する主たる原因
は、シリカ製の光ファイバのクラッドへ緩衝被覆層を介
して力が作用することによるものである。その応力は更
にコアに作用し、その応力が非対称形である場合には殊
更に、コアの複屈折特性を変化させる。ここでいう複屈
折特性とは、２つの特性偏波の夫々の光伝搬定数の間の
差のことである。この複屈折特性の乱れの空間周波数ス
ペクトルに、ビート長に対応した周波数の成分が含まれ
ていると、２つのモードの間にエネルギ結合が生じる。
光ファイバを巻回して検出コイルを形成した場合には、
しばしば、光ファイバどうしが交差している場所におい
て、そのような不都合な応力が最も大きくなり、その結
果として発生するエネルギ結合も最も強くなる。更に、
緩衝被覆層の弾性係数が変化すること（緩衝被覆層の材
料がプラスチック等の場合）や、緩衝被覆層と光ファイ
バとで熱膨張係数が異なることによって、顕著な温度依
存性が発生することがある。

【００１０】一般的にサグナック・リング・コイルは、
金属材料製、プラスチック材料製、或いはセラミック材
料製の巻付部材に光ファイバを巻回して形成している。
巻付部材を使用する目的は、コイルをジャイロの機械部
分収容体の中に取り付ける際に、そのコイルを所定位置
に保持する手段を提供すること、それに、そのコイルの
軸心を正確な姿勢にして取り付けることにあり、後者が
重要であるのは、光ファイバジャイロはコイルの軸心ま
わりの回転しか検出しないからである。コイルの巻付部
材は、一般的には、円筒形状の部材、或いは、つば付リ
ール形状の部材であるが、この巻付部材からコイルへ、
特に温度変化に伴って応力が作用する。室温にある場合
ですら、コイルの第１層には巻付部材との接触に伴う力
が作用していることがしばしばあり、光ファイバの巻回
時の張力や巻回パターンが、ｈパラメータに著しい影響
を及ぼすこともある。コイルの巻付部材は一般的に、コ
イルを形成している光ファイバよりも熱膨張係数が大き
い。その結果、温度が上昇するにつれて、巻付部材の半
径が光ファイバの半径よりも速く大きくなり、それによ
って光ファイバに加わる径方向の圧力が増大して行く。
これによってｈパラメータの値が劣化する。温度が低下
すると、両端につばを設けた円筒形状の巻付部材では、
その円筒の高さが減少して、それらのつばがコイルを両
側から圧縮するようになる。例えばシリコーンゴム等の
弾性係数の大きな材料を用いた封止方法を採用した場合
にも、その封止材料の硬化時の体積変化により、また、
熱膨張係数が異なることにより、コイルに大きな力が加
わる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の主たる目的は、
検出コイルをゲルで全体的にまたは部分的に囲繞するこ
とによって以上に述べた問題を克服するようにしたコイ
ル取付構造を提供することにある。ジャイロを構成して
いるその他の構成要素である、例えば方向性結合器や偏
光子等を、併せてゲルで部分的にまたは全体的に囲繞す
るようにしても良い。ゲルのこわさ即ち弾性係数は、ジ
ャイロの動作温度範囲の全域に亙って所望の範囲内に維
持されるようにすることが好ましい。更に詳しく説明す
ると、ゲルはジャイロの動作温度範囲の全域に亙って、
検出コイルをハウジングに対して相対的に略々固定した
位置に保持できるだけの充分なこわさを持つと共に、検
出コイルのｈパラメータに大きな影響が及ぶのを回避で
きるだけの充分な柔軟性を持つものとするのが良い。

【００１２】ゲルは、内壁面でコイル及びゲルを収容す
るためのキャビティを形成している剛性のハウジングの
中に収容することが好ましい。そのキャビティにゲルを
満たし、そのゲルが、そのキャビティを形成しているハ
ウジング内壁面に付着し得るようにすることが好まし
い。更に、ハウジングには、ゲルとハウジングとの間の
熱膨張係数の差に対処するために、気抜き孔の形態、凹
部の形態、空気の小泡の形態、或いは隔膜の形態の手段
を設けて、キャビティ内の静圧力の増大を回避できるよ
うにしておくことが好ましい。空気の小泡を混入する場
合には、高圧で空気の小泡をゲルの中に吹き込むように
すれば、空気の小泡の分散性を高めることができる。

