(57)【要約】光ファイバ・ジャイロスコープ用磁気シールドシステムを開示する。光ファイバ・ジャイロスコープは、感応軸を備える感応コイルを有し得る。磁気シールドは、感応コイルを封じ込めると共に、複数の部片が継目で結合された層を備える。継目の一部分は、感応コイルの感応軸に実質的に平行である。各部片が磁気シールドの両側端、および壁のそれぞれ一部分を有するように複数の部片が一体に結合されてもよい。さらに、磁気シールドでは、直交する継目を有する複数の層を用いることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
感応軸を有する感応コイル用磁気シールドであって、
前記感応コイルを封じ込めている少なくとも１つの層を備え、
前記少なくとも１つの層がそれぞれ、少なくとも１つの部片を含み、
前記少なくとも１つの部片がそれぞれ、少なくとも１つの継目で結合され、
前記少なくとも１つの継目の一部分が前記感応軸に実質的に平行である
磁気シールド。
【請求項２】
前記少なくとも１つの層が高透磁率磁性材料を含む、請求項１に記載の磁気シールド。
【請求項３】
前記高透磁率磁性材料がニッケル合金磁性鋼を含む、請求項２に記載の磁気シールド。
【請求項４】
前記少なくとも１つの層上で磁束経路が連続しており、実質的に前記感応軸に平行である、請求項１に記載の磁気シールド。
【請求項５】
前記継目が平面を画定し、前記平面が前記感応軸に実質的に平行である、請求項１に記載の磁気シールド。
【請求項６】
前記磁気シールドおよび前記感応コイルが、非磁性材料で製作された支持構造に取り付けられている、請求項１に記載の磁気シールド。
【請求項７】
前記磁気シールドが、前記感応コイルおよび前記支持構造だけを封じ込めている、請求項６に記載の磁気シールド。
【請求項８】
前記磁気シールドが、両端が閉じた薄壁の直円柱を備える、請求項１に記載の磁気シールド。
【請求項９】
前記磁気シールドが複数の層を備える、請求項１に記載の磁気シールド。
【請求項１０】
少なくとも１対の前記複数の層が、非磁性材料で製作された中間支持構造に取り付けられている、請求項９に記載の磁気シールド。
【請求項１１】
前記磁気シールドが、第２の感応軸を有する第２の感応コイルを封じ込め、前記少なくとも１つの継目の前記部分が前記第２の感応軸に実質的に平行である、請求項１に記載の磁気シールド。
【請求項１２】
１個だけの光ファイバ・ジャイロスコープを磁気的にシールドするためのシステムであって、
感応軸をもつ感応コイルを有する１個だけの光ファイバ・ジャイロスコープと、
磁性材料で製作された層を含み、前記１個だけの光ファイバ・ジャイロスコープを封じ込めている磁気シールドと
を備え、
前記層が第１の部片および第２の部片を有し、
前記第１の部片と第２の部片が継目で整合および結合され、
前記継目の少なくとも一部分が前記感応コイルの前記感応軸から乖離する角度が、実質的に１０度未満であるシステム。
【請求項１３】
前記磁性材料がニッケル合金磁性鋼を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
磁束経路が前記層に沿って連続しており、前記感応軸から乖離する角度が、実質的に１０度未満である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記磁気シールドおよび前記感応コイルが、非磁性材料で製作された支持構造に取り付けられている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
感応軸を有する単一の感応コイル用磁気シールドであって、
前記単一の感応コイルを封じ込めている第１の層および第２の層を備え、
前記第１の層が、第１の継目で結合された第１の部片および第２の部片を含み、前記第２の層が、第２の継目で結合された第３の部片および第４の部片を含み、
前記第１の継目の一部分が前記感応軸に実質的に平行であり、
前記第２の継目の一部分が前記感応軸に実質的に垂直である
磁気シールド。
【請求項１７】
前記第１の層および第２の層が、高透磁率磁性材料を含む、請求項１６に記載の磁気シールド。
【請求項１８】
前記高透磁率磁性材料がニッケル合金磁性鋼を含む、請求項１７に記載の磁気シールド。
【請求項１９】
前記第１の継目と前記第２の継目が直交する、請求項１６に記載の磁気シールド。
【請求項２０】
