DE3544074A1 - Einrichtung zur erzeugung von drehschwingungen fuer ringlasergyroskope - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen für Ringlasergyroskope mit einem ersten Torsionsschwinger bestehend aus einem feststehenden Teil und einem durch Stege mit dem feststehenden Teil verbundenen, Schwingungen ausführenden Teil, wobei die Stege als Federglieder wirken und das festehende Teil nabenförmig ausgebildet ist und die Stege im Bereich des äußeren Umfanges des nabenförmigen Teils angeordnet sind und radial nach außen verlaufen, wobei sie um axiale Achsen elastisch und an ihrem äußeren Ende mit einem Ring verbunden sind. Solche Einrichtungen sind bekannt (DE-OS 33 33 306).

Bei einem Ringlasergyroskop wird durch drei oder vier Spiegel ein in einer Ebene verlaufender Resonanzweg bestimmt, der einen Resonanzhohlraum für einen Laser bildet. Es wird in diesem Resonanzhohlraum Strahlung erzeugt und dabei tritt Strahlung auf, welche den Resonanzweg "linksdrehend" durchläuft, und Strahlung, welche den Resonanzweg "rechtsdrehend" durchläuft. Es wird Laserstrahlung angeregt, deren Frequenz von der optischen Weglänge des Resonanzweges abhängt. Bei gegenüber dem inertialen Raum unverdreht gehaltenem Ringlasergyroskop ist die optische Weglänge des Resonanzweges und damit auch die Frequenz der angeregten Laserstrahlung für beide Umlaufrichtungen der Strahlung gleich. Wenn sich aber das Ringlasergyroskop um eine zur Ebene des Resonazweges senkrechte Achse dreht, so ändern sich, wie durch den Versuch von Sagnac bekannt ist, die effektiven optischen Weglängen für die linksdrehend und die rechtsdrehend laufende Strahlung. Das führt zu entsprechenden Frequenzänderungen der angeregten Laserstrahlung. Wenn die rechtsdrehend und die linksdrehend laufende Laserstrahlung teilweise ausgespiegelt und auf photoelektrische Detektoren geleitet wird, tritt eine Schwebungsfrequenz entsprechend dem Frequenzunterschied zwischen der rechtsdrehend und der linksdrehend laufenden Laserstrahlung auf, die der Drehgeschwindigkeit um die zur Ebene des Resonanzweges senkrechte Achse proportional ist und gemessen werden kann.

Wenn die Frequenzen der links- und der rechtsdrehend laufenden Laserstrahlung nur wenig verschieden sind, dann kann durch Streuung der einen Laserstrahlung in die andere ein Mitzieheffekt (Lock-In) eintreten, der zu gleicher Frequenz der Laserstrahlungen und zu einer Ansprechschwelle des Ringlasergyroskops führt ("Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers" Band 157 "Laser Inertial Rotation Sensors", insbesondere Seite 22). Es ist zur Vermeidung dieses Mitzieheffekts bekannt, die Frequenzen der rechts- und der linksdrehend laufenden Laserstrahlung durch geeignete Maßnahmen von vornherein genügend unterschiedlich zu machen und den Unterschied bei der Signalauswertung zu berücksichtigen. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, dem Ringlasergyroskop eine bekannte Zitterbewegung (Ditherung) um eine Achse zu erteilen (Seite 22 der Literaturstelle). Zu diesem Zweck wird das Ringlasergyroskop über ein sog. Dithergelenk mit Federgliedern verbunden, welches die Drehschwingung um die Dither- Achse zulassen. Solche Federn sollen bei hoher Güte und guter Quersteifigkeit mit geringem Energieaufwand im System stabil schwingen.

