WO2013186852A1 - 光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法 - Google Patents

光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2013186852A1
WO2013186852A1 PCT/JP2012/064981 JP2012064981W WO2013186852A1 WO 2013186852 A1 WO2013186852 A1 WO 2013186852A1 JP 2012064981 W JP2012064981 W JP 2012064981W WO 2013186852 A1 WO2013186852 A1 WO 2013186852A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
potting
optical fiber
coil
coils
sensing coil
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/064981
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
豊織 吉田
崇之 玉木
明彦 兒島
Original Assignee
東京計器株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 東京計器株式会社 filed Critical 東京計器株式会社
Priority to US14/407,052 priority Critical patent/US9541400B2/en
Priority to PCT/JP2012/064981 priority patent/WO2013186852A1/ja
Priority to CN201280073910.1A priority patent/CN104380042B/zh
Priority to EP12879052.4A priority patent/EP2860493B1/en
Publication of WO2013186852A1 publication Critical patent/WO2013186852A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G01C19/721—Details
    • G01C19/722—Details of the mechanical construction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826—Assembling or joining
    • Y10T29/49885—Assembling or joining with coating before or during assembling

Definitions

  • the present invention relates to a sensing coil for an optical fiber gyro which is excellent in environmental resistance and can be easily manufactured, and a manufacturing method thereof.
  • a sensing coil for an optical fiber gyro has a problem that it is easily affected by environmental factors such as temperature and vibration and is inferior in environmental resistance.
  • the double pole winding and the quadrupole winding shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b) are known. These are called symmetric winding methods, and each is a method of winding an optical fiber so that portions of the optical fiber that are equidistant from the midpoint of the long optical fiber are close to each other.
  • a long optical fiber is wound around two pre-winding bobbins, its midpoint is taken out in advance, the midpoint is fixed to the innermost layer of the product bobbin, and a spare on the supply side
  • the optical fiber is wound around the product bobbin while alternately replacing the wound bobbin.
  • the supply side preliminary winding bobbin is replaced for each layer, and the winding in the clockwise direction as viewed from the middle point (for example, the white circle in FIG. 12A) and the winding in the counterclockwise direction are performed.
  • the attachment for example, the black circle in FIG. 12A
  • the auxiliary winding bobbin on the supply side is exchanged for every two layers, winding in the clockwise direction as viewed from the middle point (for example, white circle in FIG. 12 (b)), and counterclockwise
  • the direction winding (for example, the black circle in FIG. 12B) is changed every two layers.
  • the optical fiber portions that are equidistant from the midpoint of the optical fiber are located in different layers. Therefore, if the temperature fluctuation is not uniform in each layer, the generated phase error is completely eliminated. There is a problem that it cannot be offset.
  • Patent Documents 1 and 2 propose another winding method as shown in FIG.
  • clockwise winding for example, a white circle in FIG. 12C
  • counterclockwise winding for example, FIG. 12 (c)
  • FIG. 12 (c) is a vertically symmetric structure, and two points equidistant from the midpoint in the opposite direction are positioned in the vertically symmetrical position of the same layer so that the optical fiber is in a constant direction as a whole. It is a method of winding.
  • Patent Document 2 also discloses a similar winding method.
  • a long optical fiber is wound around two pre-winding bobbins, its midpoint is taken out in advance, the midpoint is fixed to the innermost layer of the product bobbin, and a spare on the supply side
  • This is the same as the symmetric winding method in that the optical fiber is wound around the product bobbin while alternately replacing the wound bobbins.
  • an optical fiber is wound around two preliminary winding bobbins by L / 2, the middle point of the optical fiber is taken out, the optical fiber is folded back at the middle point, and one set of two is used.
  • the optical fiber is led out from the flange hole, and the optical fiber is symmetrically wound while exchanging the pre-winding bobbin. After the completion of the winding, the ends of the optical fibers are fusion-bonded to each other and led out from the flange hole of the product bobbin. The turning point of the optical fiber is cut.
  • Patent Documents 4 and 5 propose to reduce the influence of vibration by encapsulating a plurality of turns constituting each layer of the optical fiber with a pottering material against the influence of vibration.
  • the pottering material preferably has a high modulus of elasticity, i.e., a hard material, while an appropriate range of modulus of elasticity is 1000 psi (7 MPa) to 20000 psi (not to be exposed to thermal stress). 138 MPa) is proposed (Patent Document 4).
  • a silicon mixture having a glass transition temperature of ⁇ 55 ° C. or lower, which is outside the operating temperature range is used. Is smaller than the above range, it is proposed that a carbon black filler is included to provide hardness (Patent Document 5).
  • the winding in the clockwise direction and the winding in the counterclockwise direction as viewed from the middle point are alternately overlapped, so that the jumping is performed to jump over each other (in the case of the double pole winding).
  • one step jump corresponding to one layer occurs, and in the case of quadrupole winding, two step jumps corresponding to two layers occur), and an intersection occurs. Due to the influence of stress at the intersection, there is a problem that reflection and loss of the propagation light in the optical fiber, and in addition, when the propagation light is polarized light, polarization crosstalk occurs and causes an error.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and it is possible to simplify the winding operation of the optical fiber, to reduce the number of work steps, to manufacture at a low cost, and to a cloth caused by winding. It is an object of the present invention to provide a highly accurate sensing coil for an optical fiber gyro that can reduce the occurrence of talk and reduce the effects of temperature sensitivity and vibration, and a manufacturing method thereof.
  • the present invention provides a sensing coil for an optical fiber gyro,
  • a coil body comprising two potting coils in which optical fibers are aligned and wound with the same tension and the same feed speed and encapsulated with a potting material;
  • the coil main body is formed by bonding and overlapping the side end surfaces of each potting coil with the potting material, and fusing and connecting one fiber end of each potting coil. It is composed of a fiber.
  • the two potting coils can be arranged such that the windings of the coils are symmetric with respect to the side end surface which is an adhesive surface.
  • optical fibers derived from the outermost layers of the two potting coils are fused together so that the optical fiber portions derived from the innermost layers of the two potting coils become one end and the other end of the sensing coil. Can be.
  • the coil body can be cantilevered and elastically supported on only one side of the support via a heat insulating spacer.
  • the coil body is disposed in a multiple metal case, and the multiple metal case is configured such that the inner case is enclosed in the outer case, and between the potting coil and the innermost case, and between the inner case and the outer case, It can be set as the space
  • the inner case may be made of a material having higher thermal conductivity than the outer case.
  • the potting material may be a room temperature curable flexible adhesive.
  • the potting material may have an elastic modulus of 0.1 MPa to 5 MPa above the glass transition temperature, and an elastic modulus of 0.1 MPa to 3 GPa below the glass transition temperature.
  • the potting material can have a glass transition temperature at room temperature.
  • the potting material may be a flexible epoxy adhesive.
  • the present invention is a method of manufacturing a sensing coil for an optical fiber gyro, An optical fiber coated with potting material is aligned and wound around a jig, After removing the potting material from the jig, make two potting coils encapsulated with the potting material, The side end surfaces of the two potting coils are overlapped and bonded with a potting material. At that time, the winding of the coil is symmetric with respect to the side end surface that is the bonding surface, Fuse one fiber end of each potting coil Making a coil body consisting of a continuous optical fiber with one rotation direction, It is a manufacturing method of the sensing coil for optical fiber gyros.