【００１３】本発明の別の１つの目的は、ゲルとコイル
・ハウジングとの間の熱的特性の差に起因して発生する
問題を軽減するためにゲルの熱的特性を変化させるよう
にした、優れたコイル取付構造及び方法を提供すること
にある。本発明においては、ゲルに粒子を充填すること
により、そのゲルの熱膨張係数を変化させて、そのゲル
とコイル・ハウジングとの間の熱膨張係数の差を縮める
ようにすることが好ましい。充填する粒子は、中実粒子
とすることも、中空粒子（いわゆるマイクロバルーン）
とすることもでき、中空粒子を用いれば、その粒子を充
填したゲルの全体としての熱伝導率を抑制できるという
優れた効果も得られる。

【００１４】本発明の更なる目的は、ゲルの比重の調節
を可能にする優れたコイル取付構造を提供することにあ
る。ゲルとジャイロのコイルとで比重が互いに異なる
と、それらがばね質量系として動作し、更にその場合
に、そのばね質量系の共振周波数が、ジャイロの通常動
作時に加わる振動の周波数領域の中に位置することがあ
り得る。中実ないし中空の微小球体ないし粒子をゲルに
充填することによって、そのゲルの比重を調節すること
ができ、従ってコイルとゲルとの間の相対的な比重を調
節することができる。これによってコイルとゲルとの組
合せの共振周波数を調節することができる。

【００１５】本発明の更なる目的は、コイルに作用する
振動の影響を軽減するためにコイル・ハウジング内の振
動を減衰させるようにした優れたコイル取付構造及び方
法を提供することにある。本発明においては、ゲルの粘
度を増大させることによってこれを達成している。ゲル
に粒子を充填することによって、ゲルの粘度を増大さ
せ、ゲルの振動減衰特性を改善しているのである。ま
た、ゲルに充填する粒子はシリカ粒子とすることが好ま
しい。ゲルに粒子を充填する方法としては、粒径が１ミ
クロン以下の粒子をゲルに充填してゲルの粘度を増大さ
せ、それによって振動の影響を抑制できるようにする方
法もあれば、より粒径の大きな粒子を充填してゲルの熱
的特性を変化させる方法もあり、更に、それら２種類の
粒子を共に充填して両方の効果を得る方法もある。

【００１６】本発明の１つの変更実施例として、光ファ
イバから成る検出コイルを、ハウジングで形成したキャ
ビティ内の載置面に載置し、その検出コイルのうちの載
置面と当接している以外の部分の全てを、或いはその更
に一部分を、ゲルで囲繞した構成とすることも可能であ
る。本発明の更に別の実施例として、コイル支持面にゲ
ル層を設けた巻付部材の周囲に光ファイバを巻回して、
検出コイルを形成した構成とすることも可能である。こ
の場合には、検出コイルの外表面に接着剤の被覆層を形
成することにより、検出コイルを形成している光ファイ
バどうしをまとめて、そのゲル層の周囲に安定して支持
された状態にすることが好ましい。

【００１７】

【実施例】本発明は様々に異なった態様で実施し得るも
のであるが、あくまでも具体例を提示するという目的に
沿って幾つかの具体的な実施例を図示して説明して行く
ことにする。ただし、以下に説明するそれら具体的な実
施例は、本発明をそれらに限定することを意図したもの
ではなく、本発明は、請求項に明記した本発明の概念及
び範囲に包含される全ての変更実施態様、均等実施態
様、及び別実施態様を含むものである。

