DE3615930C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur verstellbaren Halterung des Spiegels eines Ringlaser-Gyroskops der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung, vgl. DE-OS 30 32 997.

Bei Laserstrahl-Gyroskopen muß die durch die Reflektoren mitbestimmte Länge des Laserstrahlengangs sehr genau eingestellt werden können, was üblicherweise mit Hilfe von piezoelektrischen Keramikscheiben geschieht, mit denen der Spiegel verbunden ist. Durch Anlegen einer Spannung ändern sich die Abmessungen dieser Piezoscheiben und damit die Positionen des mit ihnen verbundenen Spiegels. Die Größe und Polarität der an die Piezoscheiben angelegten Spannungen wird vom Laserausgang abgeleitet, um eine optimale Laserverstärkung und -frequenz zu erhalten. Die z. B. durch Temperaturschwankungen und Inhomogenitäten der Werkstoffe verursachten Abmessungsänderungen des Gyroskopblocks, die durch die Lageeinstellung der Spiegel kompensiert werden müssen, liegen bei ca. 2,54 µm, wobei die Genauigkeit und Auflösung der Einstellbewegung unter 0,025 µm liegt. Wesentlich dabei ist, daß die von den Laserstrahlen gebildete Ebene gegenüber der Spiegelfläche, der Öffnung im Laserstrahlengang und den Elektroden unverändert bleibt, weil jede Lageänderung dieser Ebene die Betriebsbedingungen des Gyroskops nachteilig beeinflußt. Formänderungen des Laserblocks durch Beschleunigungen oder Wärmedehnungen in einer quer zur Laserebene verlaufenden Richtung bewirken derartige Lageänderungen der Ebene. Bei Ringlaser-Gyroskopen kleiner Abmessungen von z. B. weniger als 38 cm kann der Laserblock ausreichend starr gemacht werden, um diese nachteiligen Verschiebungen der Laserebene auszuschließen. Die auch bei diesen Gyroskopen auftretenden Lageänderungen des Spiegels sind im wesentlichen auf Inhomogenitäten der als Verstellorgane eingesetzten piezoelektrischen Keramikscheiben sowie auf deren Fertigungstoleranzen zurückzuführen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur verstellbaren Halterung des Spiegels eines Ringlaser-Gyroskops zu schaffen, die bei konstruktiv einfachem Aufbau unerwünschte Lageänderungen und Verkantungen des Spiegels vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die feinfühlig verstellbare Halterung des Spiegels auf mechanisch einfache Weise und vermeidet die bei bisherigen Halterungen auftretenden Verkantungen und Vibrationen des Spiegels. Erreicht wird dieses Ziel durch die Verwendung von zwei entgegengesetzt nach außen gewölbten Bauteilen, zwischen deren gemeinsamer Basis die piezoelektrischen Keramikscheiben angeordnet sind, wobei sich die beiden gewölbten Bauteile mit ihren in einer Achse liegenden Scheiteln einerseits an einer Stirnplatte des Gehäuses und andererseits an der den Spiegel tragenden Membran abstützen. Bei einer Ausdehnung oder Kontraktion der piezoelektrischen Scheiben bewegt sich die Membranmitte zusammen mit dem Spiegel genau in der Mittelachse um Beträge, die durch die Geometrie der beiden gewölbten Bauteile bestimmt wird.

Aus der US-PS 43 18 023 ist ein Stellglied zum Betätigen eines Ventils bekannt, das über einen Stößel an einer vorgespannten Membran abgestützt ist. Diese Membran ist an einer Seite fest in einem Gehäuse eingespannt und an ihrem anderen Rand an einem beweglichen Halteglied befestigt, welcher der Einwirkung von piezoelektrischen Scheiben ausgesetzt ist.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch das Funktionsprinzip der verstellbaren Spiegelhalterung;

Fig. 2 im einzelnen eine bevorzugte Ausführung im Axialschnitt.

Die Strahlenganglänge in einem Ringlaser-Gyroskop wird durch die Anordnung einer Spiegelfläche 10 bestimmt, die im Hohlraum des Gyroskops angeordnet ist und einen Teil einer Spiegelmembran 12 bildet. Diese Spiegelmembran 12 ist an einer Halterung 14 starr befestigt. Innerhalb der Halterung 14 ist ein oberes konisches Bauteil 16 und ein unteres konisches Bauteil 18 angeordnet. Zwischen beiden konischen Bauteilen 16, 18 befindet sich eine piezoelektrische Keramikscheibe 20 aus z. B. Bleizirkonat-Titanat mit einem Durchmesser von z. B. 17,8 mm und einer Dicke von 0,5 mm. Wenn über die Dicke dieser Keramikscheibe eine Spannung von z. B. 500 V angelegt wird, erfolgt eine diametrale Kontraktion von ca. 5,08 µm, die eine um einen Faktor verstärkte Bewegung der Spiegelfläche 10 in X-Richtung zur Folge hat. Bei einem Scheibenradius R und einer Seitenlänge L der konischen Bauteile 16, 18 gilt