  • the fusion of one fiber end of each potting coil includes the fusion of optical fibers derived from the outermost layers of the two potting coils.
  • the fusion of one fiber end of each potting coil includes fusion so that the length from the outermost layer of the two potting coils to the fusion part is different between the two potting coils.
  • two potting coils encapsulated with a potting material and fiber coils that are aligned and wound are bonded and overlapped with each other without requiring a complicated process as in conventional winding.
  • Winding work can be performed. Therefore, automation is possible, and even when the work is performed manually, the number of work steps can be reduced and manufacturing can be performed at low cost.
  • the possibility of turbulence can be reduced.
  • Two points that are equidistant from the midpoint in the opposite direction can be placed in the same layer of each coil and symmetrical with respect to the coupling center plane of the two coils, ensuring temperature symmetry, The phase error amount received by each light can be made equal to cancel the phase error amount.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a manufacturing procedure of the sensing coil for an optical fiber gyro following FIG. 5.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a manufacturing procedure of the sensing coil for an optical fiber gyro following FIG. 6.
  • (A) is a side view of the coil main body manufactured by manufacture of the sensing coil for optical fiber gyros following FIG. 7,
  • (b) is a top view.
  • It is sectional drawing of the sensing coil for optical fiber gyros by this invention. It is a graph showing the elastic modulus-temperature characteristic of a suitable potting material. It is the bias characteristic after correction
  • FIG. 1 and 2 show a coil body of a sensing coil for an optical fiber gyro according to the present invention.
  • the coil body 13 of the sensing coil 10 for an optical fiber gyro has two potting coils 12 and 12.
  • each potting coil 12 is formed by aligning and winding optical fibers 14 with the same tension and the same feeding speed. By adhering adjacent optical fibers 14 with a potting material 16, It is encapsulated.
  • the optical fiber 14 can be a single mode fiber (SM fiber) or a polarization maintaining fiber (PM fiber).
  • the potting material 16 is made of a room temperature curable flexible adhesive.
  • the flexibility is a degree having flexibility, the hardness is about 50 to 80 degrees in Shore A hardness, and the elastic modulus (Young's modulus) is less than 7 MPa at room temperature (for example, 20 ° C. to 25 ° C.), preferably It is good that it is 5 MPa or less.
  • the glass transition temperature is preferably present at room temperature (for example, 20 ° C. to 25 ° C.)
  • the elastic modulus (Young's modulus) is between 0.1 MPa and 5 MPa above the glass transition temperature, and below the glass transition temperature.
  • the elastic modulus is preferably between 0.1 MPa and 3 GPa.
  • a specific example of the potting material 16 may be a flexible epoxy adhesive, its glass transition temperature is about 22 ° C., and the temperature characteristic of its elastic modulus follows the curve shown in FIG.
  • Such an encapsulated potting coil 12 can be manufactured by a manufacturing apparatus 100 as shown in FIG.
  • the manufacturing apparatus 100 includes an unwinding machine 104 having an unwinding shaft 104a on which a preliminary winding spool 102 on which an optical fiber 14 is wound in advance is set, and an unwinding shaft 106a disposed so as to face the unwinding machine 104.
  • the winding shaft 106a is connected to a drive source (not shown).
  • a winding jig 120 is set on the winding shaft 106 a of the winding machine 106.
  • the winding jig 120 includes a pair of flange portions 120 a made of a material having good releasability and excellent dimensional stability (for example, PTFE) and a body connecting the pair of flange portions 120 a.
  • the shaft 120b includes a resin packing 120c coated on the inside of the flange portion 120a and the surface of the trunk shaft 120b.
  • the trunk shaft 120b and at least one flange 120a are detachably connected.
  • trunk shaft 120b or the flange portion 120a is provided with a through hole, a groove, or a cut 120d through which a winding start portion of the optical fiber 14 can be drawn.
  • a winding shaft 106a is inserted into the body shaft 120b and can be driven to rotate.
  • the adhesive application device 110 includes a tank 116 in which an adhesive that is a liquid potting material 16 is accommodated, and an application roller 118 that is rotatable by being immersed in the tank 116.
  • the guide portion 112 can reciprocate in a direction parallel to the unwinding shaft 104a and the winding shaft 106a.
  • the winding start portion of the end of the optical fiber 14 unwound from the preliminary winding spool 102 set in the unwinding machine 104 is set in the winder 106 via the tension applying unit 108 and the adhesive application device 110. It is guided to the through-hole, groove or notch 120d of the winding jig 120, the winding shaft 106a is driven to rotate, and the guide portion 112 is reciprocated in a direction parallel to the unwinding shaft 104a and the winding shaft 106a. By moving, the optical fiber 14 unwound from the pre-winding spool 102 and coated with the adhesive by the adhesive coating device 110 is aligned and tightly wound (solenoid winding) on the barrel shaft 120b.
  • the optical fiber 14 is wound one layer at a time by the winding jig 120, and when a certain layer is completed, it is folded back to form the next layer on the upper side.
  • a predetermined number of optical fiber layers are wound around the winding jig 120 by rotating the winding shaft 106a a predetermined number of times.
  • two preliminary winding spools 102 are set side by side on the unwinding shaft 104a, and two winding jigs 120 are set side by side on the winding shaft 106a.
  • two winding jigs 120 are set side by side on the winding shaft 106a.
  • a coaxial simultaneous winding method for driving the winding shaft 106a may be employed.
  • the optical fiber 14 is wound around the two winding jigs 120 at the same time and while applying the same tension by the same tension applying unit 108, so that the optical fiber 14 is wound at the same tension and the same feeding speed.
  • two fiber coils of equal length wound in the same direction can be manufactured automatically.
  • the flange 120a and the barrel shaft 120b of the winding jig 120 are disassembled, and the potting coil 12 solidified by the potting material 16 and encapsulated. 12 can be obtained.
  • Each encapsulated potting coil 12 has two side end faces 12a and 12b. As shown in FIG. 7, one of the two potting coils 12 is rotated 180 ° around the axis perpendicular to the coil central axis with respect to the other potting coil 12, The side end face 12b and the side end face 12b of the other potting coil 12 are bonded together by the same potting material 16, cured at room temperature, and integrated. By rotating one of the potting coils 12 by 180 °, the two potting coils 12 are symmetrically wound around the side end surfaces 12b and 12b that are bonded surfaces.
  • the ends of the winding end portions (referred to as the extra length portions 12c) of the optical fiber 14 led out from the outermost layers of the two potting coils 12 are fused together.
  • the lengths of the extra length portions 12c of the two potting coils 12 are not equal, and in order to avoid fluctuations due to reflected light and spurious errors due to crosstalk, the length is not less than 1/2 of the coherent length determined by the characteristics of the light source. Make a difference in length. That is, the fused part 13a is not a symmetrical point, but is shifted from the symmetrical point.
  • the optical fiber 14 is a polarization maintaining fiber (PM fiber)
  • the ends of the extra length portion 12c are fused, and the polarization axes of the optical fibers 14 are aligned and fused. .
  • the extra length portion 12c after the fusion is overlapped on the side end surface 12a of the potting coil 12 and adhered with the adhesive 16 and cured at room temperature.
  • the two potting coils 12, 12 bonded and integrated together become the coil body 13.
  • the winding start portion of the optical fiber 14 led out from the innermost layer becomes one end 13b and the other end 13c of the coil body 13, and is connected to the interferometer.
  • the coil body 13 is preferably disposed in a metal case 18 as a support.
  • the metal case 18 is preferably a multi-metal case, and is a double metal case having at least an inner case 20 and an outer case 22, and the inner case 20 is completely surrounded by the outer case 22 on all four sides. ing.
