DE3240023A1

DE3240023A1 - Oszillierender antriebsmechanismus

Info

Publication number: DE3240023A1
Application number: DE19823240023
Authority: DE
Inventors: John Albert Bracknell Berkshire Geen; Peter Charles Staines Middlesex Ridgway
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1981-10-28
Filing date: 1982-10-28
Publication date: 1983-05-26
Also published as: GB2111297B; US4565941A; GB2111297A; FR2515073A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen oszillierenden Antriebsmechanismus für ein anzutreibendes Bauteil, mit einem Biegungselement mit e lern ersten Abschnitt, der starr an einem Festpunkt befestigbar ist, gegenüber dem das Bauteil angetrieben werden soll, und mit einem zweiten Abschnitt, der starr an dem Bauteil befestigbar ist.

Eine derartige Antriebsvorrichtung kann für beliebige Bauteile verwendet werden, wird jedoch im folgenden unter spezieller Bezugnahme auf den Fall beschrieben, bei dem das Bauteil durch einen Ringlaser-Kreisel gebildet wird.

Wie dies gut bekannt ist, verwendet ein Ringlaser zwei Lichtstrahlen, die sich in entgegengesetzten Richtungen um den Ring oder den sogenannten Hohlraum herum ausbreiten. Der Hohlraum weist typischerweise eine dreieckige oder rechteckige Form auf und er kann von modularer oder einstückiger Konstruktion sein. Bei einem modular aufgebauten Ringlaser ist ein Schenkel oder ein Teil hiervon durch einen Laser gebildet, der die sich gegensinnig ausbreitenden Lichtstrahlen erzeugt, die im übrigen Teil des Ringes über Brewster-Vinkel-Fenster weitergeleitet werden. Bei einem einstückigen Hohlraum stehen die Schenkel des Ringes direkt miteinander in Verbindung und der Ring ist mit einem Lasermedium gefüllt, das die gewünschten, sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Lichtstrahlen erzeugt.

In einem idealen Ringlaser ist die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen gleich Null, wenn der Ring

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stationär ist. Diese Frequenzdifferenz weicht jedoch von Null ab, wenn der Ring um eine Meßachse gedreht wird, die eine Achse ist, die sich unter rechten Winkeln zur Ebene des Ringes erstreckt. Entsprechend ist die Frequenzdifferenz zwischen den beiden sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Lichtstrahlen proportional zur Winkeldrehgeschwindigkeit des Ringes um die Meßachse. Ein Ringlaser kann daher als Wendekreisel oder Drehgeschwindigkeitskreisel arbeiten. Bei praktisch ausgeführten Ringlasern ergeben sich jedoch viele Män_ .Ί, die die Betriebseigenschaften verschlechtern, und der Hauptteil dieser Mängel steht in irgendeiner Weise mit der Lichtmenge in Verbindung, die in den sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Lichtstrahlen beim Durchlaufen des Ringes verloren geht. Einer der am stärksten wirksamen und damit am schwierigsten zu beherrschenden Effekte besteht im sogenannten "Einrasten", das durch Licht hervorgerufen wird, das von jedem Strahl gestreut wird und mit dem entgegengesetzten Strahl in Wechselwirkung tritt, so daß die Frequenzdifferenz bei niedrigm Drehgeschwindigkeiten unterdrückt wird und diese Frequenzdifferenz direkt oberhalb dieser Einrastfrequenz nicht-linear wird.

Bei einem Ringlaser-Kreisel werden die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Lichtstrahlen um den Ring herum durch Spiegel umgelenkt, die an den Übergangspunkten zwischen benachbarten Schenkeln des Ringes angeordnet sind. Normalerweise ist einer dieser Spiegel teildurchlässig, so daß ein Teil jedes Strahls durch diesen Spiegel hindurchläuft und einen Ausgangslichtstrahl bildet, wobei die beiden Ausgangslichtstrahlen kombiniert

werden, tun Xnterferenzstrelfen zu bilden,, die von einem Fotodetektor gezählt werden«, Die Int er f er enz streif enzähl"ung ist direkt zum Gesamtwinkel proportional, um den sich der Hinglaser gedreht hat, vorausgesetzt, daß die "beiden Lichtstrahlen vollständig voneinander entkoppelt sind» Das Verhältnis der Interferenzstreifenzählung pro Drehwinkeleinheit ist als Maßstabsfaktor bekannt. Als Ergebnis des Einrastens treten keine Interferenzstreifen unterhalb des Einrastschwellwertes auf und der Maßstabsfaktor ist für einen Bereich von Drehgeschwindigkeiten oberhalb des Einrastschwellwertes nicht-linear. Diese beiden letztgenannten Erscheinungen beeinträchtigen in schwerwiegender Weise die Genauigkeit des Ringlaser-Krei-Is.

Ein Verfahren zur Beseitigung der Einrastprobleme besteht darin, dem Ringlaser eine derartige Torspannung zu erteilen, daß eine nicht-reziproke Phasenverschiebung in die beiden sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Lichtstrahlen eingeführt wird. Es wurden verschiedene Vorspanntechniken entwickelt, die von einer mechanischen Anordnung (die als "Schwinger" bekannt ist), die den gesamten Ringlaser mit kleiner Amplitude in Schwingungen versetzt, bis zu magnetooptischen Anordnungen reichen, die keine mechanische Oszillation des Ringlasers erfordere Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ringlaser unter Verwendung der Schwinger-Vorspanntechnik.

