光ファイバジャイロ

【課題】ボビンと光ファイバの熱膨張率の差により発生する熱応力の影響を排除し、温度特性に優れた高性能な光ファイバジャイロを提供する。
【解決手段】光ファイバ３１よりなるセンシングコイル３０に左右両回りに光を伝播させ、角速度入力により生じる左回り光と右回り光の位相差から入力角速度を検出する光ファイバジャイロにおいて、センシングコイル３０を構成する光ファイバ３１とは別の光ファイバ４１をボビン３２に巻き付けて緩衝層４０を構成し、その緩衝層４０上にセンシングコイル３０を巻き付ける。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は慣性空間に対する運動体の回転運動を検出する光ファイバジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は従来、用いられている光ファイバジャイロの構成として、特許文献１に記載されている位相変調型の光ファイバジャイロの構成を示したものである。
【０００３】
図７において、符号１で示されたものは光ファイバで形成されたセンシングコイル２を有する光学系であり、このセンシングコイル２は第１カプラ３、ポラライザ４及び第２カプラ５を介して光源モジュール６及び検出器モジュール７に光ファイバ８で接続されている。センシングコイル２と第１カプラ３との間には、光ファイバ８に接し、かつセンシングコイル２の近傍に位置する状態で位相変調器９が設けられている。
【０００４】
このような光学系１において、光源モジュール６から光ファイバ８に入光されるレーザ光は、第１カプラ３、ポラライザ４及び第２カプラ５を経て位相変調器９で変調された後、センシングコイル２に入光される。センシングコイル２に入光されたレーザ光は、再び第２カプラ５、ポラライザ４及び第１カプラ３を経て検出器モジュール７で光電変換されて光学系出力Ｓが取り出される。
【０００５】
光学系１には電気系１０が接続され、この電気系１０の入力アンプ１１には光学系出力Ｓが入力され、被検波光学系出力Ｓ１として出力される構成になっている。この被検波光学系出力Ｓ１には周知のサニャック効果による位相差Δθが含まれている。入力アンプ１１の出力側には光源駆動回路１２、変調制御回路１４及びロックインアンプ１７が接続されている。
【０００６】
光源駆動回路１２はレーザドライバ１３を介して光源モジュール６に接続され、変調制御回路１４はロックインアンプ１７に検波クロックＣを供給する発振回路１５と、位相変調器９に接続されたドライバ１６とに接続され、ロックインアンプ１７は出力アンプ１８に接続されている。
【０００７】
従来の位相変調型光ファイバジャイロは、上記のような構成により、被検波光学系出力Ｓ１をロックインアンプ１７で同期検波し、角速度入力により発生する光の位相差を干渉させてサニャック効果により出力アンプ１８を経てジャイロ出力Ｓ２を得るような構成とされている。このような光ファイバジャイロにおいて、光ファイバ８はセンシングコイル用のボビン２０に巻き付けられている。
【０００８】
図８は特許文献１に記載されているボビン２０の断面構造を示したものであり、光ファイバ８を巻き付ける面２０ａには高分子ゲル２１がコーティングされている。光ファイバ８はこの高分子ゲル２１のコーティングの上に巻き付けられるものとなっている。
【０００９】
特許文献１ではこのようにボビン２０に高分子ゲル２１をコーティングすることにより、ボビン２０の熱膨張・熱収縮により光ファイバ８にかかる熱応力を高分子ゲル２１に吸収させるものとなっており、これにより光ファイバ８にかかる熱応力を抑制するものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２２８４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、光ファイバのボビンへの巻き付けにおいては、温度変化中のドリフトを低減するために、光ファイバ全長の中間点を巻き始め点とするクオドラポール巻線を一般に採用している。
【００１２】
