JPH03502856A - 回転振動駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 回転振動駆動装置 本発明は請求の範囲ｌの上位概念の特徴を有する回転振動駆動装置に関する。

リングレーザ−・ジャイロは回転速度を大きな正確さで測定することができる。

しかし、リングレーザ−・ジャイロは特別な対策なしに極めて小さい回転速度を 測定することができないきいうことは周知であり、これは、両方向で循環する光 波の種々の振動数における不活性な回転によって共通の中間振動数に収縮される （連行効果を離される振動、所謂、ロック−イン−効果）からである。回転速度 ゼロ点を中心に延びる死区域の大きさは、レーザー・ジャイロ特有の一列の輪郭 基準によって制御されることができるけれども、重要なパラメータをできるだけ 良く設計する際にも、なお、回転速度測定エラーが、はとんど全ての実際の使用 において、例えば位置調節機構において、又はナビゲーシオン機構において益々 、受は入れられない程の大きさのままである。

エラーを回避するｔ；めに使用される方法は、ｒＤｉｔｈｌｌｌｒｎ　Ｊという 名称で知られている。この場合、レーザー・ジャイロは放射経路平面に垂直に位 置する軸線を中心にして同形状の回転振動にさらされる。

レーザー・ジャイロの回転振動の転向点において振動数同期化を行なう期間は、 最大振幅及び振動の振動数によって規定されかつこのことによって減少される。

レーザー・ジャイロの最後になお残るこれに関する測定エラーはこのために著し く減少される。回転振動によって、例えば周期的な回転、圧縮又は曲げのような ジャイロ基体の構造変形は決して惹起されず、なぜならば回転振動が光学的な共 振器の周期的な、又は周期的でない損失変調に基づいてレーザー・ジャイロの欠 陥のある測定状態に導くからである。

従来の回転振動体においては小さな直径のスポーク車輪が使用されており、該ス ポーク車輪のボスは測定しようとする支持体機構に固定されておりかつその外側 の円筒状のリムはジャイロブロックの中央における開口に嵌合されている。この ことによってジャイロブロック全体は回転振動体によって支持されており、かつ 両方が一緒に、磁気的な、又はピエゾ電気的な駆動装置によって所定の共振振動 数に励振されるばね一質量一機構を形成する。

このような解決策の原理の種々異なる多くの変化が公知である。本発明において は、同形状の横断面のスポークを有し、このピエゾセラミックのプレート上に取 付けられていてかつこれと多層の曲げ部材を示す回転振動体から出発する。電圧 が印加されると、スポークにおいて曲げモーメントが生ぜしめられ、それからリ ムに作用する回転モーメントが生じる。一般的には、その振動数が機構の共振振 動数に相応する電圧によって励振される。

この機構の運転振動数を高め、かつ同時に振動振幅を一定に保つことは極めて困 難であり；このことは、ピエゾ電気的な共振機構の原則的な特色によって実現さ れ、この特色は、変流器の最大共振振幅が共振振動数に反比例することにある。

固定振動数における振動振幅の増大は、ピエゾセラミックの引張り強さによって 制限されており、この引張り強さは、ピエゾセラミックを取付けである金属スポ ークの引張り強さより著しく小さい。ピエゾセラミックが、小さな応力を有する 領域内で変位されると、このことによって駆動装置としての作用のみが減少され る。このこと及び別の７アクタは、従来では、レーザー・ジャイロにおけるピエ ゾ駆動装置を有する回転振動装置を構成する際の改良に対抗していた。

本発明に先行する以下の考えは、回転振動体の簡単な設計を制限する。

１、　レーザー基体の質量は普通極めて大きく、かつ振動機構に認められるスペ ースは極めて小さい。このことは、回転振動体が、スチールのヤング率と比較し うるヤング率を有する材料から製造されなければならないことを前提とする。

この場合、一般的には、付加的に低い膨張係数を有するスチールが使用される。

２、回転軸は固定的に保持されなければならない。

このことは、回転振動体が回転軸の外側の全ての軸線を中心にして非常に高い剛 性を有していることを要求し、このことはさらに、スポークが回転軸に対して平 行に可能なだけ膨張することを要求する。

回転振動体の軸線が、ジャイロブロックの旋回点と一致しなければならないとい うことも要求される３、効果のあるエラーを避けるために、振動の振幅も振動数 も調整することは極めて困難である。普通、機械的な共振において振動発生器が 運転され；この場合共振振動数はねじりばね一定性によって規定されており、こ のねじりばね一定性は前以て決めておくのは困難であり、かつ回転振動体の製造 後にはもはや著しく変化されてしまう。

