EP0436532A1 - Drehschwingungsantrieb - Google Patents

Drehschwingungsantrieb

Info

Publication number
EP0436532A1
EP0436532A1 EP89900239A EP89900239A EP0436532A1 EP 0436532 A1 EP0436532 A1 EP 0436532A1 EP 89900239 A EP89900239 A EP 89900239A EP 89900239 A EP89900239 A EP 89900239A EP 0436532 A1 EP0436532 A1 EP 0436532A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wheel rim
torsional vibration
spokes
vibration drive
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP89900239A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert E. Carter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rockwell Collins Deutschland GmbH
Original Assignee
Teldix GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teldix GmbH filed Critical Teldix GmbH
Publication of EP0436532A1 publication Critical patent/EP0436532A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F9/00—Compounds containing elements of Groups 5 or 15 of the Periodic Table
    • C07F9/02—Phosphorus compounds
    • C07F9/28—Phosphorus compounds with one or more P—C bonds
    • C07F9/38—Phosphonic acids [RP(=O)(OH)2]; Thiophosphonic acids ; [RP(=X1)(X2H)2(X1, X2 are each independently O, S or Se)]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66—Ring laser gyrometers
    • G01C19/68—Lock-in prevention
    • G01C19/70—Lock-in prevention by mechanical means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element

Definitions

  • the invention relates to a torsional vibration drive with the features of the preamble of claim 1.
  • Ring laser gyroscopes can measure rotational speeds with great accuracy.
  • ring laser gyroscopes cannot measure very small rotational speeds without special countermeasures, since the frequencies of the two light waves rotating in opposite directions, due to an inertial rotation, converge on a common one Pull intermediate frequency together (pull-in effect of coupled oscillators, so-called lock-in effect).
  • the size of this Tatzone which extends around the rotational speed zero point, can be influenced by a number of laser gyro-specific design criteria, but remains so large even with the best possible design of the relevant parameters that the rotational speed measurement error in almost all practical applications, e.g. B. in position control or even more so in navigation systems is unacceptable.
  • the laser gyroscope is set in uniform rotational vibrations about an axis that is perpendicular to the beam path plane.
  • the time period during which frequency synchronization takes place at the turning points of the torsional vibration of the laser gyroscope is determined by the maximum amplitude and the frequency of the vibration and can thus be minimized.
  • the measurement error of the laser gyro still remaining in this regard is thus significantly reduced. Due to the torsional vibration, no structural deformation of the base body, such as B periodic stretching, compression or bending are caused, since this leads to incorrect measurement behavior of the laser gyro due to a periodic or non-periodic loss modulation of the optical resonator.
  • the torsion transducers have spokes of uniform cross-section, on which piezoceramic plates are applied and which thus represent multilayer bending elements. If an electrical voltage is applied r , a bending moment is generated in the spokes, which results in a torque acting on the wheel rim. Usually, the voltage is excited, the frequency of which corresponds to the resonance frequency of the system.
  • the mass of the laser body is usually very large and the space allowed for the vibration mechanism is very small. This means that the rotary transducer must be made of a material that has a modulus of elasticity that is comparable to that of steel.
  • the axis of rotation must be kept stable. This requires that the rotary oscillator has extremely high stiffness about all axes except the axis of rotation, which in turn requires that the spokes parallel to the axis of rotation are as extensive as possible.
  • the operating amplitude is usually limited by the surface tensile strength of the piezoceramic.
  • the finished device must be suitable to be operated in an extended ambient temperature range, as is required by various user specifications.
  • the vibration generator must be connected to the gyro block by means of a coupling which prevents structural deformation of the gyro block due to thermal expansion in the radial direction.
  • This coupling can be simple, such as. B. a thick layer of elastic material or complicated, such as. B. a multi-part three-dimensional bending element.
  • the result is a coupling that is very stiff in the direction of rotation and very flexible in the radial direction.
  • this coupling represents a limitation in the performance of the gyroscope, since it reduces the axis rigidity.
  • Arrangements according to the prior art are made of steel with a low coefficient of expansion, e.g. Made in Invar and consist of a central pin, four or six flat spokes with a uniform rectangular cross-section and a cylindrical wheel rim, which also has a uniform rectangular cross-section.