Die aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen - eine sogenannte Zitterfeder - besteht aus einem Block in welchem axiale Bohrungen eingebracht sind. Die Stege zwischen den Bohrungen dienen als Federelemente. Der Block wird einseitig an dem Laserblock befestigt. Nachteilig bei dieser Zitterfeder ist die unsymmetrische Befestigung am Laserblock, diese führt zu undefinierten Schwingungen um Achsen, die nicht die Meßachsen sind. Außerdem zeigen die einzelnen Federelemente einen unsymmetrischen Verlauf (die Stege weisen keine parallelten Seitenflächen auf), wodurch eine zusätzliche Unsymmetrie hinsichtlich der Schwingungserzeugung bewirkt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung einer Einrichtung von Drehschwingungen für Ringlasergyroskope, die symmetrisch zum Laserblock angeordnet sind und damit reine Torsionsschwingungen erzeugen. Außerdem soll diese Einrichtung gegen Temperaturdriften unempfindlich sein. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein zweiter Torsionsschwinger vorgesehen ist, dessen Aufbau dem des ersten Torsionsschwingers entspricht und die Ringe der beiden Torsionsschwinger unter Zwischenschaltung des Flansches eines Ringlaserblocks und/oder die nabenförmigen feststehenden Teile axiale Längenänderungen kompensierend miteinander verbunden sind.

Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß der Ring kraftschlüssig mit einem Ringlaserblock verbunden ist, derart, daß wenigstens an einer Stirnseite des Ringes ein auf dem Ringlaserblock wirkender Überwurfring vorgesehen ist und dieser über axiale Längenänderungen kompensierende Verbindungselemente an dem Ring befestigt ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, alle Teile der Einrichtung aus einem Stück herzustellen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Anordnung eines oder mehrerer Piezo-Elemente, die in einfacher Weise auf einem oder mehreren Stegen beispielsweise durch Klebung befestigt werden und bei Ansteuerung mittels einer el. Spannung eine Resonanzschwingung erzeugen. Die Elemente zur Kompensation der Längenänderung bestehen weiterbildungsgemäß aus Federscheiben oder Unterlagscheiben mit einer bestimmten Höhe und einem bestimmten Ausdehungskoeffizienten, die beispielsweise zwischen die Halteelemente der beiden Torsionsschwinger eingefügt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die nabenförmigen, feststehenden Teile mit einem membranartigen Flansch zu verbinden. Dieser hat ebenfalls die Aufgabe, temperaturbedingte Längenänderungen zwischen den feststehenden Teilen auszugleichen. Wird, wie in der alternativen Lösung beschrieben, nur ein einziger Torsionsschwinger benötigt, so kann dieser an einer Stirnseite mit einem Flansch zur Aufnahme des Laserblocks versehen werden und an der gegenüberliegenden Stirnseite mit einem Überwurfring befestigt werden. Dieser Überwurfring wird in vorteilhafter Weise unter Zwischenschaltung von Dehn- oder Federelementen an dem Außen-Ring des Torsionsschwingers befestigt. Selbstverständlich kann der Außen-Ring auch an beiden Stirnseiten mit Überwurfringen an dem Laserblock befestigt werden.

Üblicherweise besteht der Laserblock aus einem Glassubstrat beispielsweise aus Cerodur. Hier hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Fläche des Ringlaserblocks welche die Einspannkraft aufzunehmen hat mit sogenannten Entlastungsnuten zu versehen. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine zweiteilige Drehschwingungseinrichtung in einer Schnittdarstellung und in Daraufsicht,

Fig. 2 eine Variante der zweiteiligen Drehschwingungseinrichtung,

Fig. 3 eine einteilige Drehschwingungseinrichtung in Schnittdarstellung und Draufsicht,

Fig. 4 eine zentralbefestigte, einteilige Drehschwingungseinrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte zweiteilige Drehschwingungseinrichtung, kurz Dithergelenk, besteht im wesentlichen aus zwei nahezu identischen Torsionsschwingern 1, 2, die mit ihrer Nabe an einem Grundkörper befestigt sind. Diese Torsionsschwinger tragen über einen Flansch 35 einen Laserblock 15 und bewirken eine Torsionsschwingung um die Z- Achse mit einer Frequenz von beispielsweise 400 Hz und einer Amplitude von beispielsweise 300 Bogensekunden.