  • the metal case can also be a triple or more multi-metal case.
  • the inner metal case 20 and the outer metal case 22 each have a donut shape, and include bottom plates 20a and 22a, inner plates 20b and 22b, outer plates 20c and 22c, and upper plates 20d and 22d.
  • the coil body 13 is fixed to the bottom plate 20a of the inner case 20 via spacers 24 made of a heat insulating material provided at three or more positions at equal angles on the lower surface thereof.
  • the material of the spacer 24 is preferably selected so that its linear expansion coefficient is about the same as that of the potting material 16, but is harder and has a higher elastic modulus than the potting material 16.
  • a synthetic resin or a ceramic can be used, and specifically, a glass epoxy resin or the like can be used.
  • the spacer 24 and the coil body 13 and the spacer 24 and the bottom plate 20 a of the inner case 20 may be fixed with the same adhesive as the potting material 16.
  • Only one side surface of the coil body 13 is attached to the bottom plate 20a of the inner case 20, and is thus cantilevered.
  • a slight gap is held between the coil body 13 and the upper plate 20d, inner plate 20b, and outer plate 20c of the inner case 20.
  • the coil body 13 can move relatively freely due to its thermal expansion and contraction, thereby preventing thermal stress from being generated.
  • the air gap a slight air gap that does not cause convection, the temperature inside the inner case 20 can be made uniform. Further, through the spacer 24 made of a heat insulating material, direct transfer of heat from the inner case 20 can be prevented, and the temperature in the coil body 13 can be made uniform.
  • the inner case 20 is fixed to the bottom plate 22a and the upper plate 22d of the outer case 22 via spacers 24 made of a heat insulating material provided at three or more positions at equal angles on the lower plate 20a and the upper plate 20d, respectively.
  • the inner case 20 and the outer case 22 are firmly fixed on both the upper and lower sides.
  • the bottom plate 22a and the top plate 22d of the outer case 22 are fixed apart from each other by spacers 27 and screws 25.
  • the inner case 20 and the outer case 22 can be made of the same metal material, but can also be made of different metal materials.
  • the inner case 20 preferably has a higher heat than the outer case 22.
  • the outer case 22 may have higher heat insulation than the inner case 20 so as to have conductivity.
  • the upper plate 20d of the inner case 20 and the upper plate 22d of the outer case 22 are each formed with a notch (not shown), and the one end 13b and the other end 13c of the coil body 13 led out from the innermost layer are notched. Go through.
  • the notch is preferably sealed with the optical fiber fixed with a metal tape having good thermal conductivity such as an aluminum tape.
  • optical component storage case 26 is provided on the upper side of the metal case 18.
  • the optical component storage case 26 is made of the same material as the outer case 22 of the metal case 18, and the optical component storage case 26 has an outer plate 26 a and an upper plate 26 b, and its bottom plate is above the outer case 22.
  • the plate 22d is also used.
  • the optical component storage case 26 may be provided below the metal case 18.
  • components such as a coupler 30, a depolarizer 32, an IOC 34, and a polarizer 36 are arranged, and one end 13b and the other end of the coil body 13 led out from the innermost layer passing through the notch. 13c is connected.
  • the optical fiber 14 is a single mode fiber (SM fiber)
  • a depolarizer 32 for suppressing the influence of polarization fluctuations is also arranged in the optical component storage case 26.
  • the depolarizer 32 can be either a crystal type or a fiber type. In the case of the fiber type depolarizer 32, the depolarizer 32 can be integrated with the coil body 13 instead of being disposed in the optical component storage case 26. It is.
  • a temperature sensor (not shown) is arranged in the inner case 20 of the metal case, and measures the temperature of the coil body 13.
  • the midpoint of the coil body 13 is a midpoint of the length of the two extra length portions 12c and 12c (see As described above, the midpoint is separated from the fusion part 13a), and the points equidistant from the midpoint in the opposite direction are in the same layer of the corresponding potting coils 12 and 12 and the two potting coils 12 Therefore, the same temperature fluctuation can be expected due to the symmetry of the heat distribution. Thus, temperature symmetry can be ensured.
  • the two potting coils 12 and 12 are in close contact with each other at the adhesive surface that is the center of the coil body 13, temperature symmetry about the adhesive surface can be reliably achieved. Specifically, as shown by a dotted line in FIG. 2 (b), the temperature distribution at the time of temperature fluctuation is made substantially concentric with the adhesive surface as the center, thereby achieving temperature symmetry and canceling the error of the shoe error. The difference can be reduced.
  • the winding operation can be easily performed without requiring a complicated process as in the conventional winding, and the winding can be disturbed. Can also be reduced. Further, since there is no jumping as in the case of the conventional double pole winding or quadrupole winding, the intersection does not occur and the occurrence of periodic stress concentration points can be reduced. The occurrence of errors can be reduced by suppressing the reflection and loss of the propagation light in the optical fiber and the occurrence of polarization crosstalk when the propagation light is polarized.
  • one end 13b and the other end 13c of the coil body 13 have the highest temperature differential sensitivity, but these one end 13b and the other end 13c are located on the innermost side of the potting coil 12, and the ambient temperature Since the sensing coil 10 is in a position that is least affected by the change, the sensing coil 10 can be configured to be hardly affected by temperature.
  • the fused portion 13a which is less reliable and sensitive to stress as compared with a single optical fiber, can be disposed in the outermost layer of the stress-free coil, reliability and performance stability are improved.
  • each potting coil 12 the optical fiber 14 is fixed by a flexible potting material 16, so that thermal expansion and thermal contraction applied to the optical fiber 14 are alleviated to generate bias spike noise in the bias temperature characteristic. Can be prevented.
  • FIG. 11 uses the flexible potting material having the elastic modulus-temperature characteristics of FIG. 10 under the ambient temperature conditions of ⁇ 20 ° C. to + 80 ° C. and the temperature change rate of 0.75 ° C./min.
  • FIG. 13 shows a bias change after correction when a non-flexible epoxy adhesive having a constant elastic modulus of 3 GPa is used as a potting material.
  • a non-flexible epoxy adhesive having a constant elastic modulus of 3 GPa is used as a potting material.
  • the flexible potting material in which no spike is generated has an elastic modulus of 1.5 MPa at 30 ° C., and this value is a high elastic modulus proposed in Patent Document 4 or 5 (7 MPa to 138 MPa). ) Much lower value than potting material. Further, by making the potting material 16 a room temperature curable type, the thermal stress is reduced near the normal temperature, the thermal stress below the normal temperature and above the normal temperature can be evenly distributed, and the bias spike noise that is likely to occur when the temperature falls is reduced. It is possible to reduce the thermal stress to the optical fiber that is the cause.
  • the coil body 13 may be supported in a cantilevered manner by the heat insulating spacer 24 without directly contacting the metal in the metal case, and this stabilizes the bias temperature characteristic. be able to. Further, the coil body 13 may be disposed in the multiple metal case rather than the single metal case, and thereby the bias temperature characteristic can be further stabilized.
  • the vibration test was performed by sweeping the vibration of 2G 0 to 100 Hz in 20 minutes.
  • the azimuth error conversion estimated from the gyro output is 0.35 ° sec ⁇ or less ( ⁇ : latitude), which proved to be practically sufficient. Therefore, even if the potting material 16 is flexible, it is shown that there is no influence of vibration as shown in Patent Document 4 or 5, and the sensing coil 10 for an optical fiber gyroscope according to the present invention has temperature, vibration, etc. It turned out to be less susceptible to environmental factors.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

