(57)【要約】  光ファイバセンシングコイルは、無被覆光ファイバをほぼ円状のループに巻くことにより形成される。無被覆光ファイバは、コアおよびクラッドを含む。無被覆光ファイバが巻かれた後、無被覆光ファイバのターンは融着され、それによって光ファイバの個々のターンのクラッドは相互接触箇所で互いに融着される。
2007506980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとコアの周りのクラッドとを含む光ファイバを備える光ファイバセンシングコイルであって、
前記光ファイバは複数の同心円筒の層に巻かれ、前記層のそれぞれが前記光ファイバの複数のターンを含み、前記複数の同心円筒の層中の光ファイバのクラッドおよび前記複数のターン中の光ファイバのクラッドが、相互接触箇所で互いに融着されている、光ファイバセンシングコイル。
【請求項２】
前記光ファイバが一方向に巻かれている、請求項１に記載の光ファイバセンシングコイル。
【請求項３】
前記光ファイバが二方向に巻かれている、請求項１に記載の光ファイバセンシングコイル。
【請求項４】
前記センシングコイルが、等方的特性を示す、請求項１に記載の光ファイバセンシングコイル。
【請求項５】
前記光ファイバの被覆が除去されている、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光ファイバセンシングコイルに関する。より詳細には、本発明は、測定誤差を減らし、同じ体積に対してＬＤ積（コイルの長さと直径の積）を増加させ、ＬＤ安定性を向上させ、製造プロセスを簡単にする光ファイバセンシングコイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバセンシングコイルは、一般に干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）などの、光ファイバ回転センシングデバイスに使用されている。周知のように、光ファイバセンシングコイルは、回転が存在する場合に、２つの対向伝播ビームのサニャック位相差を検出するためのセンシングデバイスとして働く、円状またはループ状に巻かれた連続した光ファイバである。
【０００３】
図１は、従来の光ファイバを示す。図に示すように、光ファイバ１０は通常３つの主要素からなる。コア１２は光ファイバの中心部であって、ファイバの光伝送領域であり、通常、シリカからなる。クラッド１４は、コア１２を囲む光学的領域であり、通常、シリカまたはハードクラッドシリカ材料からなる。最後に、非光学的特性を有する被覆１６がクラッド１６を囲む。被覆１６は、シリカ構造（すなわちコアおよびクラッド）を、物理的および環境的損傷から保護する。被覆１６は通常、ポリマー組成物の１つまたは複数の層を含む。
【０００４】
図２は、従来の光ファイバセンシングコイルの一部分の断面図を示す。センシングコイルは、支持巻枠２４の上に巻かれた連続した光ファイバ２２を含む。光ファイバ２２の巻線は、接着材料２６の基材中に埋め込まれる。
【０００５】
図３は、図２の領域３から切り出した、巻かれたコイルの一部分の拡大図を示す。図のように、光ファイバ２２は、コア３０、コア３０の周りのクラッド３２、およびクラッド３２の周りの被覆３４を含む。上述のように、通常、コア３０はシリカからなり、クラッド３２はシリカまたはハードクラッドシリカ材料からなり、被覆３４はポリマー組成物の１つまたは複数の層からなる。
【０００６】
多くの要因がセンシングコイルの性能に影響を及ぼし、したがってセンシングデバイスの性能に影響を及ぼす。例えば、巻かれた光ファイバセンシングコイルの長さと直径の積（ＬＤ積）は、センシングデバイスの感度に影響を及ぼす。一般的に言えば、ＬＤ積が大きいほど、センシングデバイスの感度および安定性が高くなり、ランダムノイズが小さくなる。しかし（より大きなＬＤ積を得るために）ファイバをより長くしまたはループ直径をより大きくすると、コイル体積が大きくなり、センシングデバイスとして、よりかさばったパッケージングが必要になる。
【０００７】
