NO157435B - Piezoelektrisk drivmotor til vibrering av ringlasergyroskop. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en forbedret piezoelektrisk drivmotor til å vibrere et ringlasergyroskop. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen forbedringer av de piezoelektriske transdusere som brukes ved slike motorer.

Piezoelektriske motorer er tidligere blitt brukt til

det formål å vibrere ringlasergyroskop. I forbindelse med en slik motor blir en eller flere piezoelektriske transdusere festet til bøyelige eiker, som forbinder den ytre bevegelige krans av gyroskopet til et indre fast nav. Transduserene blir drevet ved hjelp av passende vekselspenning og bøyer seg idet de beveger den ytre krans frem og tilbake i en oscillatorisk bevegelse. Ved denne kjente konstruksjon er transduserene festet til et sterkt belastet område nær eikenavet ved hjelp av et klebemiddel som har en tendens til å svikte under driften av motoren på grunn av den høye påkjenning. På grunn av den høye påkjenningen må der dessuten benyttes meget tynne piezoelektriske elementer i transduserene, hvilket gjør motorkonstruk-sjonen kostbar.

En annen ulempe ved denne konstruksjon er det forhold

at den ene side av transduseren nødvendigvis" må være jordet til den eike som den er festet til. Transduserdrivstrømmene som går gjennom gods eller jord, bevirker at der opptrer feil-spenninger i andre kretser som bruker den samme jording. I

noen tilfeller kan dette problem være så alvorlig at det nød-vendiggjør bruken av en isolasjonstransformator for driften av motoren. En slik isolasjonstransformator er tung og er høyst uønsket når ringlasergyroskopet skal brukes i forbindelse med luftbårent navigasjonsutstyr.

En hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe en piezoelektrisk motor for drift av ringlasergyroskop, som ikke er beheftet med de ovennevnte ulemper.

Denne hensikt oppnås ved en drivmotor av den i innled-ningen til krav 1 beskrevne art. Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen fremgår av de vedføyde underkrav.

I henhold til oppfinnelsen blir senteret av hver piezoelektrisk transduser som danner et påvirkningsorgan for driv-motoren, festet til den tilhørende eike på et punkt som utgjør "nøytral radius", på en slik måte at den del av transduseren som ligger nærmere navet og den del av transduseren som ligger nærmere den bevegelige ytre krans av gyroskopet, blir påvirket av hovedsakelig like og motsatte krefter når eiken og transduseren blir bøyet. Ytterflaten av det piezoelektriske element som danner den aktive del av transduseren, er forsynt med to separate elektroder, kalt henholdsvis den første eller indre og den andre eller ytre elektrode, mens den side av transduseren som er festet til eiken, bare har en bakre elektrode. De indre og ytre elektroder blir drevet motsatt ved påtrykking av vekselspenning. Ved å drive den indre og ytre elektrode i mottakt med en vekselspenning, oppnår man en symmetrisk drift og den bakre elektrode forblir på et egentlig jordpotensial. Vekselspenningen får de respektive ender av transduseren til å bøye seg i en rekke S-former og gir som resultat en frem- og tilbake-bevegelse av den ytre krans.

Endene av det piezoelektriske element smalner av for

å redusere virkningen av påkjenningene ved elementendene, idet feil og forringelse av elementet i disse regioner blir redusert til et minimum. Fordi behovet for en god elektrisk kontakt mellom eiken og transduseren er eliminert, kan transduseren festes på en bærer med et klebemiddel med høy strukturell styrke, således kan der benyttes transduserelementer og proble-met med delaminering som opptrådde ved kjente innretninger, blir eliminert. Det medfører reduserte tap fra håndtering av de tykkere elementer w Sluttelig resulterer bruken av en bakre elektrode som holdes på egentlig jordpotensial, i en balansert konstruksjon som eliminerer jordstrømmer og tillater bruken av lette mottaktforsterkere i steden for isolasjonstransformatorer.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet under hen-visning til tegningen.