【００１８】これより添付図面を参照して説明して行
く。先ず図１及び図２について説明すると、図１に分解
図で示した光ファイバジャイロは、光ファイバを多数回
に亙って巻回して形成した検出コイル１０を備えてい
る。このコイル１０はゲル１１のかたまりの中に配設さ
れており、更にゲル１１のかたまりは、アルミニウム製
のハウジング１３に形成された円環形状のキャビティ１
２の中に収容されている。コイル１０は、予め、その形
状に形成した上で方向性結合器１０ａ（図７参照）に接
続し、更に偏光子１０ｂと第２の方向性結合器１０ｃと
を直列に接続した状態にまで仕上げておくことが好まし
い。そのように形成して一体とした、コイル１０と、方
向性結合器１０ａ、１０ｃと、偏光子１０ｂとの全体
を、ゲル１１の中に包み込むようにし、その際に、コイ
ル１０の一端から延出している光ファイバを、キャビテ
ィ１２の内周壁に設けた一対の孔１５ａ及び１５ｂを介
して、キャビティ１２の外に延在するようにしておく。
この部分の光ファイバによって、圧電位相変調器（ＰＺ
Ｔ）１４の一部を形成し、このＰＺＴ１４は、ハウジン
グ１３に形成された中央キャビティ１５の中に取り付け
られる。２つの方向性結合器のうち、コイル１０から遠
く離れた方の方向性結合器の一端から延出している２本
の光ファイバを、キャビティ１２の底壁に設けた一対の
スロット１２ａ及び１２ｂを介して下方へ引き出し、そ
れらを、プリント回路板（ＰＣＢ）１８に搭載したレー
ザ光源１６と光検出器１７とに夫々接続する。ＰＣＢ１
８は、底板部材１９と複数本のネジとによって、ハウジ
ング１３の下部に取り付ける。ハウジング１３の上方に
取り付けた更に２枚のＰＣＢ２１及び２２には、この光
ファイバジャイロの電源回路及び信号処理回路を搭載し
てある。それらＰＣＢ２１及び２２は、２組のスペーサ
ポスト２３及び２４を使用して、それらの間に間隔を空
けると共に、ハウジング１３との間にも間隔を空けて取
り付けてある。以上に説明した構成要素を、ハウジング
１３及びＰＣＢ１８までも含めて全て、保護円筒ケース
２５の中に嵌装し、そして、上板部材２６で、この円筒
ケース２５の上端を閉塞する。このとき、上板部材２
６、２枚のＰＣＢ２１及び２２、それにスペーサポスト
２３及び２４に複数本のネジを挿通し、それらネジの先
端をハウジング１３のネジ孔に螺着する。ハウジング１
３の外周壁には、ＰＣＢどうしを相互接続する配線ハー
ネス（不図示）を収容するための溝部２７及び２８を形
成してある。

【００１９】ハウジング１３からレーザ光源１６ないし
光検出器１７まで延出しているリード部の光ファイバを
加速度や振動によって加わる力から保護するために、Ｐ
ＣＢ１８とキャビティ１２の底壁との間の空間に、キャ
ビティ１２の中に満たしたものと同じゲルを満たしてお
くことが好ましい。この更なるゲルによって、それらリ
ード部を、キャビティ１２とＰＣＢ１８との間の適当な
位置に保持することができる。

【００２０】コイル１０を形成するために使用している
光ファイバは、単一モード光ファイバである。使用する
光ファイバは、単一モード偏波面保存光ファイバとする
ことが好ましく、その種の光ファイバの具体例として
は、例えば、楕円形の偏波面保存コアを備えた光ファイ
バや、米国特許第４６６９８１４号（Dyott ）に記載さ
れているＤ型光ファイバ等がある。また別法として、応
力誘起複屈折型光ファイバや、高開口数単一モード光フ
ァイバを使用することもできる。使用する光ファイバ
は、ポリマー材料製の緩衝被覆層で被覆したものである
ことが好ましいが、ただし必要とあらばその他の種類の
防護被覆層を用いたものでも良く、例えばインジウムを
被覆した光ファイバでも良い。

【００２１】図示の実施例では、光ファイバで形成した
コイル１０の本体部分はゲル１１以外のものには接触し
ておらず、従ってゲル１１のみによってハウジング１３
の中に支持されている。先ず最初に図３に示したよう
に、キャビティ１２の底壁面を完全に水平にして、この
底壁面の上にゲルの層を形成する。これによって、その
ゲルの層の表面が完全に平坦且つ水平になり、そのゲル
の層の表面に載置するコイル１０も完全に水平になる。
別法として、コイルを何らかの載置面の上に載置する方
法もある。その場合には、最初にゲルの層を形成せず
に、その載置面がそのゲルの層の代替機能を果たすよう
にしても良く、或いは、同じように最初にゲルの層を形
成して、その層の上に、その載置面を有する部材を載せ
るようにしても良い。図示の実施例ではハウジング１３
を、２つの部材１３ａと１３ｂとから成るものとしてあ
り、これによってコイル１０を、ハウジング１３の中
に、またハウジング１３に収容したゲル１１の中に、配
設し易くしている。

