DE3619941A1 - Winkelgeschwindigkeitssensor fuer navigationszwecke - Google Patents
Winkelgeschwindigkeitssensor fuer navigationszweckeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor für Navigationszwecke
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Leitsysteme für moderne Flugzeuge erfordern Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessungen.
Dazu werden üblicherweise Geräte mit einem rotierenden Kreiselelement verwendet, welches mittels eines hebelartig wirkenden
piezoelektrischen Kristalls mechanisch gefesselt ist, so daß letzterer beim Auftreten einer Winkelgeschwindigkeit um eine zur Lauflagerachse des
Geräts bzw. zur Laufachse des Kreiselelements senkrechte Achse aufgrund der Reaktion des Kreiselelements mechanisch beansprucht wird und ein
elektrisches Signal liefert, welches der Winkelgeschwindigkeit proportional ist. Auch zur Erfassung der linearen Beschleunigung entlang einer zur Lauflager-
bzw. Laufachse senkrechten Achse kann ein festgelegter und hebelartig
wirkender piezoelektrischer Kristall verwendet werden, welcher bei entsprechender Anordnung ein der linearen Beschleunigung proportionales
elektrisches Signal liefert.
/ Bei vielen bekannten Geräten werden die elektrischen Signale den elektrischen
Schaltungen zur Verarbeitung derselben über Schleifringe zugeführt, so daß die elektrischen Schaltungen zusätzlich mit Schleifringrauschen beaufschlagt
werden, was das für die Funktionsgüte maßgebliche Signal/Rauschen-Verhältnis verringert. Darüberhinaus wird bei bekannten Geräten die Funktionsgüte
auch durch Lauflagerrauschen beeinträchtigt, weil die piezoelektrischen Kristalle entlang solchen Achsen angebracht sind, welche zu verhältnismäßig
hoher Empfindlichkeit gegenüber Lauflageraxialspiel führen und mit entsprechendem Rauschen verbunden sind, was wiederum das Signal/Rauschen-Verhältnis
verschlechtert. Zwar hat man versucht, diese Schwierigkeiten zu beheben, jedoch konnte selbst mit verhältnismäßig verwickelten Konstruk-
ORfQfMAL INSPECTED
3S183A1 • 5·
Honen aus vielen sehr teuren Bauelementen nur ein in begrenztem Umfang
verbessertes Verhalten erzielt werden.
Λ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelgeschwindigkeitssensor
für Navigationszwecke der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, bei welchem trotz einfachem Aufbau insbesondere
die geschilderten Schwierigkeiten behoben sind und die Funktionsgüte, also das Verhalten im Betrieb, beträchtlich verbessert ist.
Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentansprüche 1
angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensors sind in den restlichen Patentansprüchen
angegeben.
Beim erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensor sind die Auswirkungen
von Schleifringrauschen auf die zugehörigen elektrischen Schaltungen auf ein Mindestmaß reduziert, und zwar dadurch, daß der Skalenfaktor, nämlich
das elektrische Signal für eine gegebene Winkelgeschwindigkeit (MV pro Grad/sec) wesentlich erhöht ist, was das Betriebsverhalten beträchtlich
verbessert. Weiterhin sind die Auswirkungen von Lauflagerrauschen auf ein Mindestmaß reduziert, da der hebelartig wirkende piezoelektrische Kristall
so angeordnet ist, daß seine festgelegten Enden mit der Laufachse des Kreiselelements fluchten und somit seine unempfindliche Achse entlang
der Lauflagerachse orientiert ist. Auch dadurch wird das Verhalten im Betrieb verbessert.
Das der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit proportionale elektrische Signal
wird zugehörigen elektrischen Schaltungen zugeführt, um die Größe der Winkelgeschwindigkeit und ihre Winkellage bezüglich des Gerätegehäuses
festzustellen. Der Winkelgeschwindigkeitssensor kann zusätzlich mit mindestens einem hebelartig wirkenden piezoelektrischen Kristall zur Messung
der Linearbeschleunigung entlang einer zur Laufachse des Kreiselelements senkrechten Achse versehen werden, so daß sich ein multifunktionelles
Gerät ergibt, welches billig, dennoch aber verbessert ist.
