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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen faseroptische Kreisel.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Erfassungsspule
und einen Nabenzusammenbau eines faseroptischen Kreisels.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Faseroptische
Kreisel verwenden Lichtleitfasern zum Übertragen von Lichtwellen,
um Drehbewegung zu bestimmen. Lichtleitfasern sind Fäden aus Glasfasern,
die verwendet werden, um optische Signale über große Entfernungen mit geringem
Verlust und geringer Verzerrung zu übertragen. Lichtleitfasern
bestehen typisch aus einem inneren Glasherzen, einer äußeren Glashülle, wobei
das innere und das äußere Glas
unterschiedliche Brechungsindizes haben, und einer Kunststoffbeschichtung
oder Mantel, die/der über
das Glas platziert wird.
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Lichtleitfasern
können
dicht und spezifisch in eine zylindrische Struktur gewunden werden,
die als Erfassungsspule bekannt ist.
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Bei
einem faseroptischen Kreisel wird Licht, das durch diese Fasern
läuft,
durch einen Strahlenteiler in zwei Wellen unterteilt, die sich in
entgegengesetzte Richtung ausbreiten, die sich in Phase zueinander
ausbreiten, die an verschiedenen Enden einer Erfassungsspule eintreten.
Wenn der faseroptische Kreisel nicht dreht, kommen die zwei Wellen
genau in Phase zurück,
nachdem sie den gleichen Weg in entgegengesetzte Richtungen zurückgelegt
haben. Wenn der faseroptische Kreisel dreht oder spezifischer, wenn
die Spule dreht, legt eine Welle einen längeren Pfad in der Spule zurück als die
andere Welle, um vom einen Ende der Spule zum anderen zu gelangen,
so dass die Phasen der zwei Wellen zueinander verschoben sind. Die
Drehgeschwindigkeit der Spule wirkt sich nicht auf die Zeit aus,
die das Licht braucht, um zwischen zwei beliebigen Punkten entlang der
Spule zu laufen, weil die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit
des Fluids, durch welches das Licht läuft, unabhängig ist. Der Unterschied zwischen
den Phasen von zwei Wellen, die sich in entgegengesetzte Richtung
ausbreiten, gibt daher die Drehung der Spule an und wird über elektrische
Schaltkreise gemessen.
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Umwelteinflüsse können den
Phasenunterschied zwischen den zwei Wellen, die sich in entgegengesetzte
Richtungen ausbreiten, negativ beeinflussen. Das heißt, dass
Umweltfaktoren, wie zum Beispiel Temperatur und mechanische Belastung eine
Verzerrung zwischen den Phasen von Wellen schaffen können, die
sich in entgegengesetzte Richtung ausbreiten, so dass der Ausgang
der Erfassungsspule einen Phasenunterschied zwischen zwei Wellen
ergeben kann, der sich von einem Phasenunterschied, der durch Drehung
hervorgerufen wird, nicht unterscheiden lässt. Ein weiterer Umweltfaktor, Schwingung,
kann eine Bewegung der Erfassungsspule zu der Nabe erzeugen, der
einen falschen Ausgang ergibt.
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Umweltfaktoren,
die konstant sind, können beim
Bestimmen der tatsächlichen
Drehung der Erfassungsspule ausgeglichen werden. Mit anderen Worten
kann der Ausgang der Erfassungsspule bei Null Eingang einen Ausgang
ergeben, der aufgrund von Umweltfaktoren nicht gleich Null ist,
und der als ein Phasenunterschied zwischen den zwei Wellen auftritt,
die sich in entgegengesetzte Richtung ausbreiten. Wenn der Ausgang,
der nicht gleich Null ist, konstant ist, kann er derart eingestellt
werden, dass ein präziser
Phasenunterschied, der nur die Spulendrehung angibt, bestimmt werden
kann. Ein Ausgang nicht gleich Null, der nicht konstant ist, kann
jedoch nicht richtig eingestellt werden und kann bewirken, dass
die Erfassungsspule ein Resultat ergibt, das einen Phasenunterschied
ergibt, der sowohl auf Drehung als auch auf Umwelteinflüssen beruht.
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Wie
oben erwähnt,
ist ein solcher Umweltfaktor die Temperatur. Ein faseroptischer
Kreisel ist während
seines Betriebs verschiedenen Temperaturen ausgesetzt.
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Temperaturschwankungen
beeinflussen die Erfassungsspule auf zwei Arten: erstens erfährt die Erfassungsspule
mechanische Belastung als Ergebnis einer Differenzwärmedehnung;
zweitens ändern sich
die optischen Übertragungseigenschaften
der Lichtleitfaser mit der Temperatur.
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Eine
Erfassungsspule eines faseroptischen Kreisels ist in den Aufbau
des Kreisels über
eine spulentragende Struktur, Nabe genannt, eingebaut. Die Nabe
und die Spule sind beide im Wesentlichen zylindrische Strukturen,
die um eine Mittenachse orientiert sind, wobei die Nabe einen kleineren
Radius im Vergleich zum Radius der Spule hat. Typisch zeigen das
Nabenmaterial und das Material der Erfassungsspule unterschiedliche
Wärmedehnungskoeffizienten.
Die Wärmedehnung
einer Nabe, die aus einem isotropen Werkstoff hergestellt ist, kann
zum Beispiel relativ gleichförmig
sowohl in die axiale Richtung unter Bezug auf die Mittenachse als
auch in die radiale Richtung auftreten. Die Wärmedehnung einer Spule kann
jedoch in die axiale und in die radiale Richtung ungleichmäßig auftreten.
Genauer genommen kann die Spule eine relativ große Wärmedehnung in die axiale Richtung ähnlich wie
die der isotropen Nabe zeigen, während
die Spule eine relativ kleine oder negative Wärmedehnung im Vergleich zu
der isotropen Nabe in die radiale Richtung zeigen kann. Wenn im Endeffekt
in diesem Beispiel ein faseroptischer Kreisel einem Temperaturwechsel
ausgesetzt ist, so dass die Dehnung seiner Spule und seiner Nabe
auftritt, wirkt auf die Erfassungsspule eine Belastung ein, weil
sich die Nabe radial schneller dehnt als die Spule, und im Extremfall
Falten, Risse oder andere mechanische Stabilitätsmängel in der Spule erzeugt.