  • Piezoceramic plates are applied to the side surfaces of each spoke, all of which are simultaneously subjected to a high voltage of such a frequency that the system oscillates at its resonance frequency.
  • the present invention proposes a specially designed rotary oscillator with a piezo drive for laser gyroscope, which is suitable for being operated at a significantly increased frequency and amplitude.
  • the rotary transducer according to the invention is constructed similarly to the previous rotary transducers: it is made from a single block of steel with low thermal expansion and has a central hub which, for. B. is attached to the carrier vehicle, and further has spokes and a wheel rim, both of which have a uniform rectangular cross-section.
  • the spokes are attached to the wheel rim using a special bending element.
  • This bending element is designed in such a way that it works like a joint which has a great flexibility for bending movements in the plane perpendicular to the axis of rotation, but which has a high rigidity for bending movements outside this plane.
  • the joint decouples the wheel rim from the bending moment at the outer end of the spokes. This avoids the usual deformation of the wheel rim, which would either be transferred to the gyro block, or dissipate valuable vibration energy into the wheel rim / gyro base body connection. The result is that higher mechanical quality can be achieved. Exemplary embodiments are explained on the basis of the drawing.
  • FIG. 1 shows a top view of a rotary oscillator according to the invention
  • Fig. 2 shows a connection of Fig. 1 in detail
  • 3A and 3B show spoke connections with or without the special joint according to the invention.
  • 5A and 5B show spoke and wheel rim deflections, as are typical for the prior art and for the invention.
  • Fig. 1 an embodiment of a rotary oscillator according to the invention is shown in supervision.
  • a hub 1 is held by four projections 2, which are fixed to a fastening plate (not shown) with the aid of four bolts, not shown, which are inserted through bores 3.
  • Four spokes 4 are provided which extend outward from the hub 1 and which are connected to a cylindrical wheel rim 5 via special joints 6.
  • a laser gyroscope block which is not shown, has a central fastening opening into which the wheel rim 5 is fitted. This connection represents the only holder of the laser gyroscope block.
  • Thin piezoceramic plates 7 and 8, which are provided with electrodes on their large surfaces, are applied to the two sides of each spoke in a form-fitting manner over the entire surface.
  • the outer electrodes 9 and 10 of the plates 7 and 8 are all electrically connected to a terminal of an AC voltage source (not shown).
  • the other source clamp is connected to the body of the rotary transducer.
  • the piezoceramic plates all have retentive polarization vectors which are directed in the anti-clockwise direction in FIG. Then the application of a positive potential to the outer electrodes of the piezo-ceramic plates causes a moment on the wheel rim 5 in the clockwise direction.
  • the rotary transducer can be made of Invar or a similar alloy and has a diameter of approximately 5.5 cm and a height (thickness) of approximately 3 cm.
  • Four spokes 4 are preferably provided, which have a width (dimension between the plates 7 and 8) of a few millimeters and radial lengths of about 10 or more millimeters.
  • the hub 1 is made as stable as possible in the remaining space in order to avoid bending contributions of the hub.
  • the height of the joint is preferably as large as that of the entire rotary oscillator (about 3 cm).
  • both a translatory force 8 and a torque 9 act on the end of the spoke 4 at 6D.
  • the joint is designed so that when the forces occur, the segments 6A, 6B and 6C together form a flexible torsion spring around the point 6D and thus decouple the moment 9 from the end of the spoke.
  • the segments 6A and 6C are, however, very rigid with regard to compression or pull in the direction of the translational force 8. As a result, the full translational force 8 actually reaches the spoke end 6D. As a result, the spoke behaves almost like a free bar that is only clamped on one side to the hub and is exposed to a point load at the tip.
  • the bending element 6B is also pressure-resistant in the radial direction, as a result of which undesirable transverse vibrations that would otherwise occur are avoided.
  • the elements 6A, 6B and 6C have the same height (thickness) as the rotary oscillator, they have a high torsional stiffness for forces which act around axes which do not coincide with the desired axis of the gyro rotation.
  • the thickness and length of the elements 6A, 6B and 6C are of the order of 1 mm.