　光ファイバの巻付け作業を簡単にし、且つ巻付けを起因とするクロストークの発生も低減することができ、温度感度の影響を低減した光ファイバジャイロ用センシングコイルとする。　コイル本体１３が、同一張力及び同一送り速度で光ファイバを整列巻付けしてポッティング材料１６でカプセル化した２個のポッティングコイル１２、１２からなる。各ポッティングコイルの側端面１２ｂ、１２ｂ同士がポッティング材料１６で接着し重ね合わされて、各ポッティングコイル１２の最外層から導出される光ファイバ１４の巻き終わり部分（余長部１２ｃ）の端部同士が融着接続されることで、コイル本体１３は１つの回転方向を持つ連続した光ファイバから構成される。

Description

光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法
　本発明は、耐環境性に優れ、その製造を簡単にすることができる光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法に関する。
　本来、光ファイバジャイロ用センシングコイルは、温度、振動といった環境要因の影響を受けやすく、耐環境性に劣るという問題がある。
　例えば、光ファイバジャイロ用センシングコイルに温度変動が印加された場合、センシングコイルを通過する左右回り光が、この温度変動を異なるタイミングで受けるために、左右回り光の間に検出するべきサニャック位相差以外の位相差が発生してしまうという問題がある。この温度変動によって生じる誤差は、温度微分感度（またはシュープ効果）と呼ばれている。
　このような温度微分感度の影響を低減するために、従来、センシングコイルへの光ファイバの巻付け方法について様々な提案がなされている。
　代表的な巻付け方法として、図１２（ａ）（ｂ）に示す２重極巻き及び４重極巻きが知られている。これらは、対称巻付け法と呼ばれ、いずれも長尺の光ファイバの中点から相反方向に等距離にある光ファイバの部分が近接するように光ファイバを巻付けていく方法である。
　具体的な作業としては、長尺の光ファイバを２つの予備巻きボビンに巻回しておき、その中点を予め出しておき、製品用ボビンの最内層に中点を固定し、供給側の予備巻きボビンを交互に交換しながら、光ファイバを製品用ボビンに巻付けていく。
　２重極巻きの場合には一層毎に供給側の予備巻きボビンを交換して、中点から見て右回り方向の巻付け（例えば図１２（ａ）における白丸）と、左回り方向の巻付け（例えば図１２（ａ）における黒丸）とが、一層毎に交代するようにする。また、４重極巻きの場合には二層毎に供給側の予備巻きボビンを交換して、中点から見て右回り方向の巻付け（例えば図１２（ｂ）における白丸）と、左回り方向の巻付け（例えば図１２（ｂ）における黒丸）とが、二層毎に交代するようにする。
　この対称巻付け法は、光ファイバの中点から相反方向に等距離にある２点での温度変動をなるべく等しくすることにより、左右回りの光がそれぞれ受ける位相誤差量を等しくして、相殺させて、相反性を確保しようとするものである。
　しかしながら、対称巻付け法では、光ファイバ中点から相反方向に等距離の光ファイバ部分が異なる層に位置することになるため、各層で温度変動が一様でないと、発生する位相誤差を完全に相殺することができないという問題がある。
　そのため、特許文献１～２では、図１２（ｃ）に示すような別の巻付け法が提案されている。
　特許文献１で提案する巻付け法は、ベース取付部に関して、光ファイバの中点から見て右回り方向の巻付け（例えば図１２（ｃ）における白丸）と左回り方向の巻付け（例えば図１２（ｃ）における黒丸）が上下対称構造となるようにして、中点から相反方向に等距離にある２点が同一層の上下対称位置に位置付けられ全体として一定方向になるように光ファイバを巻付けていく方法である。特許文献２でも同様な巻付け法が開示される。
　具体的な作業としては、長尺の光ファイバを２つの予備巻きボビンに巻回しておき、その中点を予め出しておき、製品用ボビンの最内層に中点を固定し、供給側の予備巻きボビンを交互に交換しながら、光ファイバを製品用ボビンに巻付けていく点で、対称巻付け法と同じである。
　また、特許文献３では、２つの予備巻きボビンに光ファイバをＬ／２ずつ巻回し、光ファイバの中点を出し、その中点で光ファイバを折り返して２本１組として、製品用ボビンのフランジ孔より外部に導出し、予備巻きボビンを交換しながら光ファイバを対称巻付けし、巻付け完了後、光ファイバの端末同士を融着接続し、製品用ボビンのフランジ孔より外部に導出した光ファイバの折り返し点を切断している。
　また、振動の影響に対して、光ファイバの各層を構成する複数のターンをポッタリング材料でカプセル化することにより、振動の影響を低減させることが特許文献４及び５で提案されている。このポッタリング材料の弾性率は、高いもの即ち硬い材料を用いることがよく、その一方で熱応力に晒されないようにするために、弾性率の適切な範囲としては、１０００ｐｓｉ（７ＭＰａ）から２００００ｐｓｉ（１３８ＭＰａ）の間にあることが提案される（特許文献４）。さらに、動作温度範囲において、ポッタリング材料の弾性率の急な変化を避けるべく、動作温度範囲外である－５５℃以下のガラス遷移温度を持つシリコン混合物とし、さらに、シリコン材料だけでは、弾性率が上記範囲よりも小さいために、カーボンブラック充填材を含めることで、硬さを持たせることが提案される（特許文献５）。
特開平２－２１２７１２号公報 特開平４－１９８９０３号公報 特開平９－５３９４５号公報 特許第３００２０９５号公報 特許第２７０８３７０号公報
　しかしながら、特許文献１～３で示される巻付け法においては、いずれもその巻付け作業にほぼ同じような作業を要し、予備巻きボビンを交互に交換しながら１つの製品用ボビンに巻付けていくために、その交換作業が大変であり、自動化するには巻取機が複雑な構造となり、手動で行うには作業工数が多く作業時間がかかるという問題がある。
　さらに、対称巻付け法では、中点から見て右回り方向の巻付けと、左回り方向の巻付けを交互に重ねていくために、互いに互いを飛び越すための飛び越し（２重極巻付けの場合は１層分に相当する１段飛び、４重極巻付けの場合は２層分に相当する２段飛び）が起こり、交差点が発生する。この交差点での応力の影響で光ファイバ中の伝搬光の反射や損失、加えて伝搬光が偏光である場合には偏光クロストークが発生して、誤差の原因になるという問題がある。
　一方、特許文献４及び５で示される巻付け法では、単純な整列巻付けとなっているために、温度変動によって生じる誤差が大きいという問題がある。
　本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、光ファイバの巻付け作業を簡単にすることができ、作業工数を低減して、低コストで製造することができ、且つ巻付けを起因とするクロストークの発生も低減することができ、温度感度及び振動の影響を低減した高精度な光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法を提供することを、その目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、光ファイバジャイロ用センシングコイルにおいて、
　同一張力及び同一送り速度で光ファイバを整列巻付けしポッティング材料でカプセル化した２個のポッティングコイルからなるコイル本体を有し、
　該コイル本体は、各ポッティングコイルの側端面同士が前記ポッティング材料で接着し重ね合わされてなり、前記各ポッティングコイルの一方のファイバ端同士が融着接続されて、１つの回転方向を持つ連続した光ファイバから構成される、ことを特徴とする。
　前記２個のポッティングコイルは、接着面である側端面を中心としてそのコイルの巻きが対称であるようにすることができる。
　前記２個のポッティングコイルの最外層から導出される光ファイバ同士が融着され、２個のポッティングコイルの最内層から導出される光ファイバ部分が、センシングコイルの一端部と他端部となるようにすることができる。
　コイル本体は、支持体に対してその一側面のみが断熱スペーサを介して片持ち弾性支持されているようにすることができる。
　前記コイル本体は、多重金属ケース内に配置され、多重金属ケースは、内側ケースが外側ケース内に包囲されて構成され、ポッティングコイルと最内側ケース間、及び内側ケースと外側ケースとの間は、対流を生じない程度の空隙となっているようにすることができる。
　前記多重金属ケースのうち、内側ケースは、外側ケースよりも熱伝導率が高い材料で構成されることができる。
　前記ポッティング材料は、常温硬化型の柔軟性接着剤であってもよい。
　前記ポッティング材料は、ガラス転移温度以上で弾性率が０．１ＭＰａ～５ＭＰａであり、ガラス転移温度以下で、弾性率が０．１ＭＰａから３ＧＰａであるようにすることができる。
　前記ポッティング材料は、ガラス転移温度が常温に存在するようにすることができる。
　前記ポッティング材料は、柔軟性エポキシ系接着剤であってもよい。
　また、本発明は、光ファイバジャイロ用センシングコイルの製造方法であって、
　ポッティング材料が塗布された光ファイバを治具に整列巻付けし、
　ポッティング材料硬化後に治具から取り外して、ポッティング材料でカプセル化されたポッティングコイルを２個作製し、
