JP3002095B2 - Sensor coil for low bias fiber optic gyroscope - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバジャイロスコ
ープに関する。特に、本発明は、種々のバイアスエラー
の原因となる要因に取り組み、動的熱及び振動環境に対
するジャイロバイアス感度を最小にする、改良されたセ
ンサコイルデザインに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fiber optic gyroscope. In particular, the present invention relates to an improved sensor coil design that addresses various bias error sources and minimizes gyro bias sensitivity to dynamic thermal and oscillating environments.

【０００２】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】光ファ
イバジャイロスコープは以下の主要構成要素からなる。
すなわち、（１）光源と、（２）ビームスプリッタ（光
ファイバ方向結合器または集積光学Ｙ分岐のどちらか）
と、（３）光ファイバコイルと、（４）偏光器（及び時
には１つ以上の偏光消滅器）と、（５）検出器である。
光源からの光は、ビームスプリッタによって、検知コイ
ルを伝わる互いに逆方向に伝播する波に分離される。関
連エレクトロニクスは、コイルの両端から出る、２つの
干渉する逆伝播光ビームの間の位相関係を測定する。２
つのビームで生じる位相シフトの差は、計器が固定され
る台の回転速度の基準を提供する。環境要因は、互いに
反対方向に伝播するビーム間で測定された位相シフト差
に影響を与え、それによりバイアスまたはエラーを持ち
込むことがある。前記環境要因は、温度、振動（音響的
なものや機械的なもの）及び磁界のような変量を含む。
前記要因は時間と共に変化し、またコイルのいたるとこ
ろに一様でなく分布される。これらの環境要因は、各々
の逆伝播波がコイル中を進むにしたがって遭遇する、光
学的な光路の変化を引き起こす。前記２つの波により引
き起こされる位相シフトは等しくなく、回転誘導信号か
ら区別がつかない、正味の好ましくない位相シフトを生
じる。BACKGROUND OF THE INVENTION A fiber optic gyroscope comprises the following main components.
(1) light source and (2) beam splitter (either optical fiber directional coupler or integrated optical Y-branch)
(3) fiber optic coils, (4) polarizers (and sometimes one or more depolarizers), and (5) detectors.
Light from the light source is split by the beam splitter into oppositely propagating waves traveling through the sensing coil. Associated electronics measure the phase relationship between two interfering counter-propagating light beams emanating from both ends of the coil. 2
The difference in phase shift that occurs between the two beams provides a measure of the rotational speed of the stage on which the instrument is fixed. Environmental factors can affect the measured phase shift difference between beams propagating in opposite directions, thereby introducing bias or error. The environmental factors include variables such as temperature, vibration (acoustic and mechanical) and magnetic fields.
The factors change over time and are unevenly distributed throughout the coil. These environmental factors cause the optical path changes that are encountered as each counterpropagating wave travels through the coil. The phase shifts caused by the two waves are unequal, resulting in a net undesirable phase shift indistinguishable from the rotation induction signal.

【０００３】環境要因から生じる感度の減少を達成する
ための１つのアプローチは、種々の対称型コイル巻線形
態の使用を必要とした。前記コイルにおいては、巻線
は、該コイルの構造上の中心が最内層に位置すると同時
に該コイルの２つの端部が最外層に位置するように整え
られる。エヌ・フリゴ(N.Frigo) は、“Compensation o
f Linear Sources of Non-reciprocity in Sagnac Inte
rferometers ”, Fiber Optics and Laser SensorsＩ,P
roc. SPIE Vol.412, p.268 (1989)において、非相反性
を補償するための特定の巻線パターンの使用を提唱し
た。さらに、“光ファイバ検知コイル”と題するベドナ
ルツ(Bednarz) の米国特許第4,793,708 号は、２極また
は４極巻線によって形成された対称型光ファイバ検知コ
イルを教示している。前者の特許に開示されたコイル
は、従来のらせん型巻線に勝る高められた性能を示して
いる。[0003] One approach to achieving reduced sensitivity arising from environmental factors has involved the use of various symmetric coil winding configurations. In said coil, the windings are arranged such that the structural center of the coil is located on the innermost layer and the two ends of the coil are located on the outermost layer. N. Frigo said, “Compensation o
f Linear Sources of Non-reciprocity in Sagnac Inte
rferometers ”, Fiber Optics and Laser Sensors I , P
roc. SPIE Vol. 412, p. 268 (1989) proposed the use of specific winding patterns to compensate for non-reciprocity. Further, Bednarz, U.S. Pat. No. 4,793,708, entitled "Optical Fiber Sensing Coil", teaches a symmetric optical fiber sensing coil formed by a two or four pole winding. The coil disclosed in the former patent shows enhanced performance over conventional helical windings.

【０００４】“４極巻線型光ファイバ検知コイル及びそ
の製造方法”と題するイバンセビク(Ivancevic) の米国
特許第4,856,900 号は、端部フランジに隣接するポップ
アップファイバセグメントの存在に起因するファイバ締
付と微小屈曲が、前記ポップアップセグメントを、接続
層間を上っていく同心的に巻かれるターン壁と置き換え
ることにより克服される、改良された４極巻線型コイル
を教示している。上述した両米国特許はここにおける譲
受人の所有権である。適切なコイル巻線技術は、光ファ
イバジャイロの出力中に見出されるバイアスエラーの一
部を最小にするが、前記バイアスの全部をなくすことが
できない。特に、ジャイロセンサコイルのデザインは、
ジャイロのランダムな歩み、バイアス安定性、温度感
度、バイアス温度勾配感度、バイアス振動感度、バイア
ス磁気感度、スケールファクタ温度感度、スケールファ
クタ直線性、及び入力軸温度感度に強い影響を与え得
る。U.S. Pat. No. 4,856,900 to Ivancevic, entitled "Four-Polar Wound Fiber Optic Sensing Coil and Method of Making It," discloses fiber crimping and microfabrication due to the presence of a pop-up fiber segment adjacent an end flange. Bending is overcome by replacing the pop-up segment with a concentrically wound turn wall ascending between connecting layers, teaching an improved four-pole wound coil. The aforementioned two U.S. patents are the property of the assignee herein. Proper coil winding techniques minimize some of the bias errors found in the output of the fiber optic gyro, but do not eliminate all of the bias. In particular, the design of the gyro sensor coil
Gyro random steps, bias stability, temperature sensitivity, bias temperature gradient sensitivity, bias vibration sensitivity, bias magnetic sensitivity, scale factor temperature sensitivity, scale factor linearity, and input shaft temperature sensitivity can be strongly affected.