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Bei
der Auswahl einer Nabe zum Befestigen an einer Spule ist es daher
vorteilhaft, wenn der Wärmedehnungskoeffizient
der Spule und der Nabe in etwa gleich ist.
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Es
ist relativ einfach, die Wärmedehnungskoeffizienten
nur in die radiale oder nur in die axiale Richtung knapp abzustimmen,
es ist jedoch schwierig, einen geeigneten Nabenwerkstoff zu finden,
der sich dem Wärmedehnungskoeffizienten
der Spule in beide Richtungen knapp nähert, während er auch zum Anschließen der
Spule an den Aufbau des Kreisels geeignet ist.
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Zusätzlich zur
Auswahl von Werkstoffen in einem Spulen/Nabenklebesystem, ist auch
die Haftungsweise problematisch. Kontinuierliches Ankleben der Nabe
an die Spule kann der Spule über
Temperaturschwankungen unerwünschte
Belastungen auferlegen, weil der Klebstoff wie ein eingezwängtes Fluid
wirkt, das auf die Spule hydrostatischen Druck ausübt.
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Zusätzlich zur
Temperatur ist die Schwingung ein Umweltfaktor, der sich ebenfalls
auf den Ausgang des Kreisels auswirkt. Die Schwingung wird in der
Spule über
ihre Befestigung an der Nabe eingeleitet. Die Schwingung trägt zur Verzerrung
zwischen den Phasen der Wellen, die sich in entgegengesetzte Richtung
ausbreiten, die von der Erfassungsspule abgegeben werden, bei.
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Es
besteht daher der Bedarf des Reduzierens der Schwingung, die die
Spule erfährt,
um genauere Spulendrehungsinformation zu erhalten.
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Zusätzlich besteht
ein Bedarf an Entwicklung eines realistischen, kontrollierbaren
Klebesystems, das innerhalb eines Toleranzenbereichs für Teile funktioniert.
Genauer genommen unterscheiden sich bearbeitete Teile, wie zum Beispiel
Naben und Spulen typisch in einem bestimmten Ausmaß in der
Größe, Form
oder dergleichen. Typisch werden die Teile hergestellt, um Bauteiltoleranzen
zu haben, die innerhalb bestimmter akzeptabler Toleranzniveaus liegen.
Es wäre
unerschwinglich, ein Teil für
seinen spezifischen Einsatz an Kundenwünsche anzupassen, das heißt, jede
Nabe basierend auf einer Endgröße und Endform
jeder Spule nach Kundenwünschen
zu bearbeiten. Es besteht daher ein Bedarf an der Konzeption eines
Klebesystems, das sich selbst an Schwankungen in Teilgrößen, die
innerhalb akzeptabler Toleranzniveaus liegen, anpasst, um eine Spule
an einer Nabe zu befestigen.
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Insgesamt
können
mehrere Faktoren bei der Optimierung eines Spulen-/Nabenklebesystems
betrachtet werden.
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Typisch
sind diese Faktoren die oben besprochenen Umweltfaktoren, insbesondere
die Wärmedehnung
und Schrumpfung, Schwingung und mechanische Belastung.
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Viele
andere Faktoren können
jedoch auf die spezifischen Auswahlen bei einem bestimmten Spulen/Nabenklebesystem
einwirken. Darunter sind unter anderen die jeweilige Anwendung,
in der der faseroptische Kreisel funktioniert, die Toleranzen in
Zusammenhang mit den verschiedenen Herstellungsprozessen und die
Kosten, die aufgrund der Auswahl der Werkstoffe und Prozesse auftreten.
Typisch ergibt sich das effizienteste Spulen-/Nabenklebesystem aus
dem Ausgleichen dieser Faktoren, weil nicht alle Faktoren für eine bestimmte
Anwendung optimiert werden können.
Nabenwerkstoffe können
zum Beispiel ausgewählt
werden, die sich in etwa den Wärmedehnungsmerkmalen
der Spule in axiale oder radiale Richtung nähern, es ist jedoch schwierig,
einen Werkstoff zu schaffen, der sich den Wärmedehnungsmerkmalen der Spule
in beide Richtungen nähert.
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Alternativ
können
Verbundwerkstoffe konzipiert werden, um sich den Wärmedehnungsmerkmalen
der Spule knapp zu nähren;
solche Verbundwerkstoffe führen
jedoch zu Komplikationen bei der Herstellung oder bei den Endfertigungsoperationen.
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EP-A-0
660 082 offenbart eine Erfassungsspule eines faseroptischen Kreisels
umgeben von Gel.
JP 05215559 offenbart
einen Kern für
eine Lichtleitfaser, die Bohrungen hat, um Klebstoff durchzusaugen,
wenn eine Wicklung um den Kern gewunden wird.
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Dementsprechend
besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass sie die
Leistung eines faseroptischen Kreisels durch Minimieren von Umwelteinflüssen, wie
zum Beispiel Temperatur, Schwingung und mechanische Belastung an
einer Erfassungsspule minimiert, um genauere Drehinformation über die
Spule zu erhalten.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Klebesystem
zum Befestigen einer Erfassungsspule an einer Nabe zu konzipieren, das
für Schwankungen
in Teilgrößen, die
innerhalb akzeptabler Toleranzniveaus liegen, weniger empfindlich
ist.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Klebesystem
zu konzipieren, das das Aufbauen hydrostatischen Drucks auf der Spule
minimiert, indem es dem Klebstoff erlaubt, sich in Rillen auszudehnen,
die zwischen den Klebezonen zwischen der Spule und der Nabe liegen.
