KR20120009103A - 자이로 센서용 광섬유 코일, 그 제작 장치 및 이를 이용한 자이로 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 일반 단일모드 광섬유를 사용하면서도 안정성과 위상 오차를 줄여 성능이 개선된 자이로 센서용 광섬유 코일 및 그 제작 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 자이로 센서용 광섬유 코일 제작 장치는 광섬유를 스풀에 권선하기 위한 권선부; 상기 권선부에 권선되는 광섬유를 비틀기 위한 트위스트부; 상기 권선부의 회전을 위한 제1 모터부; 상기 트위스터부의 회전을 위한 제2 모터부; 및 상기 제1 모터부 및 제2 모터부의 회전을 제어하기 위한 제어부;를 포함한다.

Description

자이로 센서용 광섬유 코일, 그 제작 장치 및 이를 이용한 자이로 센서{Fiber Optic Coil for Gyro Sensor, Manufacturing Apparatus Therefor and Gyro Sensor Using It}

본 발명은 자이로 센서용 광섬유 코일 및 그 제작 장치에 관한 것으로, 특히단일모드 광섬유를 일정 비율로 비틀며 권선하는 것에 의해 광섬유 코일의 내부 응력 변화를 일으킴으로써 복굴절율을 높인 단일모드 광섬유를 이용한 자이로 센서용 광섬유 코일 및 그 제작 장치에 관한 것이다.

광섬유 간섭계, 링레이저, MEMS 등 다양한 형태로 구현되어 있는 자이로 센서는 다양한 기기 및 이동체에 광범위하게 적용되고 있다. 이 중 광간섭계 기반 광섬유 자이로(Fiber-Optic Gyro, FOG) 센서는 모션 센서의 중요한 부품으로서 선박의 항해용, 해양 특수선뿐만 아니라 선박용 Gyro-Stabilized Pedestal의 Motion Control 동요 안정화 제어장치의 핵심 부품으로 사용되고, 항공기, ROV, 유도무기, 로봇 등 이동체의 안정화 제어를 위한 위치감지 센서로 사용되고 있다.

또한, 광섬유 자이로 센서는 간단한 구조로 인해 제작비용이 적게 소요되며 회전 구동부가 필요 없기 때문에 신뢰도가 높으며 수명이 길다는 장점을 가지고 있으며, 특히 낮은 소비전력, 저잡음, 짧은 동작 개시 시간, 넓은 범위의 각속도 측정이 가능한 장점을 가지고 있다.

광섬유 자이로 센서는 광섬유로 구성된 사냑(Sagnac) 간섭계에서 간섭신호의 위상차가 발생하는 사냑 효과를 이용하며, 이는 두 빛이 일정한 반경을 가진 닫힌 경로를 서로 반대 방향으로 진행할 때 특정 각속도로 회전하는 간섭계에 의해 회전 반대 방향으로 진행하는 빛이 회전 방향으로 진행하는 빛보다 더 빠르게 도달하는 것에 의한 위상차를 광검출기를 통해서 빛의 세기를 측정하여 각속도 정보를 획득한다. 그러나, 사냑 효과에 의해 발생하는 위상차의 크기가 작기 때문에 위상 오차가 크며, 이를 해결하기 위한 방법으로 빛의 주파수를 변조하는 위상변조 방식이 적용되고 있다.

회전에 의한 위상변화를 감지하는 광섬유 코일은 일반 단일모드 광섬유와 복굴절성이 큰 편광유지 광섬유가 대표적으로 사용된다. 일반 단일모드 광섬유의 경우, 광섬유 코일을 서로 반대방향으로 진행하는 두 광신호의 위상차 분해능이 입력광과 출력광의 편광 상태에 따라 신호의 크기가 달라지는 단점이 있다. 따라서, 편광 상태를 최대한 일치시켜 안정적으로 동작하게 하는 것이 중요하다. 이를 위해 광섬유 코일 전후로 편광기와 검광기를 배치하여 편광 요소를 제어하고 있으나, 편광 변화가 급격히 발생하는 일반 단일모드 광섬유의 특성상 성능 개선에는 한계가 있다. 이러한 이유로 최대 신호 검출을 위해서 복굴절성이 큰 편광유지 광섬유를 사용하는 구조가 일반화되었다. 그러나, 편광유지 광섬유를 수백 미터 이상의 길이로 광섬유 코일에 적용하기에는 너무 고가인 단점 또한 존재한다.

본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는 데 목적이 있는 발명으로서, 일반 단일모드 광섬유를 사용하면서도 안정성과 위상 오차를 줄여 성능이 개선된 자이로 센서용 광섬유 코일 및 그 제작 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

또한, 상기의 단일모드 광섬유를 사용한 광섬유 코일을 이용한 광섬유 자이로 센서를 제공하는 것에도 그 목적이 있다.