【０００５】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、従来技術の前
記及び追加の欠点及び不具合に取り組み、光ファイバジ
ャイロスコープ用センサコイルを提供する。このような
コイルは光ファイバを含む。このファイバは、複数の同
心的な円筒形の層に整えられる。各層はファイバの複数
のターンからなり、各ターンは予め決められた巻線パタ
ーンに整えられる。前記ターンは、予め決められた組成
のポット化材料でカプセル化される。本発明の上記及び
他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明からさらに明ら
かになるだろう。前記の説明は一組の図面を伴う。図面
中の数字は、説明文の数字に対応して本発明の種々の特
徴を指し、同じ数字はあまねく同じ特徴を指している。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention addresses the above and additional disadvantages and disadvantages of the prior art and provides a sensor coil for a fiber optic gyroscope. Such coils include optical fibers. The fiber is arranged in a plurality of concentric cylindrical layers. Each layer consists of a plurality of turns of the fiber, each turn being arranged in a predetermined winding pattern. The turns are encapsulated with a potting material of a predetermined composition. The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description. The foregoing description is accompanied by a set of drawings. The numbers in the figures refer to various features of the invention corresponding to the numbers in the description and the same numbers generally refer to the same features.

【０００６】[0006]

【実施例】図面を参照すると、図１は本発明によるセン
サコイル１０の斜視図である。前述のように、センサコ
イル１０は光ファイバジャイロスコープシステムの重要
な素子を提供する。使用時、センサコイル１０は回転速
度が測定されるべき台に固定される。センサコイル１０
は本発明によるコイルの特定の例である。センサコイル
１０は、支持スプール１４に巻かれる光ファイバ１２か
らなり、共通の光源（図示しない）から発せられる互い
に逆方向に伝播するビーム対を受ける光ガイドとして役
立つ。図１の支持スプール１２はフランジが見える。し
かしながら、フランジの存在は本発明では要求されな
い。Referring to the drawings, FIG. 1 is a perspective view of a sensor coil 10 according to the present invention. As mentioned above, the sensor coil 10 provides an important element of a fiber optic gyroscope system. In use, the sensor coil 10 is fixed to a table whose rotational speed is to be measured. Sensor coil 10
Is a specific example of a coil according to the invention. The sensor coil 10 comprises an optical fiber 12 wound on a support spool 14 and serves as a light guide for receiving oppositely propagating pairs of beams emanating from a common light source (not shown). The flange is visible on the support spool 12 of FIG. However, the presence of the flange is not required by the present invention.

【０００７】図２は、図１の線２−２でとられた、コイ
ル１０すなわち本発明によるセンサコイルの特定の例の
断面図である。図に見られるように、円盤状支持部材１
６がスプール１４内に圧入されている。支持部材１６
は、センサコイル１０を台に固定する締め金具を入れる
中心孔１８を有する。環状段部２０がスプール１４の内
側表面に形成され、支持部材の位置を維持するための当
接部として作用する。回転速度センサ用の従来のアルミ
ニウム等からなるスプールと対照的に、スプール１４
（支持部材１６を含む）はカーボン混合材料または同様
の加工熱特性を有する他の材料で作られている。前記材
料は、商標“Ｐ−２５”、“Ｐ−５５”または“Ｐ−１
０５”等の下にアモコ社(Amoco Corporation) のような
供給元から市販されているもののような織カーボンファ
イバを含む。スプール１４は、例えばフェノール材料か
らなる接合基質により多数のファイバ層チューブまたは
シートに作られたファイバで形成される。スプール１４
は、例えばそれらからの一部の切断を含む多くの既知の
加工方法によって前記チューブまたはシートから形成し
ても良い。かけがえとして、織ファイバは、予め決めら
れた方向とある色合い及びそれのまわりの接合材料の色
合いのついた形状に整えることができる。他の方法は、
切り刻んだファイバが移送成形材料に混合され、移送型
枠に移送または圧入される移送成形を用いる。ファイバ
は、好適には、接合基質材料内で直角に方向づけられ、
スプールの回転軸２２に対して長手方向かつ円周方向に
アライメントされる。ファイバをそのように整えること
により、スプール１４は、温度に従って長手方向かつ半
径方向に対称的に膨張するだろう。FIG. 2 is a cross-sectional view of the coil 10, a particular example of a sensor coil according to the present invention, taken along line 2-2 in FIG. As can be seen, the disc-shaped support member 1
6 is press-fitted into the spool 14. Support member 16
Has a central hole 18 for receiving a fastener for fixing the sensor coil 10 to the base. An annular step 20 is formed on the inner surface of spool 14 and acts as an abutment for maintaining the position of the support member. In contrast to a conventional spool made of aluminum or the like for a rotational speed sensor, the spool 14
The support member 16 (including the support member 16) is made of a carbon mixed material or another material having similar processing heat characteristics. Said material is available under the trademark "P-25", "P-55" or "P-1".
05 "and the like, including woven carbon fibers such as those commercially available from sources such as Amoco Corporation. The spool 14 may be a multi-fiber tube or sheet made of a bonded substrate made of, for example, a phenolic material. Spool 14
May be formed from the tube or sheet by any number of known processing methods, including, for example, cutting portions therefrom. Alternatively, the woven fiber can be arranged in a predetermined direction and shade with the shade of the bonding material around it. Another way is
Transfer molding is used in which chopped fibers are mixed with a transfer molding material and transferred or pressed into a transfer mold. The fibers are preferably oriented at right angles within the bonding matrix material,
It is aligned longitudinally and circumferentially with respect to the rotational axis 22 of the spool. By so arranging the fibers, the spool 14 will expand symmetrically longitudinally and radially with temperature.