運転振幅は、普通ピエゾセラミックの表面引張り強さによって制限される。

４、運転中の回転振動体の変形は避けられなければならない。収縮及び膨張はレ ーザー・ジャイロにおいて誤った信号を惹起する。

このような強制的な制限は、回転モーメントが、ジャイロ基体における回転軸に 対して対称的な、小さな直径を有し、かつ基体の中央に設けられる円筒体の母線 に沿って導入されることを要求する。ジャイロ基体における力からの点状の導入 は、レーザー・ジャイロによって、受は入れられない誤った測定結果を招く。

５、完成された装置は、種々の使用明細書によって要求されるような拡大された 環境温度範囲で運転されるのに適していなければならない。

振動発生器は、半径方向での化学的な膨張によるジャイロブロックの構造体変形 を避ける連結部を介してジャイロブロックと結合されなければならないこの連結 部は、例えば弾性的な材料から成る厚いシートのように簡単なものであつｔ；す 、あるいは多節の三次元の曲げ部材のように複雑なものである。

あらゆる場合に、回転方向で極めて強くかつ半径方向で極めて可撓的な連結部が 効果がある。この連結部は、実地には実際にジャイロの能率の制限が示されてお り、これはこの連結部が軸剛性を減少するからである。

上方で述べる制限を含む背景技術による装置は、例えば不変鋼のような小さな膨 張係数を有するスチールから製造されており、かつ中央のボルト、均一な方形形 状横断面を有する平らな４本又は６本のスポーク及びやはり同形の方形横断面を 有する円筒状のリムから成っている。

それぞれのスポークの端面にはピエゾセラミックのプレートが取付けられており 、該プレートは全て同時に、機構が所定の共振振動数において振動するような振 動数の高い電圧によって負荷される。

これに対して本発明は、レーザー・ジャイロのためのピエゾ駆動装置を有する特 別に構成された回転振動体を提案し、レーザー・ジャイロは、著しく高い振動数 及び振幅において運転されるのに適している。

本発明の構成により、本発明による回転振動体は従来の回転振動体に類似して構 成されている：それは、小さな熱膨張を有するスチールから成る固有のブロック から製造されており、例えば運搬車両に固定されている中央のボスを有し、さら にスポークとリムを有し、これらは両方同じ方形形状の横断面を有している。

しかし、スポークは特別な曲げ部材を介してリムと固定されている。この曲げ部 材は、回転軸に対して垂直な平面では曲げ運動のために大きな可撓性を有し、し かしこの平面の外側では曲げ運動のために高い剛性を有するヒンジのように作用 するように設計されている。

スポーク／リムの結合部にヒンジを使用することは、ピエゾ部材のために、電気 的から機械的エネルギへの極めて多くの効果的な変換、ピエゾ部材のわずかな表 面応力及びなお別の利点を必然的に伴う。

本発明は、背景技術に較べて少なくとも以下の４つの利点がもたらされる： ｌ、　ヒンジの使用が、スポーク車輪の外縁変形が避けられることによって共振 振動数の固定を筒単にする。

２、　ヒンジの使用が、ピエゾセラミックの全容量が回転モーメント発生のため に利用されることがでこることを保証する。背景技術による構成は、モーメント 補償が生じるために、この利用度に達するには程遠い。

３、　ヒンジの使用が、振動の同じ振動数及び振幅を前提とする場合に、ヒンジ なしの解決策に較べてピエゾセラミックの最大表面応力を減少する。

４、　ヒンジが、スポークの外側端部においてリムを曲げモーメントから切離す 。このことによって、リムの普通の変形が避けられ、この変形はジャイロブロッ クに伝達されないし、重要な振動エネルギをリム／ジャイロ基体の結合部に導出 しない。この結果、高い機械的な商品が得られる。

図面を用いて実施例を説明する。

第１図は本発明による回転振動体の平面図、第２図は第１図の結合部の詳細図、 第３Ａ図及び第３Ｂ図は特別な本発明によるヒンジを有しているもしくはそれを 有していないスポーク結合部を示す図、 第４Ａ図及び第４Ｂ図は、それによって前述の発明が、曲げ部材から利用しうる 機械的なエネルギの高い利用を可能にすることが明らかに判る実験を概略的に示 す図、 第５Ａ図及び第５Ｂ図は、背景技術及び本発明のために典型的であるスポーク及 びリム曲げ部を示す図である。