【００２２】コイル１０を第１ハウジング部材１３ａの
中のゲルの基礎層の上に載置したならば、その第１ハウ
ジング部材１３ａに第２ハウジング部材１３ｂを組み付
けた上で、後述する複数の膨張孔２０のうちの１つから
更にゲルを注入し、キャビティ１２内の残りの空間をそ
のゲルで満たすようにする。この追加したゲルは、コイ
ル１０を包み込み、基礎層を形成しているゲルと一体に
なってゼラチン質のゲルのかたまりを形成する。ゲルが
凝固することによって、このゲルのかたまりの全体がキ
ャビティ１２の内面にしっかりと付着した状態になるよ
うにすることが好ましい。以上によって、最終的に、光
ファイバから成るコイル１０とそれに接続している構成
要素（２つの方向性結合器と１つの偏光子）とが、ゲル
１１に包み込まれてそのゲル１１の内部に完全に埋も
れ、ただし、そのコイル１０から遠い方の方向性結合器
を形成している光ファイバの２本の端部が、キャビティ
１２の底壁に設けたスロット１２ａ及び１２ｂを通って
そのゲル１１のかたまりから外へ延出した状態になる。

【００２３】コイル１０を形成する光ファイバには、オ
イル等をはじめとする潤滑剤を塗布しておくことが好ま
しく、そうしておけば、光ファイバを巻回してコイルを
形成した後に、そのコイルの光ファイバを落ち着かせる
際に、隣り合った光ファイバどうしを相互に摺動させて
落ち着かせることが容易になる。

【００２４】ゲルのこわさ即ち弾性係数は、コイル１０
をキャビティ１２の中の固定した位置に支持できる充分
な大きさにしてある。即ち、コイル１０がゲルのかたま
りの内部において、回転方向、軸方向、及び径方向を含
めたいかなる方向へも移動しないような大きさにしてい
る。コイル１０を固定した位置に維持するということ
は、ジャイロに要求されている動作温度範囲の全域に亙
って可能でなければならず、この動作温度範囲の典型的
な一例は、約 -55℃〜約 +85℃である。ゲルが固体に変
化する温度、即ち、ゲルが脆いガラス質状態に変化する
温度は、ガラス転移温度と呼ばれている。本発明の目的
を考慮するならば、ゲルのガラス転移温度は、ジャイロ
の動作温度範囲の下限より更に低くしておくべきであ
る。

【００２５】温度変化に伴うゲルの膨張及び収縮を吸収
するために、キャビティ１２を画成している壁面のうち
の１つないし幾つかに凹部ないし孔部を形成し、その凹
部ないし孔部の中へゲルが膨張できるようにすることに
よって、コイル１０に大きな圧力変化が作用しないよう
にしておくことが好ましい。図示の実施例では、そのよ
うな凹部ないし孔部を、キャビティ１２の壁面１２ｃに
穿設した複数の孔２０として形成している。それら孔２
０の効果は、ジャイロの動作温度範囲の全域に亙ってゲ
ル１１の体積変化を吸収し、それによって、ゲル１１が
それら孔２０を介して膨張及び収縮できるようにして、
コイル１０に加わる圧力が著しく変化することがないよ
うにしている。それら孔２０に代わり得る代替手段とし
ては、キャビティ１２の壁面の一部を可撓性の材料で形
成しておくという方法や、キャビティ１２の上壁面に溝
を形成しておくという方法がある。更に別の代替方法と
しては、ゲル１１の中に１個ないし複数個の弾性を有す
る伸縮性の物質を埋め込むという方法もあり、その具体
例としては、ゲルの中に空気の小泡を混入するという方
法がある。