Bei dem Schwinger-Vorspannverfahren wird der Hohlraum um seine Meßachse herum in ein© oszillierende Bewegung versetzt. Die Amplitude und die Frequenz der oszillierenden Bewegung sind ausreichend, damit sichergestellt ist, daß

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die momentane Winkelgeschwindigkeit des Hohlraumes abgesehen von einem kleinen Bruchteil der Betriebsperiode oberhalb des Einrastschwellwertes liegt. Die gerätemäßige Ausführung dieser oszillierenden Winkelbewegung ist jedoch aufgrund verschiedener Faktoren kompliziert.

Erstens ist der Bereich der Laser-Lichtstrahlbahn durch Forderungen hinsichtlich der Betriebseigenschaften des Ereiselgerätes festgelegt, so daß die Geometrie des Binges oder des Hohlraumes und damit die Masse und die Trägheit des Hinges festgelegt ist. Die Frequenz und die Amplitude können gegeneinander abgewogen werden, um die erforderliche Winkelgeschwindigkeit zu erzielen, doch erfordert der Systembetrieb in vielen Fällen, daß die gewählte Frequenz im Bereich von 100 bis 300 Hz liegt, so daß eine typische Forderung darin besteht, ein System zu schaffen, das einen Hohlraum mit einer Trägheit in der

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Größenordnung von 5000 kg·mm bei einer Amplitude von +, 5 Bogenminuten mit einer Frequenz von 200 Hz in Schwingung versetzen kann. Der Effektivwert der Bewegungsenergie beträgt ungefähr 5 mJ· Die oszillierende Bewegung ist hinsichtlich der Geschwindigkeit ideal eine Rechteckschwingung, doch bedingen Energiebegrenzungen zwingend eine sinusförmige Bewegung.

Zweitens ist die oszillierende Bewegung lediglich um die-Schwingachse des Ringes erforderlich. Es ist daher erforderlich, den Hohlraum hinsichtlich seiner anderen Freiheitsgrade Zwangskräften zu unterwerfen, damit die Stabilität der Ausrichtung der Meßachse aufrechterhalten wird.

Die doppelte Forderung einer festen Frequenz; und eines hohen Spitzendrehmomentes hat zu einer Konstruktion geführt j, die auf dem Reeonanzansprechverhalten eines abgestimmten Feder-/2!ragheits-Systems beruht» Bei einem derartigen System ist der Ring auf einer Aufhangung gelagert j die eine freie ¥inkelbewegung um eine Achse, jedoch keine freie Bewegung um irgendwelche anderen Achsen zuläßt=. Eine Bewegung entlang der freien Achse ist Federzwangskräften proportional zur Auslenkung aus der Ruhestellung unterworfen^ Die Bewegung ist eine einfache harmonische Bewegung j wobei die Eigenfrequenz von der Federsteif igkeit und dem Trägheitsmoment des Ringes abhangt.

Ein bekanntes Aufhängungssystem weist zwei Federn auf, die konzentrisch auf jeweiligen Seiten eines Ringes oder des Hohlraumblocköa befestigt sind» Jede Feder weist die Form eines Rades auf, dessen äußerer Kranz an dem Hohlraum befestigt ist, während eine innere Nabe au einer Welle befestigt ist, die starr mit einem relativ massiven Basisteil verbunden ist«, Der Kranz und die Habe sind über eine Yielzahl von sich in Radialrichtung erstreckenden Speichen miteinander verbunden. Die Speichen sind dünne geschichtete feile, deren Mittelebenen koplanar zur Schwingachse sind«. Die Federsteif igkeit ist eine Funktion der Federgeometrie und der mechanischen Eigenschaften des Materials, aus dem die Feder hergestellt ist. Die Abmessung der Speichen in der allgemeinen Sichtung der gewünschten Bewegung des Hohlraumes kann so gewählt werden, daß sich die erforderliche Steifigkeit für eine Winkelbewegung des Hohlraumes um die Polarachse ergibt, während die Abmessung unter rechten Winkeln hierzu derart sein kann, daß sich eine hohe Steifigkeit in anderen

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Eichtungen ergibt. Die Federn können mit Hilfe irgendeines Verfahrens in Schwingungen versetzt werden_; doch besteht ein bekanntes Verfahren darin, daß an einer oder mehreren Speichen ein piezoelektrisches Element angebracht wird. Das oder jedes piezoelektrische Element wird so angesteuert, daß es versucht, seine Länge in Sichtung der Speiche zu ändern, so daß eine Kraft durch das Material übertragen wird, das das piezoelektrische Element mit der zugehörigen Speiche verbindet, mit dem Endergebnis, daß sich die Speiche leicht über die Länge des piezoelektrischen Elementes biegt. Wenn das oder jedes piezoelektrische Element unter Verwendung einer Wechselspannung mit einer Frequenz angesteuert wird, die auf die Eigenfrequenz der Bewegung des Hohlraumes abgestimmt ist, so verstärkt sich die Bewegung des Hohlraumes bis zu einem Spitzengrenzwert, der von der Güte Q des Systems abhängt.

Bei diesem bekannten. System sind die Betriebseigenschaften aus zwei Gründen beeinträchtigt. Erstens ist die Amplitude der Schwingungsbewegung aufgrund der schlechten Kopplung der Energie klein und die Güte Q des Systems ist relativ niedrig, typischerweise im Bereich von 50 bis 100. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Hauptursache für die niedrige Güte Q der Energieverlust in dem Material ist, das die piezoelektrischen Elemente mit den jeweiligen Speichen verbindet, wobei dieses Verbindungsmaterial typisch ein Epoxy-Harz ist. Die wiederholten Zugspannungs-/Kompressions-Zyklen des visko-elastischen Verbindungsmittels weisen eine Hysterese auf und sind daher verlustbehaftet. Die Verwendung von stärkeren festeren Verbindungsmitteln, wie beispielsweise metallischen oder

