(57)【要約】      （修正有）【課題】環境因子からのコイルの応力を最小にしながら、感知コイルの円筒状の内表面を支持構造体の円筒状の外表面に取り付ける簡単な方法及び感知コイル組立体を提供する。【解決手段】装着構造体の相方表面に予め形成された接着剤を付着させる工程（１１０）と、予め形成された接着剤を介して装着構造体の相方表面に感知コイルの内表面を結合する工程（１２）とを有する。相方表面は、実質上円筒状又は円錐状である。感知コイル組立体は、相方表面を備えたハブ（２２）と、相方表面の少なくとも一部を取り囲む内表面を有する光学繊維コイル（１４）と、相方表面を内表面に付着させるための予め形成された接着剤パターン（１０）とを有する。ハブの相方表面は実質上円筒状又は円錐状である。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学繊維ジャイロスコープの感知コイルを装着構造体に取り付ける方法であって、
第１及び第２の端部並びに軸線を有する装着構造体の、第１及び第２の端部間で軸線のまわりに延びる放射状の相方表面に、予め形成した接着剤を付着させる付着工程（１１０）；及び
予め形成された接着剤を介して装着構造体の相方表面に感知コイルの内表面を結合する結合工程（１２０）；を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記結合工程の前に、感知コイルの内表面と装着構造体の相方表面との間の間隙を決定する工程を更に含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
前記予め形成された接着剤が間隙に実質上等しいか又はそれよりも大きな所定の厚さを有することを特徴とする請求項２の方法。
【請求項４】
前記付着工程の前に、装着構造体の相方表面をクリーニングする工程（１０５）を更に含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項５】
前記結合工程の前に、感知コイルの長手軸線を装着構造体の長手軸線に整合させる工程（１１５）を更に含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項６】
前記付着工程が装着構造体に対して予め形成された接着剤を所定の予荷重で圧縮する工程を含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項７】
前記予め形成された接着剤が圧力感応性接着剤及び粘弾性湿潤ポリマーのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項８】
前記相方表面が実質上円筒状の表面及び実質上円錐状の表面のうちの１つから選択されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項９】
前記付着工程の前に装着構造体の半径方向の寸法を減少させる工程；
付着工程の後に装着構造体の半径方向の寸法を元の寸法に戻す工程；を更に含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１０】
光学繊維ジャイロスコープのための感知コイル組立体であって、
第１及び第２の端部と、軸線と、第１及び第２の端部間で軸線のまわりを延びる放射状の相方表面と、を有するハブ（２２）と；
相方表面の少なくとも一部を取り囲む内表面を有する光学繊維コイル（１４）と；
相方表面を内表面に付着させる予め形成された接着剤パターン（１０）と；
を含むことを特徴とする感知コイル組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に光学繊維ジャイロスコープ装置（fiber optic gyroscope systems）に関し、特に光学繊維ジャイロスコープ装置に感知コイルを取り付ける取り付け装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロスコープは軸線のまわりでの回転率（rotation rates）即ち回転変化を測定するために使用されている。基本的な従来の光学繊維ジャイロスコープ（ＦＯＧ）は光源と、ビーム発生装置（例えばビームスプリッタ）と、ビーム発生装置に結合され、領域を取り囲む光学繊維のコイルとを有する。ビーム発生装置は光源で発生した光ビームを光学繊維のコイルに伝達し、これらの光ビームは光学繊維のコイルに沿って右回り（ＣＷ）方向及び左回り（ＣＣＷ）方向に伝播する。２つの反対方向（例えばＣＷ及びＣＣＷ）に伝播するビームは、回転する経路のまわりで伝播する間に、異なる経路長さを体験し、２つの経路長さ間の差は、２つの反対方向に伝播するビーム間で、回転率に比例する位相差を生じさせる。
