DE3619941C2 - Winkelgeschwindigkeitssensor für Navigationszwecke - Google Patents

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 Kreiselement 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. Darüber hinaus 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 Konstruktionen aus vielen sehr teuren Bauelementen nur ein in begrenztem Umfang verbessertes Verhalten erzielt werden.

Zum Stande der Technik gehört ein Winkelgeschwindigkeitssensor für Navigationszwecke der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung, bei welchem das Biegegelenk von einem mit einer Einschnürung versehenen Stab gebildet ist und zwei jeweils auf Druck und auf Zug ansprechende piezoelektrische Kristalle vorgesehen sind. Das stabförmige Biegegelenk trägt das Kreiselelement auf der Basis und ist koaxial zur Laufachse des Kreiselelements (Drehachse der Basis, Lauflagerachse des Gerätes) angeordnet. Die beiden piezoelektrischen Kristalle erstrecken sich parallel zum stabförmigen Biegegelenk zwischen den Außenumfängen des Kreiselelementes und der Basis, und zwar in Umfangsrichtung gegenseitig versetzt, beispielsweise um einen Winkel von 90° (US 4 386 535).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelgeschwindigkeitssensor für Navigationszwecke der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, welcher sich bei einfachem und kostengünstigem Aufbau durch beträchtlich verbesserte Funktionsgüte (Verhalten im Betrieb) auszeichnet.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 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.

Nachstehend sind drei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensors für Navigationszwecke anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1A eine perspektivische Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform;

Fig. 1B einen Längsschnitt der Ausführungsform gemäß Fig. 1A, wobei auch das Gehäuse angedeutet ist;

Fig. 1C die Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1A und 1B, wobei das Gehäuse nicht dargestellt ist;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der erfindungswesentlichen Teile einer zweiten Ausführungsform; und

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung der erfindungswesentlichen Teile einer dritten Ausführungsform.

Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Fig. 1A bis 1C 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 18 versehen, welches gegenüber dem ersten Armpaar 12 in Umfangsrichtung um einen Winkel von 90° versetzt ist. Auch diese beiden Arme 18 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 halbzylindrische Halteglieder 22 angeordnet, welche jeweils eine im wesentlichen halbzylindrische Außenfläche 24, eine ebene Innenfläche 26 mit einem 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. piezoelektrischen Kristalls 34 ist mittels eines Halters 40 an einer Basis 42 festgelegt, welcher mit einer Nut 44 zur Aufnahme des unteren Endes sowie zwei Seitenarmen 46 zur Anbringung an der Basis 42 versehen ist. Die beiden Seitenarme 46 erstrecken sich senkrecht zur Nut 44 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 42 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 54 ausgebildet ist, ragt der Ring 50 in eine obere Erweiterung 56 der mittleren Öffnung eines inneren Ringflansches 58 der Basis 42, um sich mit der unteren Stirnfläche 54 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. 1B ersichtlich ist.

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 42. Das Kreiselelement 10 und die Basis 42 sind bezüglich der gegenseitigen Beweglichkeit um die durch die mittleren Längsstege 70 der beiden Biegegelenkelemente 66 definierte und zur Festlegungsachse des Hebels bzw. piezoelektrischen Kristalls 34 am Kreiselelement 10 parallele Biegegelenkachse gegenseitig durch die Drehmomentsensoranordnung 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 78 versehen, in welche 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. 1B 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.

Beim Auftreten einer Winkelgeschwindigkeit um eine zur Lauflagerachse 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 Kreiselelements 10 senkrechten Achse feststellen.

Die Ausführungsformen gemäß Fig. 2 und 3 unterscheiden sich von derjenigen nach Fig. 1A bis 1C 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. 1A bis 1C 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 dargestellte 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 (10)

1. Winkelgeschwindigkeitssensor für Navigationszwecke mit einem rotierenden Kreiselelement, welches mittels eines Biegegelenks und eines piezoelektrischen Kristalls mit einer angetriebenen Basis verbunden ist, so daß das Kreiselelement bei einer Winkelgeschwindigkeit um eine zu seiner Laufachse senkrechten Achse unter Verformung des piezoelektrischen Kristalls kippt und letzterer ein der Winkelgeschwindigkeit proportionales elektrisches Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall (34; 34a; 34b) als verbiegbarer Hebel ausgebildet ist, welcher koaxial zur Laufachse (11) des Kreiselelements (10) angeordnet und am einen Ende mittels zweier Halteglieder (22) am Kreiselelement (10) sowie am anderen Ende mittels eines Halters (40; 98; 99) an der Basis festgelegt ist, wobei die Halteglieder (22) an einander gegenüberliegenden Seitenflächen (36, 38) des Hebels quer zur Laufachse (11) des Kreiselelements (10) anliegen und die Biegeachse (70) des Biegegelenks (66) parallel zu der so von den Haltegliedern (22) definierten Festlegungsachse verläuft.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreiselement (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.

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 Drehmomentsensoranordnung, 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.

10. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vier weitere Hebel bzw. piezoelektrische Kristalle (74) vorgesehen sind, welche gleichmäßig um die Laufachse (11) des Kreiselelements (10) verteilt und an der Basis (42) festgelegt sind.