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anderen nicht-metallischen Yerbindungsmitteln, führt, wie dies festgestellt wurde, zu-einer höheren Güte Q für das System, doch weisen derartige Terbindungsinittel leider eine kurze Lebensdauer auf, weil sich ein Ausfall der Yerbindungen als Ergebnis der wiederholten Zugspannungs-/ Kompressions-Zyklen ergibt»

Sine eingehend durchgeführte Überprüfung des Schwingsystems hat gezeigt, daß hierbei drei unterschiedliche Funktionen auftreten_s nämlichj

.1. die Halterung und Befestigung des Hinges oder Hohlraumes mit einem Winkel-Freiheitsgrad,

2» ein resonantes Feder~/Trägheits-Systein, 3 .■ ein Erregungssystem <=

Bei den bekannten, vorstehend erläuterten Systemen ergibt sich keine Trennung dieser einzelnen Funktionen, weil das Erregungsverhalten durch die Anordnung der piezoelektrischen Elemente an den federnden Speichen verschlechtert wurde, die das resonante Federsystem bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oszillierenden Antriebsmechanismus der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die einzelnen Funktionen derart sind, daß sich keine Wechselwirkung mit anderen Funktionen ergibt, so daß die Güte des Systems insgesamt verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelost.

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Vorteilhafte Ausgestaltungen, und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Entsprechend einem Grundgedanken der Erfindung wird ein oszillierender .Antriebsmechanismus für ein anzutreibendes Bauteil geschaffen, der ein Biegungselement mit einem ersten Abschnitt, der starr an einem Pestpunkt befestigbar ist, gegenüber dem das Bauteil angetrieben werden soll, und mit einem zweiten Abschnitt, der starr an dem Bauteil befestigt ist, aufweist, wobei die ersten und zweiten Abschnitte miteinander über einesoder mehrere erste Verbindungsteile, die in der Hauptsache die Federcharakteristik des Biegungselementes bestimmen, und eines oder mehrere zweite Verbindungsteile miteinander verbunden sind, die eine Abmessung allgemein in Richtung des Antriebes aufweisen, die kleiner als die entsprechende Abmessung des oder jedes ersten Verbindungsteils ist, wobei an zumindest einem der zweiten Verbindungsteile Antriebseinrichtungen befestigt sind, die bei einer Ansteuerung das zugehörige zweite Verbindungsteil biegen, wodurch dieses den zweiten Abschnitt des Biegungselementes gegenüber dem ersten Abschnitt bewegt und damit das anzutreibende Bauteil in Schwingungen versetzt.

Der Antriebsmechanismus kann die Form eines Rades aufweisen, wobei entweder der erste Abschnitt oder der zweite Abschnitt die Nabe bildet, während der jeweils andere Abschnitt einen allgemein am Umfang verlaufenden (Teil des Rades bildet, und wobei die ersten und zweiten Verbindungsteile Speichen bilden und sich allgemein radial zwischen der Nabe und den Umfangsteilen erstrecken. Vorzugsweise weist die oder jede Antriebseinrichtung die Form

eines piezoelektrischen Elementes auf.

Eine Anordnung entsprechend diesem Grundgedanken der Erfindung ermöglicht die Verwendung von (in der allgemeinen Antriebsrichtung gesehen) relativ dünnen Verbindungsteilen, die relativ leicht angetrieben oder erregt werden können, um die gewünschte oszillierende Bewegung zu erzielen, während die dickeren Verbindungsteile den Hauptteil der Steifigkeit des Biegwngselementes ergeben.

Entsprechend einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird ein oszillierender Antriebsmechanismus für ein anzutreibendes Element geschaffen, der ein Biegungselement mit einem ersten Abschnitt, der starr an einem Festpunkt befestigbar ist, gegenüber dem das Bauteil angetrieben werden soll, und einem zweiten Abschnitt aufweist, der starr an dem Bauteil befestigbar ist, wobei die ersten und zweiten Abschnitte miteinander über ein oder mehrere Yerbindungsteile miteinander verbunden sind, von denen zumindest eines daran befestigte Antriebseinrichtungen aufweist, die bei Ansteuerung das zugehörige Verbindungsteil biegen, wodurch der zweite Abschnitt des Biegungselementes gegenüber dem ersten Abschnitt bewegt wird und das anzutreibende Bauteil in Schwingungen versetzt wird. In diesem Fall bildet das genannte zumindest eine Verbindungsteil zusammen mit der zugehörigen Antriebseinrichtung einen zusammengesetzten Träger, wobei die neutrale Fläche des Trägers im wesentlichen mit der Verbindungslinie zwischen den beiden Bestandteilen des Trägers zusammenfällt.

Bei dieser Anordnung wird das Verbindungsmittel, das zur

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Verbindung der Antriebseinrichtung mit federn ersten Verbindungstöil verwendet wird, keinen Kompressions- oder Zugkräften unterworfen, sondern lediglich einer reinen Biegung, wodurch Energieverluste auf ein Minimum verringert werden und die Güte des Antriebsmechanismus vergrößert wird.

In beiden Fällen erstreckt sich die oder jede Antriebseinrichtung vorzugsweise lediglich über einen Teil der länge des zugehörigen Verbindungsteils von einem Ende dieses Verbindungsteile aus und über eine derartige Strecke, daß der Punkt der Gegenbiegung dieses Verbindungsteils an dem Endpunkt der Antriebseinrichtung entlang dieses Verbindungsteils liegt.

