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発明の名称 光ファイバジャイロスコープ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−227957(P2001−227957A)
公開日 平成13年8月24日(2001.8.24)
出願番号 特願2000−40861(P2000−40861)
出願日 平成12年2月18日(2000.2.18)
代理人 【識別番号】100066153
【弁理士】
【氏名又は名称】草野 卓 (外1名)
【テーマコード(参考)】
2F105
【Fターム(参考)】
2F105 BB02 DD02 DE01 DE05 DE08 DE12 DE21 DE25 DF01 DF04 DF05 DF07 
発明者 臼井 竜治 / 大野 有孝
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 運動体の慣性空間に対する回転運動の角速度を、光ファイバを捲回して構成される光ファイバコイルをその回転運動の軸周りに互いに逆向きに伝播する光の位相差として検出する光ファイバジャイロスコープにおいて、光ファイバコイルは、光ファイバコイルを構成する光ファイバの全長の中心点を中心に対称巻きして構成した第1の光ファイバコイルと、直前の光ファイバコイルの両終端点からそれぞれ延伸する2本の光ファイバを対称巻きして構成した順次に後続する第nの光ファイバコイル(n:2以上の正の整数)とより成る連結された光ファイバコイルであることを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項2】 運動体の慣性空間に対する回転運動の角速度を、光ファイバを捲回して構成される光ファイバコイルをその回転運動の軸周りに互いに逆向きに伝播する光の位相差として検出する光ファイバジャイロスコープにおいて、2本の光ファイバを各別に準備してこれら光ファイバを互いに逆向きに巻き付けて対称巻きの光ファイバコイルを複数個構成し、これら光ファイバコイルを形成する巻き付けの向きを同じくする光ファイバコイルの端点同志を互いに融着接続して連結して構成したことを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項3】 請求項1および請求項2の内の何れかに記載される光ファイバジャイロスコープにおいて、入力角速度のセンシング軸と垂直な方向に細長く延伸した形状のケーシングに光ファイバコイルを収納したことを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
【請求項4】 請求項3に記載される光ファイバジャイロスコープにおいて、光ファイバコイルを断面楕円形に構成したことを特徴とする光ファイバジャイロスコープ。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、光ファイバジャイロスコープに関し、特に、光ファイバコイルが連結された複数の光ファイバコイルより成る光ファイバジャイロスコープに関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバジャイロスコープの従来例を図4を参照して説明する。図4において、光源1から放射された光は光ファイバカプラ2、偏光子3、光方向性結合器4を介してセンシングコイル6を構成する光ファイバ内に右回り光および左回り光として送り込まれる。この右回り光は、他方の端部17から、先ず位相変調器5において位相変調され、この位相変調された右回り光は順次に光方向性結合器4、偏光子3、光方向性結合器2を介して受光器7に到達する。左回り光も同様に、一方の端部16から先ず位相変調器5において位相変調され、この位相変調された左回り光は順次に光方向性結合器4、偏光子3、光方向性結合器2を介して受光器7に到達する。受光器7に到達した位相変調され光はここにおいて電気信号に光電変換される。受光器7において光電変換された電気信号は同期検波器8に入力される。同期検波器8においては、発振器9から供給される信号を参照信号として、光ファイバコイル6の中心軸回りの回転角速度に比例する角速度出力である基本波成分13を得ることができる。光ファイバジャイロは、上述した通り、光を光ファイバコイル6に一方の端部16および他方の端部17の双方から入射し、他方の端部17→一方の端部16および一方の端部16→他方の端部17という向きに伝播させ、時間差の生じた両光を干渉させてその光強度変化から入力角速度を測定する。