図９はこのクオドラポール巻線の巻線方法を模式的に示したものであり、図中、黒丸で示した光ファイバ３１は全長の中間点から＋方向（一方の端部方向）の光ファイバを示し、白丸で示した光ファイバ３１は全長の中間点から−方向（他方の端部方向）の光ファイバを示す。なお、図９ではボビン３２は、その中心軸に対する片側のみを示している。
【００１３】
この図９に示したようなクオドラポール巻線は光ファイバ全長の中間点から対称な位置がコイル内部で近接して配置されるようにしたものであり、これにより温度変化による光ファイバの屈折率変化に基因する左右両回り光の位相差を相殺するものとなっている。
【００１４】
一方、このようなクオドラポール巻線を採用したとしても、ボビンと光ファイバの熱膨張率の差により温度変化によって発生する熱応力を光ファイバが受ける問題は別問題であって排除することができず、従来においては前述したように熱応力を吸収するために高分子ゲルのコーティングをボビンに施すといったことが提案されている。
【００１５】
しかしながら、このような柔軟な高分子ゲルのコーティングの上に光ファイバを巻き付ける方法では、光ファイバを高精度に整列させるのが困難となり、センシングコイルの高精度な整列巻線が要求される光ファイバジャイロにおいては採用しづらいものとなっていた。
【００１６】
この発明の目的はこのような状況に鑑み、ボビンと光ファイバの熱膨張率の差により発生する熱応力のセンシングコイルへの影響を排除できるようにし、かつセンシングコイルの高精度な整列巻線を容易に実現可能とし、よって温度特性に優れた高性能な光ファイバジャイロを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１の発明によれば、光ファイバよりなるセンシングコイルに左右両回りに光を伝播させ、角速度入力により生じる左回り光と右回り光の位相差から入力角速度を検出する光ファイバジャイロにおいて、センシングコイルを構成する光ファイバとは別の光ファイバがボビンに巻き付けられて緩衝層が構成され、その緩衝層上にセンシングコイルが巻き付けられているものとされる。
【００１８】
請求項２の発明では請求項１の発明において、緩衝層を構成する光ファイバはセンシングコイルを構成する光ファイバと同じ光ファイバとされる。
【００１９】
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、緩衝層を構成する光ファイバを、光ファイバに生じる歪検出に用いる。
【００２０】
請求項４の発明では請求項１又は２の発明において、緩衝層を構成する光ファイバを、センシングコイルの冗長系として用いる。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、ボビンと光ファイバの熱膨張率の差により発生する熱応力の影響をセンシングコイルは受けないものとなり、よって熱応力によるセンシングコイル内部の歪発生を排除することができ、さらには温度変化中に歪の影響によるドリフトが発生するといった問題も解消することができる。
【００２２】
加えて、従来のように、ボビンに高分子ゲルのコーティングを施して緩衝層を形成するものと異なり、光ファイバを巻き付けて緩衝層を形成するため、センシングコイルの高精度な整列巻線は阻害されることなく、容易に実現することができる。
【００２３】
従って、この発明によれば、温度特性に優れた高性能な光ファイバジャイロを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】センシングコイル内部の歪を計測した結果を示すグラフ。
【図２】図１における光ファイバ全長の中間点付近を拡大して示したグラフ。
【図３】センシングコイルを構成する光ファイバの全長の中間点付近（コイル内層部分）の歪が温度によって変化する様子を示すグラフ、Ａは２５℃での計測結果、Ｂは４０℃での計測結果、Ｃは６０℃での計測結果。
【図４】この発明による光ファイバジャイロにおいて用いるセンシングコイルの巻線構造の一例を示す断面図。
【図５】緩衝層を構成する光ファイバを歪検出に用いる例を示す図。
【図６】緩衝層を構成する光ファイバをセンシングコイルの冗長系として用いる例を示す図。
【図７】光ファイバジャイロの構成例を示すブロック図。
【図８】センシングコイルを巻き付けるボビンの従来例を示す断面図。