前記第１の層が、前記感応軸に実質的に平行な連続的な磁束経路を有し、前記第２の層が、前記感応軸に実質的に直交する連続的な磁束経路を有する、請求項１６に記載の磁気シールド。
【請求項２１】
前記第１の層および第２の層が、非磁性材料で製作された中間支持構造に取り付けられている、請求項１６に記載の磁気シールド。
【請求項２２】
前記光ファイバ・ジャイロスコープを封じ込める第３の層をさらに備える、請求項１６に記載の磁気シールド。
【請求項２３】
感応コイルを封じ込め、第１の側端および第２の側端が壁によって結合された少なくとも１つの層を備え、
前記少なくとも１つの層が複数の部片を含み、前記複数の部片がそれぞれ、前記第１の側端、前記第２の側端、および前記壁それぞれの一部分を含む、感応コイル用磁気シールド。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの層が高透磁率磁性材料を含む、請求項２３に記載の磁気シールド。
【請求項２５】
前記高透磁率磁性材料がニッケル合金磁性鋼を含む、請求項２４に記載の磁気シールド。
【請求項２６】
複数の層をさらに備え、
少なくとも１対の前記複数の層が、非磁性材料で製作された中間支持構造に取り付けられている、請求項２３に記載の磁気シールド。
【請求項２７】
前記感応コイルが、前記磁気シールドによって封じ込められている単一の光ファイバ・ジャイロスコープの一部である、請求項２３に記載の磁気シールド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気シールドの分野に関し、より詳細には、光ファイバ・ジャイロスコープ用磁気シールドに適合する設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
慣性検出に用いられる光ファイバ、リングレーザ、その他同様な光ジャイロスコープにとって、磁場に対するバイアス感度は重要な性能パラメータである。地球磁場、電気機械などの外部磁場環境は、光ファイバ・ジャイロスコープにバイアス誤差を生じさせる。たとえば、慣性航法システムに用いられる光ファイバ・ジャイロスコープにとって、計器の磁場バイアス許容感度は、通常、１ガウスあたり毎時０．００１〜０．０００１度（度／時／ガウス）である。それに対して、シールドなしのジャイロスコープの元々の感度は１度／時／ガウス程度である。
【０００３】
外部磁場に対しバイアス感度を最小にする有効な方法は、ジャイロスコープの周りに磁気シールド構造（「磁気シールド」）を設けることにより局所磁場の強度を下げることである。磁気シールドは通常、周囲磁場の優先的な経路として働く高透磁率の材料から製作される。基本的に、磁気シールドは、内部に配置されたジャイロスコープを迂回するように周囲磁束をそらすことができる。したがって、磁気シールドは周囲磁場のジャイロスコープへの影響を低減することができる。
【０００４】
光ファイバ・ジャイロスコープは、動きを検出するためにコイル状に巻かれた回転感応光ファイバ（「感応コイル」）を備えることができる。ただし、外部磁場に対する感応コイルのバイアス感度は、方向依存性をもち得る。たとえば、偏光解消光ファイバ・ジャイロスコープの磁気感度は、回転感応軸（たとえば、感応コイルの長手軸）の方向の方が、回転感応軸に直角な方向より１０倍高くなり得る。したがって、ジャイロスコープのバイアス感度への周囲磁場の影響を大幅に低減しようとする場合には、磁気シールドを感応軸に対し最も効果的な平行な向きにすることが有利である。
【０００５】
現在、磁気シールドは、通常、製造組立てが容易なように２つの部片に分けて製造されている。従来技術による磁気シールドは、通常、２つの部片が磁気シールドの長手方向軸に垂直な継目で結合されるように組み立てられる。さらに、光ファイバ・ジャイロスコープは磁気シールド内で、通常、光ファイバコイルの感応軸の方向が磁気シールドの長手軸の方向に合うように向けられている。この組立て方法では、従来技術による磁気シールドの継目の方向のせいで、感応軸に平行な磁束の経路に不連続を生じて、その方向のシールド効果が低下する。その結果、偏光解消光ファイバ・ジャイロスコープの感応コイルの最大感度の方向が、磁気シールドの効果が最も小さい方向と平行になる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、組合せ方の設計を改良して従来技術に関連する上記欠点を克服した光ファイバ・ジャイロスコープ用磁気シールドを得ることが必要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、感応軸１０１−１０１を有する、例示的な光ファイバ・ジャイロスコープ（図示せず）用感応コイル１０４を示す。本実施形態では、感応コイル１０４は、スプール１０８の周りにコイル１０４の軸方向および半径方向に重層に巻かれたある長さの光ファイバ１０６を備えてもよい。感応コイル１０４に用いる光ファイバの層は何重でもよいことを理解すべきである。