また周知のように、コア材料が、光ファイバの被覆材料と比べて異なる物理特性を有する場合、センシングコイル中に異方的熱応力が誘起され、それによってバイアス誤差が導入され得る。さらに、温度、振動（音響的および機械的）、および磁界などの変数を含めて、環境要因が対向伝播ビーム間の位相シフト差の測定値に悪影響を及ぼし、それによってさらにバイアス誤差を導入し得る。
【０００８】
このような要因によって導入されるバイアス誤差を低減し、それによってセンシングデバイスの精度を高めるための試みとして、様々な対称型のコイル巻線構成が提案されている。例えば、米国特許第４，７９３，７０８号（Fiber Optic Sensing Coil）は、二重極または四重極巻線によって形成される対称型の光ファイバセンシングコイルを教示している。同特許を参照により本明細書に組み込む。また米国特許第６，２１５，９３３号（Bifilar FOG Coil Winding Pattern with Improved Shupe Bias Canceling Properties）は、バイファイラコイル巻線方法を教示している。同特許を参照により本明細書に組み込む。バイファイラコイル巻線方法では、それぞれ最終的なコイルの半分の長さが第１および第２の巻枠に巻かれしたがって各ファイバの中間点が２つの巻枠の間に位置する、平行な２本の同一のファイバを用いる。次いで、四重極または二重極巻線技法を用いて、平行なファイバが一緒に巻かれてコイルが形成される。
【０００９】
しかし、対称型の巻線の利点は認められるが、この望ましい構成は実現が困難であることがわかっており、依然としてセンシングコイルの性能を改善する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、測定誤差を減らし、同じ体積に対してＬＤ積を増加させ、ＬＤ安定性を向上させ、センシングコイルの製造プロセスを簡単にする、改良型の光ファイバセンシングコイル（本明細書では、センシングループとも呼ぶ）を提供する。本発明の光ファイバセンシングコイルは、光ファイバジャイロスコープなどのセンシングデバイス中で用いることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光ファイバセンシングコイルは、無被覆光ファイバを用いて形成される。従来の光ファイバと異なり、無被覆光ファイバはクラッドの周りのポリマー組成物からなる被覆を含まない。すなわち、本発明において用いられる無被覆光ファイバは、基本的にコアおよびクラッドからなる。無被覆光ファイバは、等方的特性を有する均一な材料からなることが好ましい。無被覆光ファイバが巻かれた後、無被覆光ファイバのターンのクラッドは、相互接触箇所で互いに融着される。
【００１２】
本発明のセンシングコイルは、センシングコイルの製造プロセスにおいて、無被覆光ファイバを１つのコイル中で単純なパターンで、一方向すなわち時計方向または反時計方向に巻いて形成することができ、互いに融着させることができる。あるいは、無被覆光ファイバを、１対の巻枠上に単純なパターンで、二方向すなわち時計方向および反時計方向に巻き、次いで巻いてコイルを形成してもよい。巻かれたコイルは、センシングコイル製造プロセスにおいて加熱することにより互いに融着させ、その結果センシングコイル全体でほぼ等方的特性が得られる。
【００１３】
光ファイバセンシングコイルの等方的特性は、バイアス安定性およびスケールファクタにおける測定誤差を大幅に減らす。さらに、本発明のセンシングコイルは、光ファイバのコアと被覆の材料の特性が異なることによる異方的熱応力が存在しないので、単純なパターンで巻くことができる。さらに本発明のセンシングコイルは、無被覆光ファイバを使用することにより、同じ体積に対してＬＤ積が増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、添付の図面中にその例が示されている、本発明の好ましい実施形態について詳細に述べる。
【００１５】
図４は、本発明による光ファイバセンシングコイル４０の透視図を示す。上述のように、光ファイバセンシングコイル４０は、光ファイバジャイロスコープなどのセンシングデバイス用のクリティカルな要素を提供する。使用時には、回転速度を測定すべき台に固定される。センシングコイル４０は、本発明によるコイルの具体的な例である。センシングコイル４０は、円状またはループ状に巻かれ、光ファイバジャイロスコープにおいて共通の光源から放出される１対の対向伝播ビームを受けるための光学的ガイドとして働く、連続した無被覆光ファイバ４３を含む。従来の光ファイバと異なり無被覆光ファイバ４３は、通常ポリマー組成物からなる被覆を含まない。無被覆光ファイバ４３は、コアとクラッドだけを含む。このような無被覆光ファイバを得るために、従来の光ファイバから被覆を剥離することもできる。本発明の無被覆光ファイバは、等方的特性を有する均一な材料からなることが好ましい。無被覆光ファイバ４３は、センシングループ製造プロセスにおいて、１対のエンドフランジ（図示せず）を含む支持巻枠上に巻くことができる。
【００１６】
図５は、本発明の光ファイバセンシングコイル４０の図４の線Ｖ−Ｖで切り取った、巻かれたコイルの一部分を拡大した断面図を示す。図に示すように、無被覆光ファイバ４３は、光ファイバの光伝送領域であるコア５２、およびコア５２の周りのクラッド５４を含む。コアは通常、シリカからなる。クラッドは通常、シリカまたはハードクラッドシリカ材料からなる。無被覆光ファイバ４３が巻かれた後、無被覆光ファイバのターンは、相互接触箇所で互いに融着される。具体的には図５に示すように、無被覆光ファイバのターンのクラッドが、相互接触箇所で互いに融着される。
【００１７】
本発明のセンシングコイルは、無被覆光ファイバを１つのコイル中で単純なパターンで、一方向すなわち時計方向または反時計方向に巻き、熱を加えることによりファイバ素線を融着させて形成することができる。あるいは、無被覆光ファイバを単純なパターンで、二方向すなわち時計方向および反時計方向に巻き、互いに融着させてもよい。図６は、時計方向および反時計方向に巻かれ、それぞれコイル６０およびコイル６２となった無被覆光ファイバを示す。次いで、コイル６０およびコイル６２は、センシングコイルの中央で接合（またはスプライス）される。センシングコイルの中央付近の光ファイバは、コイルの外側の層の光ファイバに相当するようにすることができる。コイルの内側の層は、センシングコイルの中央から最も遠い光ファイバに相当するようにすることができる。あるいは、センシングコイルの中央付近の光ファイバを、コイルの内側の層の光ファイバに相当するようにしてもよい。コイルの外側の層は、センシングコイルの中央から最も遠い光ファイバに相当するようにすることができる。その他の巻線構成を用いることもできる。ファイバ素線を融着させるための熱は、無被覆光ファイバが巻枠に巻かれる際、または巻き付けが完了した後、あるいはこれらの技法の組合せによって、コイル巻線に加えることができる。
【００１８】
従来のセンシングコイルでは、光ファイバの温度が応力の無い基準温度から変化する際、被覆材料とクラッドの温度膨張率の違いにより、光ファイバ中に内部応力が蓄積される。温度変化を受ける光ファイバの長手方向の要素中の軸方向応力の時間に依存する変化は、次のように定義される。
【００１９】
Ｅｉ．  ヤング率
αｉ．  熱膨張係数
Ａｉ．  断面積
Ｎｉ．  垂直（軸方向）応力
τ  時間
δＮｉ．／δτ  垂直（軸方向）応力の変化率（時間微分）
δＴ／δτ  温度の変化率（時間微分）
ｉ．＝１  ガラスクラッド
ｉ．＝２  プラスチック被覆
ガラスクラッド中の応力：
δＮ１／δτ＝［（α２−α１）＊Ｅ１＊Ｅ２＊Ａ２／（Ｅ２＊Ａ２＋Ｅ１＊Ａ１）］＊δＴ／δτ
プラスチック被覆中の応力（負号は圧縮荷重を意味する）：
δＮ２／δτ＝［（α１−α２）＊Ｅ１＊Ｅ２＊Ａ１／（Ｅ２＊Ａ２＋Ｅ１＊Ａ１）］＊δＴ／δτ
ファイバの光学的部分（すなわちクラッド）と被覆の相互作用を取り除くと、センシングコイルの全体的な安定性が改善する。これはセンシングコイルの等方的特性の直接の結果である。すなわち、センシングコイルは温度と共に、すべての方向に同じ率で膨張する。例えば、Ｘｐｐｍ／℃の率で膨張する被覆と、１ｐｐｍ／℃未満の率で膨張するガラスクラッドからなる、従来型の光ファイバの単一ループを考える。被覆はガラスクラッドよりもＸ倍速く膨張するため、被覆はガラスクラッドを引っ張ろうとし、それによって光ファイバに応力が誘起される。この問題は、光ファイバの複数のループが一体のコイルに形成される場合、より複雑になる。光ファイバが隣接する光ファイバによって拘束されている状況では、被覆はガラスよりもずっと速く膨張する。被覆とガラスクラッドの相互作用により、光ファイバに顕著な量の応力が加わり得る。それとは異なり、無被覆光ファイバを使用する本発明では、光ファイバの単一のループは、応力を受けることなく、拘束されずに膨張することができる。コイルが単一の材料からなり等方的に膨張するので、複数のループが１つのコイルに形成される場合でさえも光ファイバは拘束されずに膨張することができ、光ファイバは応力を受けない。
【００２０】
要約すると、本発明のセンシングコイルは、好ましくは、等方的特性を有する無被覆光ファイバを用いて形成される。光ファイバセンシングコイルの等方的特性は、バイアス安定性およびスケールファクタにおける測定誤差を大幅に低減させ、それによってセンシングデバイスの精度を高める。さらに、誘起される異方的熱応力を補償するための複雑な巻線構成の使用は必要なく、それによって製造プロセスが簡単になる。
【００２１】
さらに、接着材料およびファイバのポリマー被覆を用いないため、センシングコイルの体積を小さくすることができる。また、無被覆光ファイバを用いることにより、従来の被覆された光ファイバを用いる場合に比べて、同じ体積に対してセンシングコイルのＬＤ積が増加し、それによってセンシングデバイスの安定性が向上する。
【００２２】
上述のように、本発明の光ファイバセンシングコイルは、光ファイバジャイロスコープおよび類似の光学的デバイス中で使用することができる。
【００２３】
上記の本発明の好ましい実施形態についての開示は、例示および説明のために示したものである。これは網羅的であることを意図したものではなく、あるいは本発明を開示された通りの形に限定することを意図したものでもない。上記の開示に照らして、当業者には、本明細書に記載された実施形態の多くの変形形態および変更形態が明らかであろう。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその等価物によってのみ定義されるものとする。
【００２４】
さらに、本発明の代表的な実施形態を説明する際に、本明細書は本発明の方法および／またはプロセスを、具体的なステップのシーケンスとして示した場合がある。しかし、方法またはプロセスが、本明細書に記載の具体的なステップの順序に依存しない限り、方法またはプロセスは説明した具体的なステップのシーケンスに限定されるべきではない。当業者には理解されるように、他のステップのシーケンスも可能である。したがって、本明細書に記載の具体的なステップの順序は、特許請求の範囲を制限するものと解釈されるべきではない。さらに、本発明の方法および／またはプロセスを対象とする特許請求の範囲は、記載の順序でそれらのステップを実施することに限定されるべきではなく、シーケンスを変更しても本発明の趣旨および範囲に含まれたままとなり得ることは、当業者には容易に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の光ファイバの、断面図である。
【図２】従来技術によるセンシングコイルの層になった巻線の断面図である。
【図３】図２の領域３で切り取った、巻かれたセンシングコイルの一部分の拡大図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態によるセンシングコイルの透視図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態による図４の線Ｖ−Ｖで切り取ったセンシングコイルの一部分の拡大断面図である。
【図６】本発明の好ましい実施形態による、二方向に巻かれた光ファイバの透視図である。
【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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【図６】
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【国際調査報告】
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