【0003】以上の光ファイバジャイロスコープの角速度の検出原理はサニャック効果である。サニャック効果は、角速度運動の軸に垂直な面積Sを囲むループ状光路である光ファイバコイル6の左右両回り光の伝播時間tが、角速度Ωに対して、△t=(4S/c2 )Ωの伝播時間差を生ずることを基本とする。ここで、cは光速度である。ループ状光路で干渉計を構成し、左右両回り光の伝播時間差△tを光位相差として検出する干渉計型の光ファイバジャイロスコープにおいては、この光ファイバコイル6を多重化して感度を増大することができる。即ち、N重のターンより成る光ファイバコイル6のサニャック効果は、△t=(4NS/c2 )Ωである。ここで、N重のターンより成る面積Sの光ファイバコイルに生ずる位相差は、△φ=(8πNS/cλ)Ωと表現される。但し、λは光波長である。
【0004】干渉計型の光ファイバジャイロスコープにおいては、先の光ファイバコイル6を2個以上連結し、感度係数をこれら光ファイバコイルの足し合わせたものとすることもできる。また、光ファイバコイルは、通常、面積Sを最も大きく取ることができる断面正円の形状とするのを基本とするが、必要に応じてこの形状を楕円その他の形状に構成することも行なわれる。この通りに、装備空間の条件に対応して光ファイバコイルを柔軟に設計することができることは、光ファイバジャイロスコープの利点の一つとされている。
【0005】以上の光ファイバジャイロスコープにおいては、サニャック効果の外に光ファイバコイル6の両回り光の伝播時間差を生ぜしめる原因が存在すると、これは角速度の測定誤差の発生につながる。基本的には、光ファイバコイル6の両回り光はコイルループ内の同一光路を互いに逆向きに伝播するのであるから、光路長差は存在しない筈のものであるが、熱の如き外乱がコイルループに局所的に印加されて当該外乱印加部分が時間的に物理変化すると、その部分の光学的光路長は当該部分を通過する両回り光のタイミング差に応じた変化を来す。その結果、干渉計を構成する両回り光に位相差を生成することとなる。機械的外乱によっても同様の結果を生ずる。これらの現象は、Shupe,D.M.;Thermally induced nonreciprocity in the fiberoptic interferometer,Appl.Opt.19,654.1980 において詳しく解析されており、光ファイバジャイロスコープにおける時間依存性外乱に起因する誤差(Shupe効果)として広く知られている。
【0006】このShupe効果に対する対策としては、Frigo,N.J.;Compensation of linearsources of non-reciprocity in Sagnac interferometer,SPIE 412,268,1983 に提案された光ファイバコイルの対称巻きの技術が採用されている。以下、光ファイバコイルの対称巻きを図1(a)に示される光ファイバの全長を参照して説明する。光ファイバコイルの局所的な温度変化をdT/dtとすると、dT/dtが光ファイバコイルの全長の中心点Cに存在しても、中心点Cと光ファイバコイルの両端点A3およびB3との間の長さは等しいところから当該中心点Cを通過する両回り光にタイミング差はないので両光間に位相差は発生しない。従って、測定誤差は生じない。
【0007】次に、光ファイバコイルの中心点Cに関して互いに対称な2点に互いに等しい温度変化dT/dtが存在する場合、この温度変化に起因して両回り光にもたらされる光路長の変化は同等であるから、やはり位相差は発生しない。従って、光ファイバコイルの全長に亘ってdT/dtが対称に分布しているので、左右両回り光間に位相差は発生せず、測定誤差は生じない。そこで、光ファイバコイルの中心点Cに関してdT/dtが略対称に分布する光ファイバコイルを製作することができれば、Shupe効果を低減することができることになる。
【0008】光ファイバコイルは、一般に、コイルとなるべき光ファイバの一方の端点A3側からボビンに接する最内層として巻き始め、他方の端点B3に向かって順次に外層へ巻き積んで行く。ここで、光ファイバをボビンに対して、コイルとなるべき光ファイバの端点A3或いはB3からからボビンに巻き始めることをせず、コイルとなるべき光ファイバの内の中心点Cに関して一方の側であるA側光ファイバを中心点Cからボビンに巻き付け始め、光ファイバコイルをボビンに1層を巻き終えたところで、次に、中心点Cに関して他方の側であるB側の光ファイバを先の1層に重ねて1層分巻き積む。このA側光ファイバおよびB側光ファイバの巻き付けを交互に繰返す。これにより、最内層から順に各層をABABAB・・・・・・と巻き積んだことになる。
【0009】以上の通りに巻き付けることにより、光ファイバのボビン回り1周分である1ターンを単位として、光ファイバコイルを構成する光ファイバの中心点Cに関して対称に位置するターン同志は互いに隣接して巻き付けられた光ファイバコイルを製造することができる。この場合、熱的および機械的な環境に係る外乱の印加は近似的に中心点Cに関して略対称に分布することとなり、理論上は両回り光にタイミング差はないので両光間に位相差は発生しない。
【0010】以上の例においては、光ファイバ全長の中心点Cに関して一方のA側を先に巻き、次いで他方のB側を巻いてABABAB・・・・・・なる巻き方をするので、B側は常により径が大きい外層側に巻かれることとなる。即ち、B側のターンが少しずつ長くなっており、この差が累積して最終的には巻きの対称性に大きな狂いが生ずる。そこで、これを補正するに、4層を1単位としてABBA・ABBA・ABBA・・・・・・の如く繰返して積層して行く4極巻線と呼ばれる巻き方が行われる。更により正確を期すために、8層を1単位としてABBABAAB・ABBABAAB・・・・・・の如く巻く8極巻線も行われる。
【0011】以上の通りの、光ファイバの対称部位を互いに隣接せしめて環境に係る条件を対称に分布させ、左右両光間に殆ど位相差の発生しない光ファイバコイルの巻き方を対称巻きと称している。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】ところで、干渉計型光ファイバジャイロスコープにおいて、入力角速度のセンシング軸と垂直な方向に細長く延伸した形状の空間に光ファイバコイルを収納してより感度の大きい光ファイバコイルを構成する場合に、複数個の光ファイバコイルを連結して実効的に大きな横断面積の光ファイバコイルを構成する。以下、これを図5を参照して説明する。
【0013】図5において、入力角速度のセンシング軸と垂直な方向に細長く延伸した形状の図5(a)に示される容積狭隘なケーシング60に、図5(b)に示される光ファイバコイル6を収納して光ファイバジャイロスコープを小型化する必要のある場合がある。この場合、狭隘なケーシング60に収納される構成部品である光ファイバコイル6も小型化する必要がある。細長いケーシング60の径を所定の径に設定し、これに図5(b)に示される断面円形の径の大きい光ファイバコイル6を収納しようとする場合、この光ファイバコイル6の形状を短い方の径をケーシング60の径に等しい断面楕円形に変形すれば収容することができる。しかし、光ファイバコイル6の断面形状を円形から楕円形に変形するということは、角速度運動の軸に垂直な光ファイバコイル6の囲む断面積Sを縮小することであり、面積Sに比例するサニャック効果の検出感度を低下することにつながる。
【0014】ここで、図5(c)および図5(d)を参照して説明するに、断面積Sを縮小化した断面楕円形光ファイバコイル6或いは小型光ファイバコイル6を複数個接続してこの感度低下を補償することができる。即ち、o印で示される点において直列接続された複数個の小型ファイバコイル6を断面積Sの1個の大きな光ファイバコイル6’であるものとすることができる。しかし、光ファイバコイル6を各別に構成しておいて、これら複数個を単に直列接続することのみに依っては、構成された大きな断面積Sの1個の光ファイバコイル6’の環境条件に係る上述した対称性は得られない。これを図5(b)を参照して説明するに、この3個の光ファイバコイル6を直列に接続して構成される光ファイバコイル6’の光ファイバの中心点Cは、中間に位置する光ファイバコイル62 の光ファイバの中心点Cである。一例として、右側に位置する光ファイバコイル61 の或る領域に局所的に温度変化dT/dtが生ずると、光ファイバコイル6’のコイル全長端点Aおよび端点Bとこの温度変動の領域との間の長さは大きく異なり、左右両回り光にタイミング差があるので両光間に位相差が発生するに到る。以上のことから、使用に耐える程度の耐環境性を示す高感度の光ファイバジャイロスコープを実現することはできなかった。
【0015】この発明は、複数個の光ファイバコイルを連結して構成した光ファイバコイルの何れの点についてみても、この点と両光ファイバコイル全長端点との間の長さの等しい光ファイバコイルを具備するShupe 効果の小さい上述の問題を解消した光ファイバジャイロスコープを提供するものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】請求項1:運動体の慣性空間に対する回転運動の角速度を、光ファイバを捲回して構成される光ファイバコイルをその回転運動の軸周りに互いに逆向きに伝播する光の位相差として検出する光ファイバジャイロスコープにおいて、光ファイバコイルは、光ファイバコイルを構成する光ファイバの全長の中心点Cを中心に対称巻きして構成した第1の光ファイバコイルと、直前の光ファイバコイルの両終端点からそれぞれ延伸する2本の光ファイバを対称巻きして構成した順次に後続する第nの光ファイバコイル(n:2以上の正の整数)とより成る連結された光ファイバコイルである光ファイバジャイロスコープを構成した。
【0017】そして、請求項2:運動体の慣性空間に対する回転運動の角速度を、光ファイバを捲回して構成される光ファイバコイルをその回転運動の軸周りに互いに逆向きに伝播する光の位相差として検出する光ファイバジャイロスコープにおいて、2本の光ファイバを各別に準備してこれら光ファイバを互いに逆向きに巻き付けて対称巻きの光ファイバコイル6を複数個構成し、これら光ファイバコイル6を形成する巻き付けの向きを同じくする光ファイバコイルの端点同志を互いに融着接続して連結して構成した光ファイバジャイロスコープを構成した。
【0018】ここで、請求項3:請求項1および請求項2の内の何れかに記載される光ファイバジャイロスコープにおいて、入力角速度のセンシング軸と垂直な方向に細長く延伸した形状のケーシング60に光ファイバコイル6を収納した光ファイバジャイロスコープを構成した。そして、請求項4:請求項3に記載される光ファイバジャイロスコープにおいて光ファイバコイル6を断面楕円形に構成した光ファイバジャイロスコープを構成した。
【0019】
【発明の実施の形態】先に説明した通り、複数個連結された光ファイバコイル全体の示すサニャック効果の感度係数は、構成する各光ファイバコイルが同一方向に巻き回されていてその軸が互いに平行に設置されている場合、実質的にこれらコイルの感度係数を相加した値に等しい。そして、複数個の光ファイバコイルを互に連結する場合、光ファイバコイル同志を連結する2本1組の光ファイバの長さも、連結された光ファイバコイルの対称性を確保する上において、正確に等しいことが望ましい。
【0020】この発明は、上述した光ファイバコイルの対称巻きの手法を採用して、連結される各光ファイバコイル自体の対称性を確保すると共に光ファイバコイル同志を連結する2本1組の光ファイバの長さも正確に等しくした、特に、容積の狭隘なケーシングに収容された小型の光ファイバコイルでありながら感度係数の大なる光ファイバコイルを構成する。即ち、光ファイバをその両端からそれぞれの予備巻線スプールに等長に巻取っておき、この2個の予備巻線スプールから、光ファイバを構成するボビンに、1層毎に交互に光ファイバを巻き付ける仕方により、対称性を確保した光ファイバコイルを容易に製造することができる。1個の光ファイバコイルを巻き終ったところで、この光ファイバコイルの両端点から等長の連結光ファイバ部を設定し、両連結光ファイバ部の端点から次の光ファイバコイルのボビンに、その互いに対称な位置から、2個の予備巻線スプールから1層毎に交互に光ファイバを巻き付ける。以上の複数個連結された光ファイバコイルは各光ファイバコイル内の何れの点或いは微小領域から連結された光ファイバコイルの両端点に到る長さは等しくなるところから、これを具備する光ファイバジャイロスコープはShupe 効果の小さいものとなる。
【0021】これまでの捲回工程を要約するに、先ず、第1の光ファイバコイル全長の中心点より左右対称巻きを実施する。この対称巻きは中心点からみて互いに対称な位置が極力隣接する巻き回されていると好適である。第2の光ファイバコイル以降についても同様である。そして、第1の光ファイバコイルの端点から、引き続きいて第2の光ファイバコイルを左右対称巻きする。また、第2の光ファイバコイルの端点から、引き続きいて第3の光ファイバコイルを左右対称巻きする。更に第4の光ファイバコイルから第nの光ファイバコイルまで、同様に左右対称巻きを繰り返す。
【0022】以上の通りにして、従来は実現が困難であった小型化、感度維持、湿度変化に起因する出力零点の誤差変動の低減された光ファイバジャイロスコープを提供することができる。先の捲回工程は1本の光ファイバの全長の中心点を境とする左右の光ファイバを互いに逆向きに巻き付けて対称巻きの光ファイバコイルを構成したが、各別の2本の光ファイバを準備してこれら光ファイバを互いに逆向きに巻き付けて対称巻きの光ファイバコイルを構成し、巻き付けの向きを同じくする光ファイバコイルの端点同志を互いに融着接続して連結した光ファイバコイルを構成することができる。
【0023】