본 발명의 바람직한 일실시 예에 따른 자이로 센서용 광섬유 코일은 광섬유의 내부 응력을 증가시켜 복굴절율을 증가시킨 것을 특징으로 하며, 상기 광섬유의 내부 응력의 증가를 위해 광섬유를 비틀어서 권선한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 자이로 센서용 광섬유 코일 제작 장치는 광섬유를 스풀에 권선하기 위한 권선부; 상기 권선부에 권선되는 광섬유를 비틀기 위한 트위스트부; 상기 권선부의 회전을 위한 제1 모터부; 상기 트위스트부의 회전을 위한 제2 모터부; 및 상기 제1 모터부 및 제2 모터부의 회전을 제어하기 위한 제어부;를 포함한다.

또한, 상기 트위스트부는 광섬유의 내부 응력을 증가시켜 복굴절율을 증가시키기 위해 상기 권선부에 광섬유가 비틀려서 권선될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

아울러 상기 트위스트부의 회전 방향은 상기 권선부의 회전 방향과 직각을 이루는 것이 바람직하다.

바람직한 일실시예에 따른 상기 제어부는 상기 제1 모터부의 회전 속도 제어에 의해 상기 권선부의 권선 속도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로 상기 제어부는 상기 제2 모터부의 회전 속도 제어에 의해 상기 트위스트부의 회전 속도를 조절하는 것에 의해 상기 권선부에 감기는 광섬유의 비틀림 정도를 조절하는 것을 특징으로 하며, 상기 광섬유의 복굴절율은 광섬유의 비틀림 정도에 따라 변화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광섬유 자이로 센서는 광섬유의 내부 응력을 증가시켜 복굴절율을 증가시키기 위해 광섬유가 비틀려서 권선된 광섬유 코일을 포함한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 일반 단일모드 광섬유를 사용하면서도 안정성과 위상 오차를 줄여 성능이 개선된 자이로 센서용 광섬유 코일 및 그 제작 장치를 제공할 수 있다.

이에 따라 낮은 비용의 단일모드 광섬유를 사용하면서도 짧은 길이의 광섬유 코일에 의해 광섬유 자이로 센서를 구현할 수 있다.

도 1은 광섬유를 이용한 자이로 센서의 구조도를 나타낸다.
도 2는 사냑 간섭계의 회전에 따른 위상차에 관한 설명도이다.
도 3은 자이로 센서용 광섬유 코일을 제작하기 위한 장치의 구성도이다.
도 4는 트위스트부와 권선부의 바람직한 일실시예를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일실시예에 따른 자이로 센서용 광섬유 코일, 그 제작 장치 및 이를 이용한 자이로 센서에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 하기의 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.

우선 도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광섬유를 이용한 자이로 센서의 구조도를 나타낸다.

도 1로부터 알 수 있는 바와 같이 광섬유 자이로 센서는 빛을 출력하는 광원(Light Source), 일정 방향의 빛을 소거시켜 출력하는 편광기(Polarizer), 위상 변조기(Phase Modulator), 방향성 결합기(Coupler), 광섬유 코일(Fiber Coil) 및 검광기(Detector)를 포함한다.

광섬유 자이로 센서에 이용되는 간섭계는 사냑(Sagnac) 간섭계로, 상기 광섬유 코일을 통해 서로 반대 방향으로 진행하는 두 개의 광파의 위상이 간섭계의 회전에 의해 변화하며, 위상차는 회전 각속도에 비례한다.

도 2에 사냑 간섭계의 회전에 따른 위상차를 설명하는 그림을 나타내었다.

루프가 시계 방향과 반시계 방향으로 각각 회전하게 되는 데, 시계 방향으로 회전하는 빛이 반시계 방향으로 회전하는 빛과 비교하여 △Φ 만큼 더 이동을 해야 한다.

이때의 서로 반대 방향으로 진행하는 두 가지 빛 간의 회전에 의한 위상차는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 1에서 L은 광섬유의 길이, D는 광섬유가 형성하는 루프의 직경, λ는 광원의 파장, c는 빛의 속도를 각각 나타낸다.

수학식 1로부터 알 수 있는 바와 같이 위상차는 회전 각속도 Ω에 비례한다.

자이로 센서의 위상 오차를 줄이기 위해서는 광원의 안정성 및 간섭계의 위상차를 고려해야 한다.

본 발명에서 사용된 사냑 간섭계의 경우, 측정 가능한 최소 회전각 Ω(min)은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 2에서, h는 편광 크로스토크(Polarization Crosstalk), Lp는 비트 길이(Beat Length)를 각각 나타낸다.

수학식 2로부터 편광 크로스토크 및 광섬유의 비트 길이가 작을 수록, 광섬유의 길이가 길수록 측정 분해능이 증가하는 것을 알 수 있다.

다만, 광섬유의 길이를 증가시켜서 측정 분해능을 증가시키는 것은 비용 및 사용상의 다양한 요인을 고려시 바람직한 측정 분해능의 증가 방법이 아니라는 것을 누구나 알 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 광섬유의 비트 길이의 최소화 및 편광 크로스토크의 최소화를 위한 방법을 제안하고자 한다.

이를 위해 광섬유의 복굴절율을 증가시킬 수 있으며, 복굴절율을 증가시키기 위한 광섬유의 내부 응력을 증가시키는 방법을 본 발명에서 제안한다.