【０００８】発明者は、光ファイバジャイロスコープの
バイアス非相反性の理論的モデルを明らかにした。特
に、発明者は、動的熱環境におけるジャイロバイアスエ
ラーが熱応力に起因し得ることを見出した。この効果
は、"Thermally Induced Non-Reciprocity in the Fibe
r Optic Interferometer", D.M.Shupe, Applied Optic
s,Vol. 19, p.654(1980)に発表されている標準的な温度
シュープ効果と極めて類似している。この熱応力誘導バ
イアスエラーの駆動源の１つは、ガラス光ファイバと金
属製スプール間に存在する熱的不整合である。すなわ
ち、前記バイアスエラーは、部分的に、金属製スプール
の熱膨張（大きいほうの膨張）とガラス光ファイバの熱
膨張（小さいほうの膨張）の不整合によりコイル巻線に
加えられる熱応力から生じる。他の駆動源は、（下記に
説明される）コイルポット化材料の膨張／収縮による熱
応力である。標準的な温度−シュープ効果と熱応力で引
き起こされるシュープ効果の違いは、コイルが定常温度
勾配にさらされている時に明らかに顕著になる。標準的
なシュープ効果によるバイアスエラーは、温度勾配が時
間と共に一定になりしだいなくなるが、熱応力効果によ
るバイアスエラーは、コイルの温度が変化している間は
ゼロにならず、その効果は、温度勾配が定常状態に達し
た後までも残る。これらの効果を対比すると、標準的な
シュープ効果は、主に、コイルを横切る温度勾配の変化
率の関数になるが、熱応力で引き起こされるシュープ効
果は、主に、コイルの平均温度の変化率の関数となる。The inventor of the present invention has proposed an optical fiber gyroscope.
A theoretical model of bias nonreciprocity was revealed. Special
In addition, the inventor has found that gyro bias energy in a dynamic thermal environment
Have been found to be due to thermal stress. This effect
"Thermally Induced Non-Reciprocity in the Fibe
r Optic Interferometer ", D.M.Shupe,Applied Optic
s, Vol. 19, p. 654 (1980)
Very similar to the soup effect. This thermal stress induction bar
One of the driving sources for ias error is glass optical fiber and gold.
Thermal mismatch between metal spools. Sand
The bias error is partially caused by a metal spool.
Thermal expansion (larger expansion) and heat of glass optical fiber
Expansion mismatch (smaller expansion)
Resulting from the applied thermal stress. Other drive sources (see below
Explained) Heat from expansion / contraction of coil potted material
Stress. Standard temperature--pulled by Schoop effect and thermal stress
The difference in the induced Shuep effect is that the coil
It is clearly noticeable when exposed to gradients. Standard
Bias error due to the strong Schoop effect
It gradually becomes constant with time, but due to the thermal stress effect.
Bias error will occur while the coil temperature is changing.
Instead of zero, the effect is that the temperature gradient reaches a steady state
It remains even after When comparing these effects, the standard
The soup effect is mainly due to the change in temperature gradient across the coil.
Rate function, but the shoop effect caused by thermal stress
The result is primarily a function of the rate of change of the average coil temperature.

【０００９】本発明では、スプール１４のカーボン混合
材料の注意深い選択の結果として、その熱膨張係数をガ
ラス光ファイバ１２の巻線の熱膨張係数と厳密に整合さ
せることにより、光ファイバの熱応力を最小にすること
ができる。これは、光ファイバが従来アルミニウム製ス
プールに巻かれていた先行技術によるセンサコイルのデ
ザインと対照的である。下記に説明されるように、コイ
ルポット化材料の注意深い選択も同様に光ファイバの熱
応力を減らすことができる。In the present invention, as a result of the careful selection of the carbon-mixed material of the spool 14, the thermal stress of the optical fiber is reduced by closely matching its coefficient of thermal expansion with that of the windings of the glass optical fiber 12. Can be minimized. This is in contrast to prior art sensor coil designs where the optical fiber was conventionally wound on an aluminum spool. As explained below, careful selection of the coil potting material can also reduce the thermal stress of the optical fiber.