Die Torsionsschwinger werden nachfolgend detailliert beschrieben. Der Torsionsschwinger 1 besteht aus einer Nabe 3, auf der ein Stegring 5 befestigt ist. Dieser Stegring 5 trägt vier radial gerichtete Stege 7, 8, 9, 10, die mit einem Ring 13 an ihren äußeren Enden verbunden sind. An dem Ring 13 sind 4 nasenförmige Flansche 16, 17, 18, 19 angebracht, an der Nabe 4 ist über eine axial-elastische Membran 21 ein Nabenflansch 22 befestigt. Der Torsionsschwinger 1 ist entsprechend dem Torsionsschwinger 2 aufgebaut, bei diesem entfällt lediglich die Membran 21, der Nabenflansch 23 ist direkt mit der Nabe 3 starr verbunden. Die beiden Nabenflansche 22, 23 werden mittels Schrauben 29, 30, 31, 32 an Stehbolzen 33 befestigt, diese sind mit demGehäuse 24 verbunden. Mittels der Schrauben 25, 26, 27, 28 werden die jeweiligen Ringflansche 16, 17, 18, 19 des Torsionsschwingers 2 mit denen des Torsionsschwingers 1 verbunden. Damit wird eine reibschlüssige Kraftverbindung zwischen dem Flansch 35 des Laserblocks 15 und den Ringen 13, 14 hergestellt. Auf einem oder mehreren der Stege sind Piezo- Elemente 36, 37 an den Seitenflächen befestigt. Diese werden wechselweise angesteuert, d. h. die Ansteuerung des Elements 37 bewirkt eine Drehung der Stegfläche, während die gleichzeitige gegenphasige Ansteuerung des Piezoelementes 36 eine Stauchung der angrenzenden Fläche bewirkt.

Die Anordnung eines einzigen Piezoelementes ist zur Erzeugung einer Torsionsschwingung des Laserblocks 15 völlig ausreichend. Aus Symmetriegründen ist es jedoch vorteilhaft, mehrere Piezoelemente symmetrisch verteilt anzuordnen. Da der Laserblock aus einem Glaskermiksubstrat beispielsweise Cerodur, welches einen sehr niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzt, hergestellt ist, und die Torsionsschwinger aus einem metallischen Werkstoff mit relativ hohem Temperaturausdehnungskoeffizienten hergestellt sind, würde eine Temperaturänderung zu unterschiedlichen Spannungen zwischen den Ringen 13, 14 und dem Flansch 35 führen. Aus diesem Grund ist die Verbindungsschraube 25 mit einer Tellerscheibe 34 unterlegt, die die Längenänderungen innerhalb des Temperaturbereichs ausgleicht. Die Funktion des spannungsfreien Längenausgleichs hat auch die Membran 21, die das Entstehen von Spannungen in den Stegen verhindert, da durch diese Membran eine starre Verbindung zwischen den Ringen 13, 14 über die Stege zu den Naben 4, 3 vermieden wird. Die Membranfläche 21 ist durch Einschnitte an der Nabe 4 vergrößert und weist damit sehr gute Federeigenschaften in axialer Richtung auf, andererseits ist sie aber sehr torsionssteif.

Das in Fig. 2 gezeigte Dithergelenk entspricht im Aufbau dem in Fig. 1 gezeigten. Es beinhaltet lediglich einige konstruktive Änderungen. So ist der Blockflansch 35 des Laserblocks 15 mit zwei Ausgleichsnuten versehen, diese verhindern Extremspannungen an den Flanschansätzen. Außerdem sind die Ringe 13, 14 mit Schrauben 25 mit definierten Dehnbereichen miteinander verspannt. Anstelle von Tellerfedern sind hier Ausgleichsscheiben 38 den Schrauben 25 unterlegt. Die Länge dieser Ausgleichsscheiben und deren Temperaturausdehnungskoeffizient ist dabei so gewählt, daß eine Temperaturausdehnung der Ringe 13, 14 bzw. deren Ringflanche 17, 20 keine Einspannkraftänderung auf dem Blockflansch 35 bewirkt. Auch die beiden Naben 3, 4 sind über eine Membran 21 gegeneinander mit axialer Beweglichkeit angeordnet. Damit wird auch hier eine Verspannung der Stege von Torsionsschwinger 1 und Torsionsschwinger 2 wirksam unterdrückt.

