DE3604079A1 - Einrichtung zur erzeugung von drehschwingungen, insbesondere fuer ringlasergyroskope - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Erzeugung von Dreh­ schwingungen, insbesondere für Ringlasergyroskope nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine derartige Einrichtung ist bekannt.

Bei einem Ringlasergyroskop wird durch drei oder vier Spiegel ein in einer Ebene verlaufender Resonanzweg bestimmt, der einen Resonanzhohl­ raum für einen Laser bildet. Es wird in diesem Resonanzhohlraum Strah­ lung 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 Wellenlänge des Resonanzweges abhängt. Bei gegenüber dem inertialen Raum unverdreht gehaltenem Ringlasergyroskop ist die optische Wellenlänge des Resonanzweges und damit auch die Fre­ quenz der angeregten Laserstrahlung für beide Umlaufrichtungen der Strahlung gleich. Wenn sich aber das Ringlasergyroskop um eine zur Ebene des Resonanzweges senkrechte Achse dreht, so ändern sich, wie durch den Versuch von Sagnac bekannt ist, die effektiven optischen Weglängen für die links- und rechtsdrehende Strahlung. Das führt zu entsprechenden Frequenzänderungen der angeregten Laserstrahlung. Wenn die rechtsherum und die linksherum laufende Laserstrahlung teilweise ausgespiegelt und auf photoelektrische Detektoren geleitet wird, tritt eine Schwebungsfrequenz entsprechend dem Frequenzunterschied zwischen der rechtsherum und der linksherum laufenden Laserstrahlung auf, die der Drehgeschwindigkeit um die zur Ebene des Resonanzweges senkrechte Achse proportional ist und gemessen werden kann.

Sind die Frequenzen der linksherum und der rechtsherum laufenden La­ serstrahlung nur wenig verschieden, dann kann durch Einkoppeln der ei­ nen Laserstrahlung in die andere ein Mitzieheffekt (Lock-In) eintre­ ten, der zu gleicher Frequenz der Laserstrahlungen und zu einer An­ sprechschwelle des Ringlasergyroskops führt ("Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers" Band 157 "Laser Inertial Rotation Sensors", insbesondere Seite 22). Es ist zur Vermei­ dung dieses Mitzieheffekts bekannt, die Frequenzen der rechtsherum und der linksherum laufenden Laserstrahlung durch geeignete Maßnahmen von vornherein hinreichend unterschiedlich zu machen und den Unterschied bei der Signalauswertung zu berücksichtigen. Eine Lösung dieses Pro­ blems besteht darin, dem Ringlasergyroskop eine bekannte Drehschwin­ gung um eine Drehachse zu erteilen. Zu diesem Zweck wird das Ringlaser­ gyroskop über eine Feder mit Federgliedern verbunden, welche die Dreh­ schwingung um die Drehachse zulassen. Solche Federn sollen bei hoher Güte und guter Quersteifigkeit mit geringem Energieaufwand im System stabil schwingen.

In der DE-OS 33 33 306 wird eine sogenannte Zitterfeder beschrieben, die eine Zitterbewegung um die Meßachse ausführt. Merkmale der schei­ benförmigen Zitterfeder sind Bohrungen, die auf einem bestimmten Teil­ kreis angeordnet sind, wobei zwischen den einzelnen Bohrungen Stege stehen bleiben. Diese Stege bilden Federelemente, die eine Schwingung oder Zitterbewegung des äußeren Teils der Zitterfeder zulassen. Nach­ teilig bei dieser Anordnung ist allerdings, daß die Stege nur eine sehr kurze wirksame Federlänge besitzen. Außerdem ist die Stegbreite aufgrund der Bohrungsstruktur nicht konstant, sondern nimmt nach bei­ den Seiten hin zu.

Vorteile der Erfindung

Die Einrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine sehr genaue Bestimmung der Federeigenschaften der Stege möglich ist. Gerade in der Anwendung bei Ringlasergyroskopen, die eine hohe Eingangsempfindlichkeit besitzen, muß eine genau definierte Schwingbe­ wegung gewährleistet sein.