【０００８】
さらに、本実施形態では、感応軸１０１−１０１を、感応コイル１０４の感応回転方向としてよい。したがって、感応コイル１０４は、感応軸１０１−１０１周りの回転運動を検出することができる。図１では、感応軸１０１−１０１は感応コイル１０４の長手方向軸に実質的に平行であるものとして示されているが、別の実施形態では、感応軸１０１−１０１の方向は変わり得る（たとえば、感応コイル１０４の径方向に沿う）ことを理解されたい。
【０００９】
さらに、図１の例示的な感応コイル１０４は、感応軸１０１−１０１に垂直な平面内では実質的に円形断面を有し、感応軸１０１−１０１に平行な平面内では実質的に長方形断面を有するが、代わりの断面として他の形状（たとえば、楕円や３角形断面）を有してもよい。感応コイルおよび光ファイバ・ジャイロスコープについてのより多くの情報に関しては、米国特許第４，４０８，８８２号を参照されたい。その内容の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【００１０】
図２は、感応コイル１０４の周りに層（たとえば、容器殻）を形成する例示的な磁気シールド２００を示す。図２には感応コイル１０４は示されていないが、磁気シールド２００内の感応コイル１０４の例示的な向きは、感応軸１０１−１０１の方向によって示されている。
【００１１】
本実施形態では、磁気シールド２００は、長手方向軸および半径方向軸を有する、両端が閉じた薄壁の直円柱であるが、他の形状（たとえば、球）も可能である。磁気シールド２００は、壁２１６に結合された第１の側端２１２および第２の側端２１４を有することができる。別の実施形態では、側端２１２および２１４と壁２１６で形成される角部は、鋭い角ではなくて、丸みまたはフィレットを有することができる。さらに、磁気シールド２００は、低周囲磁場で高い透磁率を有するニッケル合金鋼製でもよいが、類似の特性を有する他の磁性材料も適切であり得る。
【００１２】
製造組立ての容易さなどを考慮して、磁気シールド２００は、継目２５０で互いに整合され結合される第１の部片２２０および第２の部片２３０を有する。図２に示されるように、第１の部片２２０および第２の部片２３０は共に、第１の側端２１２、第２の側端２１４、および壁２１６それぞれの一部分を含み得る。本実施形態では、継目２５０の壁２１６に沿う部分は、感応軸１０１−１０１に対し実質的に平行であり得る。さらに、継目２５０は、磁気シールド２００の感応軸１０１−１０１に実質的に平行な平面を定義することができる。磁気シールド２００の２つの部片２２０、２３０の平面状表面が当接する、または重なり合うように、継目２５０を形成することができる。
【００１３】
磁気シールド２００の部片２２０、２３０のそれぞれは、１枚の材料から深絞り加工や油圧成形などの成形法で製作することができる。あるいは、第１の部片２２０および第２の部片２３０は、複数の材料を切り出して曲げ成形し、互いに溶接することにより製作することもできる。製作の工程に続いて、磁気シールドに適した材料は、通常、最適な磁気特性を得るために焼きなましされる（熱処理工程）。さらに、感応コイル１０４および磁気シールド２００は共に、それらの向きおよび相対位置を維持する非磁性材料製の支持構造（図示せず）に取り付けられている。
【００１４】
継目２５０のある部分が感応軸１０１−１０１と実質的に平行であってよいが、周囲磁場を効果的に減衰させるのに、継目２５０と感応軸１０１−１０１の平行関係が正確である必要はない。たとえば、別の実施形態では、継目２５０の壁２１６に沿う部分は、感応コイル１０４の感応軸１０１−１０１から実質的に角度が１０度未満乖離していてもよい。さらに、感応軸１０１−１０１は磁気シールド２００の長手方向軸に対し実質的に平行であるが、別の実施形態では変わり得る。
【００１５】