  • FIG. 3A shows a spoke 11 according to the prior art, which starts from the hub 12 and here is rigidly connected to the wheel rim 13. If the wheel rim 13 is rotated by the angle x, then the dashed curve of the bent spoke results.
  • the spoke has a characteristic double bend, that is to say it has an S shape.
  • FIG. 3B shows a similar spoke 11, which is connected to the wheel rim 13 via a flexible joint 15. If the wheel rim 13 is rotated by the same angle x, the spoke 11 must be subjected to less bending in this embodiment; this results in a much smaller surface stress on the piezo elements 14. It has been shown that, even if the spokes according to FIGS. 3A and 3B have the same stiffness, the advantage of the design of FIG. 3B is retained, that is to say the surface tension of the ceramic does not represent any limitation with respect to the achievable amplitude.
  • bending elements 22A and 22B which are intended to represent two adjacent spokes of the rotary oscillator, are fastened to a base body 21 which is to correspond to the hub and to a rigid block 23 which is to correspond to the wheel rim.
  • flexure 22B When flexure 22B is energized to move its right end in the direction of arrow 24, flexure 22A, which is pressurized as a passive column and acts as a lever through block 23, generates torque at the tip of flexure 22B , which almost completely counteracts the bending element produced by the piezo elements.
  • joints 26, which represent the bending elements of the present invention decouple the rotary activities of the bending elements 22A and 22B from the translational activity, which makes it possible to derive almost all of the work that can be achieved from the bending elements.
  • 5A schematically shows the bending pattern of a rotary oscillator, the spokes of which are rigidly connected to the wheel rim and which was rotated in the direction of arrow 31.
  • the resulting movements of parts of the wheel rim in radial directions 32 create difficulties for fastening the gyro block to the rotary oscillator.
  • connection is rigid and even, the oscillating deformations are transferred to the gyro block.
  • 5B shows the bending pattern of a rotary oscillator which, according to the invention, has bends influenced by joints. In this case, the previously shown difficulties with the attachment of the wheel cross / gyro block cannot occur.

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Description

Drehschwingungsantrieb
Die Erfindung betrifft einen Drehschwingungsantrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Ringlaserkreisel können Drehgeschwindigkeiten mit großer Genauigkeit mes¬ sen.Es ist jedoch bekannt, daß Ringlaserkreisel ohne besondere Gegenma߬ nahmen sehr kleine Drehgeschwindigkeiten nicht messen können, da sich die durch eine inertiale Drehung an sich unterschiedlichen Frequenzen der bei¬ den gegensinnig umlaufenden Lichtwellen auf eine gemeinsame Zwischenfre¬ quenz zusammenziehen (Mitzieheffekt gekoppelter Oszillatoren, sogen. Lock-In-Effekt) . Die Große dieser sich um den Drehgeschwindigkeitsnull¬ punkt erstreckenden Tatzone kann zwar durch eine Reihe von laserkreisel- spezifischen Entwurfskriterien beeinflußt werden, bleibt aber auch bei bestmöglicher Auslegung der relevanten Parameter noch so groß, daß der Drehgeschwindigkeitsmeßfehler in fast allen praktischen Anwendungen, z. B. in Lageregelungs- oder erst recht in Navigationssystemen, unakzeptabel ist.
Eine Methode, die angewendet wird, um den Fehler zu vermeiden ist unter dem Namen "Dithern" bekannt. Hierbei wird der Laserkreisel um eine Achse, die auf der Strahlpfadebene senkrecht steht, in gleichförmige Drehschwin¬ gungen versetzt.
Die Zeitdauer, während der an den Umkehrpunkten der Drehschwingung des Laserkreisels eine Freguenzsynchronisation erfolgt, wird durch die Maximal¬ amplitude und die Frequenz der Schwingung bestimmt und kann somit minimiert werden. Der letztlich noch verbleibende diesbezügliche Meßfehler des Laser¬ kreisels wird somit bedeutend vermindert. Durch die Drehschwingung darf keinerlei Struckturverformung des Kreiselgrundkörpers, wie z. B eine periodische Dehnung, Stauchung oder Verbiegung verursacht werden, da dies aufgrund einer periodischen oder nicht periodischen Verlustmodulation des optischen Resonators zu fehlerhaften Meßverhalten des Laserkreisels führt. Bei bisherigen Drehschwingern wurde ein Speichenrad kleinen Durchmessers benutzt, dessen Nabe an dem zu vermessenden Trägersystem befestigt war und dessen äußerer zylindrischer Radkranz in eine Öffnung im Zentrum des Krei¬ selblocks eingepaßt wurde. Der gesamte Kreiselblock wurde somit vom Dreh¬ schwinger getragen und beide zusammen bildeten dann ein Feder-Masse-System, das durch einen magnetischen oder piezoelektrische Antrieb in seiner Res¬ onanzfrequenz erregt wurde.