In einfacher Weise können alle Elemente der Einrichtung, die auch als "Dithergelenk" bezeichnet wird, aus einem Block hergestellt werden. Durch die Homogenität wird die Güte der Drehschwingungen noch ver­ bessert.

Zur Anregung der Schwingbewegung sind vorteilhafterweise Piezoelemente vorgesehen, die auf den Stegen derart angeordnet sind, daß sie diese verbiegen. Durch die Ansteuerung der Piezoelemente mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz des gesamten schwingfähigen Gebildes ent­ spricht, wird ein einfacher und zuverlässiger Antrieb geschaffen. Selbstverständlich reicht zur Erzeugung der Drehschwingung ein ein­ ziges Piezoelement aus. Aus Symmetriegründen erscheint es jedoch zweck­ mäßig, alle Stege mit Piezoelementen zu versehen, wobei an jedem Steg an beiden Biegeflächen Piezoelemente angeordnet sein können. Die bei­ den Piezoelemente werden dann gegenphasig angesteuert, d.h., während das eine Piezoelement eine Dehnung der einen Biegefläche erzeugt, sorgt das gegenüberliegende Piezoelement für eine Stauchung der zuge­ hörigen Biegefläche.

Die Abstützung des feststehenden Teils des Dithergelenks erfolgt üblicherweise über ein Gehäuse. Zur Vermeidung von Schwingungen auf das Gehäuse wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorge­ schlagen, einen Gegenschwinger anzuordnen. Dieser ist an Stegen be­ festigt, die spiegelbildlich zu den ersten Stegen an dem feststehenden Teil angeordnet sind. Auch diese Stege können mit Piezoelementen be­ stückt sein, die eine gegenphasige Schwingung des Gegenschwingers er­ zeugen. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen und der Beschreibung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 den Aufbau eines Dithergelenks,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Befestigung eines Laserblocks mit einem Dithergelenk,

Fig. 3 den schematischen Aufbau eines Dithergelenks mit spezieller Stegausbildung.

Eine Einrichtung zur Erzeugung von Schwingungen für ein Ringlasergyros­ kop, nachfolgend kurz Dithergelenk genannt, besteht im wesentlichen aus einem feststehenden und an ein Gehäuse befestigbaren ringförmigen Flansch 1, daran angeordnete, axial gerichtete Stege 2, 3, 4 und einem die Stege verbindenden Ring 5. Alle Teile sind, wie aus der Fig. 1 er­ sichtlich, aus einem Block hergestellt. Die Stege stellen das eigent­ liche Federelement dar und können wie bei Steg 3 angedeutet, um radia­ le Achsen schwingen, so daß der Ring 5 eine Schwingung um die vertika­ le Achse ausführt. Die Schwingungsamplitude ist selbstverständlich sehr gering. Typische Werte sind beispielsweise 100 arcsec, die Fre­ quenz liegt bei ca. 400 Hz. Zum Antrieb eines Gegenschwingers sind an dem Flansch 1 weitere Stege 6, 7, 8 angeordnet. Diese sind ebenfalls mit einem Ring 9 miteinander verbunden.

Zur Schwingungserzeugung sind an die Biegeflächen der Stege Piezoele­ mente geordnet, wobei jeder Steg zwei Elemente trägt. Diese können beispielsweise aufgeklebt sein und erzeugen bei Anlegen einer Spannung eine Längendehnung oder Stauchung der Fläche in vertikaler Richtung Dies bedeutet, daß zur Bildung einer Drehschwingung das Piezoelement 14 eine gegensinnige Bewegung zu dem Element 14 a ausfüh­ ren muß. Das gilt in gleicher Weise für die anderen Elemente, d.h., während Element 15 eine Längendehnung bewirkt, muß das gegenüberliegen­ de Element 15 a eine Längenstauchung erzeugen.