図３に、磁気シールド２００を通る例示的な磁束の経路を示す。本実施形態では、連続的な、低磁気抵抗の磁束経路が、磁気シールド２００の長手方向に、たとえば磁束経路３０２および３０４に沿って存在し得る。しかし、磁気シールド２００の径方向に沿った磁束経路は、継目２５０により不連続になり得る。たとえば、磁束経路３１０ａと３１０ｂ、ならびに磁束経路３１２ａと３１２ｂはそれぞれ、磁気シールド２００の２つの部片２２０、２３０が結合している継目２５０のところで不連続である。
【００１６】
次に図４を参照すると、別の例示的な磁気シールド４００が示されている。磁気シールド４００は、高透磁率材料製で感応コイル１０４を封じ込める第１の（たとえば内側）層４０２および第２の（たとえば外側）層４０４を備えてもよい。図４には感応コイル１０４は示されていないが、磁気シールド４００内の感応コイル１０４の例示的な方向は、感応軸１０１−１０１の方向によって示されている。一般に、重層の磁気シールドは、単層の設計に比べて、周囲磁場のより大きな減衰をもたらすことができ、またはより強度の高い周囲磁場を減衰させる能力をもたらすことができる。
【００１７】
本実施形態では、磁気シールド４００の第１の層４０２は、図２に示された単層の磁気シールド２００と実質的に同様でよい。第２の層４０４は、長手方向軸および半径方向軸を有する両端が閉じた薄壁の直円柱でよいが、他の形状（たとえば球）を取ることもできる。本実施形態では、第２の層４０４は、弱い周囲磁場で高い透磁率を有するニッケル合金磁性鋼でよいが、類似の特性の他の磁性材料も適切であり得る。
【００１８】
製造組立ての容易さなどを考慮して、磁気シールド４００の第２の層４０４は、継目４５０で互いに整合され結合される第３の部片４２０および第４の部片４３０を有することができる。継目４５０は、第２の層４０４の長手方向軸に垂直な平面を定義することができる。さらに、第２の層４０４の２つの部片４２０、４３０の平面状表面が当接する、または重なり合うように、継目４５０を形成することができる。
【００１９】
第１の層４０２と同様に、第２の層４０４の第３および第４の部片４２０、４３０も、１枚の材料から深絞り加工や油圧成形などの成形法で製作することができる。あるいは、部片４２０および４３０は、複数の材料を切り出して曲げ成形し、互いに溶接することにより製作することもできる。製作の工程に続いて、磁気シールドに適した材料は、通常、最適な磁気特性を得るために焼きなまし（熱処理工程）される。
【００２０】
さらに、感応コイル１０４および磁気シールド４００は共に、それらの向きおよび相対位置を維持する非磁性材料製の支持構造（図示せず）に取り付けられる。さらに、磁気シールド４０４の第１および第２の層４０２、４０４は、その向きおよび相対位置を維持する非磁性材料製の中間支持構造（図示せず）に取り付けられてもよい。
【００２１】
図４は、感応コイル１０４の感応軸１０１−１０１が、磁気シールド４００の第１および第２の層４０２、４０４両方の長手方向軸に実質的に平行に向いていることを示す。しかし、周囲磁場を効果的に減衰させるのに、感応軸１０１−１０１と第１および第２の層４０２、４０４の長手方向軸が正確な平行関係にある必要はない。
【００２２】
さらに、図４は、第２の層４０４上の継目４５０が、感応コイル１０４の感応軸１０１−１０１に対し実質的に垂直であってよいことを示す。ただし、周囲磁場を効果的に減衰させるのに、継目４５０と感応軸１０１−１０１が正確な垂直関係にある必要はない。たとえば、別の実施形態では、第２の層４０４は、感応コイル１０４の感応軸１０１−１０１から実質的に８０度以下にはならない角度で乖離している継目４５０を有することができる。
【００２３】
重層磁気シールド４００の代替実施形態では、２層を超える（たとえば３層の）高透磁率材料の層を有していることを理解されたい。さらに、別の実施形態では、第２の層４０４が、磁気シールド４００の第１の層４０２を封じ込めることができ、その結果、継目２５０が外側の層に沿い、継目４５０が内側の層に沿う。さらに、層４０２および４０４それぞれの継目２５０および４５０が、直交する別の方向を有することも可能である。
【００２４】
図５は、磁気シールド４００の第２の（たとえば外側の）層４０４上の例示的な磁束経路を示す。磁気シールド４００の第１の（たとえば内側の）層４０２に沿う例示的な磁束経路は、図３に示す磁気シールド２００の磁束経路と実質的に同じでよい。