【００１０】図３は、従来技術によって作られたコイル
に関する温度変化率（温度時間導関数）対ジャイロバイ
アスエラーのグラフである。データはインチ厚のアルミ
ニウムで作られたセンサコイルから取られた。約２００
ｍの１８５ミクロン幅の光ファイバがそれの上に対称的
パターンに巻かれた。発明者が明らかにしたモデルで予
言したように、シュープ効果バイアスは温度時間導関数
に対して主に直線的になっている。この曲線の勾配は発
明者により“シュープ係数”と呼ばれ、温度勾配に対す
るコイル及びジャイロバイアス感度の直線的示度にな
る。従来技術によって作られたコイルのシュープ係数
は、図３では０．２２（度／時間）／（℃／時間）と大
きくなっている。アルミニウム製スプールに巻かれた多
数のコイルは０．１と０．４の間のシュープ係数を有す
ることが測定された。対照的に、カーボン組成スプール
に巻かれたポット化コイルは、シュープ係数の相当な減
少を示している。図４は、本発明によって作られたコイ
ルに関する温度変化率対ジャイロバイアスエラーのグラ
フである。このデータは、カーボン組成スプールに巻か
れ、ＵＶ硬化接着剤でポット化された１６５ミクロンフ
ァイバからなる長さ約２００ｍのセンサコイルから取ら
れた。このコイルのシュープ係数は従来技術のコイルの
係数より次数が約１低い大きさになっている。FIG. 3 is a graph of gyro bias error versus rate of temperature change (temperature-time derivative) for a coil made according to the prior art. Data was taken from sensor coils made of inch-thick aluminum. About 200
m 185 micron wide optical fiber was wound thereon in a symmetrical pattern. As predicted by the model revealed by the inventors, the Schoop effect bias is primarily linear with respect to the temperature-time derivative. The slope of this curve is referred to by the inventor as the "Shoop coefficient" and is a linear reading of the coil and gyro bias sensitivity to the temperature gradient. The Schoop coefficient of the coil made by the conventional technique is as large as 0.22 (degrees / hour) / (° C./hour) in FIG. A number of coils wound on an aluminum spool were measured to have a Schoop coefficient between 0.1 and 0.4. In contrast, potted coils wound on carbon composition spools show a significant decrease in the Schoop coefficient. FIG. 4 is a graph of temperature change rate versus gyro bias error for a coil made in accordance with the present invention. This data was taken from an approximately 200 m long sensor coil consisting of 165 micron fiber wound on a carbon composition spool and potted with UV curable adhesive. The Schoop coefficient of this coil is approximately one order lower than the coefficient of the prior art coil.

【００１１】発明者のモデルで予言された温度変化率に
対するバイアスの直線的な依存性に加えて、発明者は、
従来技術によって作られたコイルでは相当な二次効果も
観測することができ、この二次効果は温度変化の関数で
あることを経験的に見出した。図５は、時間対光ファイ
バジャイロスコープの出力バイアスと、時間対ジャイロ
スコープ温度のグラフを示す。これらの２つのグラフ
は、ジャイロスコープの出力バイアスと温度の関係を示
している。これらのデータは従来技術によって０．０６
インチ厚のアルミニウムで作られたスプールを有するセ
ンサコイルから取られた。約１０００ｍの１８５ミクロ
ンファイバがその上に対称的パターンに巻かれた。コイ
ル温度の変化（すなわち温度特性）は曲線２４で示され
る。実線すなわち曲線２２は温度特性の時間導関数のプ
ロットである。このグラフからわかるように、領域２６
及び２８では、温度変化率に対するバイアスの直線的な
依存性からのかなりの離脱が測定された。発明者は、こ
れらのかなりの離脱は二次的な熱応力で引き起こされる
シュープ効果に起因するものと考える。本発明によって
作られたコイルでは、温度時間導関数はさほど観測され
なかった。本発明の他の特徴はさらなるバイアス源に取
り組んでいる。図６は、ジャイロの光ガイドを形成する
光ファイバ１２の層状巻線の代表的な部分の拡大断面図
である。In addition to the linear dependence of the bias on the rate of temperature change predicted in our model, we have:
Significant secondary effects can also be observed with coils made according to the prior art, and it has been empirically found that this secondary effect is a function of temperature change. FIG. 5 shows a graph of time versus output bias of a fiber optic gyroscope and time versus gyroscope temperature. These two graphs show the relationship between gyroscope output bias and temperature. These data are 0.06
Taken from a sensor coil with a spool made of inch thick aluminum. Approximately 1000 m of 185 micron fiber was wound thereon in a symmetric pattern. The change in coil temperature (ie, temperature characteristic) is shown by curve 24. The solid line or curve 22 is a plot of the time derivative of the temperature characteristic. As can be seen from this graph, region 26
And 28, a significant departure from the linear dependence of the bias on the rate of temperature change was measured. The inventor believes that these significant departures are due to the secondary thermal stress induced shoop effect. In the coils made according to the present invention, less temperature time derivative was observed. Other aspects of the invention address additional sources of bias. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a typical portion of the layered winding of the optical fiber 12 forming the gyro light guide.

【００１２】図６に見られるように、光ファイバ１２の
巻線は接着剤３０の基質内にポット化されている。一般
に、前記接着剤３０の存在はジャイロについて多くの有
用な利点を提供する。これらはコイル巻線の精密度の促
進を含む。すなわち、ポット化接着剤３０は１層ずつ注
いで硬化させることができ、その結果後続の層の巻線に
対して平坦な表面が提供されるだろう。このような巻線
状況は、“不足ターン”のような巻線欠陥の存在をでき
るだけ少なくするファイバ間の間隔、層あたりのターン
数及びコイルあたりの層数のような必須要因を含む、結
果的に生じるコイル構造の制御を増強する。ターンすな
わち巻線がポット化接着剤の基質に埋め込まれたコイル
を作るために、種々の製造方法を用いることができる。
前記の方法は、例えば、注射器型ディスペンサによる接
着剤の注入及び硬化を含む。前記の方法は、平坦な表面
が後続の層の巻線に提供されることを保証する。急速に
硬化させることが可能なＵＶ硬化接着剤が前記の方法に
最適である。As seen in FIG. 6, the windings of optical fiber 12 are potted within a substrate of adhesive 30. In general, the presence of the adhesive 30 offers many useful advantages for gyros. These include enhancing the precision of the coil windings. That is, the potted adhesive 30 can be poured and cured one layer at a time, which will provide a flat surface for the windings of subsequent layers. Such winding situations can result in essential factors such as spacing between fibers, turns per layer and layers per coil that minimize the presence of winding defects such as "missing turns". Control of the coil structure that occurs in A variety of manufacturing methods can be used to make coils in which the turns or windings are embedded in a potted adhesive matrix.
Such methods include, for example, injecting and curing the adhesive with a syringe-type dispenser. The above method ensures that a flat surface is provided on the windings of subsequent layers. UV-curable adhesives that can be rapidly cured are best suited for the method.