　２個のポッティングコイルの側端面同士を重ね合わせてポッティング材料で接着し、その際に、接着面である側端面を中心としてコイルの巻きが対称になるようにし、
　各ポッティングコイルの一方のファイバ端同士を融着して、
　１つの回転方向を持つ連続した光ファイバからなるコイル本体を作製する、
光ファイバジャイロ用センシングコイルの製造方法である。
　各ポッティングコイルの一方のファイバ端同士の融着は、２個のポッティングコイルの最外層から導出される光ファイバ同士を融着することを含む。
　各ポッティングコイルの一方のファイバ端同士の融着は、２個のポッティングコイルの最外層から融着部までの長さが、２個のポッティングコイルで異なるように融着することを含む。
　本発明によれば、整列巻付けしたファイバコイルをポッティング材料でカプセル化した２個のポッティングコイルを接着して重ね合わせるために、従来の巻付けのような複雑な工程を要することなく、簡単に巻付け作業を行うことができる。従って、自動化を可能とし、手動で作業を行う場合でも、作業工数を低減して低コストで製造することができる。また、巻乱れの起こる可能性も低減させることができる。中点から相反方向に等距離にある２点を、それぞれのコイルの同一層に、且つ２つのコイルの結合中心面に関して対称位置にすることができて、温度対称性を確保し、左右回りの光がそれぞれ受ける位相誤差量を等しくして、位相誤差量を相殺させることができる。
　さらに、従来の２重極巻付けまたは４重極巻付けのような飛び越しがないために、交差点が発生せず、周期的な応力集中箇所の発生を低減させることができ、この応力の影響で起こる光ファイバ中の伝搬光の反射や損失、加えて伝搬光が偏光である場合の偏光クロストークの発生を抑制して誤差の発生を低減させることができて、高精度なものとすることができる。
本発明による光ファイバジャイロ用センシングコイルのコイル本体の斜視図である。 （ａ）は、コイル本体を構成する１つのポッティングコイルの半断面図であり、（ｂ）はコイル本体の半断面図である。 本発明による光ファイバジャイロ用センシングコイルを製造する製造装置を表す説明図である。 本発明による光ファイバジャイロ用センシングコイルを製造するための治具の側面図である。 本発明による光ファイバジャイロ用センシングコイルの製造手順を表す説明図である。 図５に続く光ファイバジャイロ用センシングコイルの製造手順を表す説明図である。 図６に続く光ファイバジャイロ用センシングコイルの製造手順を表す説明図である。 （ａ）は図７に続く光ファイバジャイロ用センシングコイルの製造により製造されたコイル本体の側面図、（ｂ）は平面図である。 本発明による光ファイバジャイロ用センシングコイルの断面図である。 好適なポッティング材料の弾性率－温度特性を表すグラフである。 本発明の光ファイバジャイロ用センシングコイルを用いた場合の補正後のバイアス特性である。 従来の光ファイバの巻付け方法による光ファイバジャイロ用センシングコイルの要部断面図である。 非柔軟性ポッティング材を用いた場合の温度特性である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１及び図２は、本発明による光ファイバジャイロ用センシングコイルのコイル本体を表している。
　光ファイバジャイロ用センシングコイル１０のコイル本体１３は、２個のポッティングコイル１２、１２を有している。
　各ポッティングコイル１２は、図２に示したように、同一張力及び同一送り速度で光ファイバ１４を整列巻付けしたものからなり、ポッティング材料１６で隣接する光ファイバ１４同士が接着されることで、カプセル化されている。光ファイバ１４はシングルモードファイバ（ＳＭファイバ）または偏波保持ファイバ（ＰＭファイバ）とすることができる。
　ポッティング材料１６は、常温硬化型の柔軟性接着剤からなる。柔軟性は、可撓性を持つ程度とし、その硬度は、ショアＡ硬度で５０～８０度程度で、弾性率（ヤング率）は、常温（例えば２０℃～２５℃）で７ＭＰａ未満、好ましくは５ＭＰａ以下となっているとよい。また、ガラス転移温度は、常温（例えば２０℃～２５℃）に存在しているとよく、ガラス転移温度以上で弾性率（ヤング率）が０．１ＭＰａから５ＭＰａの間にあり、ガラス転移温度以下で弾性率が０．１ＭＰａから３ＧＰａの間にあるとよい。ポッティング材料１６の具体例としては、柔軟性エポキシ系接着剤とすることができ、そのガラス転移温度は２２℃程度で、その弾性率の温度特性は図１０に示す曲線に従っている。
　このようなカプセル化されたポッティングコイル１２は、図３に示すような製造装置１００で作製することができる。製造装置１００は、光ファイバ１４が予め巻付けられた予備巻きスプール１０２がセットされた巻解軸１０４ａを持つ巻解機１０４と、巻解機１０４に対向して配置されて巻取軸１０６ａを持つ巻取機１０６と、巻解機１０４と巻取機１０６との間に配置された張力付与部１０８と、張力付与部１０８と巻取機１０６との間に配置された接着剤塗布装置１１０と、ガイド部１１２とを備える。巻取軸１０６ａは図示しない駆動源に連結される。
　巻取機１０６の巻取軸１０６ａには、巻取治具１２０がセットされる。巻取治具１２０は、図４に示すように、離型性が良く寸法安定性に優れる材質（例えば、ＰＴＦＥ等）からなる一対の鍔部１２０ａ及び一対の鍔部１２０ａの間を連結する胴軸１２０ｂと、鍔部１２０ａの内側と胴軸１２０ｂの表面に被覆された樹脂パッキン１２０ｃと、から構成される。胴軸１２０ｂと少なくとも一方の鍔部１２０ａは脱着可能に連結されている。また、胴軸１２０ｂまたは鍔部１２０ａには、光ファイバ１４の巻始め部分を引き出すことができる貫通孔、溝、または切込み１２０ｄが設けられている。胴軸１２０ｂ内には巻取軸１０６ａが挿入されて、回転駆動可能となっている。
　接着剤塗布装置１１０は、液体状のポッティング材料１６である接着剤が収容されるタンク１１６と、タンク１１６に底部が浸漬されて回転自在となった塗布ローラ１１８と、を備える。
　ガイド部１１２は、巻解軸１０４ａ及び巻取軸１０６ａに対して平行な方向に往復動可能となっている。
　巻解機１０４にセットされた予備巻きスプール１０２から巻き解かれた光ファイバ１４の端部の巻き始め部分を、張力付与部１０８及び接着剤塗布装置１１０を経由して巻取機１０６にセットされた巻取治具１２０の貫通孔、溝または切込み１２０ｄに誘導しておき、巻取軸１０６ａを回転駆動し、ガイド部１１２を巻解軸１０４ａ及び巻取軸１０６ａに対して平行な方向に往復動させることで、予備巻きスプール１０２から巻き解かれ、途中で接着剤塗布装置１１０によって接着剤が塗布された光ファイバ１４が、胴軸１２０ｂに整列密着巻付け（ソレノイド巻線）される。即ち、光ファイバ１４は、巻取治具１２０において、一層ずつ巻付けられ、ある層が完成すると折り返して、その上側に次の層を形成していく。こうして、決められた回数、巻取軸１０６ａの回転を行うことで、巻取治具１２０に所定数の光ファイバの層が巻付けられる。
　好ましくは、図５に示すように、巻解軸１０４ａに２個の予備巻きスプール１０２を並べてセットし、巻取軸１０６ａに２個の巻取治具１２０を並べてセットし、接着剤塗布装置１１０を並列に２個配置し、巻取軸１０６ａを駆動する同軸同時巻線方式をとるとよい。これによって、２個の巻取治具１２０に光ファイバ１４を同時に且つ同じ張力付与部１０８によって同じ張力を印加しながら巻き取ることによって、同一張力及び同一送り速度で巻き取られ、同じ巻取特性を持ち、等しい長さの同じ方向に巻付けられた２個のファイバコイルを自動的に製造することができる。
　巻取後に常温硬化させた後、図６に示すように、巻取治具１２０の鍔部１２０ａと胴軸１２０ｂとを分解して、ポッティング材料１６によって固化されてカプセル化されたポッティングコイル１２、１２を得ることができる。
　カプセル化された各ポッティングコイル１２は、２つの側端面１２ａ、１２ｂを持つ。図７に示すように、２個のポッティングコイル１２のうちの一方のポッティングコイル１２を他方のポッティングコイル１２に対してコイル中心軸に垂直な軸周りに１８０°回転させ、一方のポッティングコイル１２の側端面１２ｂと他方のポッティングコイル１２の側端面１２ｂとを同じポッティング材料１６によって接着して常温硬化させて一体化する。一方のポッティングコイル１２を１８０°回転させることによって、接着面となった側端面１２ｂ、１２ｂを中心として、２個のポッティングコイル１２は、コイルの巻きが対称となっている。
　次に、図８に示すように、２個のポッティングコイル１２の最外層から導出される光ファイバ１４の巻き終わり部分（余長部１２ｃという）の端部同士を融着する。このとき、２つのポッティングコイル１２の余長部１２ｃの長さは等しくせずに、反射光による変動やクロストークによるスプリアス誤差を避けるために、光源の特性で決まるコヒーレント長の１／２以上の長さの差をつけるようにする。つまり、融着部１３ａは、対称点とせずに、対称点からずれた位置になるようにする。尚、光ファイバ１４が偏波保持ファイバ（ＰＭファイバ）の場合には余長部１２ｃの端部を融着する際に、各光ファイバ１４同士の偏波軸を合わせて融着するようにする。
　そして、融着後の余長部１２ｃは、ポッティングコイル１２の側端面１２ａに重ねて接着剤１６で接着して常温硬化させる。こうして、接着されて一体化された２個のポッティングコイル１２、１２がコイル本体１３となる。最内層から導出される光ファイバ１４の巻始め部分がコイル本体１３の一端部１３ｂと他端部１３ｃとなり干渉計に接続される。