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Die
oben genannten und andere Vorteile werden durch Bereitstellen eines
Klebesystems zum Gebrauch in einem faseroptischen Kreisel ausgeführt, wobei
das System Folgendes umfasst:
Erfassungsspule;
einen starren
Aufbau zum Tragen der Erfassungsspule,
gekennzeichnet durch:
eine
Vielzahl einzelner Klebezonen zwischen der Erfassungsspule und dem
Aufbau.
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Ferner
kann ein Klebesystem für
den Gebrauch in einem faseroptischen Kreisel bereitgestellt werden,
wobei:
die Erfassungsspule im Wesentlichen zylindrisch und freistehend
ist und eine innere Spulenfläche
hat;
der starre Trägeraufbau
im Wesentlichen zylindrisch ist, eine zylindrische Wand um eine
Mittenachse, eine äußere Aufbaufläche und
zwei Kantenflächen hat,
eine an jedem Ende der Achse;
eine Vielzahl von Schlitzen in
die äußere Aufbaufläche gebildet
sind,
wobei ein erster Klebstoff die äußere Fläche an der inneren Spulenfläche befestigt
und
eine Vielzahl erster Rillen in die äußere Aufbaufläche gebildet
ist, wobei die ersten Rillen die Vielzahl einzelner Klebezonen bilden.
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Bei
einer alternativen beispielhaften Ausführungsform kann das Klebesystem
ferner einen Spannungspuffer und zusätzliche Klebstoffe umfassen, um
Umwelteinflüsse
auf die Spule weiter zu minimieren. Genauer genommen befestigt ein
erster Klebstoff die innere Fläche
an dem Puffer mit der äußeren Fläche der
Nabe. Ein zweiter Klebstoff befestigt die äußere Fläche des Puffers an der inneren
Fläche
der Spule. Ein erster Klebstoff ist vorzugsweise biegsam oder nachgiebig,
und der zweite Klebstoff ist vorzugsweise starr, um die Spulenschwingung
zu minimieren.
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Ein
besseres Verstehen der vorliegenden Erfindung ergibt sich bei der
Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und Ansprüche in Verbindung mit
den Figuren betrachtet, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente
in allen Figuren bezeichnen, und:
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1 eine
Querschnittansicht einer beispielhaften Erfassungsspule an einer
Nabe haftend zeigt;
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2 eine
Seitenansicht einer beispielhaften Nabe mit dem Klebstoff und der
Spule entfernt zeigt;
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3 eine
Seitenansicht einer beispielhaften Nabe mit Rillen zeigt, die sich
am Umfang ausdehnen und Rillen, die sich axial ausdehnen, wobei der
Klebstoff und die Spule entfernt wurden;
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4 eine
Seitenansicht einer beispielhaften Nabe mit veränderlicher Klebstoffstärke in radiale Richtung
zeigt, wobei der Klebstoff und die Spule von der Seite der Nabe
entfernt wurden;
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5 eine
Seitenansicht einer beispielhaften Nabe zeigt, die Rillen hat, die
sich diagonal erstrecken, eine Kleberverteilung, die axial variiert
und wobei die Spule entfernt wurde;
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6 eine
Querschnittansicht einer beispielhaften Erfassungsspule an der Nabe
haftend zeigt, und
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7 eine
Querschnittansicht einer beispielhaften Erfassungsspule an der Nabe über einen
Puffer haftend zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung verwendet ein Klebesystem zum Befestigen einer
Erfassungsspule an einem Tragaufbau eines faseroptischen Kreisels derart,
dass negative Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf den faseroptischen
Kreisel minimiert werden können. 1 zeigt
ein Spulen-/Nabenklebesystem, bei dem eine im Wesentlichen zylindrische
faseroptische Erfassungsspule 12 einen im Wesentlichen
zylindrischen Trägeraufbau
umgibt, das heißt eine
Nabe 10. Sowohl die Spule 12 als auch die Nabe 10 sind
um eine Mittenachse 11 ausgerichtet. Ein relativ kleiner
Spalt im Vergleich zu den Radien der Spule 12 und der Nabe 10 besteht
zwischen der Spule 12 und der Nabe 10, in welchem
ein Klebstoff 14 aufgetragen wird, um die Spule 12 an
der Nabe 10 zu befestigen.
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Die
Spule 12 besteht typisch aus Lichtleitfasern, die aus einem
Glasmittel hergestellt werden. Jede Faser hat einen inneren Glaskern
und eine äußere Glasschale,
wobei das innere Glas und das äußere Glas
unterschiedliche optische Brechungsindizes haben. Eine Kunststoffbeschichtung
oder Hülle ist über das
Glas platziert, um die Oberfläche
des Glases vor Schäden
zu schützen.
Die Lichtleitfasern werden dann spezifisch auf einen Kern gewickelt,
befestigt und gehärtet,
so dass die Spule 12 selbsttragend ist, wenn sie von dem
Kern entfernt wird.
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Die
selbsttragende Spule 12 ist im Wesentlichen zylindrisch
und hat eine relativ dicke zylindrische Wand aus Faser. Der Kern
legt die Nennmaße der
Spule 12, wie zum Beispiel den Innendurchmesser, die Höhe und den
Außendurchmesser
in Abhängigkeit
davon fest, wie viele Schichten oder Wicklungen von Faser verwendet
werden. Typisch wird die Spule 12, sobald sie von dem Kern
entfernt ist, zur Stabilität
Temperaturwechseln unterzogen. Aufgrund der Temperaturexposition
und der Freigabe von Spannungen, die während des Wickelns der Fasern eingeleitet
werden, ändern
sich die Maße
der Spule 12 leicht von diesen ursprünglich durch den Kern erstellten.
Der Durchmesser der Spule 12 kann zum Beispiel um 0,1 bis
0,2 Prozent wechseln, nachdem die Spule 12 von dem Kern
genommen wurde.
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Die
Spule 12 ist für
Temperaturschwankungen empfindlich und zeigt Wärmedehnungs- und Zusammenziehung
als Reaktion auf solche Schwankungen. Wenn sie Temperaturschwankungen
ausgesetzt wird, kann sich die Spule 12 ungleichmäßig in ihre
axiale Richtung im Vergleich zur Mittenachse 11 und zu
ihrer radialen Richtung ausdehnen. Der Prozentsatz, um welchen sich
die Spule 12 dehnt, hängt zum
Teil von ihrer Werkstoffzusammensetzung ab.