【００２５】
本実施形態では、連続した低磁気抵抗磁束経路が、磁気シールド４００の第２の層４０４の径方向に、たとえば磁束経路５０２、５０４、５０６、５０８に沿って存在する。したがって、磁束は、継目４５０によって遮られることなく第２の層４０４に沿って径方向に流れることができる。他方、第２の層４０４の長手方向に沿って流れる磁束は、例示的な磁束経路５２０ａおよび５２０ｂによって示されるように、継目４５０によって生じる不連続線にぶつかることがある。本実施形態で説明した磁束経路は単に例示的なものであり、磁気シールド２００あるいは４００のいずれにも、異なる磁束経路がどれだけでも存在し得ることを理解されたい。
【００２６】
本実施形態の構造および結合性を説明してきたが、次にその動作方法および長所を説明する。磁気シールド２００に関しては、周囲磁場からの磁束は、磁束経路３０２、３０４に沿って感応軸１０１−１０１の方向に、連続的に流れる。したがって、磁束は、磁気シールド２００上を感応軸１０１−１０１の方向と平行に連続的に流れることができる。
【００２７】
前記のように、偏光解消光ファイバ・ジャイロスコープの動作における最大感度の方向は、通常、感応コイル１０４の感応軸１０１−１０１と平行である。したがって、周囲磁場の悪影響を大幅に低減しようとする場合には、感応軸１０１−１０１と平行な方向に磁気シールドが有効であることが有利であり得る。磁束経路３０２、３０４は感応軸１０１−１０１の方向と実質的に平行であるが、その経路に沿って磁束が連続的に流れることを可能にすることによって、磁気シールド２００は、この方向に流れる周囲磁束から感応コイル１０４を保護することができる。したがって、本実施形態では、磁気シールド２００の継目２５０の最も効果的な向きは、感応軸１０１−１０１と実質的に平行でよい。
【００２８】
例示的な磁気シールド４００は、また、様々な利点を有する。磁気シールド４００の第１の層４０２は、感応軸１０１−１０１の方向と平行に（たとえば、磁束経路３０２、３０４に沿って）、連続的に磁束を流すことができる。さらに、磁気シールド４００の第２の層４０４は、感応軸１０１−１０１の方向と垂直に（たとえば、磁束経路５０２〜５０８に沿って）、連続的に磁束を流すことができる。磁束が、２つの直交する継目２５０、４５０を通って「漏れ出す」可能性が少ないので、磁気シールド４００の効果が著しく大きい。
【００２９】
上記の磁気シールド２００、４００の実施形態に、多様な変更や修正を加えることができることが理解されるべきである。たとえば、代替実施形態では、感応コイル１０４および／または磁気シールド２００、４００は異なる形状（たとえば、直方柱）を取り得る。さらに、磁気シールド２００、４００は光ファイバ・ジャイロスコープ全体を封じ込めてもよいし、別の実施形態では感応コイル１０４だけを封じ込めてもよい。さらに、代替実施形態では、単一の部片が１つの継目でつなぎ合わされて、磁気シールドの壁を形成してもよく、その継目は感応コイル１０４の感応軸１０１−１０１と実質的に平行でよい。さらに、本実施形態は、感応コイルを使用するいかなるタイプの光ジャイロスコープ（たとえば、リングレーザ・ジャイロスコープ）や装置にも使用できることを理解すべきである。したがって、上記の説明は、本発明を限定するものではなく、例示するものであり、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれと同等物により定義されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】例示的な光ファイバ・ジャイロスコープの感応コイルの透視図である。
【図２】図１の感応コイルの向きと共に示す、例示的な光ファイバ・ジャイロスコープ用磁気シールドの透視図である。
【図３】図２の磁気シールド中の例示的な磁束経路の図である。
【図４】図１の感応コイルの向きと共に示す、複数の層を有する例示的な光ファイバ・ジャイロスコープ用磁気シールドの透視図である。
【図５】図４の磁気シールド中の例示的な磁束経路を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2005536762.tif 000009
2005536762.tif 000010
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