^c i ^ y 4
• 6·
Nachstehend sind drei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensors
für Navigationszwecke anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt:
Fig. IA eine perspektivische Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform;
Fig. IB einen Längsschnitt der Ausführungsform gemäß Fig. IA, wobei
auch das Gehäuse angedeutet ist;
Fig. IC die Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. IA und
IB, wobei das Gehäuse nicht dargestellt ist;
Fig. 2 eine perspektivische Expiosionsdarstellung der erfindungswesentlichen
Teile einer zweiten Ausführungsform; und
Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung der erfindungswesentlichen
Teile einer dritten Ausführungsform.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Fig. IA bis IC weist ein Kreiselelement
10 auf, welches um eine Laufachse 11 rotiert und mit einem ersten Paar einander diametral gegenüberliegender Arme 12 sowie einer mittleren
Bohrung 13 versehen ist. Die beiden Arme 12 erstrecken sich von der mittleren Bohrung 13 radial nach außen und weisen jeweils zwei einander rechtwinklig
kreuzende Bohrungen 14, 16 zur Gewichtsverminderung auf. Weiterhin
ist das Kreiselelement 10 mit einem zweiten Paar einander diametral gegenüberliegender
Arme \S versehen, welches gegenüber dem ersten Armpaar 12 in Umfangsrichtung um einen Winkel von 90 versetzt ist. Auch diese
beiden Arme IS erstrecken sich von der mittleren Bohrung 13 radial nach
außen. Sie sind jeweils gabelförmig ausgebildet und mit einem Längsschlitz 20 versehen.
In der mittleren Bohrung 13 des Kreiselelements 10 sind zwei im wesentlichen
halbzylindrisclie Halteglieder 22 angeordnet, welche jeweils eine im wesentlichen
halbzylindrische Außenfläche 24, eine ebene Innenfläche 26 mit einem
ORfQiNAL SNSPECTiD
361S941 ·?■
nach innen versetzten, rechteckigen Abschnitt 27 am oberen Ende, eine
obere Stirnfläche 28, eine Bohrung 30 und eine untere Stirnfläche 32 aufweisen, wobei die Bohrung 30 senkrecht von der oberen Stirnfläche 28 zur
unteren Stirnfläche 32 durchgeht. Weiterhin ist in der mittleren Bohrung 13 ein als Hebel wirkender piezoelektrischer Kristall 34 aufgenommen und
zwischen den beiden Haltegliedern 22 festgelegt, welche mit den rechteckigen Abschnitten 27 der ebenen Innenflächen 26 jeweils an der benachbarten
Seitenfläche 36 bzw. 38 des Hebels bzw. piezoelektrischen Kristalls 34 anliegen,
der als rechteckige Platte ausgebildet ist und also am oberen Ende im Bereich der rechteckigen Abschnitte 27 quer zur Laufachse 11 des Kreiselelements
10 bezüglich des letzteren festgelegt ist.
Das untere Ende des Hebels bzw. piezoeelektrischen Kristalls 34 ist mittels
eines Halters 40 an einer Basis kl festgelegt, welcher mit einer Nut kk
zur Aufnahme des unteren Endes sowie zwei Seitenarmen 46 zur Anbringung an der Basis kl versehen ist. Die beiden Seitenarme 46 erstrecken sich
senkrecht zur Nut kk auf der einen bzw. der anderen Seite derselben und sind jeweils am freien Ende mit einem nach unten vorstehenden Flansch
48 versehen, welcher kreisbogenförmig verläuft.
Zwischen dem kreuzförmigen Kreiselelement 10 und der ringförmigen Basis
kl ist ein Ring 50 vorgesehen, auf dessen oberer Stirnfläche 52 das Kreiselelement
10 im Bereich der beiden zweiten Arme 18 ruht. Mit dem anderen Ende, an welchem seine untere Stirnfläche 5k ausgebildet ist, ragt der Ring
50 in eine obere Erweiterung 56 der mittleren Öffnung eines inneren Ringflansches
58 der Basis kl, um sich mit der unteren Stirnfläche 5k auf dem ringförmigen
Boden der oberen Erweiterung 56 abzustützen. Der innere Ringflansch 58 ist ferner mit einer unteren Erweiterung 60 seiner mittleren
Öffnung versehen, in welcher die Flansche 48 der beiden Seitenarme 46
des Halters 40 aufgenommen sind, so daß sie mit ihren zylindrisch gekrümmten Außenflächen an der zylindrischen Seitenwand der unteren Erweiterung
60 und mit ihren ebenen oberen Stirnflächen am ringförmigen Boden derselben anliegen, was ebenfalls besonders deutlich aus Fig. IB ersichtlich
ist.
ύο ι a a 4i
Die Basis 42 weist eine zylindrische Seitenwand 62 auf, welche mit zwei
radialen, einander diametral gegenüberliegenden Nuten 64 versehen ist.