Entsprechend wird gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung ein oszillierender Antriebsmechanismus für ein anzutreibendes Bauteil geschaffen, der ein Biegungselement mit einem ersten Abschnitt, der starr an einem Festpunkt befestigbar ist, gegenüber dem das Bauteil angetrieben werden soll, und einem zweiten Abschnitt aufweist, der starr an dem Bauteil befestigbar ist, wobei die ersten und zweiten Abschnitte miteinander über ein oder mehrere erste Verbindungsteile verbunden sind, von denen zumindest eines mit Antriebseinrichtungen verbunden ist, die bei einer Ansteuerung das zugehörige erste Verbindungsteil biegen, wodurch der zweite Abschnitt des Biegungselementes gegenüber dem ersten Abschnitt bewegt wird und das anzutreibende Bauteil in Schwingungen versetzt wird. Das zumindest eine erste Verbindungsteil bildet einen zusammengesetzten !Träger mit den zugehörigen Antriebseinrichtungen, die sich lediglich über einen Teil

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der lange des Verbindungsteile von einem Ende dieses Verbindungsteils aus über eine derartig© !Strecke erstrecken, daß der Pankt der Gegenbiegung des ersten Verbindungsteils am Endpunkt der Antr.i.ebseinrichtungen entlang dieses Verbindungsteils liegt.

Bei dieser Anordnung wird ,3ede Antriebseinrichtung lediglich in einer Richtung gebogen, so daß die Ansteuerung oder Erregung des zugehörigen Verbindungsteile so groß wi© möglich gemacht wird«. ¥enn ^fede Antriebseinrichtung beispielsweise die Form eines piezoelektrischen Elementes aufweist und der Punkt der Gegenbiegung des augehörigen Verbindungsteile innerhalb des piezoelektrischen Elementes liegtj ist der Teil dieses piezoelektrischen Elementes s der sich über diesen Punkt hinaus erstreckt, hinsichtlich seines Beitrages zur Biegung des Verbindungsteils in der gewünschten Sichtung nutzlos, weil dieser Teil entgegengesetzt sum restlichen Teil des piezoelektrischen Elementes wirkt.

Wenn di© Antriebseinrielitungen die Fora von piezoelektrischen Elementen aufweisen,, so kann eines dieser piezoelektrischen Elemente anstelle der Antriebsbetriebsweise in einer Abgriffbetriebsweise verwendet werden, wobei das Ausgangssignal von diesem Abgriff einem Servomechanismus zugeführt wird, der die Ansteuerspannung steuert, die den die Antriebseinrichtung bildenden piezoelektrischen Elementen zugeführt wird»

Die Erfindung wird im folgenden anhand vonin der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert, die die Anwendung das Antriebsmechanismus auf

einen Hinglaser-Kreisel zeigen.
In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des Laser-Kreisels» wobei verschiedene Bauteile aus Gründen der Klarheit entfernt sind,

Pig. 2 eine Seitenansicht von rechts nach Pig. 1,

Fig. 3 eine Teilschn' transient entlang der Linie HT-III nach Fig. 1,

Fig. 4 eine TJnteransicht der Ausfuhrungsform des Laser-Kreisels, wobei ebenfalls bestimmte Bauteile aus Gründen der Klarheit fortgelassen sind,

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Fig. 1, Fig. 6 eine Seitenansicht von rechts nach Fig. 5»

Fig. 7 eine Ansicht in Eichtung des Pfeils VII nach Fig. 5.

Die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform des Laser-Kreisels ist vom Typ mit einstückigem Hohlraum, wobei der Eingläser drei Schenkel aufweist, die in einem allgemein dreieckigen Block 1 aus einem Material ausgebildet sind, das unter dem Warenzeichen Zerodur bekannt ist, das einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. An Jedem Übergang zwischen zwei benachbarten

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Schenkeln des Ringes ist ein Spiegel 2_f 3* **■ angeordnet, der zur Reflexion von Lichtstrahlen von einem Schenkel s-am anderen -dient, so daß die Strahlen kontinuierlich um den Hing herum zur Ausbreitung gebracht werden. Der Spiegel 2 ist mit einem piezoelektrischen Element 5 versehen, das derart ansteuerbar ist', daß der Spiegel in Abhängigkeit von dem Element zugeführten Steuersignalen derart "beweglich ist, daß eine konstante Weglänge für die Lichtstrahlen um den Ring herum aufrechterhalten wird. Einer der Spiegel 3 "and 4 ist teildurchlässig, um in üblicher Ueise Ausgangsstrahlen zu bilden, von denen irgendeine Drehgeschwindigkeit abgeleitet wird,, der der Kreisel unterworfen ist . Zwei Anoden 6 und eine Kathode 7 wirken mit jeweiligen Schenkeln des Ringes zusammen und sind in gasdichter Weise mit dem Hohlraum verbunden, und zwar ebenso wie die Spiegel 2₂ 3 und 4. Eine der Anoden 6 ist mit einem !fallrohr 8 versehen_s durch das das Laser-Medium in den Ring eingefüllt wird,, wobei dieses Füllrohr abgequetscht wird, um das Medium in dem Ring abzudichten. Wenn die Anoden 6 und 7 angesteuert i^erden, erfolgt eine Laserstrahlbildung in dem Medium innerhalb des Ringes und die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Lichtstrahlen werden in üblicher Weise erzeugt. Die Reinheit des Laser-Mediums in dem Hohlraum wird durch einen Getter 9 aufrechterhalten, der ebenfalls in gasdichter Weise an dem Hohlraum 1 befestigt ist.