【００２６】必要とあらば、ゲル１１の比重を調節し
て、コイル１０の比重に略々等しくすることができる。
コイル１０の全体としての比重の典型的な値は、1.0 内
外であり、一方、ゲル１１の比重もたいていの場合、約
1.0である。ただし、両者の比重に差があると、それら
コイル１０とゲル１１との組合せが、ばね質量系として
動作するようになる。その場合に、そのばね質量系の共
振周波数が、振動入力の周波数範囲の中に位置している
と、ジャイロから偽出力信号が発生するおそれがある。
このような問題が発生するのを回避するには、中実また
は中空のシリカの微小球体または微小粒子をゲルに充填
して、ゲルの比重とコイルの比重との差を縮め、それに
よって、コイルとゲルとの組合せの共振周波数を調節す
るようにすれば良い。ゲルに充填材料を混入することに
よって更に、そのゲルの粘性やこわさも増大する。

【００２７】単一モード偏波面保存光ファイバを用いて
形成したコイルの試験を行なった。この試験では、先ず
最初に、そのコイルを空気中において固体の表面に載置
した状態で試験し、その後に、同じそのコイルをダウコ
ーニング社（Dow corning ）の「Q3-6575 」というシリ
コーン絶縁性ゲルの中に埋もれさせた状態にして試験し
た。試験したコイルの光ファイバの長さは 250メートル
であった。空気中とゲル中との各々において、所望の偏
波方向の信号のレベルと、望ましくない偏波方向の信号
のレベルとを +80℃から -55℃までの温度範囲で測定
し、そして消光比ＥＲの値を算出した。算出して得られ
たコイルの消光比ＥＲの値は、空気中では-25 dB 〜 -1
9.2 dB 、ゲル中では -24.5 dB 〜 -19.5 dB であっ
た。更に、これと同様の実験を、光ファイバの長さが 1
50メートルのコイルを 40 体積％のシリカ粒子を充填し
たゲルの中に埋めて行なったところ、得られた消光比の
値は、上記温度範囲の上限では -19.3 dB 、上記温度範
囲の下限では -16.0 dB であった。以上の２つの実験の
結果は、そのまま比較することはできず、なぜならば使
用した光ファイバの種類が異なるからである。ただし温
度変化に対する変動が小さいということは重要な事実で
ある。

【００２８】以上の実験結果によって示唆されているよ
うに、コイルをゲルの中に配置してゲルで支持するよう
にした取付構造及び方法は、光ファイバのｈパラメータ
の値を保存する上ですばらしい結果をもたらす。既述の
如く、本発明には、ゲルが膨張できるようにしてコイル
に圧力が加わらないようにする手段を備えるということ
が含まれ、その手段は例えば、上壁面に凹んだ領域を設
けたり、ダイヤフラムを設けたり、空気袋を設けたりす
るというものである。更に加えて、ゲルに中実または中
空の微小球体を充填することによってゲルの比重を調節
し、コイルの比重（シリカ製のファイバと緩衝被覆層と
を組合せたものの比重）に等しくする構成及び方法につ
いても説明した。

【００２９】ゲルに粒子（好ましくはシリカの粒子であ
るが、その他の粒子も使用可能である）を充填すること
によって、比重を調節できるばかりでなく、更にその他
の幾つもの有益な効果が得られる。シリカ（またはそれ
に類似のその他の粒子材料）は、熱膨張係数が小さいた
め、それを充填したゲルの全体としての熱膨張係数を小
さくすることができ、コイルに機械的応力が作用しない
ようにすることができる。シリカの粒子を 40 体積％ま
でゲルに充填してみたが、更に多量に充填することも可
能であった。例えば、ゲルに 50 体積％のシリカの粒子
を充填したところ、そのゲルの熱膨張係数が約 300 ppm
／℃から約 150 ppm／℃へ低下し、温度変化の影響もそ
れに応じて小さなものになった。