Sie dienen zur elastischen Verbindung des Kreiselelements 10 mit der Basis 42 mittels eines Biegegelenks, welches aus zwei Biegegelenkelementen 66
mit einem oberen Längsflansch 68, einem mittleren Längssteg 70 und einem unteren Längsflansch 72 besteht. Die oberen Längsflansche 68 der beiden
Biegegelenkelemente 66 sind in den Längsschlitzen 20 der beiden zweiten Arme 18 des Kreiselelements 10 aufgenommen, die unteren Längsflansche
72 in den beiden radialen Nuten 64 der zylindrischen Seitenwand 62 der Basis Das Kreiselelement 10 und die Basis 42 sind bezüglich der gegenseitigen Beweglichkeit
um die durch die mittleren Längsstege 70 der beiden Biegegelenkelcmcnte 66 definierte und zur Festlegungsachse des Hebels bzw. piezoelektrischen Kristalls
34 am Kreiselelemcnt 10 parallele Biegegclcnkarh.se gegenseitig durch die Drehrnomentsensoranordnung
gefesselt, welche sich aus den beiden Haltegliedern 22, dem Hebel bzw. piezoelektrischen Kristall 34 und dem Halter 40 zusammensetzt.
Zur Erfassung von Linearbeschleunigung entlang irgendeiner zur Laufachse
11 des Kreiselelements 10 senkrechten Achse sind vier hebelartig wirkende
piezoelektrische Kristalle 74 vorgesehen, welche um die Laufachse 11 herum
gleichmäßig verteilt und in radialen Nuten 76 der zylindrischen Seitenwand 62 der Basis 42 angeordnet sind. Gegenüber der Biegegelenkachse sind die
vier Hebel bzw. piezoelektrischen Kristalle 74 in Umfangsrichtung der Basis
42 um einen Winkel von 45° versetzt.
Weiterhin ist die zylindrische Seitenwand 62 der Basis 42 mit zwei einander
diametral gegenüberliegenden Umfangsausnehmungen 7$ versehen, :n vclc'.e
sich die ersten Arme 12 des Kreiselelements 10 erstrecken.
Vier Schrauben 80, welche in vier senkrechte Bohrungen 82 der zylindrischen
Seitenwand 62 der Basis 42 eingesteckt werden, dienen zur Befestigung der Basis 42 am Flansch 84 einer zur Laufachse 11 des Kreiselelements 10
koaxialen Antriebswelle 86, wie besonders deutlich aus Fig. IB hervorgeht.
Die Bohrungen 30 der beiden Halteglieder 22 dienen zur Aufnahme je einer
Gewindehülse 88, in welcher ein Gewindebolzen 90 zum Auswuchten der erwähnten Drehmomentsensoranordnung verschraubbar ist.
OWQfNAL INSPECTED
Beim Auftreten einer Winkelgeschwindigkeit um eine zur LaufJagerachse
des Geräts bzw. zur Laufachse 11 des Kreiselelements 10 senkrechte Achse
wird der Hebel bzw. piezoelektrische Kristall 34, dessen beide abgestützte Enden auf die Lauflagerachse bzw. die Laufachse 11 ausgerichtet sind und
welcher das Kreiselelement 10 mechanisch fesselt, aufgrund der kreiselartigen Reaktion des letzteren auf die Winkelgeschwindigkeit mechanisch beansprucht,
nämlich verbogen, so daß er ein elektrisches Signal liefert, welches der
Winkelgeschwindigkeit proportional ist und elektrischen Schaltungen zur Feststellung der Größe bzw. der Amplitude der Winkelgeschwindigkeit und
ihrer Winkellage bezüglich des Gerätegehäuses zugeführt wird. Mittels der
vier weiteren an der Basis 42 festgelegten Hebel bzw. piezoelektrischen
Kristalle 74 läßt sich jede Linearbeschleunigung entlang irgendeiner zur Laufachse 11 des Kreiselements 10 senkrechten Achse feststellen.
Die Ausführungsformen gemäß Fig. 2 und 3 unterscheiden sich von derjenigen
nach Fig. IA bis IC im wesentlichen nur dadurch, daß ein anders ausgebildeter
Hebel bzw. piezoelektrischer Kristall 34a bzw. 34b vorgesehen ist und
derselbe anders an der Basis 42 festgelegt ist. Der Hebel bzw. piezoelektrische Kristall 34a bzw. 34b ist als im wesentlichen trapezförmige Platte
mit einem rechteckigen oberen Endabschnitt 92, einem davon durch eine obere Quereinschnürung 93 getrennten, sich nach unten verjüngenden Mittelabschnitt
94 und einem davon durch eine untere Quereinschnürung 95 getrennten, eine abgestumpfte Spitze bildenden unteren Endabschnitt 96 ausgebildet.