Es sind viele unterschiedliche Abwandlungen dieses Lösungsprinzips bekannt. Bei der vorliegenden Erfindung wird von Drehschwingern ausgegangen, die Speichen gleichförmigen Querschnitts aufweisen, auf denen piezokeramische Platten aufgebracht sind und die somit mehrschichtige Biegeelemente dar¬ stellen. Wird eine elektrische Spannung angelegtrso wird ein Biegemoment in den Speichen erzeugt, woraus sich ein auf den Radkranz wirkendes Drehmoment ergibt. Üblicherweise wird mit einer Spannung, deren Frequenz der Resonanz¬ frequenz des Systems entspricht, angeregt.
Es ist sehr schwierig, die Betriebsfrequenz dieser Systeme zu erhöhen und gleichzeitig die Schwingungssamplitude konstant zu halten; dies kommt durch die grundsätzliche Eigenheit von piezoelektrischen Resonanzsystemen zustan¬ de, die darin besteht,daß die maximale Resonanzamplitude eines Wandlers um¬ gekehrt proportional zur Resonanzfrequenz ist.
Vergrößerungen der Schwingamplitude bei fester Frequenz sind durch die Zug¬ festigkeit der Piezokeramik begrenzt, die wesentlich kleiner als die der Metallspeichen ist, auf denen sie aufgebracht sind. Wenn man die Piezokeramik in ein Gebiet mit geringer Beanspruchung verschiebt, dann wird dadurch nur die Wirksamkeit als Antrieb reduziert. Diese und weitere Faktoren haben bisher Verbesserungen bei der Ausbildung von Drehschwingungεeinrichtungen mit Piezoantrieb bei Laserkreiseln entgegengestanden. Die folgenden der Erfindung vorausgehenden Überlegungen schränken die ein¬ fache Auslegung eines Drehschwunges ein.
1. Die Masse des Lasergrundkörpers ist normalerweise sehr groß und der dem Schwingungsmechanismus zugestandene Platz sehr klein. Dies bedingt, daß der Drehschwinger aus einem Material hergestellt werden muß, das einen Elastizitätsmodul aufweist, der vergleichbar mit dem von Stahl ist.
Stähle mit zusätzlich niedrigem Ausdehnungskoeffizient kommen dabei üblicherweise zum Einsatz.
2. Die Drehachse muß stabil gehalten werden. Dies erfordert, daß der Drehschwinger extrem hohe Steifigkeit um alle Achsen außer der Drehachse aufweist, was wiederum verlangt, daß die Speichen paral¬ lel zu der Drehachse so ausgedehnt wie nur möglich sind.
Dies erfordert auch, daß die Achse des Drehschwingers mit dem Schwerpunkt des Kreiselblocks zusammenfallen muß.
3. Um erfolgreich Fehler zu vermeiden, ist es äußert wichtig, daß sowohl die Amplitude als auch die Frequenz der Schwingung gere¬ gelt wird. Üblicherweise werden die Schwingungserzeuger bei der mechanischen Resonanz betrieben; die Resonanzfrequenz ist dann durch die Drehfederkonstante bestimmt, die schwer vorher zu bes¬ timmen ist und nach Herstellung des Drehschwingers nicht mehr wesent¬ lich geändert werden kann.
Die Betriebsamplitude wird üblicherweise durch die Oberflächen¬ zugfestigkeit der Piezokeramik eingeschränkt.
4. Es muß die Verformung des Drehschwingers im Betrieb vermieden werden. Das Zusammenziehen und das Ausdehnen verursacht falsche Signale im Laserkreisel.