【０００３】
[0003]多くのＦＯＧは、低損失及び低歪で、長い距離にわたって繊維のコアに沿って光を導くためにガラスを基礎とする光学繊維を利用する。この光学繊維はポリマージャケット即ちバッファにより取り囲まれたガラス／シリカコアを有し、コイルのような円筒状構造体となるように巻かれることができ、感知コイルを形成するように円筒状のハブのようなコイル支持構造体に取り付けられる。ハブ及び光学繊維コイルは共に中心軸線のまわりで指向する実質上円筒状の構造体であり、ハブは光学繊維コイルの半径よりも相対的に小さな半径を有する。光学繊維コイルをハブに付着させるために、ハブの外表面と光学繊維コイルの内表面との間の接着剤コーティングを使用することができる。
【０００４】
[0004]光学繊維が複合構造体であるので、ガラス／シリカコア及びポリマーバッファの各々は種々の環境因子に対して異なって応答することがあり、そのため、２つの反対方向に伝播する波間の経路長さの差に悪影響を及ぼす。これらの環境因子のうちには、感知コイルの出力が回転により誘起される位相差とは区別できない２つの反対方向に伝播する波間の位相差を生じさせるような２つの反対方向に伝播する波の位相間にバイアスを生じさせることのある温度及び機械的な歪が含まれる。作動中に、ＦＯＧは変動する大気温度を有する環境内に配置することができる。
【０００５】
温度変化は２つの方法で感知コイルに影響を及ぼす：第１には、感知コイルは異なる熱膨張の結果として機械的な歪を受け；第２には、光学繊維の光伝達特性は温度に従って変化する。ガラス／シリカコアとポリマーバッファとの間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の不均衡は光学繊維コイルの長手方向の膨張よりも遥かに大きな光学繊維コイルの横断方向の膨張を生じさせることがある。光学繊維コイルの非対称構造のため、光学繊維のガラス／シリカコアにより抑制される光学繊維コイルの半径方向の膨張はポリマーバッファの大きなＣＴＥにより支配される光学繊維コイルの軸方向の膨張よりも著しく小さくなる。更に、光学繊維コイルの外径は一般に光学繊維コイルの中心軸線から離れるように半径方向に膨張し、一方、光学繊維コイルの内径は一般に光学繊維コイルの中心軸線に近づくように半径方向に膨張する。
【０００６】
[0005]光学繊維コイルの膨張に加えて、ハブはまた温度変動に応答して膨張することがある。例えば、等方性の材料で作ったハブは中心軸線に関して軸方向及び半径方向の双方において比較的均一に膨張することができる。その結果、光学繊維コイル及びハブの双方が膨張するような温度変化にＦＯＧが曝されたとき、ハブは光学繊維コイルよりも一層速く半径方向に膨張し、全体として、光学繊維コイル上に応力を加える。更に、光学繊維コイルの内径の反対の膨張方向に対するハブの半径方向の膨張は、これらの素子間の重大な機械的干渉を生じさせることがあり、コイル構造体内に応力を発生させるような、光学繊維コイルのインターフェイス（境界面）で生じる外向きの半径方向の圧力を生じさせる。
【０００７】
[0006]ハブの外方への半径方向の膨張及び光学繊維コイルの内径の内方への半径方向の膨張を許容するように歪む迎合的な接着剤を使用すると、光学繊維コイル上のこのような応力を最小にすることができる。接着剤がハブ材料よりも柔らかい場合、光学繊維コイル内に誘起される応力は膨張しているハブのみにより誘起される応力よりも実質上小さい。接着剤材料の軸方向の圧縮に関連する静圧圧力は、接着剤材料の過度弾性特性により及び接着剤のまわりの利用できる自由領域により許される程度まで、横方向においてその膨張を通して解放される。
【０００８】
[0007] 迎合的な接着剤を施す１つの方法は、装着構造体（例えばコイルハブ）の小さなオリフィスを通して常温加硫接着剤（ＲＴＶ）のような液体接着剤を射出することである。典型的には、ＲＴＶ接着剤は、最初に混合され、次いで、制御されたノズルを介して装着構造体の底表面のオリフィスを通して手動で射出される２物質接着剤である。硬化期間に続き、２物質接着剤は再度準備され、次いで、制御されたノズルを介して装着構造体の頂表面のオリフィスを通して手動で射出される。感知コイル装着工程は別の硬化期間の後に完了する。ＲＴＶ接着剤の硬化期間とＲＴＶ接着剤を射出する手動の労力との組合せは、一般にかなりの処理時間を消費する。