　図９に示すように、コイル本体１３は、支持体としての金属ケース１８内に配置されるとよい。金属ケース１８は、多重金属ケースとなっているとよく、少なくとも内側ケース２０と、外側ケース２２とを有する二重金属ケースとなっており、内側ケース２０は、外側ケース２２によって完全に四方が包囲されている。但し、金属ケースは、さらに三重以上の多重金属ケースとすることも可能である。
　内側金属ケース２０及び外側金属ケース２２は、それぞれドーナツ形状をなしており、底板２０ａ、２２ａ、内側板２０ｂ、２２ｂ、外側板２０ｃ、２２ｃ、上板２０ｄ、２２ｄを備える。
　コイル本体１３は、その下面に等配角度で３箇所以上に設けられた断熱材からなるスペーサ２４を介して内側ケース２０の底板２０ａに固定される。
　スペーサ２４の材料は、好ましくは、その線膨張係数がポッティング材１６と同程度とし、しかしながら、ポッティング材１６よりも硬く弾性率の高いものが選択される。例えば、合成樹脂またはセラミックスとすることができ、具体的にはガラスエポキシ樹脂等が使用可能である。スペーサ２４とコイル本体１３及びスペーサ２４と内側ケース２０の底板２０ａとの間は、ポッティング材１６と同じ接着剤で固定されるとよい。
　コイル本体１３は、その一側面のみが内側ケース２０の底板２０ａに取り付けられており、従って、片持ち支持となっている。コイル本体１３と内側ケース２０の上板２０ｄ、内側板２０ｂ、外側板２０ｃとの間には僅かな空隙が保持されている。これによって、コイル本体１３は、その熱膨張及び熱収縮によって比較的自由に動くことが可能になっており、熱応力が発生することを防いでいる。その一方で、空隙を対流が生じない程度の僅かな空隙とすることで、内側ケース２０内部の温度の均一化を図ることができる。また、断熱材からなるスペーサ２４を介することで、内側ケース２０からの熱の直接の伝達を防ぎ、コイル本体１３における温度の均一化を図ることができる。
　更に、内側ケース２０は、その下板２０ａと上板２０ｄに等配角度で３箇所以上に設けられた断熱材からなるスペーサ２４を介して外側ケース２２の底板２２ａと上板２２ｄにそれぞれ固定される。内側ケース２０と外側ケース２２においては、上側と下側の両側で堅固に固定する。外側ケース２２の底板２２ａと上板２２ｄは、スペーサ２７とビス２５によって互いに離間して固定される。
　内側ケース２０と外側ケース２２とは、同じ金属材料で構成することができるが、異なる金属材料とすることもでき、その場合に、好ましくは、内側ケース２０の方が外側ケース２２よりも高い熱伝導性を持つように、換言すれば、外側ケース２２の方が内側ケース２０よりも高い断熱性を持つようにするとよい。これによって、外側ケース２２によって外乱の熱の影響が内部に伝わることを防ぐ一方で、内側ケース２０によって、内側ケース２０内の温度勾配をなくし、温度を均一化する効果が得られる。
　内側ケース２０の上板２０ｄ及び外側ケース２２の上板２２ｄには、それぞれ切欠（図示略）が形成されており、最内層から導出されるコイル本体１３の一端部１３ｂと他端部１３ｃが切欠を通り抜ける。切欠は、アルミテープなどの熱伝導性の良い金属テープで光ファイバごと固定して封止するとよい。
　金属ケース１８の上側には、光学部品収納ケース２６が設けられる。光学部品収納ケース２６は、金属ケース１８の外側ケース２２と同じ材料で構成され、光学部品収納ケース２６は、外側板２６ａと、上板２６ｂとを有し、その底板は、外側ケース２２の上板２２ｄが兼用している。但し、光学部品収納ケース２６は金属ケース１８の下側とすることも可能である。
　光学部品収納ケース２６内には、カプラ３０、デポライザ３２、ＩＯＣ３４、偏光子３６等の部品が配設されて、切欠を通り抜けた最内層から導出されるコイル本体１３の一端部１３ｂと他端部１３ｃが接続される。光ファイバ１４がシングルモードファイバ（ＳＭファイバ）の場合には、偏波変動の影響を抑制するためのデポラライザ３２も光学部品収納ケース２６内に配置される。デポラライザ３２は結晶タイプ、ファイバタイプのいずれタイプとすることもでき、ファイバタイプのデポラライザ３２とした場合には、光学部品収納ケース２６内に配置する代わりに、コイル本体１３と一体にすることも可能である。
　また、金属ケースの内側ケース２０内には、温度センサ（図示略）が配置されて、コイル本体１３の温度を測定している。
　以上のように構成される光ファイバジャイロ用センシングコイル１０においては、前述のように、コイル本体１３の中点は、２つの余長部１２ｃ、１２ｃを合わせた長さの中点となり（尚、前述のように、中点は融着部１３ａから離れている）、中点から相反方向に等距離にある地点は、対応するポッティングコイル１２、１２の同一層にあり且つ２個のポッティングコイル１２の接着面から等距離に位置するために、熱分布の対称性によって、同じ温度変動を受けることが期待できる。こうして、温度対称性を確保することができる。
　特に、２個のポッティングコイル１２、１２はコイル本体１３の中央となる接着面で互いに密着しているため、接着面を中心とする温度対称性を確実に達成することができる。具体的には、図２（ｂ）に点線で示すように、温度変動時の温度分布を接着面を中心とする略同心円状とすることで温度対称性を達成して、シュープ誤差のキャンセル残差を低減することができる。
　各ポッティングコイル１２、１２は単純な整列巻付けであるために、従来の巻付けのような複雑な工程を要することなく、簡単に巻付け作業を行うことができ、また、巻乱れの起こる可能性も低減させることができる。さらには、従来の２重極巻付けまたは４重極巻付けのような飛び越しがないために、交差点が発生せず、周期的な応力集中箇所の発生を低減させることができ、この応力の影響で起こる光ファイバ中の伝搬光の反射や損失、加えて伝搬光が偏光である場合の偏光クロストークの発生を抑制して誤差の発生を低減させることができる。
　また、周知のようにコイル本体１３の一端部１３ｂと他端部１３ｃは温度微分感度が最も高いが、これら一端部１３ｂと他端部１３ｃが、ポッティングコイル１２の最内側に位置し、周囲温度変化の影響を最も受けない位置にあるために、センシングコイル１０として温度の影響を受けにくい構成とすることができる。
　また、光ファイバ単体と比較して信頼性が低く応力にも敏感な融着部１３ａを応力フリーとなるコイルの最外層に配置することができるので、信頼性・性能安定性が向上する。
　さらに、各ポッティングコイル１２において、光ファイバ１４が柔軟性のあるポッティング材料１６によって固定されることにより、光ファイバ１４にかかる熱膨張、熱収縮を緩和して、バイアス温度特性におけるバイアススパイクノイズの発生を防ぐことができる。
　図１１は、周囲温度が－２０℃～＋８０℃で、温度変化率が０．７５℃／分の温度環境条件下での、図１０の弾性率－温度特性を持つ柔軟性ポッティング材を用いた場合の本発明による光ファイバジャイロ用センシングコイルによる補正後のバイアス温度特性を示している。バイアススパイクが発生せず、バイアス不安定性が０．０１８°／ｈ（１σ）以下、ランダムウォークが０．００４７°／√ｈの性能が得られた。
　図１３は、弾性率が３ＧＰａ一定となった非柔軟性エポキシ系接着剤をポッティング材料として用いた場合の補正後のバイアス変化である。この場合、温度が下降していく時に多数のスパイクが出る傾向があり、これは、温度下降時に光ファイバ１４内で発生する熱膨張、熱収縮を非柔軟性ポッティング材料では十分に緩和することができないことが要因と考えられる。
　これに対して、スパイクの発生しない柔軟性ポッティング材料では、３０℃で弾性率が１．５ＭＰａとなっており、この値は、特許文献４または５で提案される弾性率の高い（７ＭＰａ～１３８ＭＰａ）ポッティング材料よりも遥かに低い値である。また、ポッティング材料１６を常温硬化型とすることで、常温付近で熱応力を少なくし、常温以下及び常温以上での熱応力を均等配分することができ、温度下降時に発生しやすいバイアススパイクノイズの原因となる光ファイバへの熱応力を低減することができる。
　また、コイル本体１３は、金属ケースの中で、金属に直接接触することなく、且つ一側面のみが断熱性スペーサ２４によって片持ち弾性支持されているとよく、これによって、バイアス温度特性を安定させることができる。さらに、コイル本体１３は、一重金属ケースよりも多重金属ケース内に配置するとよく、これによって、バイアス温度特性をより一層安定させることができる。
　さらに、図１０に示す弾性率－温度特性を持つ柔軟性ポッティング材を用いた場合の振動特性に関しては、２０分間で　２Ｇ　０～１００Ｈｚの振動を掃引して振動試験を行った結果、振動印加中のジャイロ出力から推定される方位誤差換算は０．３５°ｓｅｃλ以下（λ：緯度）であり、実用上十分であることが分かった。従って、ポッティング材料１６を柔軟性のあるものとしても、特許文献４または５に示されるような振動の影響はないことが示され、本発明による光ファイバジャイロ用センシングコイル１０は、温度、振動といった環境要因の影響を受けにくいことが分かった。
１０　光ファイバジャイロ用センシングコイル
１２　ポッティングコイル
１２ｂ　側端面
１２ｃ　余長部
１３　コイル本体
１３ａ　融着部
１３ｂ　一端部
１３ｃ　他端部
１４　光ファイバ
１６　ポッティング材料
１８　金属ケース
２０　内側ケース
２２　外側ケース
２４　スペーサ
１２０　巻取治具