Es ist ersichtlich, daß die Verstärkung dX/dR sich unendlich nähert, wenn der Neigungswinkel α der Seiten der konischen Bauteile 16, 18 gegen Null geht. Unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen und der Werkstoffbeanspruchung beträgt der Winkel α ca. 10°. Bei einer typischen Ausgestaltung mit einem Scheibenradius von R=8,9 mm und einer Seitenlänge L=9,03 mm beträgt die Verstärkung dX/dR=5,7, so daß Änderungen der Strecke X den 5,7fachen Änderungen des Radius R entsprechen. Eine derartige Ausbildung ist ferner weniger anfällig gegen Querbeschleunigungen. Bei einer theoretisch perfekten Passung zwischen den einzelnen Bauteilen und absolut steifen Elementen würde die Spiegelverschiebung bei Anlegen einer Spannung von 500 V an die Keramikscheibe 20 eine Strecke von 28,95 µm bzw. 0,058 µm/V betragen. Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Spiegelbewegung ist im wesentlichen linear und aufgrund der gewählten geometrischen Konfiguration exakt wiederholbar. Durch den Proportionalitätsfaktor wird ferner die an die Keramikscheiben anzulegende Spannung vermindert.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind an einem Paar von piezoelektrischen Keramikscheiben 30, 32 Elektroden 34, 36 und Zuleitungen 38, 40 zum Anlegen einer Spannung an die Keramikscheiben 30, 32 angeschlossen. Am unteren konischen Bauteil 42 ist ein hohler Ansatz 44 vorgesehen, in den ein Vorsprung 46 der Spiegeleinheit 48 eingreift. Die Keramikscheiben 30, 32 sind in die entgegengesetzt ausgerichteten konischen Bauteile 42, 50 unter Vorspannung eingesetzt, was durch Zusammendrücken der zentralen Bereiche dieser konischen Bauteile 42 und 50 beim Einsetzen der Piezoscheiben erreicht wird. Die Vorspannung gewährleistet eine schlupffreie Passung zwischen den einzelnen Bauteilen. Bei der Endmontage wird das konische Bauteil 42 um einen vorbestimmten Betrag gegen den Vorsprung 46 vorgespannt.

Wenn im Betrieb die Position der Spiegelfläche 52 verstellt werden soll, um die Weglänge im Ringlaser-Gyroskop einzustellen, wird an die Elektroden 34, 36 eine Spannung angelegt, die eine diametrale Kontraktion der Keramikscheiben 30, 32 und über die Konizität der beiden Bauteile eine Bewegung der Spiegelfläche 52 bewirkt.

Bei dieser Ausführung spielen die in den piezoelektrischen Keramikscheiben vorhandenen Unregelmäßigkeiten keine wesentliche Rolle, da sich die konischen Bauteile 42, 50 am Außenrand der Keramikscheiben infolge ihrer Vorspannung fest anpassen. Ferner werden Wärmedehnungen der Keramikscheiben automatisch ausgeglichen, und Verkantungen des Spiegels bei seiner Verstellung werden sicher vermieden. Anders als bei bekannten piezoelektrischen Spiegelhalterungen ist die vorliegende Anordnung relativ unempfindlich gegen Vibrationen, Beschleunigungen und Stöße, da die beweglichen Teile von biegesteifen Teilen abgestützt sind. Insbesondere sind die konischen Bauteile 42, 50 ausreichend steif, um hohe Eigenfrequenzen sicherzustellen. Die vorstehend beschriebene Vorrichtung gewährleistet somit präzise Einstellbewegungen der Spiegelfläche 52 ohne deren Verkanten oder Verkippen, wobei aufgrund des Verstärkungs- bzw. Proportionalitätsfaktors die Spiegelbewegung exakt wiederholbar ist.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur verstellbaren Halterung des Spiegels eines Ringlaser-Gyroskops, bestehend aus einem Gehäuse und mindestens einer piezoelektrischen Scheibe mit elektrischen Anschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Scheibe (20; 30, 32) zwischen zwei nach außen entgegengesetzt konischen elastischen Bauteilen (16, 18; 42, 50) unter Vorspannung gehaltert ist, von denen eines (16; 50) mittig an einer Stirnplatte des Gehäuses (14) und das andere mittig an einer Membrane (12; 48) befestigt ist, die in ihrem zentralen Teil außen den Spiegel (10) trägt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei piezoelektrische Scheiben (32, 34) aufeinanderliegend vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am zentralen Teil des einen konischen Bauteils (42) ein hohler Ansatz (44) ausgebildet ist, in dem ein an der Membran (48) ausgebildeter Vorsprung (46) befestigt ist.