Figur 1 anskueliggjør skjematisk en tidligere kjent piezoelektrisk drivmotor. Figur 2 er et snitt gjennom en del av den konstruksjon som er vist på figur 1. Figur 3 er et skjematisk sideriss av en piezoelektrisk motor i henhold til den foreliggende oppfinnelses lære, og

figur 4 er et snitt gjennom en piezoelektrisk drivmotor i henhold til oppfinnelsen.

Figurene 1 og 2 anskueliggjør en tidligere kjent piezoelektrisk motor til å vibrere et ringlasergyroskop.

Gyroskopet har et fast nav 2 og en bevegelig ytre krans 4

som er forbundet med navet ved hjelp av en flerhet av radiale eiker 6. Bare én eike er vist. Drivelementet omfatter en piezoelektrisk transduser 8 som er elektrisk og mekanisk forbundet med eiken 6 nær navet 2, og som drives ved hjelp av en spenning som tilføres via forbindelsesledninger 10 og 12 fra en forsterker 14. En annen ikke vist transduser kan festes til yttersiden av eiken. En vekselspenning som påtrykkes inngangen 16 til forsterkeren 14, blir forsterket og påtrykket på motsatte sider av transduseréh 8 for å fremskaffe en bøyning av eiken 6. På figur 1 er tilbakeveien via eiken 6, navet 2 og gods eller jord 12. Jordingsretur-veien er en delt vei, idet den også tjener som returvei for andre gyroskopsignaler som ikke har forbindelse med vibrasjons-driften. Vekselspenningen som påtrykkes transduseren 8, får denne til vekslende å forlenge seg og trekke seg sammen.

Denne lengdeendring overføres til eiken, idet der fremskaffes utbøyning og til slutt deformasjon av eiken,slik det er vist ved de stiplede linjer 6'.

Som vist er en transduser festet til den ene side av en eike. Det vil forståes av fagfolk på området at mer enn en eike kan bli påvirket,og at der kan plasseres transdu-

ser på begge sider av en gitt eike. I henhold til tidligere kjent teknikk viser figur 1 den vanlige plassering av transduser 8 med en posisjon nær det indre faste nav 2,

hvor navet blir meget sterkt påkjent. Selv om bøyningen av

eiken i praksis ikke er så stor som indikert på figur 1,

ved henholdsvis i heltrukne og stiplede stillinger 6 og 6', finner der likevel sted en betydelig bøyning av eiken, noe som overføres til selve transduserelementet og bevirker at det bøyer seg. I den hensikt å unngå feil på grunn av bøyning krever denne konstruksjon bruken av piezoelektriske transduserelementer som er meget tynne.

Figur 2 anskueliggjør mer detaljert, hvordan man ifølge kjent teknikk fester transduseren til eiken 6. På denne figur er elementet 8 vist med elektroder 22 og 24 på respektive langsgående flater. Disse elektroder er dannet på stedet ved overtrekking av transduserelementet med, f .eks. en sølv- >. pasta som deretter blir smeltet for å fremskaffe ledende overflater på elementet. Elektrisk forbindelse blir utført mellom den indre sølvelektrode 22 og metalleiken 6 i gyroskopet ved hjelp av et lag av ledende epoxy 18. Sammen-stillingen sluttføres ved overtrekking av transduseren 8

med et formtilpasset belegg 20, som effektivt avtetter og isolerer transduseren fra atmosfæriske påvirkninger.

Det formdannede belegg 20 kan være en silikon- epoxy-

skjellakk- eller en annen velkjent isolasjonssammensetning. Hoveddelene i transduseren 8 kan tildannes av et hvilket som helst materiale som har piezoelektriske egenskaper.

Et slikt materiale kan være en keramikk. Et foretrukket materiale er strontiumdopet blyzirkonium-titan. Polarisasjonsretningen i transduserelementet er vist ved pilen 23. Pilen 23 viser også påtrykningsretningen for det elektriske felt mellom elektrodene 22 og 24 for fremskaffelse av en deformasjon av transduserelementet.