Die in Fig. 3 gezeigte einteilige Drehschwingungseinrichtung besteht aus einer Nabe 40, den daran angeordneten Stegen 45 bis 50 und dem Außenring 54. Die Nabe 40 ist einerseits mittels Schrauben 51, 52, 53 über einen Aufnahmering 42 und andererseits über eine Zentralschraube 43 und einer Gewindehülse 44 an dem Gehäuse 41 befestigt. Ein oder mehrere Stege enthalten wiederum zur Drehschwingungserzeugung Piezoelemente 64, 65. In dieser Figur sind nur zwei Elemente gezeigt, selbstverständlich ist es auch möglich, alle Stege mit Elementen auszurüsten. Der Außenring 54 weist an seiner einen Stirnseite ein Halteflansch 55 auf, zwischen diesem Halteflansch und einer, auf der gegenüberliegenden Stirnseite mittels Schrauben 61 befestigten Überwurfschreibe 57 ist der Laserblock 60 eingespannt. Zwischen dem Halteflansch 55 und dem Laserblock 60 ist eine Zwischenscheibe 56 angeordnet, die eine bessere Kräfteübertragung bewirkt. Zur Längenkompensation bei Temperaturänderungen ist die Schruabe 61 mit einer Ausgleichsscheibe 58 unterlegt. Außerdem besteht zwischen dem Außenring 54 und der Überwurfscheibe 57 ein geringer Luftspalt 59. Eine Temperaturerhöhung, die auf das gesamte System wirkt verursacht eine Längendehnung des Außenringes 54 gegenüber dem Laserblock 60. Diese Längendehnung wird dadurch kompensiert, daß die Ausgleichsscheibe 58 einen wesentlichen höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten als der Außenring 54 aufweist und sich damit proportional zu der Längendehnung des Außenring ausdehnt. Anstelle der Ausgleichsscheibe 58 kann auch eine Bimetallscheibe zwischen die Schraube 61 und dem Überwurfring 57 angeordnet werden. Diese ist ebenfalls in der Lage, Längenänderungen des Außenringes 54 gegenüber dem Laserblock 60 zu kompensieren. Eine radiale Längendehnung des Torsionsschwingers ist bei diesem Aufbau unschädlich, da zwischen dem Laserblock 60 und dem Außenring 54 ein geringer Luftspalt besteht.

Der in Fig. 4 gezeigte Aufbau eines Dithergelenks unterscheidet sich von dem Aufbau gemäß Fig. 3 dadurch, daß eine zweite Überwurfscheibe 66 vorgesehen ist. Auch in diesem Beispiel ist die Nabe 40 mittels der Schrauben 51 an dem Aufnahmering 42 befestigt. Außerdem ist auch hier eine Zentralbefestigung mit der Schraube 43 vorgesehen. Mittels Schrauben 61, 62 sind an dem Außenring stirnseitig die zwei Überwurfscheiben 57, 66 befestigt. Die Schrauben sind auch hier mit Ausgleichsscheiben 58, 67 unterlegt. Möglich ist jedoch auch die Unterlegung einer einzigen Ausgleichsscheibe an einer der Schrauben zur Längenkompensation bei Temperaturausdehnung. Über Zwischenscheiben 56, 63 wird der Laserblock 60 mit den Überwurfscheiben eingespannt. Auch hier besteht zwischen dem Außenring 54 und dem Laserblock 60 ein geringer radialer Luftspalt zur Vermeidung von Radialspannungen bei Temperaturausdehnungen. Vorteilhafterweise werden sämtliche Teile des Dithergelenks aus einem einzigen Werkstoff hergestellt, dadurch werden auch Spannungen innerhalb dieses Gelenkes vermieden.

• Bezugszeichenliste  1 Torsionsschwinger
   2 Torsionsschwinger
   3 Nabe
   4 Nabe
   5 Stegring
   6 Stegring
   7 Steg (Speiche)
   8 Steg (Speiche)
   9 Steg (Speiche)
  10 Steg (Speiche)
  11 Steg (Speiche)
  12 Steg (Speiche)
  13 Ring (Felge)
  14 Ring (Felge)
  15 Laserblock
  16 Ringflansch
  17 Ringflansch
  18 Ringflansch
  19 Ringflansch
  20 Ringflansch
  21 Membran
  22 Nabenflansch
  23 Nabenflansch
  24 Grundkörper
  25 Schraube
  26 Schraube
  27 Schraube
  28 Schraube
  29 Schraube
  30 Schraube
  31 Schraube
  32 Schraube
  33 Stehbolzen
  34 Tellerfeder
  35 Blockflansch
  36 Piezo-Element
  37 Piezo-Element
  38 Ausgleichsscheibe
  39 Entlastungsmutter
  40 Nabe
  41 Gehäuse
  42 Aufnahmering
  43 Zentralschraube
  44 Gewindehülse
  45 Steg (Speiche)
  46 Steg (Speiche)
  47 Steg (Speiche)
  48 Steg (Speiche)
  49 Steg (Speiche)
  50 Steg (Speiche)
  51 Schraube
  52 Schraube
  53 Schraube
  54 Außenring (Felge)
  55 Halteflansch
  56 Zwischenscheibe
  57 Überwurfscheibe
  58 Ausgleichsscheibe
  59 Luftspalt
  60 Laserblock
  61 Schraube
  62 Schraube
  63 Zwischenscheibe
  64 Piezo-Element
  65 Piezo-Element
  66 Überwurfscheibe
  67 Ausgleichsscheibe