Um das Problem des Einrastens so weit wie möglich zu verringern, wird dem Kreiselgerät eine Vorspannung unter Verwendung des Schwingerverfahrens erteilt, bei dem der Hohlraum um die Schwingachse 11 des Kreiselgerätes in Schwingungen versetzt wird_f wobei diese Achse durch den

Schwerpunkt des Hohlraumes 1 verläuft und gegenüber dem geometrischen Mittelpunkt des Hohlraumes versetzt ist. Ausgleichsgewichte 10 und 10* sind an gegenüberliegenden Flächen des Hohlraumes 1 vorgesehen. Die oszillierende Bewegung wird durch eine Ausführungsform des oszillierenden Antriebsmechanismus erzielt, der zwei Biegungselemente 12, 13 aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Hohlraumes 1 befestigt sind und jeweils die Form eines Hades aufweisen. Die Biegungselemente 12, 13 sind gleich, obwohl zu erkennen ist, daß sie eine bestimmte Laufrichtung aufweisen, so daß sie sich im Betrieb hinsichtlich ihrer Wirkung bei dem Schwingungsantrieb des Hohlraumes 1 unterstützen und nicht entgegengesetzt wirken.

Das Biegungselement 12 nach Fig. 1 ist in vergrößerter Form in Fig. 5 gezeigt und wird im folgenden ausführlicher erläutert, wobei es verständlich ist, daß das Element 13 identisch ist, mit der Ausnahme, daß es eine entgegengesetzte Lauf- oder Wirkungsrichtung aufweist. Das Biegungselement 12 weist einen Nabenabschnitt 14 und einen Umfangsabschnitt 15 auf, der diskontinuierlich ist und aus neun getrennten Teilen 16 besteht. Die Nabe 14 und der Umfangsteil 15 sind miteinander über sich in Radialrichtung erstreckende erste Verbindungsteile oder Speichen 1? und über sich in Eadialrichtung erstreckende zweite Verbindungsteile oder Speichen 18 verbunden, wobei jeweils eines jeder Gruppe von Verbindungsteilen zwischen der Nabe und jedem getrennten Umfangsteil 16 angeordnet ist. Die Speichen 17 und 18 sind einstückig mit der Nabe und den Umfangsteilen 14, 15 ausgebildet und es ist zu erkennen, daß die Speichen in der allgemeinen Oszillationsrichtung, die mit 19 bezeichnet ist, relativ dünn

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sind, jedoch eine wesentlich größere Stärke in der hierzu rechtwinkligen Richtung aufweisen« Auf diese Weise können die Nabe und di® Umfangsteile 14₉ 15 eine Relativbewegung in der Richtung 19 ausfuhren,, nicht Jedoch in irgendeiner anderen Sichtung. Weiterhin sind die Speichen 18 in der Richtung 19 beträchtlich dünner als die Speichen 17» so daß die Speichen 17 zum größten Teil die Federcharakteri-= stik des Biegungselementes bestimmen, während die Speichen 18 zur Erzeugung des Antriebs verwendet werden. Zu diesem Zweck ist an jeder Speiche 18 ein piezoelektrisches Element 21 in Form eines Stabes aus piezoelektrischem Material befestigt, das sich von dem nabenseitigen Ende der Speiche bis zu einem Punkt erstreckt, der kurz vor dem anderen Ende der Speiche liegt, wie dies am deutlichsten aus Fig« 7 sowie an der Zwei-Uhr-Position nach Fig.» 5 zu erkennen ist» Jede Speiche 18 weist einen verstärkten Abschnitt oder Stutzen 22, 23 an den Stellen auf, an denen sie mit dem Kabenteil 14 bzw. dem zugehörigen getrennten Umfangsteil 16 in Verbindung steht, wobei der Stutzen 22 in Radialrichtung langer als der Stutzen 23 ist.

Jedes piezoelektrische Element 21 erfordert die Zuführung einer Erregungsspannung längs eines Paares von Hauptober· flächen, nämlich der der Speiche 18 benachbarten Fläche und der gegenüberliegenden Fläche. Im Hinblick auf die Schwierigkeit der Befestigung einer Zuführungsleitung an die der Speiche 18 benachbarte Hauptfläche weist jedes piezoelektrische Element 21 eine Elektrode auf, die sich über diese Hauptfläche und um ein Ende des Elementes herum erstreckt, so daß sie über einen Teil der Strecke entlang der gegenüberliegenden Fläche verläuft, wie dies bei

in Pig. 7 gezeigt ist. An der anderen Hauptfläche ist eine Elektrode 25 angeordnet (die einen Abstand von dem Elektrodenabschnitt 24 aufweist); weil jedoch die piezoelektrischen Eigenschaften jedes piezoelektrischen Elementes 21 lediglich wirksam werden, wenn ein Spannungsunterschied längs der betrachteten Hauptflächen auftritt, ist die effektive Länge des piezoelektrischen Elementes durch die Länge der Elektrode 25 festgelegt. Damit ist der Teil jedes piezoelektrischen Elementes 21, der durch den Rückfvnrungsteil 24 der anderen Elektrode überdeckt ist, unwirksam, jedoch in zweckmäßiger Weise "hinter" dem zugehörigen Stutzen 22 angeordnet, der sich in keinem Fall biegt.

Entsprechend weist jedes piezoelektrische Element 21 zwei elektrische Zuführungsleitungen 26, 27 auf, die an ein und derselben Hauptfläche befestigt sind, wobei sich diese Leitungen zu jeweiligen Sammelschienen 28, 29 erstrekken, die um den Umfangsteil 15 herum befestigt und von diesem durch Isolierhülsen 31 isoliert sind. Die Sammelschienen 28 und 29 sind in Axialrichtung des Biegungselementes hintereinander angeordnet, wobei die Sammelschiene 28 gegen eine Lippe 32 eines Binges 33 ruht, der mit den einzelnen Umfängsteilen 16 verlötet oder auf andere Weise an diesen befestigt ist. Dieser Ring 33 bildet eine zweckmäßige Einrichtung zur Befestigung der getrennten Umfangsteile 16 an dem Hohlraum 1, und er würde nicht erforderlich sein, wenn der Umfangsteil 15 kontinuierlich ist, obwohl der Ring gleichzeitig dazu dient, die Speichen 17» 18 in Abstand von de Hohlraum zu halten, was zweckmäßig ist. Der Abstand zwischen benachbarten Umfangsteilen 16 ermöglicht es in zweckmäßiger Weise, daß

sich die Zuführungsleitungen 26, 2? zwischen den piezoelektrischen Elementen 21 und den Sammelschienen 28, 29 erstrecken, wobei die Sammelschienen und die Leitungen durch Materialtropfen, beispielsweise aus einer Gummimischung, an ihrem Plats gehalten werden, die zwischen benachbarten Umfangsteilen 16 aufgebracht werden.