【００３０】充填する粒子としては、中空粒子と中実粒
子とのいずれを用いることもでき、不規則形状の粒子と
球形粒子とのいずれを用いることもでき、更には、平均
粒径も様々なものとすることができる。典型的な一例を
挙げるならば、充填材料として用いる中実粒子として
は、その粒径の範囲が 20 ないし 300ミクロンのものを
用いる。ただし、平均粒径がこの範囲の外にある粒子を
使用することも可能である。Lee et al.が著わした「Th
e Handbook of Epoxy Resins, McGraw-Hill 」という文
献の「Settling Properties of Fillers（充填材料の沈
降特性）」という章に記載されているところによれば、
エポキシ樹脂に充填する充填材料として用いられている
典型的な固体粒子は、325 番メッシュのふるいを通過す
る粒子であり、このふるいは網目の大きさが 0.0017 イ
ンチ（44ミクロン）であり、また、同様に広く使用され
ている粒子として、200 番メッシュのふるいを通過する
粒子があり、このふるいの網目の大きさは 0.0029 イン
チ（74ミクロン）である。同文献の表14-2には、エポキ
シ樹脂に充填する充填材料として、平均粒径が 0.015ミ
クロン〜 2500 ミクロンの中実の粒子を用いるというこ
とが示されている。例えば、石英粒子の場合には、平均
粒径が 300ミクロンまでのものが使用されているが、粒
径が 300ミクロン以上の中実の粒子は、その粒子の比重
によっては、ゲルの中で急速に沈降することがある。そ
のため、中実粒子の最大粒径は 300ミクロン以下とする
ことが好ましい。中空粒子の沈降特性は中実粒子のもの
とは異なるため、中空粒子の場合には沈降を発生させる
ことなく更に平均粒径を大きくすることができる。

【００３１】充填する粒子は、シリカ製で、ゲルの中に
あって懸濁状態を保ち得る粒子とすることが好ましい
が、ただし個々の粒子がそれに隣接する粒子に大きな力
を作用させるようであってはならず、なぜならば、その
ような力が作用すると、その反作用が、非常に強度の小
さなゲルの母組織にも作用するからである。更に、個々
の粒子どうしの間に過度の力が作用するようであると、
その力がゲルの母組織を介して伝搬してコイルにも悪影
響を及ぼすおそれがある。そのような問題が生じること
があるのは、例えば、充填率が非常に高く、充填した粒
子どうしが身動きの取れない状態になっているときであ
る。

【００３２】また、ゲルとコイル・ハウジングとの熱膨
張係数の差が大きいほど、不都合なゲルの流動が発生す
るおそれも大きくなるため、両者の熱膨張係数をできる
限り等しくすることが望ましい。これを達成するには、
ハウジングの材料を、プラスチック材料またはプラスチ
ックに類似した材料とするのが良い。ゲルそのものの熱
膨張係数を正確にハウジングの熱膨張係数に揃えること
は容易でないため、ゲルに充填する粒子を調節して、そ
の粒子を充填したゲルの熱膨張係数を、最適な結果が得
られる値にするのが良い。

【００３３】ゲルに粒子を充填することによって得られ
る更なる利点として、ゲルの粘度が増大するということ
に関する利点がある。粒子の充填によって粘度が増大す
るということ自体は、ゲルに関するありふれた事実であ
るが、ただし、これによって利点が得られる。それは、
粒子の充填によってゲルが優れた振動減衰材料として機
能するようになるということである。例えば、ゲルは、
機械的入力による刺激を作用させると震えを発生し、即
ち振動するが、その振動の大きさは、ゲルに粒子が充填
されているときには非常に小さいとことが、定性的観察
によって判明している。従って、粒子を充填したゲルの
振動減衰効果によって、振動入力が作用したときに発生
する振動の振幅が小さく抑えられるのである。

【００３４】外部環境からサグナック・リングに作用す
る振動入力のうち、周波数の高い振動は、更に粘性減衰
即ちクーロン減衰によっても小さく抑えられる。そのた
めジャイロの設計者は、ジャイロの性能を更に高度に制
御することができる。場合によっては、周波数の高い振
動入力を小さく抑えられないと、信号処理電子回路に過
負荷が加わることもある。そのような事態が発生するの
は、角振動振幅が一定であれば、その角速度は周波数に
比例して増大するからである。

【００３５】ゲルに粒子を充填することによって得られ
る更に別の利点として、粒子を充填したゲルの全体とし
ての熱伝導率を調節し得るということがある。熱的特性
をどれほどまで変化させるかの制御は、充填する粒子の
体積割合を調節することによっても、また、充填粒子中
の中実粒子と中空球状粒子との割合を調節することによ
って行なうことができる。熱伝導率を小さくすること
は、時間依存性を有する熱勾配の影響を制御する上で重
要なことがある。