第１図には本発明による回転振動体の実施例を平面図で丞す。

この回転振動体は、摩擦係数の小さいスチールから成る工作物から作られている 。ボスｌは４つの突出部２によって保持されており、該突出部は孔３に差込まれ る図示しない４つのボルトによって、図示しない固定プレートに固定されている 。ボスｌから外方へ延びる４本のスポーク４が設けられており、該スポークは円 筒状のリム５と特別なヒンジ６を介して結合されている。図示していないレーザ ー・ジャイロブロックは中央の固定開口を有しており、この固定開口内にリム５ が嵌合される。この結合部は、レーザー・ジャイロブロックの唯１つの保持部を 示す。その大きな表面に電極を備えている薄いピエゾセラミックのプレート７． ８は、各スポークの両側で導電するように全平面的に形状接続されている。

プレートは、スポーク表面の大部分を覆う大きさに設計されている。プレート７ ．８の外側の電極９．１０は、全て交番電圧源の一方のクランプと電気的に接続 されている（図示せず）。電圧源の他方のクランプが回転振動体の本体と結合さ れている。ピエゾセラミックのプレートは全て、残留する分極ベクトルを宵して おり、該分極ベクトルは第１図において逆時計方向に向いている。この場合、ピ エゾセラミックのプレートの外側電極における正の電位の印加は、リム５におい てモーメントを時計回りで生ぜしめる。

回転振動体は不変鋼又は類似の合金から成っており、はぼ５．５ｃ＋＋の直径と 、はぼ３ｃｏの高さく厚さ）とを有している。有利には、数＋ｉ＋ｍの輻（プレ ート７と８との間の寸法）と、はぼ１０１１１１以上の半径方向長さとを有する ４つのスポーク４が設けられている。ボスｌは、該ボスの曲げを排除するために 、残されるスペースにおいてできるだけ安定的に構成されている。

スポーク４及びヒンジ６の拡大図を第２図に示す。

ヒンジの高さは、例えば、全回転振動体と同じ大きさである（はぼ３　ｃｍ）。

リム５が矢印７の方向で回転されると、個所６Ｄにおける並進運動の力８も回転 モーメント９もスポーク４の端部に作用する。

ヒンジは、力が存在する際にセグメント６Ａ、６Ｂ及び６Ｃが一緒に点６Ｄを中 心にした可視性のねじればねを形成し、ひいてはモーメント９をスポーク端部か ら離すように構成されている。

しかし他面において、セグメント６Ａ及び６Ｃは、並進運動の力８の方向での圧 縮又は引張りに関して極めて強い。実際、並進運動の全ての力８がスポーク端部 ６Ｄに達することによって生じる。この結果、スポークはほどんどボスの片側で のみ締込まれる自由なビームのように振舞い、このビームは先端における点電荷 にさらされている。曲げ部材６Ｂは半径方向でも圧力に強く、このことによって 不都合な横振動は避けられるが、この横振動はさもなければ生じるであろう。

部材６Ａ、、６Ｂ及び６Ｃが回転振動体と同じ高さく厚さ）を有しているので、 部材は、軸線を中心にして作用する力のｔ；めの高いねじれ強さを有しており、 前記軸線はジャイロ回転の所望の軸線と一致しない。部材６Ａ、６Ｂ及び６Ｃの 厚さ及び長さは１■の大きさである。

本発明により形成されている回転振動体においては、要するにスポークがボスか ら出発する、他端部で自由な支持体として見なされる回転振動体においては、ス ポークの寸法が、レーザー・ジャイロ装置の機械的な固有振動数を確定するため のさらに重要なパラメータであることが示される。

従来では、リムの寸法及びリムとブロックとの結合は同じく重要であり、それ故 に機械的な固有振動数の予言は極めて困難であった。これに対して、振動数確定 のｔ：めに本発明により使用されるヒンジの貢献度は１０％以下である。

第３Ａ図には背景技術によるスポーク１１が示されており、このスポークはボス １２から出発していてかつここではリム１３と不動に結合されている。リム１３ が角度Ｘだけ回転されると、曲げられるスポークは破線で示すように延びる。ス ポークは特有の二重曲げ部を有しており、要するにＳ−形を有している。