Diese zwingende Einschränkung erfordert, daß das Drehmoment entlang der Mantellinie eines zur Drehachse symmetrischen Zylinders in den Kreiselgrundkörper eingeleitet wird, der Zylinder soll einen kleinen Durchmesser haben und sich im Zentrum des Grundkörpers befinden. Eine punktförmige Einleitung von Kräften in den Kreiselgrundkörper verursacht nicht hinnehmbare falsche Meßergebnisse durch den Laserkreisel. 5. Das fertige Gerät muß geeignet sein, in einem erweiterten Um¬ gebungstemperaturbereich betrieben zu werden, wie er durch ver¬ schiedene Anwenderspezifikationen gefordert wird-
Der Schwingungserzeuger muß mit dem Kreiselblock mittels einer Kupplung verbunden werden, die eine Strukturverformung des Krei¬ selblocks durch eine thermische Ausdehnung in radialer Richtung verhindert.
Diese Kupplung kann einfach sein, wie z. B. eine dicke Schicht aus elastischem Material oder kompliziert, wie z. B. ein vielgliedriges dreidimensionales Biegeelement.
In jedem Fall ist das Ergebnis eine Kupplung, die in Drehrichtung sehr steif und in radialer Richtung sehr nachgiebig ist. Diese Kupplung stellt tatsächlich in der Praxis eine Einschränkung der Leistungsfähigkeit des Kreisels dar, da sie die Achsensteifigkeit vermindert.
Anordnungen gemäß dem Stand der Technik, die die oben erläuterten Beschrän¬ kungen beinhalten, sind aus Stahl mit geringem Ausdehnungskoefizienten, wie z.B. Invar hergestellt und bestehen aus einem zentralen Bolzen, vier oder sechs ebenen Speichen mit gleichmäßigem rechteckförmigen Querschnitt und einem zylindrischen Radkranz, der ebenfalls einen gleichförmigen rechtecki¬ gen Querschnitt aufweist.
Auf den Seitenflächen jeder Speiche sind piezokeramische Platten aufge¬ bracht, die alle gleichzeitig mit einer hohen Spannung einer solchen Frequenz beaufschlagt werden, daß das System bei seiner Resonanzfrequenz schwingt.
Die vorliegende Erfindung schlägt demgegenüber einen speziell konstruierten Drehschwinger mit Piezoantrieb für Laserkreisel vor, der geeignet ist, bei wesentlich erhöhter Frequenz und Amplitude betrieben zu werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erfindungsgemäße Dreh¬ schwinger ähnlich den bisherigen Drehschwingern aufgebaut: Er ist aus einem einzigen Block aus Stahl mit geringer Wärmeausdehnung hergestellt, weist eine zentrale Nabe auf, die z. B. am Trägerfahrzeug befestigt ist, und weist weiterhin Speichen und einen Radkranz auf, die beide einen gleichmä¬ ßigen rechteckförmigen Querschnitt haben. Jedoch sind die Speichen mit dem Radkranz über ein spezielles Biegeelement befestigt. Dieses Biegeelement ist so ausgelegt, daß es wie ein Gelenk arbeitet, das eine große Nachgiebigkeit für Biegebewegungen in der Ebene senkrecht zur Drehachse aufweist, das jedoch eine hohe Steifigkeit für Biegebewegungen außerhalb dieser Ebene aufweist.
Die Verwendung des Gelenks an der Verbindung Speiche/Radkranz bringt für die Piezoelemente eine sehr viel effektivere Umsetzung der elektrischen in mechanische Energie, geringere Oberflächenbeanspruchung der Piezoelemente und noch weitere Vorteile mit sich.
Die vorliegende Erfindung bringt zumindest die folgenden vier Vorteile ge¬ genüber dem Stande der Technik:
1. Die Verwendung eines Gelenks vereinfacht die Festlegung der Reso¬ nanzfrequenz dadurch, daß die Felgendeformation des Speichenrades vermieden wird.
2. Die Verwendung des Gelenks garantiert, daß das gesamte Volumen der Piezokeramik zur Drehmomentenerzeugung ausgenutzt werden kann.