【００１３】他の製造方法は、乾式コイル巻線に後工程
で粘着性が非常に低い接着剤を真空注入することを含
む。他の湿式巻線技術は、コイルを巻きながら注入され
る熱硬化接着剤を用いる。この接着剤は巻いている間は
（液状で）硬化しないままになっている。そして、完成
した（巻き終わった）コイルは熱硬化される。コイルの
ポット化は上記に確認した利点を提供することがわかっ
ているが、発明者は、ポット化材料基質のデザインと用
いられるポット化接着剤のタイプを上手に使ってジャイ
ロの性能をかなり向上させることができることを見出し
た。特に、下記に論証するように、コイルをカプセル化
するポット化接着剤３０を注意深く選択すれば、振動で
引き起こされるバイアスエラーに対するセンサコイル１
０の感度をかなり減らすことができる。Another manufacturing method involves vacuum injecting a very low tack adhesive into the dry coil winding in a later step. Another wet winding technique uses a thermoset adhesive that is injected while winding the coil. The adhesive remains uncured (in liquid form) during winding. Then, the completed (finished) coil is thermoset. While coil potting has been found to provide the above-identified benefits, the inventor has used the potting material substrate design and the type of potting adhesive used to significantly improve the performance of the gyro. I found that I can do that. In particular, as will be demonstrated below, the careful selection of the potted adhesive 30 encapsulating the coil allows the sensor coil 1 to be sensitive to vibration-induced bias errors.
The sensitivity of 0 can be significantly reduced.

【００１４】発明者は、ポット化されたセンサコイルの
ジャイロ振動感度はポット化接着剤の注意深い選択によ
り最小にすることができることを見出した。ポット化さ
れたセンサコイルの振動感度は、回転速度信号から区別
できない非相反性位相エラーを出力中に持ち込むコイル
内の過程から生じる。バイアス振動感度は、偏光弾性効
果による振動動的歪みによりほぼもたらされるファイバ
長及び屈折率の変化から次々に生じる、互いに逆方向に
伝播する波の非相反性位相シフトによって引き起こされ
る。このバイアスエラーは、性質が前述のシュープバイ
アスエラーと類似しており、主な相違点は、環境外乱が
温度変化よりむしろ振動歪みであることである。共振周
波数が計器性能帯域幅から非常にはずれ（かつノイズフ
ァクタが無視でき）る場合、正弦波的な振動掃引に対す
るジャイロ出力のオープンループ応答は振動周波数の一
次関数になることが実験的に観測された。The inventor has found that the gyro vibration sensitivity of the potted sensor coil can be minimized by careful selection of the potted adhesive. The vibration sensitivity of the potted sensor coil results from processes in the coil that introduce non-reciprocal phase errors in the output that are indistinguishable from the rotational speed signal. Bias vibration sensitivity is caused by non-reciprocal phase shifts of waves propagating in opposite directions, one after the other, resulting from changes in fiber length and refractive index, which are approximately caused by vibrational dynamic strain due to polarization elasticity effects. This bias error is similar in nature to the previously described sweep bias error, the main difference being that the environmental disturbance is a vibration distortion rather than a temperature change. It has been experimentally observed that the open-loop response of the gyro output to a sinusoidal vibration sweep is a linear function of the vibration frequency when the resonance frequency deviates significantly from the instrument performance bandwidth (and the noise factor is negligible). Was.

【００１５】これは、振動方向がコイル入力軸に対して
平行（軸方向振動）かまたは垂直（横方向振動）のどち
らかの場合確かなことである。発明者は、光ファイバジ
ャイロバイアス振動感度は振動周波数の一次関数である
ことを見出した。さらに、発明者は、横方向振動の下で
は、ジャイロ出力は、ほぼ正弦波の（すなわちアジマス
角のＳＩＮのように変化する）アジマス依存性を示すこ
とを見出した。振動依存の結果は重大である。たとえ
“ＤＣ整流化”と呼ばれる直流のＤＣバイアス効果が観
測されなくても、電子的な構成要素の飽和が、クローズ
ドループエレクトロニクスにおいて一定の振動周波数の
回転速度が観測されないようにすることがある。これは
明らかなＤＣ整流化と明示できる。また、角速度ノイズ
はシテムレベルの疑似円錐化ばかりでなく振動からも生
じ得る。発明者は、上述の振動関連問題は、ファイバ巻
線で経験される振動動的応力が最小になるようにポット
化接着剤からなる基質とファイバ巻線を整えることによ
り最小にするかまたはなくすことができることを見出し
た。ファイバコアにおける高い応力と歪みは動的増幅に
より生じる。発明者は、さらに、この有害な動的増幅効
果は不十分な弾性硬度のポット化接着剤の使用にまでた
どることができることを見出した。This is true when the vibration direction is either parallel (axial vibration) or perpendicular (lateral vibration) to the coil input shaft. The inventor has found that the optical fiber gyro bias vibration sensitivity is a linear function of the vibration frequency. In addition, the inventor has found that under lateral vibration, the gyro output exhibits an approximately sinusoidal (i.e., varying like azimuth angle SIN) azimuth dependence. The consequences of vibration dependence are significant. Even though the direct current DC bias effect referred to as "DC rectification" is not observed, the saturation of the electronic components may prevent the constant oscillation frequency rotational speed from being observed in closed loop electronics. This can be manifested as clear DC rectification. Angular velocity noise can also result from vibration as well as pseudo-cone at the system level. The inventor has determined that the vibration related problems described above can be minimized or eliminated by trimming the fiber winding with the substrate of potted adhesive so that the vibrational dynamic stresses experienced in the fiber winding are minimized. I found that I can do it. High stresses and strains in the fiber core are caused by dynamic amplification. The inventors have further found that this detrimental dynamic amplification effect can be traced to the use of potted adhesives of insufficient elastic hardness.