즉, 광섬유의 내부 응력을 증가시키기 위한 구체적인 방법으로 광섬유 코일에 광섬유를 권선할 때 광섬유를 비틀어서 권선할 수 있다.

도 3에 광섬유를 비틀어서 권선한 자이로 센서용 광섬유 코일을 제작하기 위한 장치의 구성도를 나타내었다.

도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 자이로 센서용 광섬유 코일 장치는 광섬유를 원통형의 스풀에 권선하기 위한 권선부(10); 상기 권선부에 권선되는 광섬유를 비틀기 위한 트위스트부(20); 상기 권선부(10)를 회전시키는 제1 모터부(30); 상기 트위스트부(20)의 회전을 위한 제2 모터부(30); 및 상기 제1 모터부(30) 및 제2 모터부(40)의 회전을 제어하기 위한 제어부(50);를 포함한다.

상기 트위스트부(20)는 광섬유의 내부 응력을 변화시켜 복굴절율을 증가시키기 위해 상기 권선부(10)에 광섬유가 비틀려서 권선될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

도 4는 상기 트위스트부(20)와 상기 권선부(10)의 바람직한 일실시예를 나타낸다.

도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이 비틀어서 권선하는 것이 가능하도록 상기 트위스트부(20)의 회전 방향과 상기 권선부(10)의 회전 방향은 직각을 이루는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 모터부(30)는 상기 권선부의 회전축(11)에 연결되어 상기 권선부(10)를 회전시키는 것에 의해, 상기 권선부(10)에 광섬유 코일이 권선될 수 있도록 한다.

또한, 상기 제2 모터부(40)는 상기 트위스트부의 회전축(21)에 연결되어 상기 트위스트부(20)를 회전시키는 것에 의해, 상기 권선부(10)에 광섬유 코일이 비틀려서 권선될 수 있도록 한다.

도 4의 (b)는 도 4의 (a)로부터 상기 트위스트부(20)가 270도 회전된 일실시예를 나타낸다.

또한, 상기 제어부(50)는 상기 제1 모터부(30)의 회전 속도 제어에 의해 상기 권선부(10)의 권선 속도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제어부(50)는 상기 제2 모터부(40)의 회전 속도 제어에 의해 상기 트위스트부(20)의 회전 속도를 조절하는 것에 의해 상기 권선부(10)에 권선되는 광섬유의 비틀림 정도를 조절할 수 있다.

상기와 같은 광섬유의 비틀림 정도의 조절에 의해 상기 광섬유의 복굴절 정도를 변화시킬 수 있다.

본 발명의 상술한 바와 같은 특징에 의해, 광섬유 코일을 비틀어서 권선하는 것에 의해 입력 편광과 출력 편광의 위상 오차를 감소가 가능한 것을 알 수 있다.

이에 따라 일반적으로 사용되는 단일모드 광섬유를 이용하여서도 편광모드 광섬유에 근접한 복굴절율을 달성할 수 있어, 훨씬 더 비용적으로 효과적인 단일모드 광섬유를 사용하되, 측정 분해능이 개선된 광섬유 자이로 센서가 구현 가능하게 된다.

10 : 권선부 20 : 트위스트부
30 : 제1 모터부 40 : 제2 모터부
50 : 제어부

Claims (9)

1. 광섬유 코일에 있어서,
   광섬유의 내부 응력을 증가시켜 복굴절율을 증가시킨 자이로 센서용 광섬유 코일.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 광섬유의 내부 응력의 증가를 위해 광섬유를 비틀어서 권선한 것을 특징으로 하는 자이로 센서용 광섬유 코일.
   
3. 광섬유 코일 제작 장치에 있어서,
   광섬유를 스풀에 권선하기 위한 권선부;
   상기 권선부에 권선되는 광섬유를 비틀기 위한 트위스트부;
   상기 권선부의 회전을 위한 제1 모터부;
   상기 트위스트부의 회전을 위한 제2 모터부; 및
   상기 제1 모터부 및 제2 모터부의 회전을 제어하기 위한 제어부;를 포함하는 자이로 센서용 광섬유 코일 제작 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 트위스트부는 광섬유의 내부 응력을 증가시켜 복굴절율을 증가시키기 위해 상기 권선부에 광섬유가 비틀려서 권선될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 자이로 센서용 광섬유 코일 제작 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 트위스트부의 회전 방향은 상기 권선부의 회전 방향과 직각을 이루는 것을 특징으로 하는 자이로 센서용 광섬유 코일 제작 장치.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 제1 모터부의 회전 속도 제어에 의해 상기 권선부의 권선 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 자이로 센서용 광섬유 코일 제작 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 제2 모터부의 회전 속도 제어에 의해 상기 트위스트부의 회전 속도를 조절하는 것에 의해 상기 권선부에 감기는 광섬유의 비틀림 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 자이로 센서용 광섬유 코일 제작 장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 광섬유의 복굴절율은 광섬유의 비틀림 정도에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 자이로 센서용 광섬유 코일 제작 장치.
   
9. 광섬유의 내부 응력을 증가시켜 복굴절율을 증가시키기 위해 광섬유가 비틀려서 권선된 광섬유 코일을 포함하는 광섬유 자이로 센서.
   

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