Die Ausbildungen gemäß dem Stand der Technik erreichen wegen der auftretenden Momentenkompensation bei weitem nicht diesen Aus¬ nutzungsgrad.
3. Die Verwendung eines Gelenks reduziert die maximale Oberflächenbe¬ anspruchung der Piezokeramik im Vergleich zur Lösung ohne Gelenk, wenn man gleiche Frequenz und Amplitude der Schwingung voraussetzt.
4. Das Gelenk entkoppelt den Radkranz vom Biegemoment am äußeren Ende der Speichen. Hierdurch wird die übliche Verformung des Radkranzes vermieden, die entweder auf den Kreiselblock übertragen würde, oder wertvolle Vibrationsenergie in die Verbindung Radkranz/Kreisel¬ grundkörper ableitet. Das Ergebnis ist, daß höherer mechanischer Güte erreichbar ist. Anhand der Zeichnung werden Ausführbeispielerläutert.
Fig 1 zeigt eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Drehschwinger
Fig 2 zeigt eine Verbindung der Fig 1 im Detail
Fig 3A und Fig 3B zeigen Speichenverbindungen mit dem bzw. ohne das spezielle erfindungsgemäße Gelenk.
Fig 4A und Fig 4B zeigen schematisch ein Experiment, das klar macht, wodurch die vorliegende Erfindung eine erhöhte Nutzung der mechanischer Energie, die von den Biegeelementen her verfügbar ist, ermöglicht.
Fig 5A und 5B zeigen Speichen- und Radkranzverbiegungen, wie sie typisch für den Stand der Technik und für die Erfindung sind.
In Fig 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehschwingers in Aufsicht gezeigt.
Dieser ist aus einem Werkstück, das aus einem Stahl mit geringem Ausdehnungskoeffizienten besteht, herausgearbeitet. Eine Nabe 1 wird durch vier Vorsprünge 2 gehalten, die mit Hilfe von vier nicht gezeigten Bolzen, die durch Bohrungen 3 gesteckt werden, an einer nicht dargestellten Befe- εtigungsplatte festgelegt sind. Es sind vier Speichen 4 vorgesehen, die sich von der Nabe 1 auswärts erstrecken, und die mit einem zylindrischen Radkranz 5 über spezielle Gelenke 6 verbunden sind. Ein Laserkreiselblock, der nicht dargestellt ist, weist eine zentrale Befestigungsöffnung auf, in die der Radkranz 5 eingepaßt wird. Diese Verbindung stellt die einzige Hal- terung des Laserkreiselblocks dar. Dünne piezokeramische Platten 7 und 8, die an ihren großen Oberflächen mit Elektroden versehen sind, sind leitend auf die beiden Seiten jeder Speiche ganzflächig formschlüssig aufgebracht.
Sie sind so groß bemessen, daß sie einen großen Teil der Speichenoberfläche abdecken. Die äußeren Elektroden 9 und 10 der Platten 7 und 8 sind elektrisch alle mit einer Klemme einer Wechselspannungsquelle verbunden (nicht dar¬ gestellt) . Die andere Klemme der Quelle ist mit dem Körper des Drehschwingers verbunden. Die piezokera ischen Platten weisen alle remanente Polarisations¬ vektoren auf, die in Fig.l im Antiuhrzeigersinn gerichtet sind. Dann bewirkt das Anlegen eines positiven Potentials an die äußeren Elektroden der piezo¬ keramischen Platten ein Moment auf den Radkranz 5 im Uhrzeiσersinn. Der Drehschwinger kann aus Invar oder einer ähnlichen Legierung bestehen und hat einen Durchmesser von etwa 5,5 cm und eine Höhe (Dicke) von etwa 3 cm. Vorzugsweise sind vier Speichen 4 vorgesehen, die eine Breite (Maß zwischen den Platten 7 und 8) von einigen Millimetern und radiale Längen von ca 10 oder mehr Millimetern aufweisen.
Die Nabe 1 ist im verbleibenden Raum so stabil wie möglich ausgebildet, um Biegebeiträge der Nabe zu vermeiden.
Eine vergrößerte Ansicht einer Speiche 4 und eines Gelenkes 6 zeigt Fig.2. Die Höhe des Gelenks ist vorzugsweise so groß, wie die des gesamten Dreh¬ schwingers (etwa 3 cm) .