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Die
Nabe 10 ist eine im Wesentlichen zylindrische starre Struktur,
die um die Mittenachse 11 ausgerichtet ist, an welcher
die Spule 12 befestigt werden kann.
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Typisch
ist die radiale Länge
von der Mittenachse zu der inneren Fläche der zylindrischen Wand der
Nabe 10 größer als
die radiale Länge
von der inneren Fläche
der zylindrischen Wand zu der äußeren Fläche der
zylindrischen Wand, obwohl alternative Stärken der zylindrischen Wand
ebenfalls geeignet sein können.
Die äußere Fläche der
zylindrischen Wand der Nabe 10 trägt die Spule 12, so
dass sie in den optischen/elektrischen Schaltkreis eines faseroptischen
Kreisels aufgenommen werden kann.
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Die
Nabe 10 kann aus einer Vielfalt von Werkstoffen hergestellt
werden. Beispielhafte Nabenwerkstoffe umfassen Metalllegierungen
wie zum Beispiel MONEL® oder Titan; gesinterte
Metallverbindungen, die unter Verwendung der Pulvermetallurgie hergestellt
werden, wie zum Beispiel Kupfer Wolfram oder Kupfermolybdän; Verbundwerkstoffe,
wie zum Beispiel fadengewickelte Lichtleitfaser/Epoxidharz, Lichtleitfaser/Epoxidharz
oder Aramid/Epoxidharz; Metallmatrixverbundstoffe, wie zum Beispiel
Metall verstärkt
mit Keramiken, wie zum Beispiel Bor, Silikon, Karbid oder Graphit;
Keramiken oder ein Verbundwerkstoff, der aus einem beliebigen der
oben genannten Werkstoffe hergestellt wird. Jeder dieser Werkstoffe
zeigt unterschiedliche Wärmedehnungseigenschaften.
Entsprechend zeigen die Werkstoffe einen Wärmedehnungskoeffizienten, der
geringer ist als 8E-6 1/K. Zu bemerken ist ferner, dass die vorliegende
Erfindung nicht durch die Auswahl des Nabenwerkstoffs eingeschränkt ist.
Die Auswahl des Nabenwerkstoffs beruht zum Teil auf der besonderen Anwendung
des faseroptischen Kreisels und kann die Auswahl sowohl des Klebstoffs
als auch der Nabe beeinflussen, um eine bestimmte Anwendung zu optimieren.
Im Allgemeinen werden die Umwelteinflüsse jedoch effizienter in der
Spule 12 minimiert, wenn die Wärmedehnungseigenschaften der
Nabe 10 nahe an den Wärmedehnungseigenschaften
der Spule 12 liegen.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der Klebstoff 14 in die
Spulen-/Nabenklebezone über
eine Vielfalt von Verteilern 18 eingeführt, die in der Nabe 10 enthalten
sind. Die Verteiler 18 erstrecken sich axial, das heißt parallel
zur Mittenachse 11 in die zylindrische Wand der Nabe 10.
Die Verteiler 18 erleichtern das Fließen des Klebstoffs 14 in
eine Vielzahl von Schlitzen 24. Die Schlitze 24 erstrecken
sich radial von den Verteilern 18 in Bezug zur Mittenachse 11 durch
die zylindrische Wand der Nabe 10 nach außen. Der
Klebstoff 14 fließt
relativ gleichförmig
durch die Verteiler 18 in die Schlitze 24, zu
der äußeren Fläche der
Nabe 10 und in die Spalte zwischen der Nabe 10 und
der Spule 12.
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Die
Verteiler 18 ermöglichen
das relativ gleichmäßige Verteilen
des Klebstoffs 14 besser als andere Verfahren. Der Klebstoff 14 könnte zum
Beispiel in den Spulen-/Nabenaufbau an der Spalte zwischen den Kanten
der Spule 12 und der Nabe 10 eingeführt werden.
Dieses Klebstoffeingabeverfahren würde jedoch das gleichmäßige Verteilen
des Klebstoffs 14 in die axiale Richtung entlang der Spule 12 nicht
erlauben. Der Großteil
des Klebstoffs 14 würde sich
an den Kanten der Spule 12 und der Nabe 10 ansammeln,
wobei relativ wenig Klebstoff die axiale Mittenlinie der Spule 12 und
der Nabe 10 erreichen würde.
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Eine
Vielzahl erster Rillen der Kerben 16 erstreckt sich axial
zu der Mittenachse 11 entlang der äußeren Fläche der Nabe 10. Die
Rillen 16 haben eine innere Bodenradialfläche und
eine äußere obere radiale Öffnung.
Wenn die äußere Fläche der
Nabe 10 relativ flach ist, würde überschüssiger Klebstoff 14 durch
die Verteiler 18 in den Boden der Schlitze 24, durch
die Oberseite der Schlitze 24 hinaus, durch die Spalte
fließen
und den Spulen-/Nabenaufbau durch die Kanten der Spule 12 und
der Nabe 10 verlassen. Eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst daher Rillen 16. Die
Rillen 16 beschränken
das Fließen
des Klebstoffs 14 von dem Spulen-/Nabenaufbau weg, indem
sie einen Platz für überschüssigen Klebstoff 14 zum
Ansammeln bereitstellen. Zusätzlich
können
die Rillen 16 für
zusätzliches
Befestigen der Spule 12 an der Nabe 10 sorgen, wenn
sich überschüssiger Klebstoff 14 in
Rillen 16 so ansammelt, dass der Klebstoff 14 die
gesamte Zone der Rillen 16 füllt. Genauer genommen ermöglichen die
Kerben 16, weil sie breiter oder tiefer sein können als
die Schlitze 24, eine größere Ansammlung von Klebstoff 14,
um die Spule 12 an die Nabe 10 zu kleben. Eine
derart große
Ansammlung von Klebstoff 14 macht den Klebstoff 14 nachgiebiger.