【図９】クオドラポール巻線の巻線方法を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
まず、最初に、ボビンに巻き付けられたセンシングコイル内部の歪状態をＢＯＴＤＲ方式により調べた結果について説明する。
【００２６】
ＢＯＴＤＲ方式は光ファイバの一端から光パルスを入射したときに発生する誘導ブリルアン散乱光の周波数が歪に比例してシフトする現象を利用するもので、シフトした周波数を光ヘテロダイン検波で計測し、光ファイバの歪を算定するものである。計測装置には光ファイバ歪アナライザＡＱ８６０３（横河電機（株））を用いた。
【００２７】
ボビンはアルミニウム製とし、このボビンに全長３４００ｍのシングルモード光ファイバをクオドラポール巻線によって巻き付けてセンシングコイルを構成した。
【００２８】
図１は計測結果を示したものであり、横軸は光ファイバの長さを示し、縦軸は歪を示す。
【００２９】
光ファイバには巻線時の張力による歪とコイル曲げによる歪が初期歪として生じるが、図１より光ファイバ全長の中間点付近の歪が特異的に大きいことがわかる。この部分はクオドラポール巻線においてコイルの内層に位置する部分である。
【００３０】
図２は図１において破線の円で囲んだ部分を拡大して示したものであり、図２中には光ファイバの中間点の位置と、コイルの何層目にあたるかを示している。１層目の歪が最も大きいことがわかる。
【００３１】
このように内層の歪が大きい原因は、ボビンに光ファイバを巻き付けた後、整列巻線状態がくずれないようにコイルを接着固定するが、この際、高温で接着剤を硬化させるため、ボビンと光ファイバの熱膨張率の差により熱応力が発生し、この熱応力が常温に戻っても残留応力として残ることによると考えられる。１層目はボビンとの界面であり、熱応力の影響を大きく受けて大きな歪が生じている。２層目以降は下層の光ファイバの緩衝効果により熱応力の影響が緩和され、歪が次第に小さくなっており、図２より８層目以降は熱応力による歪が顕在化していないことがわかる。
【００３２】
次に、このようなセンシングコイル内部の歪と温度との関係について調べた結果について説明する。
【００３３】
図３Ａは図２と同様、コイル内層部分の常温（２５℃）での歪を示したものであり、この状態から温度を４０℃，６０℃と上げた時の歪の計測結果を図３Ｂ及びＣに示す。図３Ａ，Ｂ，Ｃより歪は温度により大きく変化し、高温になるほど増大することが判明した。
【００３４】
以上の調査結果より、センシングコイル内層部分には大きな歪が生じており、かつこの歪は温度により変化するもので、従来より知られている温度変化による光ファイバの屈折率変化に基因する温度変化中のドリフト以外に、光ファイバジャイロにおいて歪の影響により温度変化中にドリフトが発生することが明らかになった。
【００３５】
この発明は以上説明した調査結果により明らかになった事実に基づくものであり、以下、この発明の実施例を説明する。
【００３６】
図４はこの発明による光ファイバジャイロにおいて用いるセンシングコイルの巻線構造を示したものである。この例ではセンシングコイルを構成する光ファイバとは別の光ファイバ４１がボビン３２に巻き付けられて緩衝層４０が構成され、この緩衝層４０の上に光ファイバ３１が巻き付けられてセンシングコイル３０が構成されている。
【００３７】
緩衝層４０は前述の図２に示した計測結果より８層目以降に歪が顕在化していないことをふまえ、この例では光ファイバ４１を７層巻き付けて構成した。緩衝層４０を構成する光ファイバ４１はセンシングコイル３０を構成する光ファイバ３１と同じ（同一仕様の）光ファイバとした。センシングコイル３０はこの例ではクオドラポール巻線を採用しており、センシングコイル３０、緩衝層４０はそれぞれ接着固定されている。
【００３８】
上記のようにセンシングコイル３０の光ファイバ３１とは独立した別の光ファイバ４１により、ボビン３２に緩衝層４０を設け、この緩衝層４０の上にセンシングコイル３０を巻き付けることで、ボビン３２と光ファイバの熱膨張率の差により発生する熱応力の影響をセンシングコイル３０は受けないものとなる。よって、センシングコイル３０の内層部分に大きな歪は発生せず、歪の影響により温度変化中にドリフトが発生するといった、この発明に至る過程で明らかにした問題も解消することができる。