第３Ｂ図は、曲げヒンジ１５を介してリム１３と結合されている類似のスポーク １１を示す。リム１３が同じ角度Ｘだけ回転されると、この実施例においてスポ ーク１１は強い曲げにほとんど支配される必要はなく、これは、ピエゾ部材１４ の極めて多くの小さな表面応力の結果である。第３Ａ図及び第３Ｂ図によるスポ ークを同じ曲げ強さを有している場合にさえ、第３Ｂ図の構成の利点を維持した ままであることが示されており、要するに、セラミックの表面応力は、達成され る振幅に関して制限されない。

スポークを有する普通の簡単な回転振動体も、それがピエゾ部材によって生ぜし められる機械的なエネルギを効率的な形式で使用しないので不都合である。この ことは、バイモルフ−プレート（Ｂｉｍｏｒｐｈ−Ｐｌａｔｅ）を使用して行な われる簡単な実験を示す第４Ａ図及び第４Ｂ図を用いて説明される。

第４Ａ図には、回転振動体の隣接する２つのスポークを示すであろう曲げ部材２ ２Ａ及び２２Ｂが、ボスに相応するであろう基体２１に、かつリムに相応するで あろう剛性のブロック２３に固定されている。

曲げ部材２２Ｂが、その右側の端部が矢印２４の方向で運動されるように励振さ れると、受動の支柱として圧力に応動されかつブロック２３によっててことして 作用する曲げ部材２２Ａが、回転モーメントを、ピエゾ部材によってほどんど完 全に生ぜしめられる曲げ部材に反作用する曲げ部材２２Ｂの先端に生ぜしめる。

曲げ部材２２ＡがＩ！ｉ！Ｉ振されると、対称に基づいて同じ結果が見込まれる 。

実地においては、期待される静的な変向が著しく減少されている結果が得られ、 このことは機械的なエネルギの損失に起因している。これに対して第４Ｂ図には 、本発明の曲げ部材を示すヒンジ２６が、曲げ部材２２Ａ及び２２Ｂの回転活動 性を並進的な活動から離しており、このことによって、達成される全ての作動を 曲げ部材からほとんど導出することができる。

背景技術による回転振動装置において、モーメント減少は、第４Ａ図に基づいて 述べられた実験における程には強くなく、これはスポークの部分及び／又はリム の部分が部分的になお曲げ部材として作用するからであり；それにもかかわらず 存在する機械的なエネルギの利用は極めてわずかであり、かつピエゾセラミック の配置及び回転振動体へのジャイロブロックの固定における誤差に関連する。

第５Ａ図は回転振動体の曲げ模型を概略的に示し、そのスポークはリムと剛性的 に結合されており、かつ曲げ模型は矢印３１の方向で回転される。この場合生じ るリムの部分の半径方向３２における運動は、回転変形がジャイロブロックへさ らに導びかれる。これにおける先に示す困難性は生ぜしめられない。

Ｆｉｇ、１ Ｆｉｇ、　３Ａ Ｆｉｇ、　３　Ｂ 国際調査報告 国際調査報告 ＥＰ　８８０１１５２ ＳＡ　　　　２５７４９

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．レーザー・ジャイロ用の回転振動駆動装置であって、基板に固定されたボス が複数の半径方向のスポークを介してリムと結合されており、該リムがレーザー ・ジャイロと結合されておりかつレーザー・ジャイロをその旋回点で回転振動駆 動装置の軸線（回転軸線）に固定しており、さらに該軸線においてスポークの端 面に、ピエゾ電気的な材料から成るプレート並びに上に位置する電極が設けられ ており、該電極が、交番電圧を印加する際に回転軸線を中心にしてリムを揺動振 動させるようになついる、回転振動駆動装置において、スポーク（４；１１）か らリム（５；１３）への移行範囲にそれぞれ１つの曲げ部材（６；１５）がエン ボス加工されており、該曲げ部材が回転軸線を中心にしたリムの回転のための大 きな可撓性を有していることを特徴とする、回転振動駆動装置。
2. ２．曲げ部材（６）が、半径方向で延びるウェブ（６Ｂ）と、接線方向で相応す る２つのウェブ（６Ａ及び６Ｃ）とによって形成されている請求項１記載の回転 振動駆動装置。
3. ３．回転振動駆動装置の高さがでさるだけ大さく選ばれている請求項１又は２記 載の回転振動駆動装置。
4. ４．曲げ部材（６；１５）の高さも、駆動装置全体とほぼ同じ大ささである請求 項３記載の回転振動駆動装置。