Wird der Radkranz 5 in Richtung des Pfeils 7 gedreht, dann wirkt sowohl eine translatorische Kraft 8 als auch ein Drehmoment 9 bei 6D auf das Ende der Speiche 4.
Das Gelenk ist so ausgelegt, daß bei den vorkommenden Kräften die Segmente 6A, 6B und 6C zusammen eine nachgiebige Drehfeder um den Punkt 6D bilden und damit das Moment 9 vom Speichenende entkoppeln.
Die Segmente 6Ä und 6C sind anderseits jedoch sehr steif in Hinsicht auf eine Kompression oder einen Zug in Richtung der translatorischen Kraft 8. Daraus resultiert, daß tatsächlich die volle translatorische Kraft 8 auf das Speichenende 6D gelangt. Als Folge davon verhält sich die Speiche fast wie ein nur einseitig an der Nabe eingespannter freier Balken, der einer Punktlast an der Spitze ausgesetzt ist. Das Biegeelement 6B ist auch in radialer Richtung drucksteif, wodurch unerwünschte Querschwingungen ver¬ mieden werden, die sonst auftreten würden.
Da die Elemente 6A, 6B und 6C die gleiche Höhe (Dicke) wie der Drehschwinger haben, weisen sie eine hohe Torsionssteifigkeit für Kräfte auf, die um Achsen wirksam sind, die nicht mit der gewünschten Achse der Kreiselrota¬ tion zusammenfallen. Die Dicke und Länge der Elemente 6A, 6B und 6C liegen in der Größenordnung von 1 mm.
Man kann zeigen, daß bei Drehschwingern, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind, bei denen also die Speichen als von der Nabe ausgehende, am anderen Ende freie Träger betrachtet werden können, die Abmessungen der Speichen die bei weitem wesentlichsten Parameter für die Festlegung der mechanische Eigenfrequenz der Laserkreiselanordnung darstellen. Bisher waren die Abmessungen des Radkranzes und die Verbindung Radkranz und Block von gleicher Wichtigkeit, weshalb die Vorhersage der mechanische Eigenfrequenz sehr schwierig war. Der Beitrag der erfindungsgemäß verwende¬ ten. Gelenke zur Frequenzfestlegung liegt dagegen unter 10%.
In Fig 3A ist eine Speiche 11 gemäß dem Stand der Technik gezeigt, die von der Nabe 12 ausgeht und hier starr mit dem Radkranz 13 verbunden ist. Wird der Radkranz 13 um den Winkel x verdreht, dann ergibt sich der gestrichelt dargestellt Verlauf der verbogenen Speiche. Die Speiche weist eine cha¬ rakteristische Doppelverbiegung auf, hat also S-Form.
Fig 3B zeigt eine ähnliche Speiche 11, die mit dem Radkranz 13 über ein Biegegelenk 15 verbunden ist. Wenn der Radkranz 13 um den gleichen Winkel x verdreht wird, muß bei dieser Ausführung die Speiche 11 einer weniger starken Verbiegung unterworfen werden; dies hat eine sehr viel kleinere Oberflächenbeanspruchung der Piezoelemente 14 zur Folge. Es hat sich ge¬ zeigt, daß, selbst wenn die Speichen gemäß Fig 3A und 3B gleiche Steifigkeit aufweisen, der Vorteil der Ausbildung der Fig 3B erhalten bleibt, also die Oberflächenspannung der Keramik bezüglich der erreichbaren Amplitude keine Begrenzung darstellt.
Übliche einfache Drehschwinger mit Speichen sind auch nachteilig, weil sie die mechanische Energie, die durch die Piezoelemente erzeugt wird, in nicht effizienter Weise nutzen. Dies soll anhand der Fig 4A und 4B erläutert wer¬ den, die ein einfaches Experiment zeigen, daß unter Benutzung von Bimorph- platten durchgeführt werden kann.