Claims (13)

  1. 　光ファイバジャイロ用センシングコイルにおいて、
    　同一張力及び同一送り速度で光ファイバを整列巻付けしポッティング材料でカプセル化した２個のポッティングコイルからなるコイル本体を有し、
    　該コイル本体は、各ポッティングコイルの側端面同士が前記ポッティング材料で接着し重ね合わされてなり、前記各ポッティングコイルの一方のファイバ端同士が融着接続されて、１つの回転方向を持つ連続した光ファイバから構成される、ことを特徴とする光ファイバジャイロ用センシングコイル。
  2. 　前記２個のポッティングコイルは、接着面である側端面を中心としてそのコイルの巻きが対称である、ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバジャイロ用センシングコイル。
  3. 　前記２個のポッティングコイルの最外層から導出される光ファイバ同士が融着され、２個のポッティングコイルの最内層から導出される光ファイバ部分が、センシングコイルの一端部と他端部となる、ことを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバジャイロ用センシングコイル。
  4. 　コイル本体は、支持体に対してその一側面のみが断熱スペーサを介して片持ち弾性支持されている、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光ファイバジャイロ用センシングコイル。
  5. 　前記コイル本体は、多重金属ケース内に配置され、多重金属ケースは、内側ケースが外側ケース内に包囲されて構成され、ポッティングコイルと最内側ケース間、及び内側ケースと外側ケースとの間は、対流を生じない程度の空隙となっている、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光ファイバジャイロ用センシングコイル。
  6. 　前記多重金属ケースのうち、内側ケースは、外側ケースよりも熱伝導率が高い材料で構成される、ことを特徴とする請求項５記載の光ファイバジャイロ用センシングコイル。
  7. 　前記ポッティング材料は、常温硬化型の柔軟性接着剤である、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光ファイバジャイロ用センシングコイル。
  8. 　前記ポッティング材料は、ガラス転移温度以上で弾性率が０．１ＭＰａ～５ＭＰａであり、ガラス転移温度以下で、弾性率が０．１ＭＰａから３ＧＰａである、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光ファイバジャイロ用センシングコイル。
  9. 　前記ポッティング材料は、ガラス転移温度が常温に存在する、ことを特徴とする請求項８記載の光ファイバジャイロ用センシングコイル。
  10. 　前記ポッティング材料は、柔軟性エポキシ系接着剤である、ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか1項に記載の光ファイバジャイロ用センシングコイル。
  11. 　光ファイバジャイロ用センシングコイルの製造方法であって、
    　ポッティング材料が塗布された光ファイバを治具に整列巻付けし、
    　ポッティング材料硬化後に治具から取り外して、ポッティング材料でカプセル化されたポッティングコイルを２個作製し、
    　２個のポッティングコイルの側端面同士を重ね合わせてポッティング材料で接着し、その際に、接着面である側端面を中心としてコイルの巻きが対称になるようにし、
    　各ポッティングコイルの一方のファイバ端同士を融着して、
    　１つの回転方向を持つ連続した光ファイバからなるコイル本体を作製する、
    光ファイバジャイロ用センシングコイルの製造方法。
  12. 　各ポッティングコイルの一方のファイバ端同士の融着は、２個のポッティングコイルの最外層から導出される光ファイバ同士を融着することを含む請求項１１記載の光ファイバジャイロ用センシングコイルの製造方法。
  13. 　各ポッティングコイルの一方のファイバ端同士の融着は、２個のポッティングコイルの最外層から融着部までの長さが、２個のポッティングコイルで異なるように融着することを含む請求項１２記載の光ファイバジャイロ用センシングコイルの製造方法。
PCT/JP2012/064981 2012-06-12 2012-06-12 光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法 WO2013186852A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/407,052 US9541400B2 (en) 2012-06-12 2012-06-12 Fiber optic gyroscope sensing coil and method of fabricating the same
PCT/JP2012/064981 WO2013186852A1 (ja) 2012-06-12 2012-06-12 光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法
CN201280073910.1A CN104380042B (zh) 2012-06-12 2012-06-12 光纤陀螺仪用传感线圈及其制造方法
EP12879052.4A EP2860493B1 (en) 2012-06-12 2012-06-12 Sensing coil for fiber optic gyroscopes and manufacturing method for same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2012/064981 WO2013186852A1 (ja) 2012-06-12 2012-06-12 光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013186852A1 true WO2013186852A1 (ja) 2013-12-19

Family

ID=49757716

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/064981 WO2013186852A1 (ja) 2012-06-12 2012-06-12 光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9541400B2 (ja)
EP (1) EP2860493B1 (ja)
CN (1) CN104380042B (ja)
WO (1) WO2013186852A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109764894A (zh) * 2019-01-18 2019-05-17 北京联智信达科技有限公司 一种光纤环固化预处理设备
CN110926502A (zh) * 2019-12-10 2020-03-27 中船航海科技有限责任公司 一种高度可调的光纤陀螺绕环工装