Eine Integration des Dithergelenks in ein Ringlasergyroskop zeigt Fig. 2. Auf einer Grundplatte 16 ist ein Aufnahmezylinder 17 be­ festigt. Dieser ist an seinem oberen Ende zur Aufnahme des Flansches 1 entsprechend ausgebildet. Der Flansch 1 ist auf dem Zylinder 17 mit einer Schraubverbindung 18 o.ä. befestigt. An dem Flansch 1 befinden sich die Stege 3, 7, 19, 20 und an dem äußeren Ende die entsprechenden Ringe 5, 9. Alle Stege sind mit Piezoelementen 11, 14, 21, 22 ver­ sehen. Deren Ansteuerleitungen sind der Einfachheit halber hier nicht dargestellt, können aber beispielsweise über den Flansch 2 und den Aufnahmezylinder 17 zu einer Ansteuerschaltung geführt werden. An dem Ring 5 ist mit einer Überwurfscheibe 23 und einer zusätzlichen Klebe­ verbindung 24 der Laserblock 25, in welchem die Laserstrahlen umlaufen, befestigt. Dieser schwingt bei Ansteuerung der Piezoelemente um die Achse 26. Ebenfalls um diese Achse, aber mit einer Phasenverschiebung von 180°, schwingt der an dem Ring 9 befestigte Gegenschwinger 27. Dieser ist so dimensioniert, daß auf den Zylinder 17 und damit auf die Grundplatte 16 praktisch keine Torsionskräfte wirken.

Die schematische Darstellung eines Dithergelenks mit spezieller Steg­ ausbildung zeigt Fig. 3. In diesem Beispiel sind die Stege (hier nur an einem Steg 28 dargestellt) an den Verbindungsstellen zu den Ringen 31, 32 als Knotenpunkte mit aufgelösten Knoten ausgebildet. Dadurch werden bessere Ergebnisse bezüglich der Torsionsschwingung erzielt.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen, insbesondere für Ringlasergyroskope mit einem feststehenden Teil und einem durch Stege mit dem feststehenden Teil verbundenen Schwingungen ausfüh­ rendes Teil, wobei die Stege als Federglieder wirken, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das feststehende Teil (1) flanschförmig ausge­ bildet ist und die Stege (2, 3, 4) im Bereich des äußeren Umfangs des flanschförmigen Teils (1) derart angeordnet sind, daß sie um radiale Achsen elastisch sind und wobei die Stege (2, 3, 4) an ihren beweglichen Enden mittels eines ersten Rings (5) verbunden sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fest­ stehende Teil (1), die Stege (2, 3, 4) und der die Schwingungen ausführende Ring (5) aus einem Stück hergestellt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Steg wenigstens ein Piezoelement (13, 14, 15) an­ geordnet ist, welches bei Ansteuerung eine Dehnung und/oder eine Stauchung einer Fläche des Stegs (2, 3, 4) und damit eine Dreh­ bewegung des ersten Rings (5) bewirkt.

4. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem flanschförmigen Teil weitere Stege (6, 7, 8) spiegelbildlich zu den ersten Stegen (2, 3, 4) angeordnet sind und diese ebenfalls mittels eines Rings (9) an ihren freien Enden ver­ bunden sind, wobei wenigstens ein auf wenigstens einem dieser Stege angeordnetes Piezoelement (10, 11, 12) eine Gegenbewegung zu dem ersten Piezoelement (13, 14, 15) derart bewirkt, daß an dem zweiten Ring (9) eine Gegenschwingung erzeugt wird.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens teilweise in einem Ringlaser­ block (25) angeordnet ist, wobei der erste Ring (5) mit dem Ring­ laserblock (25) starr verbunden ist und an dem zweiten Ring (9) eine Gegenmasse (27) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Übergänge von den Stegen (28) auf die Ringe (29, 30) als freie Knotenpunkte ausgebildet sind.