Der Hohlraum 1 weist eine öffnung 34 (Fig. 3) auf, die sich durch den Hohlraum hindurch erstreckt, und die Umfangsteile 16 der Biegungselemente 12, 13 sind über die Binge 33 aiit den gegenüberliegenden Seiten des Hohlraumes 1 in axialer Ausrichtung mit der öffnung 34- verbunden. Me Ringe 33 sind eben geschliffen und mit einem Goldüberzug versehen, und zwar ebenso wie die entsprechenden Bereiche auf dem Hohlraum 1, wobei die Verbindung zwischen den zusammenpassenden Goldoberflächen mit Hilfe eines. Indium-Ringes vervollständigt ist, wie dies in dem britischen Patent .«.» (Britische Patentanmeldung 81»09608) beschrieben ist. Selbstverständlich können ^eäoch auch andere alternative Verbindungstechniken verwendet werden.

Die Nabe 14 {jedes Biegungselementes 12, 13 ist fest an einer (nicht gezeigten) Welle befestigt, die ihrerseits an einer (ebenfalls nicht gezeigten) relativ massiven Befestigung befestigt ist, so daß die Naben 14 als starr befestigt angesehe ι werden können und einen Festpunkt bilden, gegenüber dem die Umfangsteile 15 bei einer Biegung der Speichen 17» 18 beweglich sind. Entsprechend ist der Hohlraum 1 auf den Biegungselementen gehaltert und schwingt mit diesen.

Die piezoelektrischen Elemente 21 sind mit den Speichen 18 verbunden, um mit diesen Jeweilige zusammengesetzte Balken zu bilden, wobei die Verbindung mit Hilfe eines Verbindungsmaterials, beispielsweise eines Epoxy-Harzes, hergestellt ist, wie es beispielsweise unter dem Warenzeichen Araldite unter der Bezeichnung AV1OO/HV1OO erhältlich ist. Es können selbstverständlich andere Verbindungsmittel verwendet werden. Die Stärke der Speichen 18 in der Richtung 19 ist derart gewählt, daß die neutrale Fläche des durch Jede Speiche 18 und das zugehörige piezoelektrische Element 21 gebildeten zusammengesetzten Trägers mit der Verbindungslinie zwischen den beiden Bestandteilen zusammenfällt. Damit wird die Verbindung zwischen den Bestandteilen des zusammengesetzten Trägers keinen Beanspruchungen durch Druck- oder Zugkräfte unterworfen, sondern lediglich einer Biegung, weil dies die Charakteristik der neutralen Fläche eines zusammengesetzten Trägers ist. Daher ist der Energieverlust in dem Verbindungsmittel minimal, wodurch die Güte Q des Antriebsmechanismus beträchtlich vergrößert wird. Bei der dargestellten Ausführungsform weisen die Speichen 17 eine Stärke von ungefähr 1 mm auf, während die Speichen 18 eine Stärke von ungefähr 0,18 mm aufweisen. Selbstverständlich hängt die letztere Abmessung von dem Young¹sehen Modul des für das Biegungselement verwendeten Materials und dem des piezoelektrischen Elementes und der Stärke des letzteren ab. Im vorliegenden Fall sind die Biegungselemente aus einem Metall hergestellt, das als Invar 36 bekannt ist (und das einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der ähnlich dem von Zerodur ist), und das piezoelektrische Material ist Bleizirkonat-Titanat. In der Praxis ist es erforderlich, ein piezoelektrisches Element

auszuwählen und dann die erforderliche Stärke der Speichen. 18 zu "bestimmen, um das gewünschte Zusammenfallen der neutralen !fläche mit der Verbindungslinie zu erzielen..

Die länge jeder Speiche 18 zwischen den Stutzen 22, 23 "beträgt 9 mm und die effektive Länge jedes piezoelektrischen Elementes beträgt 7 mta» wobei die letztere Abmessung so gewählt ist, daß der Punkt der Gegenbiegung jeder Speiche 18 am Endpunkt des piezoelektrischen Elementes entlang dieser Speiche liegt. Hierdurch wird die effektive länge jedes piezoelektrischen Elementes 21 so groß wie möglich gemacht· Wenn der Punkt der Gegenbiegung jedes zusammengesetzten, durch die Speichen 18 und die piezoelektrischen Einrichtungen 21 gebildeten Trägers innerhalb der Länge des piezoelektrischen Elementes liegen würde, so würde sich die wirksame Länge dieses piezoelektrischen Elementes um einen Betrag verkürzen, der gleich dem Abstand des Punktes der Gegenbiegung von dem Ende des piezoelektrischen Elementes benachbart zum TJmfangsteil des Biegungselementes 12, 13 sein würde.