【００３６】本発明の別の実施例では、粒径が 1ミクロ
ン以下の粒子を分散させることによって、ゲルの粘度を
増大させることができるようにしている。粒径が約 1ミ
クロンの粒子をゲルの中に僅か約 5％充填しただけで、
非常に粘度の高いゲルが得られる。この種の粒子充填ゲ
ルは、振動の影響を抑制することができるが、ゲルの熱
的特性には殆ど影響を及ぼさない。ただし、粒径が１ミ
クロン以下の粒子を、先に説明した粒径の大きな粒子に
関する体積割合でゲルに充填すると、ゲルの粘度が上が
り過ぎて注入が困難になる。そこで、解決すべき具体的
な技術的課題に応じてゲルの様々な特性を夫々に変化さ
せる手段を組合せるようにすれば良く、それには例え
ば、粒径が 1ミクロン以下の粒子を比較的小さな体積割
合で充填してゲルの粘度を増す一方で、より大きな粒子
（中実粒子、中空球体粒子、或いはそれら両方の粒子）
を比較的大きな体積割合で充填してゲルの熱的特性及び
比重特性を変化させるようにすれば良い。

【００３７】更に、ゲルに粒子を充填することによっ
て、粒子を充填したゲルの全体としての弾性係数が大き
くなることから、ばね質量系を成すリングとゲルとの組
合せの横方向振動の固有振動周波数と回転方向振動の固
有振動周波数とがいずれも高くなる。これによって、全
体としての系の機械的特性を変化させることができるた
め、設計上の更なる融通性が得られる。

【００３８】図８に示した本発明の変更実施例では、円
筒形状の剛性の巻付部材３２の外周面にゲル３１の層を
形成し、その層の上に光ファイバを巻回して検出コイル
３０を形成している。この実施例に使用しているゲル３
１は、図１〜図７の実施例に使用しているゲルと同種の
ものであり、剛性の巻付部材３２からコイル３０へ直接
的に力が作用することを防止している。コイル３０の外
表面には接着剤３３の被覆層を形成してあり、これによ
って、このコイル３０の多数回に亙って巻回した光ファ
イバをまとめて、安定した形状に保持している。図９に
は本発明の更に別の変更実施例を示した。この実施例の
光ファイバジャイロの構成では、検出コイル４０をハウ
ジング４３の内部の載置面４２に当接させてあり、ただ
し、このコイル４０の、載置面４２に当接している以外
の面は、ゲル４１で囲繞されている。コイルを当接させ
る載置面は、ハウジング４３に一体に形成しても良く、
或いは、載置面を有する部材をハウジング４３に当接な
いし接触させるようにしても良い。更に別の実施例とし
て、載置面を有する部材をハウジングから離して配設
し、その部材の、コイルに当接している載置面以外の面
がゲルで囲繞されるようにすることも考えられる。

【００３９】図示して説明した本発明の実施例はいずれ
も、円形の検出コイルを備えたものであったが、検出コ
イルの形状を例えば楕円形や矩形のような円形以外のそ
の他の形状にすることも考えられる。また、ゲルに充填
する粒子として上に挙げたものはシリカ粒子であった
が、その他の適当な材料を使用することも可能である。
更に、ゲルに充填する粒子として以上に説明したものは
中空粒子または中実粒子であったが、多孔質の粒子や、
複数の空隙を内包している粒子を使用することも可能で
ある。ゲルの粘度を調節するための粒子の粒径としては
1ミクロン以下という値を例示し、また、典型的な粒子
の平均粒径の範囲としては 20 ミクロンないし 300ミク
ロンという値を例示した。しかしながら本発明において
ゲルに充填する粒子としては更に、粒径が 20 ミクロン
以下の粒子、及び粒径が 300ミクロン以上の粒子も含ま
れる。更に、ゲルに充填する粒子としては、個々の粒子
の粒径が略々揃ったものも、個々の粒子の粒径が様々に
異なっているものも、いずれも含まれる。最後に、本発
明には、ゲルの様々な特性を夫々に制御するのに適した
種々の特性（材質、粒径、粒子内構造）を有する様々に
異なった種類の粒子を組合せて充填した、粒子充填ゲル
が含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る検出コイル取付構造を
用いて検出コイルを取り付けた光ファイバジャイロの分
解斜視図である。