Zusätzlich
ermöglichen
die Rillen 16 das Anlegen einzelner Haftungszonen zwischen
der Nabe 10 und der Spule 12.
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Das
Verbinden der Nabe 10 mit der Spule 12 in einzelnen
Zonen beugt dem Entwickeln von hydrostatischem Druck auf der Spule 12 vor,
indem es dem Klebstoff erlaubt wird, sich in die Rillen 16,
die sich zwischen den Haftungszonen befinden, auszudehnen.
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Der
Klebstoff 14 wird ausgewählt, um den Unterschied zwischen
den Wärmedehnungskoeffizienten
der Nabe 10 und der Spule 12 zu minimieren, das
heißt,
um eine gleichförmige
Temperaturumgebung für
die Spule 12 bereitzustellen, und um die Schwingung, die
in der Spule 12 induziert wird, zu minimieren. Zusätzlich wird
der Klebstoff 14 so ausgewählt, dass er relativ gleichförmig aushärtet. Der Klebstoff 14 besteht
entsprechend aus Silikongummi oder Gummi, der bei Raumtemperatur
vulkanisiert (RTV-Gummi) und über
die Umgebungstemperaturen, welchen der Kreisel ausgesetzt wird,
beständige Eigenschaften
zeigt, wie zum Beispiel Steifheit und Wärmeleitfähigkeit.
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Ein
Klebstoff kann mit einem oder mehreren zusätzlichen Stoffen gefüllt werden,
um die Leistung des faseroptischen Kreisels durch Minimieren von
vibrationsinduzierten Wirkungen zu verbessern. Beispielhafte Füllstoffe
umfassen Glaspartikel, Quarz, Graphitpulver, Russ oder Aluminiumoxidpulver.
Es kann vorteilhaft sein, modifizierte Klebstoffe zu verwenden,
das heißt
eine Kombination von Klebstoff und Füllstoff, zum Beispiel bei Raumtemperatur
vulkanisierendem Gummi mit Russfüllung.
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Klebstoffe
mit Füllstoffen
wahren die Biegsamkeit während
der Wärmebelastung
und zeigen gesteigerte Steifheit, wenn dynamische Lasten oder Schwingungen
angelegt werden. Mit anderen Worten können Klebstoffe mit Füllstoffen
die Steifheit der Haftung zwischen einer Spule und einer Nabe steigern,
ohne die Wärmeleistung
des Kreisels zu kompromittieren.
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Ein
geeigneter weicher Klebstoff kann bei Raumtemperatur vulkanisierender
Gummi oder Silikongummi sein, der ein Elastizitätsmodul etwa kleiner oder gleich
1000 psi hat. Ein geeigneter härterer Klebstoff
kann einen Füllstoff
umfassen, so dass die daraus hervorgehende Zusammensetzung ein Elastizitätsmodul
etwa kleiner oder gleich 2000 psi hat. Die Auswahl der Klebstoffeigenschaften,
das heißt Elastizitätsmodul
und Stärke
des Klebstoffs, hängt von
der jeweiligen Anwendung und Umgebung ab, in der der Kreisel verwendet
wird. Im Allgemeinen kann eine typische Klebstoffschicht 0,015 Zoll
dick sein, dieser Wert kann jedoch in Abhängigkeit von der jeweiligen
Anwendung schwanken. Nachgiebige Spulen-Nabenhaftungen erreicht
man über
weiche, dicke Klebstoffschichten, und sie können zum Beispiel bei hohen
Wärmebelastungen
verwendet werden. Härtere
Haftungen werden entsprechend über
dünne,
harte Klebstoffschichten erzielt und können zum Beispiel im Fall hoher
Schwingungseingänge
verwendet werden.
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Mehrere
verschiedene Ausführungsformen von
Klebstoffsystemen können
zum Befestigen der Spule 12 an der Nabe 10 verwendet
werden. Typisch haben diese Systeme variierende Naben-, Rillen- oder
Schlitzanordnungen. Die Auswahl der zu bevorzugenden Ausführungsform
hängt von
der jeweiligen Anwendung, den Nabenwerkstoffen und Klebstoffen ab.
Zusätzlich
können
die Länge,
Breite und Tiefen der Schlitze 24 und Rillen 16 bei
jeder der alternativen Ausführungsformen
modifiziert werden, um wünschenswerte
Klebeeigenschaften zu erzielen.
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Bei
einer Ausführungsform
kann die Auswahl von Klebstoffen und Nabenwerkstoffen Schwankungen
in der Ausgabe eines Kreisels mäßigen, die
sich aus Änderungen
in den optischen Übertragungseigenschaften
der Lichtleitfaser mit der Temperatur auswirken, indem Temperaturgefälle innerhalb
der Erfassungsspule, die sich zeitabhängig ändern, minimiert werden. Um
das zu verwirklichen, wird die Erfassungsspule zuerst innerhalb
eines isothermen Einschlusses gehalten, von dem ein Teil von der Nabe
gebildet wird. Nabenwerkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind zum Minimieren
von Temperaturgefällen
günstig;
die Wärmemasse
(Masse mal spezifische Wärme
des Werkstoffs) der Nabe minimiert die Temperaturwechselrate der
Nabe. Die Klebstoffe zwischen Nabe und Spule mit niedriger Wärmeleitfähigkeit
werden bevorzugt, um Wärmeübertragungsraten
auf die Erfassungsspule zu minimieren und die Wärmesymmetrie um die Erfassungsspule
aufrechtzuerhalten.