Claims (9)

1. Einrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen für Ringlasergyroskope mit einem ersten Torsionsschwinger, bestehend aus einem feststehenden Teil und einem durch Stege mit dem feststehenden Teil verbundenen Schwingungen ausführender Teil, wobei die Stege als Federglieder wirken und das feststehende Teil nabenförmig ausgebildet ist und die Stege im Bereich des äußeren Umfangs des nabenförmigen Teils angeordnet sind und radial nach außen verlaufen, wobei sie um axiale Achsen elastisch und an ihrem äußeren Ende mit einem Außenring verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Torsionsschwinger (2) vorgesehen ist, dessen Aufbau dem des ersten Torsionsschwingers (1) entspricht und die Ringe (13, 14) der beiden Torsionsschwinger (1, 2) unter Zwischenschaltung des Flansches (35) eines Ringlaserblocks (15) und/oder die nabenförmigen, feststehenden Teile (3, 4) derart miteinander verbunden sind, daß sie temperaturbedingte axiale Längenänderungen kompensieren.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende Teil (3, 4) die Stege (7-12) und der Ring (13, 14) aus einem Stück hergestellt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Steg (7-12) wenigstens ein Piezoelement (36, 37) derart angeordnet ist, daß es bei Ansteuerung eine Dehnung und/oder eine Stauchung einer Fläche des Stegs (7-12) und damit eine Drehschwingung des Ringes (13, 14) bewirkt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (13, 14) mittels mehrerer am Umfang verteilt angeordneten Schrauben (25, 26, 27, 28) verbunden sind, wobei die Schrauben Federelemente (34) aufweisen, die in axialer Richtung wirksam sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (13, 14) mittels mehrerer am Umfang verteilt angeordneter Schrauben (25-28) verbunden sind, wobei die Schrauben in axialer Richtung wirkende Temperatur-Ausgleichsscheiben (38) aufweisen.

6. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem der nabenförmigen, feststehenden Teile (3, 4) ein membranartiger Flansch (21) vorgesehen ist und an diesem Flansch die Verbindung beider Teile (3, 4) erfolgt.

7. Einrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen für Ringlasergyroskope mit einem Torsionsschwinger bestehend aus einem feststehenden Teil und einem durch Stege mit dem feststehenden Teil verbundenen, Schwingungen ausführenden Teil, wobei die Stege als Federglieder wirken und das feststehende Teil nabenförmig ausgebildet ist und die Stege im Bereich des äußeren Umfanges des nabenförmigen Teiles angeordnet sind und radial nach außen verlaufen, wobei sie um axiale Achsen elastisch und an ihrem äußeren Ende mit einem Außenring verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (54) kraftschlüssig mit einem Ringlaserblock (60) verbunden ist, derart, daß wenigstens an einer Stirnseite des Außenrings (54) eine auf den Ringlaserblock wirkende Überwurfscheibe (57) vorgesehen ist und diese über axiale Längenänderungen kompensierende Verbindungselemente (58, 67) an dem Außenring (54) befestigt ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Überwurfscheibe (66) an der gegenüberliegenden Stirnseite des Außenrings (54) vorgesehen ist, mit welchem dieser über axiale Längenänderungen kompensierende Verbindungselemente an dem Ringlaserblock befestigt ist.

9. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Einspannkraft aufnehmende Fläche des Ringlaserblocks (60) mit einer Entlastungsnut (39) versehen ist.