【図２】図１に示した検出コイル取付構造の拡大垂直断
面図である。

【図３】図１及び図２に示した構成要素のうちの一部の
ものに関する組立過程の一段階を示した図である。

【図４】図３と同様の図であり、図３の段階に続く次の
段階を示した図である。

【図５】図３と同様の図であり、図４の段階に続く次の
段階を示した図である。

【図６】図３と同様の図であり、図５の段階に続く次の
段階を示した図である。

【図７】図１〜図７の検出コイル取付構造に組み込まれ
ている検出コイルの拡大斜視図である。

【図８】本発明の変更実施例に係る検出コイル取付構造
の垂直断面図である。

【図９】本発明の別の変更実施例に係る検出コイル取付
構造の垂直断面図である。

【符号の説明】

１０、３０、４０検出コイル１１、３１、４１ゲル１３、４３ハウジング

【手続補正書】

【提出日】平成７年３月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

フロントページの続き (72)発明者エリック・エル・ブルッカーアメリカ合衆国ジョージア州30068，マリエッタ，カールス・ゲート・ドライブ 5005 (72)発明者シドニー・エム・ベネットアメリカ合衆国イリノイ州60614，シカゴ, ノース・セジウィック・ストリート 1718 (72)発明者ジョン・ディー・マイヒーアメリカ合衆国イリノイ州60558，ウエスタン・スプリングス，オグデン・アベニュー 1341

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバジャイロにおいて、光ファイ
バから成る検出コイルを備え、粒子を充填したゲルで該
コイルを少なくとも部分的に囲繞したことを特徴とする
光ファイバジャイロ。
【請求項２】前記ゲルを、該ゲルで囲繞された前記コ
イルと共に収容するための剛性のハウジングを備えたこ
とを特徴とする請求項１記載の光ファイバジャイロ。
【請求項３】前記粒子が、平均粒径が 20 ないし 300
ミクロンの粒子を含んでいることを特徴とする請求項１
記載の光ファイバジャイロ。
【請求項４】前記粒子が、粒径が約 1ミクロン以下の
粒子を含んでいることを特徴とする請求項１記載の光フ
ァイバジャイロ。
【請求項５】前記粒子が、粒径が約 1ミクロン以下の
粒子と、平均粒径が20 ないし 300ミクロンの粒子とを
含んでいることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ
ジャイロ。
【請求項６】前記粒子がシリカ粒子であることを特徴
とする請求項１記載の光ファイバジャイロ。
【請求項７】前記粒子が中空粒子を含んでいることを
特徴とする請求項１記載の光ファイバジャイロ。
【請求項８】光ファイバジャイロを製作する方法にお
いて、検出コイルを、該検出コイルの所定回転軸心に対して垂
直で平坦な水平面上に載置するステップと、粒子を充填したゲルを前記コイルの上から注ぎ、該ゲル
で該コイルを少なくとも部分的に囲繞するステップと、
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項９】前記ゲルを剛性のハウジングの中に収容
することを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】光ファイバジャイロにおいて、光ファイバから成る検出コイルと、前記検出コイルを少なくとも部分的に囲繞した、粒子を
充填したゲルと、前記ゲルを、該ゲルの中に少なくとも部分的に埋め込ま
れた前記コイルと共に収容するための剛性のハウジング
とを備え、前記ゲルは、その弾性係数が該光ファイバジャイロの動
作温度範囲の全域に亙って略々一定であり、前記ゲル
は、そのガラス転移温度が該光ファイバジャイロの該動
作温度範囲の下限よりも低い、ことを特徴とする光ファ
イバジャイロ。
【請求項１１】前記粒子が、平均粒径が 20 ないし 3
00ミクロンの粒子を含んでいることを特徴とする請求項
１０記載の光ファイバジャイロ。
【請求項１２】前記粒子が、粒径が約 1ミクロン以下
の粒子を含んでいることを特徴とする請求項１０記載の
光ファイバジャイロ。