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2 stellt
eine Seitenansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, in welcher die Nabe 10 Rillen 16 umfasst,
die sich axial entlang der äußeren Fläche der
Nabe 10 zu der Mittenachse (in 2 nicht
gezeigt) erstrecken. Die Rillen 16 erstrecken sich über die
ganze axiale Länge
der Nabe 10. Zusätzlich
kann die Breite der Rillen 16 in Abhängigkeit von der jeweiligen
Anwendung variieren, sie ist jedoch angemessen breiter als die Breite
der Schlitze 24. Die Schlitze 24 liegen abwechselnd
mit den Rillen 16 entlang der äußeren Fläche der Nabe 10. Die
Schlitze 24 erstrecken sich ebenfalls axial entlang der
Nabe 10 bis zu einer Entfernung kurz vor den Kanten der
Nabe 10. Während
die Länge
der Schlitze 24 unterschiedlich sein kann, ist die Länge angemessen
kleiner als die axiale Länge
der Spule 12 und kleiner als die axiale Länge der
Rillen 16. Bei dieser Ausführungsform wird typisch nur
ein Klebstoff zum Verbinden der Spule 12 mit der Nabe 10 verwendet.
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3 stellt
eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dar, bei welcher die äußere Fläche der
Nabe 10 in eine Vielzahl von ringförmigen Abschnitten 28 und 30 durch
eine Vielzahl zweiter Rillen 26 unterteilt ist, welche
sich um den Umfang der äußeren Fläche der Nabe 10 erstrecken.
Diese „Unterteilung" ermöglicht das
Anpassen der Klebstoffeigenschaften zwischen Spule 12 und
Nabe 10 an verschiedenen Punkten. Insbesondere ermöglicht diese „Unterteilung" das Auftragen eines
ersten Klebstoffs in der Nähe
der axialen Mittenlinie der Spule 12 und eines zweiten
Klebstoffs in der Nähe
der axialen Enden der Spule 12. Der erste Klebstoff kann
steifer oder härter
sein als der zweite Klebstoff, um gesteigerte axiale und Drehsteifheit
zwischen der Spule 12 und der Nabe 10 bereitzustellen.
Der zweite Klebstoff kann weicher sein als der erste Klebstoff,
um nachgiebige Verbindungen zwischen der Spule 12 und der
Nabe 10 zu schaffen, die eine Winkelsteifheit zwischen
der Spule 12 und der Nabe 10 bereitstellen, ohne
die Wärmedehnung
der Spule 12 einzuschränken.
Diese Multiklebstoffanordnung stellt gute Kreiselleistung bereit, wenn
sie Temperaturwechseln und Schwankung ausgesetzt wird.
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Eine
umgekehrte Klebstoffkombination, das heißt ein weicher erster Klebstoff
und ein steifer zweiter Klebstoff, stellt gute Kreiselleistung bei
Präsenz von
Schwingung bereit, kompromittiert jedoch die Wärmeempfindlichkeit der Spule.
Während
diese Ausführungsform
drei ringförmige
Abschnitte zeigt, können
mehr oder weniger Abschnitte verwendet werden.
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3 zeigt
einen „Rillenraster", der durch erste
Rillen 16 und zweite Rillen 26 geschaffen wird. Die
Schlitze 24 können
dann in einer beliebigen Anzahl von Ausrichtungen innerhalb dieses
Rasters platziert werden. 3 zeigt
zum Beispiel Schlitze 24, die abwechselnd zwischen dem
Mittenabschnitt 28 und den Endabschnitten 30 entlang
der äußeren Fläche der
Nabe 10 platziert sind. Verteiler 18 (in 3 nicht
gezeigt), können
dann aufgenommen werden, um den Transfer der Klebstoffe von der äußeren Kante
der Nabe 10 zu den Schlitzen 24 zu erleichtern.
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4 zeigt
eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei der der Radius der Nabe 10 axial zu der
Mittenachse 11 (in 4 nicht
gezeigt) variiert. Genauer genommen verjüngt sich der Radius der Nabe 10, wobei
er an seiner axialen Mittenlinie am größten und an seinen Kanten am
kleinsten ist. Diese Ausführungsform
ermöglicht
eine ungleichförmige
Stärke des
Klebstoffs 14 entlang der axialen Länge der Nabe 10, um
die Spule 12 mit der Nabe 10 zu verbinden. Der
Klebstoff 14 kann an der axialen Mitte der Nabe 10 dünner und
an den Enden der Nabe 10 dicker sein. Je nach der Auswahl
des Klebstoffs 14, stellt eine dünne Schicht Klebstoff 14 an
der axialen Mittenlinie gesteigerte axiale und Drehsteifheit bereit, während eine
dickere Schicht Klebstoff 14 an den Endpunkten Winkelsteifheit
zwischen der Spule 12 und der Nabe 10 bereitstellt,
ohne die Wärmedehnung
der Spule 12 einzuschränken.
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5 stellt
eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dar, bei der die Klebstoffverteilung zwischen der Spule 12 und
der Nabe 10 variiert werden kann. Bei dieser Ausführungsform
variiert die Umkreislänge
des Klebstoffs 14 axial entlang der äußeren Fläche der Nabe 10, während die
radiale Stärke
des Klebstoffs 14 relativ konstant bleibt. Genauer genommen
befinden sich Rillen 16 an der äußeren Fläche der Nabe 10 in
einer diagonalen Ausrichtung zu den Kanten 9 der Nabe 10,
und bilden im Wesentlichen diamantförmige Abschnitte. Ungefähr in der
Mitte dieser diamantförmigen
Abschnitte befinden sich Schlitze 24, durch welche der
Klebstoff 14 läuft,
um die Spule 12 (in 5 nicht
dargestellt) mit der Nabe 10 zu verbinden. Die Ausrichtung
der Rillen 16 erlaubt es dem Klebstoff 14, an
einer größeren Flächenzone
der äußeren Fläche der
Nabe 10 an ihrer axialen Mittenlinie und an einer kleineren
Flächenzone
an ihren Kanten 9 zu haften. Die große Flächenzone des Klebstoffs 14 an
der axialen Mittenlinie stellt gesteigerte axiale und Drehsteifheit
bereit, während
die kleinere Flächenzone
des Klebstoffs 14 an den Kanten 9 Winkelsteifheit
zwischen der Spule 12 und der Nabe 10 bereitstellt,
ohne die Wärmedehnung
der Spule 12 einzuschränken.