【００１６】したがって、本発明は、第一に、スプー
ル、巻線、粘性のポット化媒体及びコイル取付台を含む
動的システムのデザインがジャイロの動作帯域幅外の固
有共振周波数を持っているという条件によって、振動で
引き起こされるバイアスエラーの問題に取り組む。第二
に、振動誘導バイアスの効果は、ファイバの振動応力及
び歪みを減らすためにファイバで動的負荷を相当分担す
ることができるポット化材料の使用により減らすことも
できる。発明者は、振動誘導バイアスエラーは、比較的
高いヤング率を有するポット化接着剤（すなわち“硬
い”材料）を用いることにより減らすことができること
を見出した。図７は、２つのポット化されたセンサコイ
ルに関する振動誘導ＡＣバイアス振幅と軸方向振動周波
数の関係のグラフである。このグラフにおいて、曲線３
０は、３００ｐ．ｓ．ｉ．以下のヤング率で特徴づけら
れる接着剤でポット化されたファイバ巻線を有するセン
サコイルを用いるジャイロによるデータ出力中のバイア
スエラーの関係を示す。図に見られるように、軸方向振
動周波数とＡＣバイアス効果の関係は、振動周波数が０
乃至１０００Ｈｚまで掃引した時、実質的に直線状にな
って１０．０度／秒に達している。Thus, the present invention firstly states that the design of the dynamic system, including the spool, windings, viscous potting media and coil mount, has a natural resonant frequency outside the gyro operating bandwidth. The conditions address the problem of bias errors caused by vibration. Second, the effects of vibration induced bias can also be reduced by the use of potted materials that can significantly share the dynamic load on the fiber to reduce the fiber's vibrational stress and strain. The inventors have found that vibration-induced bias errors can be reduced by using a potted adhesive having a relatively high Young's modulus (ie, a "hard" material). FIG. 7 is a graph of the relationship between vibration induced AC bias amplitude and axial vibration frequency for two potted sensor coils. In this graph, curve 3
0 is 300 p. s. i. Fig. 4 shows the relationship of the bias error during data output by a gyro using a sensor coil with a fiber winding potted with adhesive characterized by the following Young's modulus: As can be seen, the relationship between the axial vibration frequency and the AC bias effect is that the vibration frequency is zero.
When swept from to 1000 Hz, it becomes substantially linear and reaches 10.0 degrees / second.

【００１７】曲線３２は、１００，０００ｐ．ｓ．ｉ．
を越えるヤング率の材料の接着基質でポット化されたセ
ンサコイルを有するジャイロに関するバイアスエラーと
軸方向振動周波数の関係を示す。この曲線からわかるよ
うに、ポット化材料の硬度を増加させることにより劇的
かつ実質的な性能向上が得られる。曲線３０で示される
ように低ヤング率の材料に関するバイアスエラーと比較
した場合、振動周波数が０からほぼ２０００Ｈｚまで掃
引した時の軸方向振動から生じるＡＣバイアスは、比較
的無視できる。同様の結果が、横方向振動に対するＡＣ
バイアスに関して得られた。このように、前記データ
は、ポット化材料の硬度を増加させることによって、振
動で課される機械的応力はポット化材料で大部分分担さ
れ、したがって光ファイバから多少除去されることを確
認する。大きなヤング率のポット化材料を用いた場合、
振動に対するジャイロ出力の感度がかなり減るのが観察
できる。Curve 32 is 100,000 p. s. i.
Fig. 4 shows the relationship between the bias error and the axial vibration frequency for a gyro having a sensor coil potted with an adhesive substrate of a material having a Young's modulus in excess of 1; As can be seen from this curve, increasing the hardness of the potted material provides a dramatic and substantial performance improvement. When compared to the bias error for the low Young's modulus material as shown by curve 30, the AC bias resulting from axial vibration when the vibration frequency is swept from 0 to nearly 2000 Hz is relatively negligible. A similar result shows that AC
Obtained for bias. Thus, the data confirm that by increasing the hardness of the potting material, the mechanical stress imposed by vibration is largely shared by the potting material and thus is somewhat removed from the optical fiber. When a potting material with a large Young's modulus is used,
It can be observed that the sensitivity of the gyro output to vibration is significantly reduced.

【００１８】高いヤング率の材料でファイバコイル巻線
をポット化して振動によるバイアス効果を最小にする利
点が明らかになったが、発明者は、さらに、ポット化材
料の硬度は多数の要因を考慮して加減しなければならな
いことを確認した。ポット化材料の硬度が増すと、コイ
ルは、（最小応力）硬化温度Ｔ_c よりかなり上かまたは
かなり下の温度の変化に応じてより大きな熱応力にさら
されるようになる。センサコイルの過度の前記熱応力
は、コイル亀裂、ｈパラメータ（偏向交差結合）劣化及
び大きなバイアス温度勾配感度の問題を生じ得る。コイ
ル亀裂及び劣化したｈパラメータ性能は２００メートル
のポット化されたコイルデザインにおいて観察された。
上述のように、熱応力はポット化材料のヤング率の関数
なので、コイル亀裂、ｈパラメータ及び温度勾配感度の
問題は全てポット化材料の選択により影響を受ける。熱
応力σはαＥ（Ｔ−Ｔ_c ）に比例する。ここで、αは接
着剤及び光ファイバの熱膨張係数の差であり、Ｅは接着
剤の弾性率であり、Ｔ−Ｔ_c は接着剤の硬化温度Ｔ_c か
らの温度偏位である。デザイン要件に関して述べると、
コイルポット化材料として用いるのに最適の接着剤は、
熱応力σが最小にされるかまたは予知された最大温度偏
位Ｔ−Ｔ_c にわたってできるだけ小さくされると共に、
Ｅが振動誘導バイアス硬化を最小にするためにできるだ
け大きく維持されるものにすべきである。Although the advantage of minimizing the bias effect due to vibration by potting the fiber coil windings with a material having a high Young's modulus has been found, the inventors have further considered that the hardness of the potted material takes into account a number of factors. I confirmed that I had to adjust. As the hardness of the potted material increases, the coil becomes subject to greater thermal stress in response to temperature changes well above or below the (minimum stress) cure temperature _Tc . Excessive thermal stress in the sensor coil can cause problems with coil cracking, h-parameter (deflection cross-coupling) degradation and large bias temperature gradient sensitivity. Coil cracking and degraded h-parameter performance were observed in the 200 meter potted coil design.
As discussed above, coil cracking, h-parameter and temperature gradient sensitivity issues are all affected by the choice of potting material, since thermal stress is a function of the potting material's Young's modulus. The thermal stress σ is proportional to αE (T−T _c ). Here, alpha is a difference in the thermal expansion coefficient of the adhesive and optical fiber, E is an elastic modulus of the adhesive, the T-T _c is the temperature deviation from the curing temperature T _c of the adhesive. In terms of design requirements,
The best adhesive to use as a coil potting material is
The thermal stress σ is as small as possible over a maximum temperature excursion T-T _c which is or prediction is minimized,
E should be kept as large as possible to minimize vibration induced bias hardening.