【０００９】
[0008]かなりの処理時間に加えて、従来のコイルハブの製造は一般的に厳しい労働である。繊維バッファの直径の小さな変化は蓄積することがあり、１つの光学繊維コイルから別の光学繊維コイルへのコイル高さに大きな変化を生じさせることがある。一般に、光学繊維コイルはコイルの製造後に評価され、このような光学繊維コイルを支持するコイルハブはコイルに対してあつらえるように寸法決めされる。典型的には、コイルハブは予め機械加工され、次いで、光学繊維コイルの評価後に再度機械加工される。コイルハブのこのあつらえ用の機械加工はＦＯＧの製造工程を複雑にする。更に、光学繊維コイルの円筒状の内表面をコイルハブの円筒状の外表面に装着するとき、これらの表面間の間隙が装着工程を更に複雑にすることがある。例えば、ハブと感知コイルとの間の間隙が不十分な場合は、ハブの円筒状の外表面に施されるＲＴＶ接着剤は装着工程中にかすれることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
[0009]従って、光学繊維ジャイロスコープにおいて、環境因子からのコイルの応力を最小にしながら、感知コイルの円筒状の内表面を支持構造体の円筒状の外表面に取り付けるための複雑ではない方法を提供することが望ましい。更に、環境因子からのコイルの応力を減少させる状態で最小の製造工程を有する光学繊維ジャイロスコープのための感知コイル組立体を提供することが望ましい。更に、本発明の他の望ましい特質及び特徴は、添付図面及び本発明の背景技術に関連して行う、本発明の以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
[0010]光学繊維ジャイロスコープのための感知コイル組立体、及び、光学繊維ジャイロスコープにおいて感知コイルを装着構造体（mounting structure）に取り付けるための方法が提供される。例示的な実施の形態においては、方法は装着構造体の放射状の相方表面（radial mating surface）に、予め形成した接着剤を付着させる工程と、予め形成された接着剤を介して装着構造体の相方表面に感知コイルの内表面を結合する工程とを有する。装着構造体は第１及び第２の端部と、軸線とを有し、放射状の相方表面は第１及び第２の端部間で軸線のまわりに延びる。
【００１２】
[0011]別の例示的な実施の形態においては、感知コイル組立体は第１及び第２の端部と、軸線と、放射状の相方表面とを有するハブと；相方表面の少なくとも一部を取り囲む内表面を有する光学繊維コイルと；相方表面を内表面に付着させる予め形成された接着剤パターンと；を有する。放射状の相方表面は第１及び第２の端部間で軸線のまわりを延びる。
【００１３】
[0012]更に別の例示的な実施の形態においては、方法は感知コイルの内表面と装着構造体の外表面との間の間隙を決定する工程と、感知コイルの内表面に予め形成された接着剤を付着させる工程と、予め形成された接着剤を介して装着構造体の外表面を感知コイルの内表面に結合する工程とを有する。予め形成された接着剤は間隙に実質上等しいか又はそれよりも大きな所定の厚さを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
同様の符号は同様の素子を示す添付図面を参照して、本発明を以下に説明する。[0020]本発明の以下の詳細な説明は本質的に単なる例示であって、本発明又は本発明の応用及び使用を限定する意図のものではない。更に、本発明の先に述べた背景技術又は本発明の以下の詳細な説明において提示されるいかなる理論によっても束縛されない。
【００１５】
[0021]ここで図面を参照すると、図1は本発明の例示的な実施の形態に係る光学繊維ジャイロスコープ（ＦＯＧ）のための予め形成された接着剤パターン１０の立面図である。予め形成された接着剤パターン１０は、種々の実質上均一のパターンとして予め形成された（例えば、乾燥粘弾性湿潤ポリマーの層から予め切断した）両面乾燥粘弾性湿潤ポリマー又は他の圧力感応性材料で構成される。この例示的な実施の形態においては、予め形成された接着剤パターン１０は接着剤ドット１２の実質上均一のアレイ即ち列である。
【００１６】
予め形成された接着剤パターン１０は、接着剤の両面を保護し、感知コイル又はコイルハブ上に接着剤パターンを配置する補助を行うための裏材（例えば、頂部及び（又は）底部の裏材）を有することができる。例えば、予め形成された接着剤パターン１０は、裏材を使用し、一方の裏材を除去することにより感知コイル又はコイルハブに取り付けられる単一のユニットとして操作することができる。予め形成された接着剤パターン１０の裏材は、接着剤パターンを感知コイル及び（又は）コイルハブに施す前に、接着剤を露出させるように除去される。
【００１７】
[0022]図2は本発明の例示的な実施の形態に係る感知コイル１４及び予め形成された接着剤パターン１０の頂面図である。図3は図2に示す感知コイル１４及び予め形成された接着剤パターン１０の断面図である。感知コイル１４は、ガラス媒体から作った巻かれた光学繊維である。光学繊維は内側のガラスコアと、外側のガラスシェルとを有し、内側のガラスコア及び外側のガラスシェルは異なる光屈折率を有する。ポリマーコーティング又はジャケットは欠陥から外側のガラスの表面を保護するために外側のガラスを覆う。
【００１８】
一般に、光学繊維は、感知コイル１４を形成するように、ボビン上に特殊に巻かれ、接着され、硬化されるが、光学繊維から感知コイル１４を製造するために他の方法を使用することができる。感知コイル１４は光学繊維の比較的厚い円筒状の壁を有し、予め形成された接着剤パターン１０を介してコイルハブに結合するための実質上円筒状の内表面１６を有する。この例示的な実施の形態においては、予め形成された接着剤パターン１０は感知コイル１４の内表面１６に付着される。
【００１９】
[0023]図4は本発明の例示的な実施の形態に係る感知コイル組立体２０の頂面図である。図5はＡ−Ａ線における図4に示す感知コイル組立体２０の断面図である。感知コイル組立体２０はコイルハブのような支持構造体２２を有し、感知コイル１４は支持構造体２２の少なくとも一部を取り囲み、予め形成された接着剤パターン１０は感知コイル１４を支持構造体２２に付着させる。支持構造体２２は第1及び第2の端部２８、３０と、軸線１８と、支持構造体２２の端部間で軸線１８のまわりに延びる放射状の装着表面２４即ち相方表面とを有する。例示的な実施の形態においては、支持構造体２２は予め形成された接着剤パターン１０を介して感知コイル１４と結合するようになった実質上円筒状の外側装着表面２４を備えた実質上円筒状の壁２６を有する。
【００２０】
代わりの実施の形態においては、支持構造体２２は、実質上円錐状の相方表面を備えた実質上円錐状の壁のような、支持構造体の一端から支持構造体の他端に向かって減少する直径を持つ相方表面を有する。感知コイル組立体２０を形成するように組み合わされたとき、感知コイル１４及び支持構造体２２の双方は円筒状の壁２６の軸線１８のまわりで指向する（例えば、感知コイル１４は支持構造体２２と同軸になる）。
【００２１】
[0024]支持構造体２２は種々の材料から作ることができる。例示的なハブ材料は、これらに限定されないが、チタンのような金属合金；銅タングステン又は銅モリブデンのような、粉末冶金を使用して作られた焼結された金属複合体；巻かれたガラス繊維／エポキシフィラメントのような複合材料；ボロン、ケイ素、カーバイド及び黒鉛のようなセラミックで補強された金属のような金属マトリックス複合体；セラミック；及び上述の材料のうちの任意の材料で作られた複合体を含む。ハブ材料の選択は、部分的に、ＦＯＧの特定の応用に基づくことができ、特定の応用を最適化するために接着剤及び支持構造体２２の選定に影響を与えることがある。
【００２２】
[0025]この例示的な実施の形態においては、予め形成された接着剤パターン１０は感知コイル１４の内表面１６と支持構造体２２の外側装着表面２４との間に位置する。予め形成された接着剤パターン１０は、支持構造体２２の外側装着表面２４への付着時に、所定の圧縮により予め負荷することができる。予め形成された接着剤パターン１０は、例えば温度変動による膨張及び収縮中に感知コイル１４に作用することのある反力荷重を大幅に減少させ、それによって、感知コイル１４の歪みを最小化する。更に、予め形成された実質上液体ではない接着剤パターンを使用すると、感知コイル１４を支持構造体２２に取り付ける処理時間が大幅に減少する。例えば、予め形成された接着剤パターン１０を支持構造体２２の外側装着表面２４に付着させることにより、感知コイル１４と支持構造体２２との整合（例えば、軸方向の整合）の後に、装着中に、支持構造体２２を感知コイル１４内に挿入することができる。
【００２３】
[0026]図6は本発明の例示的な実施の形態に係る光学繊維ジャイロスコープにおいて支持構造体に感知コイルを取り付ける方法を示すフローチャートである。図5、６を参照すると、方法はステップ１００において開始する。ステップ１０５において、支持構造体２２の外側装着表面２４及び感知コイルの内表面１６はクリーニングされ、予め形成された接着剤パターン１０の適用のための準備を行う。ステップ１１０において、予め形成された接着剤パターン１０が外側装着表面２４に適用即ち付着される。予め形成された接着剤パターン１０の片面の裏材を除去して接着剤を露出させ、一方、予め形成された接着剤パターン１０の他面の裏材は予め形成された接着剤パターン１０の適用中に接着剤を保護する。予め形成された接着剤パターン１０は所定の圧縮（例えば、０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）の圧縮深さ）により予め負荷することができる。
【００２４】
外側装着表面２４への予め形成された接着剤パターン１０の適用後、残りの裏材を除去する。ステップ１１５において、感知コイル１４は軸方向で整合させられる（例えば、支持構造体２２の円筒状の壁２６の軸線１８と整合させられる）。ステップ１２０において、支持構造体２２の外側装着表面２４は予め形成された接着剤パターン１０を介して感知コイル１４の内表面１６に結合即ち付着される。ステップ１２０の前に、感知コイル１４の内表面１６と支持構造体２２の外側装着表面２４との間の間隙を決定することができる。予め形成された接着剤パターン１０はこの間隙に基づく所定の厚さを有することができる。更に、支持構造体２２の半径方向の寸法はステップ１２０の前に減少させることができ、支持構造体２２の半径方向の寸法はステップ１２０の後に元の寸法に戻すことができる。
【００２５】
例えば、支持構造体２２の半径方向の寸法（例えば、外側装着表面２４の直径）は（例えば、液体窒素、非腐食性の冷却剤等を使用して）支持構造体２２を冷却することにより減少させることができ、（例えば大気加熱等を介して）支持構造体２２を暖めることにより元の寸法に戻すことができる。代わりに、感知コイル１４の半径方向の寸法はステップ１２０の前に（例えば大気加熱等を介して）増大させることができ、感知コイル１４の半径方向の寸法はステップ１２０の後に元の寸法に戻すことができる。
【００２６】
[0027]本発明の上述の詳細な説明において少なくとも1つの例示的な実施の形態を提示したが、多数の変形例が存在することを認識すべきである。また、例示的な実施の形態（単数又は複数）は単なる例であり、いかなる意味においても本発明の要旨、応用性又は形状を限定する意図のものではないことを認識すべきである。むしろ、上述の詳細な説明は、当業者に対して、本発明の例示的な実施の形態を履行するためのロードマップを提供する。特許請求の範囲で規定するような本発明の要旨から逸脱することなく、例示的な実施の形態において説明した素子の機能及び構成について種々の変更が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】[0014]本発明の例示的な実施の形態に係る光学繊維ジャイロスコープのための予め形成された接着剤パターンの立面図である。
【図２】[0015] 本発明の例示的な実施の形態に係る感知コイル及び予め形成された接着剤パターンの頂面図である。
【図３】[0016]図2に示す感知コイル及び予め形成された接着剤パターンの断面図である。
【図４】[0017] 本発明の例示的な実施の形態に係る感知コイル組立体の頂面図である。
【図５】[0018]Ａ−Ａ線における図4に示す感知コイル組立体の断面図である。
【図６】[0019] 本発明の例示的な実施の形態に係る光学繊維ジャイロスコープにおいて支持構造体に感知コイルを取り付ける方法を示すフローチャートである。
【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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【外国語明細書】
2007139775000001.pdf