Jedes piezoelektrische Element 21 (mit der Ausnahme des mit 21' an der Zwei-Uhr-Position nach Fig. 5 gezeigten) wird in der sogenannten d^-Betriebsart betrieben, was bedeutet, daß sich das piezoelektrische Element in einer Richtung unter rechten Winkeln zum angelegten elektrischen Feld erstreckt» Weil das elektrische Feld längs der beiden Hauptflächen jedes piezoelektrischen Elementes angelegt wird, erfolgt die Ausdehnung in einer Eichtung parallel zur zugehörigen Speiche 18. Dies bedeutet, daß sich die zugehörige Speiche 18 in der einen oder anderen

Richtung in Abhängigkeit von der Polarität der angelegten Spannung biegt oder ausgelenkt wird. Venn die Speichen 18 auf diese Weise bei Anlegen einer Ansteuerspannung an die piezoelektrischen Einrichtungen 21 ausgelenkt oder gebogen werden, bewegt sich der Umfangsteil 15 jedes Biegungselementes 12, 13 gegenüber der Nabe 14 in einer Richtung. Bezüglich des Hohlraumes 1 erfolgt diese Bewegung in den beiden Biegungselementen 12, 13 i& der gleichen Richtung, weil die Biegungselemente in der bereits erwähnten Weise eine entgegengesetzte Lauf- oder Wirkungsrichtung aufweisen. Wenn die Antriebs spannung umgekehrt wird, biegen sich die Speichen 18 (und die Speichen 17, die sich ebenfalls bei einer Bewegung der TJmfangsteile 15 biegen) in der entgegengesetzten Richtung. Wenn daher die Antriebs- oder Ansteuerspannung zu geeigneten Zeitpunkten angelegt wird, und zwar erst mit der einen und dann mit der entgegengesetzten Polarität, so führen die Umfangsteile 15 eine kontinuierliche Oszillationsbewegung aus und nehmen den Hohlraum 1 mit, dem daro^t die gewünschte Vorspannung erteilt wird, um das Problem des Einrastens zu beseitigen oder so weit wie möglich zu verringern. Es ist verständlich, daß die Frequenz der Ansteuerspannung derart gewählt ist, daß sie zur Resonanz des gesamten Antriebsmechanismus paßt, die in vielen Fällen im Bereich von 100 bis 300 Hz liegt, jedoch auch andere Werte aufweisen kann.

Bei einem Laser-Kreiselgerät unter Verwendung von Biegungselementen bekannter Art war die Güte Q des Antriebsmechanismus typischerweise in der Größenordnung von 50 bis 100. Bei Verwendung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des Antriebsmechanismus ergibt sich jedoch

eine wesentliche Vergrößerung der Güte Q bis zu 200.

Das piezoelektrische Element 21', das an der Zwei-Uhr-Position nach Fig. 5 zu erkennen ist, wird nicht in der Antriebsbetriebsart, sondern in einer Abgriffbetriebsart
verwendet. Wenn sich die zugehörige Speiche 18 als Ergebnis der Ansteuerung der anderen piezoelektrischen Elemente 21 biegt, so biegt sich auch die piezoelektrische Einrichtung 21' und wird damit einer Dehnung unterworfen,
die eine Spannung längs der Hauptflächen dieses piezoelektrischen Elementes erzeugt. Diese Spannung wird einem (nicht gezeigten) Servomechanismus zugeführt, der die an
die zum Antrieb dienenden piezoelektrischen Elemente 21
angelegte Spannung steuert. Die zum Abgriff der längs des Elementes 21' erzeugten Spannung dienenden Leitungen sind in Fig. 5 nicht gezeigt, und weiterhin wurden aus Gründen der Klarheit die Versorgungs- oder Speiseleitungen 26, 27 in den Fig. 1 bis 4 nicht gezeigt.

Die in den Zeichnungen dargestellten Biegungselemente 12
und 13 sind unter Verwendung der Drahtschneidtechnik hergestellt, doch können sie auch auf andere Weise hergestellt werden«. Es kann bei manchen Anwendungen unter Verwendung von zwei Biegungselementen möglich sein, lediglich eines dieser Biegungselemente anzusteuern, und es
ist weiterhin möglich, die angetriebenen Verbindungsteile in einer Gegentakt-Betriebsweise zu betreiben, obwohl
dies entweder zwei getrennte Spannungsversorgungen (jeweils eine für $ed.e Phase) oder die entgegengesetzte Polung der jeweiligen piezoelektrischen Elemente erfordert.

Es ist weiterhin aus der vorstehenden Beschreibung zu erkennen, daß der oszillierende Antriebsmechanismus auch weitere Anwendungen außerhalb des Bereiches eines Laser-Kreiselgerätes aufweist*

Claims

Patentanwälte Dipl.-lng C^fWallach

Europäische Patentvertreter Dipl.-Ing." Günther Koch

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl-.-Ing. Rainer Feldkamp

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Datum: October 28, 1982

BRITISH AEROSPACE PUBLIC Unser Zeichen: 17 55^

LIMITED COMPANY

Patent a η s ρ r ü c h β

Oszillierender Antriebsmechanismus für ein anzutreibendes Bauteil, mit einem Biegungselement, das einen ersten Anschnitt, der starr an einem Festpunkt bezüglich des anzutreibenden Bauteils befestigbar ist, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der starr an dem Bauteil befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Abschnitte (14, 15) durch eines oder mehrere erste Verbindungsteile (17)? die im wesentlichen die Federcharakteristik des Biegungselementes (12, 13) bestimmen, und über £äines oder mehrere zweite Verbindungsteile (18) miteinander verbunden sind, die allgemein in Antriebsrichtung eine Abmessung aufweisen, die kleiner als die entsprechende Abmessung des oder jt-Ies ersten Verbindungsteils (17) ist, daß an zumindest einem der zweiten Verbindungsteile (18) eine Antriebseinrichtung (21) befestigt ist, die bei Ansteuerung das zugehörige zweite Verbindungsteil biegt, wodurch andererseits der zweite Abschnitt (15) des Biegungselementes gegenüber dem ersten Abschnitt (14) bewegt wird, so daß das anzutreibende Bauteil (1) in eine oszillierende Bewegung versetzt wird.
2. Antriebsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Antriebsmechanismus die Form eines Rades aufweist, wobei entweder der erste Abschnitt (14) oder der zweite Abschnitt (15) die Nabe bildet, während der andere Abschnitt einen Umfangsteil des Rades bildet, und daß die ersten und zweiten Verbindungsteile (17, 18) sich allgemein radial zwischen der Nabe und den Umfangsteilen erstrecken.
3. Antriebsmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Verbindungsteile (17, 18) einstückig mit den ersten und zweiten Abschnitten (14, 15) ausgebildet sind.
4. Antriebsmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das oder jedes erste Verbindungsteil (17) einstückig mit den ersten und zweiten Abschnitten (14, 15) ausgebildet ist und daß das oder jedes zweite Verbindungsteil (18) zwischen den ersten und zweiten Abschnitten (14, 15) durch Verbindungsmittel befestigt ist.
5. Antriebsmechanismus nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der UmfAügsteil diskontinuierlich ist.
6. Antriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich-