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6504685B2 (ja) * 2015-08-27 2019-04-24 深▲せん▼市大耳馬科技有限公司Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｄａｒｍａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． 光ファイバーセンサ及び微動の監視方法
CN106441263A (zh) * 2016-08-31 2017-02-22 武汉长盈通光电技术有限公司 一种减小光纤陀螺偏振误差的光纤环骨架及其绕制光纤环圈的方法
CN107782301A (zh) * 2017-10-20 2018-03-09 上海新跃联汇电子科技有限公司 一种光纤传感线圈组件及具有该组件的光纤陀螺仪
CN108168576A (zh) * 2017-12-15 2018-06-15 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种用于光纤陀螺环圈尾纤对称盘绕方法
CN108592901B (zh) * 2018-04-27 2021-09-07 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团有限公司第七一七研究所） 一种双柱型光纤环的绕环骨架
CN110160556B (zh) * 2019-05-17 2023-01-24 中北大学 一种光纤陀螺敏感线圈环的骨架与对称交叉子绕法

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02212712A (ja) 1989-02-14 1990-08-23 Mitsubishi Precision Co Ltd 光ファイバジャイロ
JPH04198903A (ja) 1990-11-28 1992-07-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光ファイバコイル
JPH05273415A (ja) * 1992-03-27 1993-10-22 Hitachi Cable Ltd 光ファイバの固定方法
JPH0953945A (ja) 1995-08-17 1997-02-25 Japan Aviation Electron Ind Ltd 光ファイバコイルとその巻線方法
JP2708370B2 (ja) 1994-07-04 1998-02-04 リトン システムズ，インコーポレーテッド ポット状光ファイバジャイロセンサコイル
JPH10206172A (ja) * 1996-12-24 1998-08-07 Litton Syst Inc バッファ領域を含むファイバ光学センサコイル
JPH11513126A (ja) * 1996-07-26 1999-11-09 リトン システムズ，インコーポレーテッド 高効率磁気シールド
JP3002095B2 (ja) 1994-08-10 2000-01-24 リトン システムズ，インコーポレーテッド 低バイアス光ファイバジャイロスコープ用センサコイル
WO2000041011A1 (en) * 1999-01-06 2000-07-13 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Dispersion compensating optical fiber
JP2002214452A (ja) * 2001-01-23 2002-07-31 Sumitomo Electric Ind Ltd 分散補償器
JP2003107250A (ja) * 2001-09-28 2003-04-09 Tomoegawa Paper Co Ltd 光ファイバコイルおよびその作製方法
JP2007506980A (ja) * 2003-09-24 2007-03-22 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド 等方的特性の光ファイバセンシングコイル
JP2011089908A (ja) * 2009-10-23 2011-05-06 Tokyo Keiki Inc 光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3332718C2 (de) * 1983-09-10 1994-12-22 Sel Alcatel Ag Einrichtung zur Messung der Drehgeschwindigkeit
EP0641996A1 (en) * 1993-09-03 1995-03-08 Litton Systems, Inc. Sensor coil for a fiber optic gyroscope
US7477806B2 (en) * 2006-04-28 2009-01-13 Morgan Research Corporation Crossover-free fiber optic coil sensor and winding method

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02212712A (ja) 1989-02-14 1990-08-23 Mitsubishi Precision Co Ltd 光ファイバジャイロ
JPH04198903A (ja) 1990-11-28 1992-07-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光ファイバコイル
JPH05273415A (ja) * 1992-03-27 1993-10-22 Hitachi Cable Ltd 光ファイバの固定方法
JP2708370B2 (ja) 1994-07-04 1998-02-04 リトン システムズ，インコーポレーテッド ポット状光ファイバジャイロセンサコイル
JP3002095B2 (ja) 1994-08-10 2000-01-24 リトン システムズ，インコーポレーテッド 低バイアス光ファイバジャイロスコープ用センサコイル
JPH0953945A (ja) 1995-08-17 1997-02-25 Japan Aviation Electron Ind Ltd 光ファイバコイルとその巻線方法
JPH11513126A (ja) * 1996-07-26 1999-11-09 リトン システムズ，インコーポレーテッド 高効率磁気シールド
JPH10206172A (ja) * 1996-12-24 1998-08-07 Litton Syst Inc バッファ領域を含むファイバ光学センサコイル
WO2000041011A1 (en) * 1999-01-06 2000-07-13 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Dispersion compensating optical fiber
JP2002214452A (ja) * 2001-01-23 2002-07-31 Sumitomo Electric Ind Ltd 分散補償器
JP2003107250A (ja) * 2001-09-28 2003-04-09 Tomoegawa Paper Co Ltd 光ファイバコイルおよびその作製方法
JP2007506980A (ja) * 2003-09-24 2007-03-22 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド 等方的特性の光ファイバセンシングコイル
JP2011089908A (ja) * 2009-10-23 2011-05-06 Tokyo Keiki Inc 光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2860493A4 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109764894A (zh) * 2019-01-18 2019-05-17 北京联智信达科技有限公司 一种光纤环固化预处理设备
CN110926502A (zh) * 2019-12-10 2020-03-27 中船航海科技有限责任公司 一种高度可调的光纤陀螺绕环工装
CN110926502B (zh) * 2019-12-10 2024-04-16 中船航海科技有限责任公司 一种高度可调的光纤陀螺绕环工装

Also Published As

Publication number Publication date
EP2860493B1 (en) 2018-04-25
EP2860493A4 (en) 2016-02-17
US20150185014A1 (en) 2015-07-02
CN104380042A (zh) 2015-02-25
EP2860493A1 (en) 2015-04-15
US9541400B2 (en) 2017-01-10
CN104380042B (zh) 2017-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013186852A1 (ja) 光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法
US20020167673A1 (en) System and method of winding a fog coil
WO2012006936A1 (zh) 一种用于光纤陀螺的光纤环圈
JP5392911B2 (ja) 光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法
JP5651463B2 (ja) 光ファイバジャイロ用センシングコイル及びその製造方法
JP2010096761A (ja) 光ファイバジャイロスコープのための２本巻き光ファイバ収容
CN108088466B (zh) 一种光纤环精密化绕制方法
EP2018582A2 (en) Crossover-free fiber optic coil sensor and winding method
CN111220140A (zh) 一种用于超高精度光纤陀螺的交叉十六极对称绕环方法
IL172639A (en) Polymeric material with voids that compress to allow the polymeric material to absorb applied force and decrease reaction force to one or more sensor fibers
CN111844832B (zh) 一种光纤环制作方法
TWI420171B (zh) 光纖固定用毛細管和光學零件用的連接構造
US9182230B2 (en) Systems and methods for controlling the gas conversion in a fiber-optic gyroscope
WO1998033040A1 (fr) Bobine d'enroulement de fibre optique
KR19990007435A (ko) 낮은 슈프 바이어스의 광섬유 회전 센서 코일
US7844151B2 (en) In-line polarization-state converter
US6496263B1 (en) System and method for providing an improved IFOG hub to coil thermal and mechanical slip interface
KR19980042516A (ko) 터언 사이의 응력 완화 기능을 가지는 포트 자이로 센서 코일
JP3679602B2 (ja) 光ファイバアレイ
JPH1096635A (ja) 光ファイバジャイロ組立治具及び光ファイバジャイロの組立方法
US5748392A (en) Optical voltage sensor, group of optical parts and method of manufacturing same
JP2013217845A (ja) 光電流検出装置および光電流検出装置の製造方法
JP2616231B2 (ja) 光ファイバコイル
JPH0861962A (ja) 低バイアス光ファイバジャイロスコープ用センサコイル
JP2004004718A (ja) 光ファイバ配列部品およびその製造方法、光ファイバピグテールおよびその製造方法、光部品

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12879052

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012879052

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14407052

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP