JP2009122677A - ジョグゾーンのない光ファイバコイル - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバコイル組立体とそれを巻回する方法を提供すること。
【解決手段】光ファイバコイル組立体とそれを巻回する方法は、従来の光ファイバコイル組立体の中に見られコイルを脆弱にする傾向があるジョグゾーンを除去するように構成された光ファイバコイルを含む。光ファイバコイル組立体はコイルの少なくとも２つの層を含む。第１層は、第１回転方向に且つ第１直線方向に円筒状に巻回され、互いに実質的に平行に配置され且つ第１直線方向にわたって延在するコイル直径を含む。第１リード部分は、第１層の端部から、巻回された第１層によって画定された開口を通って延在する。第２層は、それが反対の回転方向に巻回されることを除いて第１層と同様な方法で形成される。第１または第２層の巻回工程にそれぞれ一致するさらなる層が含まれてもよい。
【選択図】図２

Description

従来、光ファイバジャイロスコープに使用される光ファイバコイルのための巻回工程は、いわゆる「ジョグ（ｊｏｇ）ゾーン」または「交差（ｃｒｏｓｓ−ｏｖｅｒ）ゾーン」領域を含んでおり、このゾーンは、ファイバが互いに平行に並べられるのではなく互いに交差する、巻回パターンの各層内の領域である。一般に、ジョグゾーンは巻回された光ファイバコイルの最も脆弱な領域であり、最も脆弱な領域とは、巻回された光ファイバコイルが機械的、熱的、光学的に弱いことを意味する。

光ファイバジャイロスコープに使用される光ファイバコイルのための１つのタイプの巻回工程は、米国特許第６００５６６５号（いわゆる‘６６５号特許）に説明されている。‘６６５号特許は、別段「ジョグゾーン」として知られる、改良された巻線移行区間を有する光ファイバジャイロスコープを説明している。改良されたジョグゾーンは、光ファイバコイル中のマイクロベンドおよびクロス結合による損失を低減する。損失の低減によって、光ファイバコイルの回転速度のより正確な測定が可能になり、一方、光ファイバジャイロスコープの中での誤った読み取り値の原因となり得る望ましくない位相ずれを最小化する。さらに、‘６６５号特許は、光ファイバコイルのジョグゾーンはコイルの全体の巻線のうちの５％〜１０％だけで構成されるべきであることを教示している。

光ファイバジャイロスコープは、航空機および宇宙機で使用されるものなど、特に航法システムの回転検出に使用される。光ファイバジャイロスコープは、それらが有する慣性回転速度の感知における高レベルの正確性と信頼性のために望ましいものである。

光ファイバジャイロスコープ技術は業界でよく知られている。光ファイバジャイロスコープの中では、レーザーまたは或る他の光源からの光が光ファイバカップラによって２つの別々のビームに分割され、次いで、光ファイバの多重に巻かれたコイルの２つの端部に結合される。光ファイバケーブルは市場で市販されている多くの標準型で構成されてもよい。２つのファイバ端部から出てくる光は光ファイバカップラによって結合され光検出器で検出される。

光ファイバジャイロスコープは、光ファイバケーブルのコイルを回って反対方向に伝播する光ビーム間で回転により誘起された位相ずれを検出することによって、回転速度を感知する。典型的には、反対方向に伝播するビーム間の位相差に対応して検出された信号は、何らかの形態の位相変調を受ける。光検出器は、変調された光ビームを光ファイバコイルの回転速度に対応した電気信号に変換する。信号は処理されて、発生した光ファイバのコイルの正確な回転速度に関する直接の表示を提供する。

光ファイバジャイロスコープの単なる物理的回転以外の物理的現象が、反対方向に伝播する光ビーム間の位相差の原因になることがある。最も一般的ないくつかの性能を制限する現象には、巻回されたコイル中のファイバ内のマイクロベンド、コイル中での光の偏光クロス結合、および最も著しくはコイルの巻回工程に帰因する不整合性が含まれる。

光ファイバコイル中の対称点と光ファイバコイルの中心軸との間のマイクロベンドまたは任意の非直交関係による損失は、外部の温度変動によって悪化する。温度勾配が光ファイバコイルの中を貫くと、温度の変化がファイバを形成している材料の屈折率変化を引き起こす。ファイバ屈折率の非対称的変化は、コイルを通過する光の回転ビームの時計回りと反時計回りの光路との間の位相ずれを引き起こす。また、コイル内での偏波状態のクロス結合が望ましくない位相ずれを引き起こすこともある。

さらに、コイルの巻回工程がより難しくなると、コイルを巻回するために使用される機械は、ファイバに過剰なストレスを加えずに正確な巻回パターンを自動的に製作し維持することがより困難になる。巻回の不十分なコイルは、上記で論じた損失および偏波クロス結合をもたらす恐れがある。これらの外部現象がジャイロスコープに持ち込まれると、望ましくない位相ずれまたは損失によって、光ファイバジャイロスコープは、回転速度の誤った読み取り値に変える誤った測定値を指示するようになる。

これらの損失および位相ずれの最大の誘因は、各ターンが次のターンまたは巻回に移行するコイル領域、すなわち上記で「ジョグゾーン」または「交差ゾーン」と呼んだ領域、で生じる。従来ではジョグゾーンの長さが最小になるように維持されてきた。
米国特許第６００５６６５号

本発明は、一般に、光ファイバコイルの巻回工程に一般的に伴うジョグまたは交差ゾーンを実質的に除去し、好適には完全に除去するように構成された光ファイバコイルの巻回パターンに関するものである。

本発明の１つの態様において、光ファイバコイル組立体は、第１回転方向に且つ第１直線方向に円筒状に巻回された連続的な光ファイバコイルの第１層であって、互いに実質的に平行に配置され且つ第１直線方向全体に実質的にわたって延在するコイル直径を有し、第１層の端部から延び、円筒状に巻回された第１層によって画定された円筒状の開口を通って戻る第１リード部分を有する第１層と、第２回転方向に且つ第１直線方向に円筒状に巻回された連続的な光ファイバコイルの第２層であって、互いに実質的に平行に配置され且つ第２直線方向全体に実質的にわたって延在し、さらに第１層の上に配置されたコイル直径を有し、第２層の端部から延び、円筒状に巻回された第１層によって画定された円筒状の開口を通って戻る第２リード部分を有する第２層と、を含む。

本発明の他の態様において、光ファイバコイル組立体を巻回するための方法は、第１層を構成するコイル直径が互いに実質的に平行に配置され且つ第１直線方向全体に実質的にわたって延在するように、連続的な光ファイバコイルの第１層を第１回転方向に且つ第１直線方向に円筒状に巻回するステップと、第１リード部分を第１層の端部から、円筒状に巻回された第１層によって画定された円筒状の開口を通って経路設定するステップと、第２層を構成するコイル直径が互いに実質的に平行に配置され且つ第１直線方向全体に実質的にわたって延在するように、連続的な光ファイバコイルの第２層を第２回転方向に且つ第１直線方向に円筒状に巻回するステップと、第２リード部分を第２層の端部から円筒状に巻回された第１層によって画定された円筒状の開口を通って経路設定するステップと、を含む。

本発明のさらなる他の態様において、光ファイバコイル組立体を有する光ファイバジャイロスコープは、第１層および第２層を有する光ファイバコイルと、第１回転方向に且つ第１直線方向に円筒状に巻回された第１層であって、互いに実質的に平行に配置され且つ第１直線方向全体に実質的にわたって延在するコイル直径を有し、第１層の端部から延び、円筒状に巻回された第１層によって画定された円筒状の開口を通って戻る第１リード部分を有する第１層と、第２回転方向に且つ第１直線方向に円筒状に巻回された第２層であって、互いに実質的に平行に配置され且つ第２直線方向全体に実質的にわたって延在し、さらに第１層の上に配置されたコイル直径を有し、第２層の端部から延び、円筒状に巻回された第１層によって画定された円筒状の開口を通って戻る第２リード部分を有する第２層と、を含む。

次に、本発明の好適な実施形態および代替の実施形態を以下の図面を参照してより詳細に説明する。

以下の説明では、本発明の様々な実施形態の完全な理解を提供するためにある特定の詳細を記載している。しかし、当業者は、本発明がこれらの詳細がなくても実施でき、またはこれらの詳細の様々な組合せを使用して実施できることを理解されよう。他の場合には、本発明の実施形態の不必要に曖昧な説明を避けるために、光ファイバジャイロスコープおよび光ファイバコイルに関連するよく知られた構成および方法は、光ファイバコイルに関連した巻回工程および方法を含めて、詳細に図示または説明しなくてよいであろう。

以下の説明は、全体として、光ファイバジャイロスコープのための「ジョグゾーン」のない光ファイバコイル、および、ジョグゾーンを除去するための光ファイバコイルの巻回方法を対象としている。本発明の少なくとも１つの態様の１つの目的は、巻回工程中の光ファイバコイルの部分の交差を除去することである。他の目的は、巻回される光ファイバコイルの全ての層で且つ円筒構造の端から端までにわたって、光ファイバコイルの連続的で並列な巻回を保証することである。上記の目的に照らして、光ファイバコイルを、例えば、エンドツーエンドパターン、四重パターン、八極パターンなどの所望のパターンを含むがこれらに限定されない多様な巻回パターンで巻回できる。有利には、ジョグゾーンのない光ファイバコイルを形成することによって、改良された機械的構造とより均一な熱特性とが保証され、光ファイバジャイロスコープに同様の、または向上した光学性能をもたらすことができる。

図１に、例示の実施形態による、スプールまたはマンドレル１０４の上に巻回された光ファイバコイル１０２を有する光ファイバコイル組立体１００を示す。１つの実施形態で、光ファイバコイル組立体１００は、光ファイバジャイロスコープなどの戦略的航法グレードのジャイロスコープに使用される。光ファイバコイル１０２は、「ジョグゾーン」または「交差領域」が少なくとも実質的に取り除かれるようにスプール１０４の上に巻回される。注意を喚起するならば、ジョグゾーンは上記の背景技術の項で説明しており、また、米国特許第６００５６６５号でも開示されている。光ファイバコイル１０２はスプール軸１０６の周りに巻回される。光ファイバコイル１０２の巻回工程およびジョグゾーンの除去について以下に詳細に説明する。

マンドレル１０４は、径方向に延在する側面フランジ１１０の間に延在する実質的に円筒状の本体１０８を含む。各フランジ１１０は、巻回工程中に光ファイバコイル１０２の部分を受け入れるためのフランジの切り欠き領域１１２を含む。１つの実施形態において、光ファイバコイル１０２が本体１０８の上に完全に巻回され、巻回された光ファイバコイル１０２が注入レジン材料で十分に封止され硬化された後で、マンドレル１０４を光ファイバコイル組立体１００から取り外すことができる。例として、マンドレル１０４は、例えばコイル１０２を溶融させない温度で溶融することができる融点を持った材料で作成することができる。

図２に、１つの層または段２０８の中の各コイルの直径２０６が断面図に見られるように隣接するコイルの直径２０６と実質的に平行になるようにスプールまたはマンドレル２０４の上に巻回された光ファイバコイル２０２を有する、他の光ファイバコイル組立体２００の断面図を示す。段２０８の数および特定の段のコイル直径２０６の数は、所望の巻回パターンのタイプに依存する。

巻回工程、および、したがってジョグゾーンの除去は、光ファイバコイル２０２を２つの独立したフィーダースプール（図示せず）から巻き取ることによって達成できる。光ファイバコイル２０２の中点２１０をマンドレル２０４の上に配置し、マンドレル２０４の円筒状本体２１２の上に近接させて配置した第１段または最初の段２０８ａを形成するために、コイル２０２を第１フィーダースプール（図示せず）から第１回転方向（例えば時計回り（ＣＷ）または反時計回り（ＣＣＷ））に且つ第１直線方向（例えば、左から右または右から左）に巻回する。例として、例示の実施形態におけるコイル２０２の巻回は、マンドレル２０４の左手側から始まり、したがって、コイル２０２は矢印２１４で示すように左から右に巻回される。したがって、巻回されたコイル２０２の直線方向２１４はマンドレル２０４の中心軸２１６に実質的に平行である。全てのコイル直径２０６が第１段２０８ａを形成するように配置されると、次いで、コイル２０２は、フランジの切り欠き領域１１２（図１）を通り、マンドレル２０４の中央の開口２１８を通って繰り出されまたは送られ、次に、第２段２０８ｂが形成されている間、静止して保持される。所望の巻線パターンにより決定できるファイバ間隔２２０の大きさは巻回工程の期間にわたって維持される。

第一段２０８ａが形成された後で、第２フィーダースプール（図示せず）が、コイル２０２を第一段２０８ａとは反対の回転方向にしかし同じ直線方向２１４に巻回する。好適には、第２段２０８ｂは、第１段２０８ａによって形成された溝の中に巻回される。第１段２０８ａと同様に、第２段２０８ｂは一方のフランジから反対側のフランジまでマンドレル２０４の円筒状本体２１２の端から端まで巻回される。分かりやすくするために、第１段２０８ａのコイル直径２０６は任意の断面パターンなしで示されており、一方、第２段２０８ｂのコイル直径２０６は網かけして示されている。上述したように、異なる断面パターンは、第１段２０８ａと第２段２０８ｂとが反対の回転方向に巻回されていることを表す。第２段２０８ｂの完了次第、コイル２０２はフランジの切り欠き領域１１２（図１）を通り、次にマンドレル２０４の中央の開口２１８を通って繰り出されまたは送られる。この時点で、第３段２０８ｃを第１段２０８ａと同様な方法で形成でき、次いで、第４段（図示せず）を第２段２０８ｂと同様な方法で形成でき、以下同様である。別な言い方をすれば、巻回される層２０８は、所望の数の層２０８に達するまで繰り返すことができる。コイル２０２の経路設定は、マンドレル２０４の少なくとも円筒状本体２１２を確実に取り外しできるように制御できる。有利には、得られる光ファイバ組立体２００はジョグゾーンのない光ファイバコイル２０２を含む。

本発明の好適な実施形態を例示し説明したが、上述したように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく多くの変更を行なうことができる。したがって、本発明の範囲は好適な実施形態の開示によっては制限されない。そうではなく、本発明は、以下に続く特許請求の範囲を参照することによって全体的に決定されるべきである。

本発明の例示の実施形態による、マンドレル上の巻回された光ファイバコイルを有する光ファイバコイル組立体の斜視図である。 本発明の例示の実施形態による、マンドレルの上に配置された複数層を備えた巻回された光ファイバコイルを有する他の光ファイバコイル組立体の断面図である。

１００ 光ファイバコイル組立体
１０２ 光ファイバコイル
１０４ スプールまたはマンドレル
１０６ スプール軸
１０８ スプール本体
１１０ 側面フランジ
１１２ フランジの切り欠き領域
２００ 他の光ファイバコイル組立体
２０２ 光ファイバコイル
２０４ スプールまたはマンドレル
２０６ コイル直径
２０８ 段
２０８ａ 第１段
２０８ｂ 第２段
２１０ 光ファイバコイル２０２の中点
２１２ マンドレル本体
２１４ 直線方向
２１６ マンドレルの中心軸
２１８ 中央の開口
２２０ ファイバ間隔

Claims (3)

1. 第１回転方向に且つ第１直線方向に円筒状に巻回された連続的な光ファイバコイルの第１層であって、互いに実質的に平行に配置され且つ前記第１直線方向全体に実質的にわたって延在するコイル直径を有し、第１層の端部から延び、円筒状に巻回された第１層によって画定された円筒状の開口を通って戻る第１リード部分を有する第１層と、
   第２回転方向に且つ前記第１直線方向に円筒状に巻回された連続的な光ファイバコイルの第２層であって、互いに実質的に平行に配置され且つ第２直線方向全体に実質的にわたって延在し、さらに前記第１層の上に配置されたコイル直径を有し、第２層の端部から延び、円筒状に巻回された層によって画定された円筒状の開口を通って戻る第２リード部分を有する第２層と
   を備えた光ファイバコイル組立体。
2. 光ファイバコイル組立体を巻回する方法であって、
   第１層を構成するコイル直径が互いに実質的に平行に配置され且つ第１直線方向全体に実質的にわたって延在するように、連続的な光ファイバコイルの前記第１層を第１回転方向に且つ前記第１直線方向に円筒状に巻回するステップと、
   前記光ファイバコイルの第１リード部分を、前記第１層の端部から、前記円筒状に巻回された第１層によって画定された円筒状の開口を通って経路設定するステップと、
   第２層を構成するコイル直径が互いに実質的に平行に配置され且つ前記第１直線方向全体に実質的にわたって延在するように、前記連続的な光ファイバコイルの前記第２層を第２回転方向に且つ前記第１直線方向に円筒状に巻回するステップと、
   前記光ファイバコイルの第２リード部分を、前記第２層の端部から、前記円筒状に巻回された第１層によって画定された前記円筒状の開口を通って経路設定するステップと、
   を含む方法。
3. 光ファイバコイル組立体を有する光ファイバジャイロスコープであって、
   第１層および第２層を有する光ファイバコイルと、
   第１回転方向に且つ第１直線方向に円筒状に巻回された前記第１層であって、互いに実質的に平行に配置され且つ前記第１直線方向全体に実質的にわたって延在するコイル直径を有し、前記第１層の端部から延び、前記円筒状に巻回された第１層によって画定された円筒状の開口を通って戻る第１リード部分を有する前記第１層と、
   第２回転方向に且つ前記第１直線方向に円筒状に巻回された前記第２層であって、互いに実質的に平行に配置され且つ第２直線方向全体に実質的にわたって延在し、さらに前記第１層の上に配置されたコイル直径を有し、前記第２層の端部から延び、前記円筒状に巻回された第１層によって画定された円筒状の開口を通って戻る第２リード部分を有する前記第２層と
   を備えたジャイロスコープ。

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