net, daß die oder Jede Antriebseinrichtung (21) die Form eines piezoelektrischen Elementes aufweist.
7· Antriebsmechanismus nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet $ daß das piezoelektrische Element (21) durch einen Stab aus piezoelektrischem Material gebildet ist, an dessen beiden Hauptflächen Elektroden (24, 25) befestigt sind, wobei sich eine Elektrode von einer Hauptfläche um das Ende des Stabes zur gegenüberliegenden Hauptfläche erstreckt, so daß elektrisch ' Verbindungen (26, 27) an ein und derselben Hauptfläche angeordnet sind.
8. Antriebsmechanismus nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß sich die elektrischen Verbindungen (26, 27) von den piezoelektrischen Elementen (21) zu jeweiligen Sammelschienen (28, 29) erstrecken, die um den TJmfangsteil herum befestigt sind.
9· Antriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Antriebseinrichtung (21) einen zusammengesetzten Träger (18, 21) mit dem zugehörigen zweiten Verbindungsteil (18) bildet und mit diesem urch Verbindungsmittel verbunden ist, wobei die neutrale Fläche des Trägers so ausgebildet ist, daß sie im wesentlichen mit der Verbindungslinie zwischen den beiden den Träger bildenden Bestandteilen zusammenfällt.

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10«, Antriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die oder jede Antriebseinrichtung (21) lediglich über einen Teil der Länge des zugehörigen zweiten Verbindungsteile (18) von dessen einem Ende aus über eine derartige Strecke erstreckt, daß der Punkt der Gegenbiegung dieses Verbindungsteils an dem Endpunkt der Antriebseinrichtung entlang dieses Verbindungsteils liegt.
11. Oszillierender Antriebsmechanismus für ein anzutreibendes Bauteil mit einem Biegungselement (12, 13) mit einem ersten Abschnitt (14·), der starr an einem Festpunkt befestigt ist, gegenüber dem das Bauteil angetrieben werden soll, und mit einem zweiten Abschnitt (15)? der starr an dem Bauteil befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und weiten Abschnitte (14, 15) durch eines oder mehrere Verbindungsteile (17» 18) miteinander verbunden sind, daß zumindest eines der Verbindungsteile Antriebseinrichtungen (21) aufweist, die mit diesem Verbindungsteil durch Verbindungseinrichtungen verbunden sind und die bei einer Ansteuerung das zugehörige Verbindungsteil (17, 18) biegen, wodurch andererseits der zweite Abschnitt des Biegungseletaentes gegenüber dem ersten Abschnitt bewegt wird, so daß das anzutreibende Bauteil (1) in Schwingungen versetzt wird, und daß das zumindest eine Verbindungsteil (17, 18) mit der zugehörigen Antriebseinrichtung (21) einen zusammengesetzten Träger bildet, wobei die neutrale Fläche des Trägers im wesentlichen

mit der Verbindungslinie zwischen den beiden Bauteilen des Trägers zusammenfällt«,
12. Antriebsmechanismus nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß sich die oder jede Antriebseinrichtung (21) lediglich über einen Teil der länge des zugehörigen Verbindungsteils (17» 18) von dessen einem Ende aus und über eine derartige Strecke erstreckt, daß der Punkt der Gegenbiegung dieses Verbindungsteils am Endpunkt der Antriebseinrichtung entlang des Verbindungsteils liegt.
1J. Antriebsmechanismus nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Antriebseinrichtung (21) die Form eines piezoelektrischen Elementes aufweist.
14. Oszillierender Antriebsmechanismus für ein anzutreibendes Bauteil, mit einem Biegungselement mit einem ersten Abschnitt, der starr an einem Festpunkt befe™ stigbar ist, gegenüber dem das Bauteil anzutreiben ist, und mit einem zweiten Abschnitt, der starr an dem Bauteil befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Abschnitte miteinander über eines oder mehrere Verbindungsteile (17, 18) verbunden sind, von denen zumindest eines mit Hilfe von Verbindungsmitteln mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist, die bei einer Ansteuerung das zugehörige Verbindungsteil (17» 18) biegt, wodurch der zweite Abschnitt des Biegungselementes gegenüber dem ersten Abschnitt bewegt und

das anzutreibende Bauteil in Schwingungen versetzt wird, und daß zumindest ein Verbindungsteil (17» 18) einen zusammengesetzten Träger mit der zugehörigen Antriebseinrichtung (21) bildet, die sich lediglich über einen Teil der Länge des Verbindungsteils von dessen einem Ende aus über eine derartige Strec¹· e erstreckt, daß der Punkt der Gegenbiegung des Verbindungsteils (17, 18) am Endpunkt der Antriebe.inrichtung (21) entlau des Verbindungsteils liegt.

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