In der Fig 4A sind Biegeelemeπte 22Ä und 22B, die zwei benachbarte Speichen des Drehschwingers darstellen sollen, an einem Grundkörper 21, der der Nabe entsprechen soll und an einen starren Block 23, der dem Radkranz entsprechen soll, befestigt. Wenn das Biegeelement 22B so erregt wird, daß sein rechtes Ende in Richtung des Pfeils 24 bewegt wird, erzeugt das Biegeelement 22A, das als passive Säule auf Druck beansprucht wird und durch den Block 23 als Hebel wirkt, ein Drehmoment an die Spitze des Biegeelements 22B, das fast völlig dem durch die Piezoelemente erzeugten Biegeelement entgegenwirkt.
Aufgrund der Symmetrie kann das gleiche Ergebniss erwartet werden, wenn das Biegeelement 22A erregt wird.
In der Praxis erhält man ein Ergebnis, bei dem die erwartete statische Aus¬ lenkung in einem starken Maße reduziert ist, was durch die Verluste der me¬ chanische Energie bedingt ist. In Fig 4B entkoppeln dagegen Gelenke 26, die die Biegeelemente der vorliegenden Erfindung darstellen, die Drehaktivitä¬ ten der Biegeelemente 22A und 22B von der translatorischen Aktivität, wo¬ durch es möglich wird, fast die gesamte erreichbare Arbeit aus den Biegee¬ lementen abzuleiten.
In Drehschwinanordnungen gemäß dem Stand der Technik ist die Momentenredu¬ zierung nicht so stark, wie bei dem anhand der Fig 4A geschilderten Experi¬ ment, weil Teile der Speichen und/oder Teile des Radkranzes teilweise noch als Biegeelemente wirken; trotzdem ist die Ausnutzung der vorhandenen me¬ chanischen Energie sehr gering und abhängig von Toleranzen bei der Plazie¬ rung der Piezokeramiken und der Befestigung des Kreiselblocks am Drehschwinger
Fig 5A zeigt schematisch das Biegemuster eines Drehschwingers, dessen Spei¬ chen starr mit dem Radkranz verbunden sind und das in Richtung des Pfeils 31 verdreht wurde. Die dabei entstehenden Bewegungen von Teilen des Radkranzes in radialen Richtungen 32 rufen Schwierigkeiten für das Befestigen des Kreiselblocks am Drehschwinger hervor.
Wenn die Verbindung starr und gleichmäßig ist, werden die oszillierenden Verformungen zum Kreiselblock weitergeleitet.
Ist die Verbindung dagegen weich, entsteht eine unkontrollierbare Dämpfung und es wird eine unerwünschte Achsen- achgiebigkeit in das Gerät eingebracht. Fig 5B zeigt das Biegemuster eines Drehschwingers, der erfindungsgemäß durch Gelenke beeinflußte Verbiegungen aufweist. In diesem Fall können die zuvor gezeigten Schwierigkeiten bei der Befestigung Radkreuz/Kreiselblock nicht auftreten.

Claims

Patentansprüche
1. Drehschwingungsantrieb für einen Laserkreisel, bei dem eine an einer Grundplatte befestigte Nabe über mehrere radiale Speichen mit einem Radkranz verbunden ist, der mit dem Laserkreisel ver¬ bunden ist und den Laserkreisel mit seinem Schwerpunkt auf der Achse des Drehschwingantrieb (Drehachse) festhält und bei der auf den Seitenflächen der Speichen Platten aus piezoelektrischen Ma¬ terial sowie darüber liegende Elektroden aufgebracht sind, die bei Anlegen einer Wechselspannung den Radkranz in oszillierende Schwin¬ gungen um die Drehachse versetzt, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Übergangs der Speichen (4; 11) in den Radkranz (5; 13) jeweils ein Biegeelement (6; 15) ausgeprägt ist, das eine große Nachgiebigkeit für Drehungen des Radkranzes um die Drehachse aufweist.
2. Drehschwingungsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (6) aus einem sich radial enrstreckenden Steg (6B) und zwei sich in tangentialer Richtung entsprechenden Stegen (6A und 6C) gebildet ist.
3. Drehschwingungsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Höhe des Drehschwingungsantriebs möglichst groß gewählt ist.
4. Drehschwingungsantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Höhe des Biegeelements (6; 15) etwa so groß wie die des gesamten Antriebs ist.
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