【実施例】この発明の実施例を図1を参照して説明する。図1(a)は3個の小型光ファイバコイル6を連結した連結光ファイバコイル6’を構成する場合の光ファイバ全長における各光ファイバコイル6の巻線領域を示す図である。図1(b)は構成された小型光ファイバコイル6とその相互連結の状態を示す図である。図1(a)を参照するに、光ファイバの全長は、その端点Aおよび端点Bから中心点Cの近傍迄、それぞれの予備巻線スプールに等長に巻き取っておく。光ファイバ全長の中心点Cを図1(b)の第1の光ファイバコイル61 の中心点Cに位置決めした状態で、予備巻線スプールに巻き取られている光ファイバを2個の予備巻線スプールから巻き戻しながら、光ファイバを構成するボビンに、第1の光ファイバコイル61 巻線領域のA側およびB側を1層毎に交互に巻き付ける。第1の光ファイバコイル61 の1個が巻き終ったところで、この第1の光ファイバコイル61 の両端点Aおよび端点Bから等長の連結光ファイバ部を設定する。第1の光ファイバコイル61 の中心点Cと端点A1 の間の連結光ファイバ部と、第1の光ファイバコイル61 の中心点Cと点B1 の間の連結光ファイバ部の長さを等長にする。ここで、両連結光ファイバ部の端点A1およびB1から、第2の光ファイバコイル62 のボビンに、端点A1およびB1を点対称にして光ファイバのA側およびB側を1層毎に交互に巻き付ける。第3の光ファイバコイル63以降、同様にして巻き付け構成する。
【0024】以上の対称巻きは、ABABAB・・・・・・なる巻き方であったが、4層を1単位としてABBA・ABBA・ABBA・・・・・・の如く繰返して積層する4極対称巻きを採用し、8層を1単位としてABBABAAB・ABBABAAB・・・・・・の如く巻く8極対称巻きを採用することができる。ここで、2本の光ファイバを対称巻きして光ファイバコイルを各別に捲回して準備しておき、これら光ファイバコイルの端点相互間を融着接続して連結した光ファイバコイルを構成することができる。
【0025】図2を参照して4極対称巻きの実施例を説明する。図2は光ファイバコイルを軸方向に分断して半部分を示して説明する図である。中心点Cを起点にして、A側より1層→B側より1層→B側より1層→A側より1層の4層の組を1単位として繰り返す4極対称巻線のを示し、1個の光ファイバコイルにA側B側合計2m層を捲回している。図2(a)を参照するに、(イ)は光ファイバのA側およびB側を1単位の4層捲回したところを示している。(ロ)は引き続いて(m−1)単位まで4層捲きを実施し、第1の光ファイバコイル61 の1個を巻き終ったところを示す。
【0026】図2(b)を参照するに、巻き終った第1の光ファイバコイル61 から第2の光ファイバコイル62 の巻き付けに移行し、引き続いて第2の光ファイバコイル62 の巻き付けを開始し、光ファイバのA側およびB側を(m+1)層および(m+2)層の4層捲き1単位捲回したところを示す。図2(c)を参照するに、図2(b)に引き続いて、2m層まで4層捲きを実施し、第2の光ファイバコイル62 の1個を巻き終ったところを示す。以下、第3の光ファイバコイル63 以降の光ファイバコイルについても同様に引き続いて巻き付けを実施する。
【0027】図3を参照するに、入力角速度のセンシング軸と垂直な方向に細長く延伸した形状の容積狭隘なケーシング60に、光ファイバコイル6を3個収納して光ファイバコイル6を小型化することに対応している。この光ファイバコイル6の形状を断面楕円形に変形することによりケーシング60の径を更に小径とすることができる。先の捲回工程は図1(a)に示される1本の光ファイバの全長の中心点Cを境とするA側の光ファイバとB側の光ファイバを互いに逆向きに巻き付けて連結した対称巻きの光ファイバコイルを構成した。ここで、図3(c)を参照するに、A側の光ファイバとB側の光ファイバを各別に合計2本準備してこれら光ファイバを互いに逆向きに巻き付けて対称巻きの光ファイバコイル6を構成し、巻き付けの向きを同じくする光ファイバコイルの端点同志を互いに融着接続して連結した光ファイバコイルを構成することができる。なお、第1光ファイバコイル61はA側の光ファイバコイルの端点とB側の光ファイバの端点の対の一方は相互に融着接続しておく。o印は融着接続点である。
【0028】
【発明の効果】以上の通りであって、この発明による複数の光ファイバコイルを連結して構成した光ファイバコイルは、連結された光ファイバコイルのA側およびB側両最終端点から、連結された各光ファイバコイル内の何れの点或いは微小領域に到る長さをみても両者は等しい。従って、連結された光ファイバコイル内の何処の微小領域に生起したdT/dtの如き時間依存性物理変動、外乱も、光ファイバのA側およびB側について対称に分布していることとなるので、左右両回り光間に位相差は発生せず、測定誤差は生じない。これにより、Shupe効果を低減した小型化、感度維持、湿度変化に起因する出力零点の誤差変動の低減された光ファイバジャイロスコープを構成することができる。特に、容積の狭隘なケーシングに収容された小型の光ファイバコイルでありながらこれらを連結して感度係数の大なる光ファイバコイルを構成することができる。




 

 


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