Da die Rillen 16 Zonen der Nabe 10 trennen, in
welchen Klebstoff 14 präsent
ist, werden einzelne Haftungszonen gebildet.
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Das
Klebesystem wird entsprechend angepasst, um der Umgebung zu entsprechen,
in welcher der faseroptische Kreisel funktioniert. Es gibt viele Faktoren,
die bei der Auswahl eines geeigneten Klebstoffs für das erfindungsgemäße Klebesystem
betrachtet werden können.
Bei der hochvolumigen Produktion faseroptischer Kreisel zum Beispiel,
ist es wichtig, dass man die Nabe zu der entsprechenden endgültigen Größe der Spule 12 korrekt
bemessen kann, nachdem Dehnung oder Zusammenziehen beim Entfernen
von dem Kern auftreten. Es wäre
unerschwinglich, jede Nabe 10 an die Form anzupassen, die
sich für
jede Spule 12 ergibt. Jede Nabe 10 wird daher
bearbeitet, um in den Innendurchmesser jeder Spule 12 zu
passen, wobei die entsprechende Spalte vorgesehen wird.
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Es
gibt jedoch typisch gewisse Schwankungen der tatsächlichen
Größe der Spule 12 und
der Nabe 10. Eine Aufgabe der vorliegenden Konzeption einer
Klebemontage besteht daher darin, dass sie für solche Schwankungen unempfindlich
ist. Der Klebstoff, der die Nabe 10 mit der Spule 12 verbindet, funktioniert
entsprechend für
jede durchführbare Kombination
von Teilgrößen.
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Vorteilhafterweise
wird der Klebstoff 14 so ausgewählt, dass er Schwankungen oder
Fehler im endgültigen
Innendurchmesser der Spule 12 oder am Außendurchmesser
der Nabe 10 toleriert. Man nehme zum Beispiel an, dass
der bevorzugte Spalt zwischen der Spule 12 und der Nabe 10 auf
fünf Tausendstel
eines Zolls festgelegt wird. Eine Verringerung des Innendurchmessers
der Spule 12 um ein oder zwei Tausendstel Zoll nach dem
Entfernen des Kerns, auf dem die Spule geformt wurde, könnte ein signifikantes
Verkleinern darstellen. Dieses Sinken der Spaltzone entspricht einem
Verkleinern der Stärke
des Klebstoffs 14, der die Spule 12 mit der Nabe 10 verbindet.
Eine geeignete Auswahl des Klebstoffs 14 für eine spezifische
Anwendung erlaubt daher Stärkenschwankungen
zwischen der Spule 12 und der Nabe 10, während sie
immer noch eine akzeptable Haftung zwischen der Spule 12 und
der Nabe 10 erzielt.
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Ferner
kann ein passender Klebstoff 14 ausgewählt werden, um die Wärmedehnungsunterschiede
zwischen der Nabe 10 und der Spule 12 zu minimieren.
Obwohl ein ausreichend nachgiebiger Klebstoff den Wärmedehnungsunterschied
minimieren kann, ist ein derartiger nachgiebiger Klebstoff eventuell
nicht zum Minimieren anderer Umweltfaktoren geeignet.
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Der
Klebstoff 14 wird auch ausgewählt, um die Schwingung zu minimieren,
die von der Nabe 10 auf die Spule 12 übertragen
wird. Man kann die Schwingung an der Montagestelle der Spule 12 aufgrund
der Kenntnis der Schwingungseigenschaften des fertigen Produkts
bestimmen. Um die Empfindlichkeit der Spule 12 gegenüber Umgebungsschwingungen
zu minimieren, legt man vorzugsweise eine steife Montage zwischen
der Spule 12 und der Nabe 10 sowohl in die axiale
als auch in die radiale Richtung an. Das minimiert Sprung- und Rüttelbewegungen,
die die Spule 12 erfährt.
Eine steifere Montage kann erzielt werden, indem man die Klebstoffflächenzone
vergrößert oder
einen steiferen Klebstoff an der axialen Mitte der Spule 12 aufträgt.
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Die
Umgebungseinflüsse
auf die Spule 12 können
auch durch Einschließen
zusätzlicher Schichten
von Werkstoff zwischen der Spule 12 und der Nabe 10 minimiert
werden.
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6 zeigt
einen Querschnitt einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wie oben besprochen. Genauer genommen
umfasst 6 einen Werkstoff 14,
der zwischen die Nabe 10 und die Spule 12 platziert
wird. Eine alternative Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, wie in 7 gezeigt, umfasst
das Hinzufügen
eines Spannungspuffers 22 und von zwei Klebstoffschichten,
nämlich
Klebstoff 14 und Klebstoff 20. 7 zeigt
die äußere Fläche der
Nabe 10 an der inneren Fläche des Puffers 22 mit dem
Klebstoff 14 befestigt (an Stelle der inneren Fläche der
Spule 12 wie in 6 gezeigt).
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Der
Klebstoff 14 wird in den Spulen-/Nabenaufbau wie oben beschrieben
unter Einsatz einer Vielzahl von Verteilern, Schlitzen und Rillen
eingeführt.
Der Klebstoff 20 befestigt die äußere Fläche des Puffers 22 an
der inneren Fläche
der Spule 12.
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Der
Klebstoff 20 kann den Puffer 22 an der Spule durch
Verwenden jedes akzeptablen Verfahrens befestigen. Die Spule 12 kann
zum Beispiel auf einen Kern wie oben beschrieben gewickelt werden. Der
Klebstoff 20 kann dann auf die äußere Fläche der Spule 12 aufgetragen
werden, und der Spannungspuffer 22 kann auf die Oberseite
des Klebstoffs 20 gewickelt werden. Bei einer alternativen
Ausführungsform
können
die Spule 12 und der Puffer 22 in zwei einzelnen
selbsttragenden nicht starren Strukturen gewickelt und derart angeordnet
werden, dass zwischen der äußeren zylindrischen
Fläche
des Puffers 22 und der inneren zylindrischen Fläche der
Spule 12 eine Spalte existiert. Der Klebstoff 20 kann
in diese Spalte getränkt
und im Wesentlichen gleichförmig
unter Heranziehen von Vakuum- und/oder Druckeinspritztechniken verteilt
werden. Geeignete Werkstoffe für
den Klebstoff 20 umfassen die oben für den Klebstoff 14 aufgelisteten,
darunter zum Beispiel ein selbsthärtender Epoxidharzwerkstoff.