An den beiden Seitenflächen des oberen Endabschnitts 92 liegen die beiden Halteglieder 22 mit ihren ebenen sowie rechteckigen Innenflächenabschnitten
27 an, welche ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. IA his IC
zusammen mit dem zwischen ihnen festgelegten Hebel bzw. piezoelektrischen Kristall 34a bzw. 34b in der mittleren Bohrung 13 des Kreiselelements 10
aufgenommen sind. Desgleichen ist der untere Endabschnitt 96 an der Basis 42 festgelegt. Die beiden Quereinschnürungen 93 und 95 erleichtern das
Verbiegen des Mittelabschnitts 94 infolge von Winkelgeschwindigkeitsänderungen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist der untere Endabschnitt 96 in
einem topfförmigen Halter 98 aufgenommen, welcher in eine nicht darge-
stellte Vertiefung einer kreisrunden Bodenscheibe 100 für den Ring 50 eingesetzt
ist, die ihrerseits in die Basis 42 eingesetzt wird.
Demgegenüber ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 der untere Endabschnitt
96 mit einer halbzylindrischen Nut 97 versehen, in welcher ein stiftförmiger
Halter 99 aufgenommen ist, dessen äußere Enden an der Basis 42 befestigt sind.
Claims (9)
- 3613341THE SINGER COMPANY, Stamford, Connecticut 0690», U.S.A.PatentansprücheIo Winkelgeschwindigkeitssensor für Navigationszwecke mit einem rotierenden Kreiselelement, welches unter Verbiegung eines in Form eines Hebels vorgesehenen piezoelektrischen Kristalls kippbar ist, so daß der piezoelektrische Kristall bei einer Winkelgeschwindigkeit um eine zur Laufachse des Kreiseielements senkrechte Achse ein der Winkelgeschwindigkeit proportionales elektrisches Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel bzw. piezoelektrische Kristall (34; 34a; 34b) koaxial zur Laufachse (II) des Kreiselelements (10) angeordnet und an den beiden Enden jeweils mittels zweier auf einander gegenüberliegenden Seitenflächen (36, 38) am Hebel bzw. piezoelektrischen Kristall (34; 34a; 34b) quer zur Laufachse (11) anliegender Halteglieder (22) am Kreiselelement (10) bzw. mittels eines Halters (40; 98; 99) an einer Basis (42) festgelegt ist, mit welcher das Kreiselelement (10) mittels eines Biegegelenks um eine zu der von den Haltegliedern (22) definierten Festlegungsachse parallele Achse schwenkbar verbunden ist.
- 2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreiselelement (10) zwei gegenseitig in Umfangsrichtung um einen Winkel von 90 versetzte Paare einander diametral gegenüberliegender Arme (12 bzw. 18) aufweist, welche sich von einer mittleren Bohrung (13) zur Aufnahme der beiden Halteglieder (22) und des zwischen denselben festgelegten Hebels bzw. piezoelektrischen Kristalls (34; 34a; 34b) radial nach außen erstrecken.•Ä·
- 3. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Arme (18) des einen Paares jeweils mit einem Längsschlitz (20) zur Aufnahme des einen Längsflansches (68) eines Biegegelenkelementes (66) versehen sind, dessen anderer Längsflansch
(72) in einer radialen Nut (64) der Basis (42) aufgenommen ist. - 4. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (42) mit einer zur Laufachse (11) des Kreiselelements (10) koaxialen Antriebswelle (86) verbunden ist.
- 5. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halteglieder (22) jeweils mit einem Organ zum Auswuchten der Drehmorncntsensoranordnung bestehend aus den Haltegliedern (22), dem Hebel bzw. piezoelektrischen Kristall (34; 34a; 34b) und dem Halter (40; 98; 99) versehen sind.
- 6. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswuchtorgane jeweils als Gewindebolzen (90) ausgebildet sind.
- 7. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel bzw. piezoelektrische Kristall (34) als rechteckige Platte ausgebildet ist.
- 8. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel bzw. piezoelektrische Kristall (34a; 34b) als trapezförmige Platte mit mindestens einer Quereinschnürung (93 bzw. 95) zur Erhöhung der Biegsamkeit ausgebildet ist.
- 9. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen weiteren in Form eines Hebels vorgesehenen piezoelektrischen Kristall (74), welcher derart angeordnet ist, daß er bei einer linearen Beschleunigung senkrecht zur Laufachse (11) des Kreiselelements (10) ein der linearen Beschleunigung proportionales elektrisches Signal liefert.351994110» Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vier weitere Hebel bzw. piezoelektrische Kristalle (7*0 vorgesehen sind, welche gleichmäßig um die Laufachse (11) des Kreiselelements (10) verteilt und an der Basis (^2) festgelegt sind»
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