【００１９】図８は、種々のポット化接着剤の適合性を
評価するためのデータを示す表である。図に見られるよ
うに、ノーランドの商標“ＮＯＡ ８３ Ｈ”で市販さ
れている接着剤は、２００，０００ｐ．ｓ．ｉ．という
比較的高い弾性率Ｅを持ち、優秀な振動性能で予言的に
特徴づけられるが、前記ポット化材料を用いるセンサコ
イルは多少亀裂が見られた。この接着剤は、１６０℃の
温度偏位にわたって３８４０ｐ．ｓ．ｉ．の最大熱応力
σを加える。一方、ミネソタ マイニング アンド マ
ニファクチャリング社の“ＳＣＯＴＣＨ ＣＡＳＴ ２
３５”（商標）は約４０，０００ｐ．ｓ．ｉ．という弾
性率を持ち、１２００ｐ．ｓ．ｉ．の最大熱応力を加え
るが、“ＮＯＡ ６５”（商標）（Ｎｏｒｌａｎｄ ６
５）は約２０，０００ｐ．ｓ．ｉ．という弾性率を持
ち、８０℃の温度偏位にわたって３２０ｐ．ｓ．ｉ．の
最大熱応力を加える。発明者は、１，０００及び２０，
０００ｐ．ｓ．ｉ．間のヤング率を持つ接着剤はバイア
ス振動必要条件と低い熱応力を共に満たすのに十分なこ
とを見出した。FIG. 8 is a table showing data for evaluating the compatibility of various potting adhesives. As can be seen, the adhesive marketed under the Norland trademark "NOA 83 H" has a 200,000 p.d. s. i. Although it has a relatively high modulus of elasticity E and is distinguished predictively by excellent vibration performance, the sensor coil using the potting material has some cracks. The adhesive has 3840 p.o. over a temperature excursion of 160.degree. s. i. Is applied. On the other hand, Minnesota Mining and Manufacturing “SCOTCH CAST 2
35 "(TM) has a modulus of about 40,000 psi and applies a maximum thermal stress of 1200 psi, while" NOA 65 "(TM) (Norland 6
5) is about 20,000 p. s. i. Of 320 p. Over a temperature excursion of 80 ° C. s. i. Apply maximum thermal stress. The inventor has 1,000 and 20,
000p. s. i. An adhesive with a Young's modulus between was found to be sufficient to meet both the bias oscillation requirements and low thermal stress.

【００２０】このように、本発明の教示は、動的熱環境
及び振動環境に起因するバイアス感度の最小化に関して
実質的に改善されたセンサコイルを提供することがわか
る。本発明の教示を用いることにより、従来技術では以
前認識されていなかったか取り組まれていなかった環境
的原因のバイアスエラーに実質的にさらされないジャイ
ロ性能を得ることができる。本発明は目下好適な実施例
に関して説明されたが、それに限らない。むしろ、本発
明は、付随の特許請求の範囲で定義される限りにおいて
のみ制限され、それの全ての同等物をその範囲内に含
む。Thus, it can be seen that the teachings of the present invention provide a sensor coil that is substantially improved with respect to minimizing bias sensitivity due to dynamic thermal and vibrational environments. By using the teachings of the present invention, gyro performance can be obtained that is substantially not subject to bias errors of environmental causes that were not previously recognized or addressed in the prior art. Although the present invention has been described with reference to the presently preferred embodiment, it is not so limited. Rather, the invention is limited only as defined in the appended claims, including all equivalents thereof.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明による光ファイバジャイロスコープ用セ
ンサコイルの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a sensor coil for an optical fiber gyroscope according to the present invention.

【図２】図１の線２−２でとられる本発明のセンサコイ
ルの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the sensor coil of the present invention taken along line 2-2 in FIG.

【図３】従来技術、すなわちアルミニウム製スプールの
乾式巻き、により作られたコイルの温度変化率（すなわ
ち温度時間−導関数）対ジャイロバイアスのグラフであ
る。この曲線の傾斜は“シュープ(Shupe) 係数”と呼ば
れ、温度変化率（℃／時間）当たりのバイアス変化（度
／時間）の単位を有する。FIG. 3 is a graph of the rate of temperature change (ie, temperature time-derivative) versus gyro bias for a coil made by the prior art, ie, dry winding of an aluminum spool. The slope of this curve is called the “Shupe coefficient” and has units of bias change (degrees / hour) per temperature change rate (° C./hour).

【図４】本発明にしたがって作られたコイル、すなわち
カーボン組成スプールにポット化されたコイルの温度変
化率対ジャイロバイアスのグラフである。FIG. 4 is a graph of gyro bias versus rate of temperature change for a coil made in accordance with the present invention, ie, a coil potted on a carbon composition spool.