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Der
Puffer 22 kann im Wesentlichen zylindrisch sein und eine
dünne zylindrische
Wand im Vergleich zu der zylindrischen Wand der Nabe 10 haben. Der
Puffer 22 kann ein Verbundstruktur nicht optisch funktionierender
Lichtleitfaser oder Graphitfaser sein oder aus jedem der Werkstoffe
hergestellt sein, die oben für
die Nabe 10 aufgelistet sind. Wie oben besprochen, ist
der Puffer 22 eine entsprechend gewickelte nicht starre
Struktur, die auf einem Kern ähnlich
wie die Spule 12 aufgebaut wird, oder in einer anderen
jetzt bekannten oder später
entdeckten Art. Ein Klebstoff wird verwendet, um die gewickelte
Struktur in dem Puffer 22 zu halten.
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Die
Klebstoffeigenschaften, die die Faser in dem gewickelten Puffer 22 verbinden,
können
sich mit der radialen Schichtlage ändern. Relativ weiche Verbindungen
können
auf den inneren Schichten verwendet werden, um Nachgiebigkeit mit
der Nabe 10 bereitzustellen. Relativ harte Verbindungen
können auf
den äußeren Schichten
verwendet werden, die die Schnittstelle mit der Spule 12 bilden.
Eine allmähliche
Steigerung der Klebstoffstärke
kann erzielt werden, indem man den Grad an ultravioletter Energie variiert,
mit der der Klebstoff exponiert wird. Die Ultraviolettenergie kann
zum Beispiel als eine Funktion der Zeit, Exposition, Wechsel der
Zusammensetzung oder dergleichen variiert werden.
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Obwohl
der Klebstoff 14 das Wärmedehnungsungleichgewicht
und durch Schwingung eingeleitete Verzerrungsfehler, die oben besprochen
wurden, minimiert, minimiert das Hinzufügen des Puffers 22 und
Klebstoffs 20 diese negativen Umweltfaktoren noch weiter.
Der Puffer 22 reduziert effizient Spannungen und Belastung,
die in die Spule 12 direkt durch die Unausgewogenheit der
Wärmedehnungsmerkmale
zwischen Spule 12 Nabe 10 eingeleitet werden.
Genauer genommen absorbiert der Puffer 22 teilweise Spannung,
die anderenfalls auf die Spule 12 übertragen würde, wobei diese negativen
Umweltfaktoren allmählich
mit der Steigerung der Schichten von Werkstoff zwischen der Spule 12 und der
Nabe 10 geringer werden. Der Puffer 22 minimiert
die Wärmedehnungsunausgeglichenheit
zwischen der Spule 12 und der Nabe 10, wobei der
Wärmedehnungskoeffizient
des Puffers 22 ungefähr
der arithmetische Durchschnitt der axialen Wärmedehnung der Nabe 10 und
der Spule 12 ist.
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Ferner
stellt der Puffer 22 eine steife Kopplung zwischen der
Spule 12 und der Nabe 10 bereit, um Verzerrungsfehler
in der Ausgabe der Spule 12, die durch Schwingung induziert
werden, zu minimieren. Der Puffer 22 verringert die Empfindlichkeit
der Spule 12 gegenüber
Schwingung, indem er die Resonanz der Spule 12 auf einen
höheren
Frequenzbereich anhebt. Mit anderen Worten schafft die Schwingungsresonanz
bei Fehlen des Puffers 22 ein axiales Springen und Rütteln in
der Spule 12. Diese Resonanz kann zumindest teilweise durch
Hinzufügen
eines harten Klebstoffs eliminiert werden.
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Auch
wenn der Puffer 22 mit einem weichen Klebstoff hergestellt
wird, der das gewickelte Material verbindet, ist er immer noch viel
stärker
als nur ein Klebstoff und wirkt daher beim Verringern von Verzerrungsfehlern,
die durch Schwingung induziert werden, besser.
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Die
Klebstoffe 14 und 20 können ausgewählt werden, um das Klebesystem
zu optimieren. Genauer genommen können die Klebstoffe 14 und 20 miteinander
zusammenarbeiten, um die Temperaturschwankung und die Schwingung
zu minimieren, welcher die Spule 12 ausgesetzt ist. Ein
passender Klebstoff 14 ist ein biegsamer oder weicher Klebstoff, der
eine nachgiebige Montage zwischen der Spule 12 und der
Nabe 10 ergibt und beim Abstimmen der Wärmedehnungseigenschaften zwischen
der Spule 12 und der Nabe 10 hilft. Andererseits
ist der Klebstoff 20 ein härterer, weniger nachgiebiger
Klebstoff, der beim Minimieren der Schwingung wirkt, welcher die
Spule 12 ausgesetzt ist.
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Zu
bemerken ist, dass jede Kombination der oben stehenden Ausführungsformen
verwendet werden kann, um die Spule 12 an der Nabe 10 erfindungsgemäß zu befestigen.
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Das
umfasst jede geeignete Kombination von Rillen-, Schlitzausrichtungen,
Unterteilungen in ringförmige
Abschnitte, Naben, Klebstoffe und/oder Puffer.
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Natürlich beschreibt
die oben stehende Beschreibung beispielhafte Ausführungsformen
dieser Erfindung, welche dadurch nicht eingeschränkt wird. Verschiedene Änderungen
können
am Konzept, der Anordnung und Implementierung der vorliegenden Erfindung
vorgenommen werden, ohne den Geltungsbereich der Erfindung, wie
er in den unten stehenden Ansprüchen
dargelegt ist, zu verlassen.