【００３９】
また、従来のように、ボビンに柔軟な高分子ゲルのコーティングを施して緩衝層を形成するものと異なり、この例では光ファイバ４１そのものを緩衝材として巻き付けて緩衝層４０を形成するため、図４に示したように光ファイバ４１を整列巻線して緩衝層４０を形成することにより、この上に巻き付けられるセンシングコイル３０の各層の高精度な整列巻線が可能となる。この点は屈折率変化に基因する温度変化中のドリフトを低減するクオドラポール巻線において、光ファイバ全長の中間点から対称な位置をコイル内部で近接して配置させる上で重要な要素であり、よって上述したようなセンシングコイル３０の巻線構造を採用すれば、温度特性に優れた高性能な光ファイバジャイロを実現することができる。
【００４０】
なお、このような高性能な光ファイバジャイロを実現する上で、緩衝層４０を構成する光ファイバ４１は、センシングコイル３０の光ファイバ３１と同じものを使用するのが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。また、センシングコイル３０の巻線方法もクオドラポール巻線に必ずしも限定されるものではない。
【００４１】
上述した例ではボビン３２に巻き付けられた光ファイバ４１は単に緩衝層４０として機能するものとなっているが、この光ファイバ４１を光ファイバジャイロの機能強化に積極的に用いることもできる。図５はその一例を示したものであり、この例では光ファイバ４１の一端がＢＯＴＤＲ方式の光ファイバ歪計測装置５１に接続され、光ファイバ４１を歪検出に用いるものとなっている。
【００４２】
このような構成を採用すれば、コイル内層部分の歪の状態を検知することができ、例えば歪量が予め設定された値以上になった場合は警告を発する等の光ファイバジャイロの高機能化が可能になる。
【００４３】
一方、図６は緩衝層４０を構成する光ファイバ４１の両端を別のサニャック干渉計５２に接続して回転運動（入力角速度）を検出できるようにし、光ファイバ４１よりなるコイルをセンシングコイル３０の冗長系として用いるようにしたものであり、このようにバックアップとして光ファイバ４１を用いれば、光ファイバジャイロの高信頼性化を図ることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１光学系２センシングコイル
３第１カプラ４ポラライザ
５第２カプラ６光源モジュール
７検出器モジュール８光ファイバ
９位相変調器１０電気系
１１入力アンプ１２光源駆動回路
１３レーザドライバ１４変調制御回路
１５発振回路１６ドライバ
１７ロックインアンプ１８出力アンプ
２０ボビン２０ａ面
２１高分子ゲル３０センシングコイル
３１光ファイバ３２ボビン
４０緩衝層４１光ファイバ
５１光ファイバ歪計測装置５２サニャック干渉計

【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバよりなるセンシングコイルに左右両回りに光を伝播させ、角速度入力により生じる左回り光と右回り光の位相差から入力角速度を検出する光ファイバジャイロであって、
前記センシングコイルを構成する光ファイバとは別の光ファイバがボビンに巻き付けられて緩衝層が構成され、その緩衝層上に前記センシングコイルが巻き付けられていることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項２】
請求項１記載の光ファイバジャイロにおいて、
前記緩衝層を構成する光ファイバは前記センシングコイルを構成する光ファイバと同じ光ファイバであることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光ファイバジャイロにおいて、
前記緩衝層を構成する光ファイバを、光ファイバに生じる歪検出に用いることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の光ファイバジャイロにおいて、
前記緩衝層を構成する光ファイバを、前記センシングコイルの冗長系として用いることを特徴とする光ファイバジャイロ。

【図１】