【図５】従来技術（アルミニウム製スプール）にしたが
って作られたコイルに関する、時間対光ファイバジャイ
ロスコープの出力バイアス、及び時間対ジャイロスコー
プ温度のグラフを示す。FIG. 5 shows a graph of time versus output bias of a fiber optic gyroscope and time versus gyroscope temperature for a coil made according to the prior art (aluminum spool).

【図６】本発明にしたがって層にされたセンサコイル巻
線の代表的な部分の拡大断面図である。FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a representative portion of a sensor coil winding layered in accordance with the present invention.

【図７】２つのポット化されたセンサコイルに関する、
軸方向振動周波数とＡＣバイアスの関係のグラフであ
る。FIG. 7 relates to two potted sensor coils,
It is a graph of the relationship between an axial vibration frequency and AC bias.

【図８】本発明によるセンサコイルポット化材料の適切
性を判断するための数値表である。FIG. 8 is a numerical table for judging the suitability of the sensor coil potting material according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０ センサコイル １２ 光ファイバ １４ 支持スプール DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sensor coil 12 Optical fiber 14 Support spool

フロントページの続き (72)発明者 ドナルド ジェー．ビリンスキー アメリカ合衆国，91324 カリフォルニ ア，ノースリッヂ，マルデン ストリー ト 19135 (72)発明者 サミュエル エヌ．フェーシュト アメリカ合衆国，91604 カリフォルニ ア，スタディオ シティ，ブエイナ パ ーク ドライヴ 3749 (72)発明者 グレン マービン スラビアン アメリカ合衆国，91304 カリフォルニ ア，ウエスト ヒルズ，ジョナサン ス トリート 23106 (72)発明者 ジョン デー．ワイルド アメリカ合衆国，91367 カリフォルニ ア，ウッドランド ヒルズ，シー−214, ヴィクトリー ブーレバード 22110 (72)発明者 ポール アンソニー ヒンマン アメリカ合衆国，90731 カリフォルニ ア，サン ペドロ，デニソン アヴェニ ュー 2616 (56)参考文献 特開 平５−273415（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−16018（ＪＰ，Ｕ) 特公 平６−12261（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平３−503044（ＪＰ，Ａ)Continuation of the front page (72) Inventor Donald J. Billinski United States, 91324 California, North Ridge, Malden Street 19135 (72) Inventor Samuel N. Fest United States, 91604 California, Stadio City, Buena Park Drive 3749 (72) Inventor Glen Marvin Slavian United States of America, 91304 California, West Hills, Jonathan Street 23106 (72) Inventor John Day. Wild United States, 91371 California, Woodland Hills, C-214, Victory Boulevard 22110 (72) Inventor Paul Anthony Hinman United States, 90732 California, San Pedro, Denison Avenue 2616 (56) References JP-A-5-273415 (JP, A) Japanese Utility Model 216018 (JP, U) JP 6-12261 (JP, B2) JP 3-503044 (JP, A)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 振動誘導バイアスが所定レベルに抑圧さ
れた出力を達成するための光ファイバジャイロスコープ
用センサコイルであって、 ａ）光ファイバを備え、 ｂ）前記ファイバは複数の同心的な円筒形の層に整えら
れ、 ｃ）前記各層は前記ファイバの複数のターンからなり、 ｄ）前記各ターンは所定の巻線パターンに整えられ、 ｅ）前記各ターンは、所定の組成のポッティング材料で
カプセル化され、 ｆ）前記ポッティング材料の弾性率は、ジャイロの出力
における振動誘導バイアスが前記所定レベルとなるのに
十分な値であり、 ｇ）前記ファイバの各ターンは内部スプールに巻かれ、 ｈ）前記スプールは、 カーボン混合材料で作られているとともに、 内部が中空の略円筒状の本体を備え、 当該本体の内部は環状段部を有し、 当該段部に接するとともに、前記コイルを台に固定する
ための円盤状支持部材とを有するセンサコイル。1. A sensor coil for a fiber optic gyroscope for achieving an output with a vibration induced bias suppressed to a predetermined level, comprising: a) an optical fiber; and b) a plurality of concentric cylinders. C) each layer comprises a plurality of turns of the fiber; d) each turn is arranged in a predetermined winding pattern; e) each turn is formed of a potting material of a predetermined composition. F) the modulus of the potting material is sufficient to cause the vibration-induced bias at the output of the gyro to be at the predetermined level; g) each turn of the fiber is wound on an internal spool; The spool is made of a carbon mixed material, has a hollow, substantially cylindrical body, and has an annular step inside. A sensor coil having a disc-shaped support member that is in contact with a step portion and fixes the coil to a table. 【請求項２】 前記カーボン混合材料は、接合基質に埋
め込まれたカーボンファイバを含む請求項１記載のセン
サコイル。2. The sensor coil according to claim 1, wherein the carbon mixed material includes a carbon fiber embedded in a bonding substrate. 【請求項３】 複数本の前記カーボンファイバは、前記
接合基質内で互いに実質的に直角に向けられた請求項２
記載のセンサコイル。3. The carbon fiber of claim 2, wherein the plurality of carbon fibers are oriented substantially perpendicular to each other within the bonding substrate.
The sensor coil as described. 【請求項４】 複数本の前記カーボンファイバは、実質
的に円筒状の本体の回転軸に対して実質的に長手方向お
よび円周方向に向けられた請求項３記載のセンサコイ
ル。4. The sensor coil of claim 3, wherein the plurality of carbon fibers are oriented substantially longitudinally and circumferentially with respect to the axis of rotation of the substantially cylindrical body. 【請求項５】 前記接合基質はフェノール材料を含む請
求項２記載のセンサコイル。5. The sensor coil according to claim 2, wherein said bonding substrate includes a phenolic material.