Figurene 3 og 4 anskueliggjør en piezoelektrisk drivmotor som er fremstilt i henhold til den foreliggende oppfinnelses lære. Som tidligere er motoren vist med en eneste transduser festet til den ene side av eiken 6, mellom et stasjonært ringlasergyroskop- nav 2 og den bevegelige ytre krans 4. Transduserelementet 30 bærer nå to elektroder 32 og 34 som er anordnet på avstand fra hverandre på den

siden av elementet 30 som vender bort fra eiken 6.

Elektrodene 32 og 34 er forbundet med en forsterker 14a

ved hjelp av forbindelsesledninger, henholdsvis 38 og 40. Forsterkeren 14a har en mottaktsutgang som leverer vekselspenning til forbindelsesledningene 38 og 40. Som det fremgår av figur 3,er elektrodene 32 og 34 elektrisk separert ved hjelp av en ikkeledende spalte 33 ved midtpartiet av transduktoren. Spalten 33 er plassert på en radial avstand r målt fra senteret av navet 2. Radius for navet 2 er betegnet med a og radien til den indre flate av den bevegelige ytre krans 4 er betegnet med 1. Radius r indikerer avstanden fra navsenteret til eikens lavpåkjenningsområde hvor spalten 33 er plassert.

Lavpåkjenningsområdet eller knutepunktet for eiken er anordnet nær eikens geometriske senter. For noen situasjoner kan det geometriske senter bli brukt til lokalisering av spalten i drivtransduseren. Det vil bli forstått av fagfolk på området at den nøyaktige plassering av knutepunktet kan fremskaffes analytisk eller grafisk ved konstruksjon av et momentdiagram for eiken.

Den måte på hvilken et påvirkningsorgan eller transduktor blir konstruert for hver motor,fremgår tydelig av tverrsnittet vist på figur 4. På denne figur har den transduser 31 som ligger nærmest eiken,en jevn, ledende bakre elektrodeflate 36. Et par ledende elektrodeflater 32 og 34

er plassert på den motsatte utovervendende flate av elementet. Siden av elementet 30, som bærer elektroden 36, er fortrinnsvis festet til eiken 6 ved hjelp av et lag av isolerende epoxy 44. Dette lag kan, fordi det ikke trenger å være fylt av metall, gjøres betydelig sterkere enn det ledende epoxylag 18 på

figur 2. Epoxylaget 44 blir fortrinnsvis påført eiken 6

i form av et epoxyimpregnert fiberglass eller nylonmatte. Konstruksjoner av denne art er tilgjengelige i uherdet form, idet de bare trenger å bli tilskåret med saks,påført og herdet for å skaffe den ønskede hefting for sammenkobling av eike-6 og transduser 31. Elektrodene 32, 34 dg 36 kan

fremstilles på samme måte som dem på figurene 1 og 2.

En typisk drivtransduser 31 kan være en tynn firkantet skive av samme materiale som ble brukt ved drivelementet 8

på figurene 1 og 2. Elementet 30 kan ha en side på ca.

10,2 mm og være 0,5 mm tykk. Spalten-33 er ca. 0,9 mm og vinkelen for endeskråflåtene 46 er ca. 15°. For å unngå skade under håndteringen blir de skarpe kanter av de skrå ender 46 fjernet. Spalten 33 mellom elektrodene 32 og 34 trenger bare å være så bred som elementet er tykt.

Selv om det ville være ventet at breddene av spalten 3 3

burde være dobbelt så stor som tykkelsen av elementet 30

i den hensikt å redusere risikoen for overslag mellom elektrodene 32 og 34 til et minimum, så er det funnet at denne foranstaltning er unødvendig. I virkligheten er det funnet fordelaktig å gjøre spalten så liten som mulig fordi det forbedrer følsomheten hos den piezoelektriske transdusers struktur på grunn av forskyvning. Det er fordi piezoelektrisk forskyvning blir forsterket og der påføres en større utbøyning på eiken under påvirkning av transduseren. Det er også funnet hensiktsmessig å påføre elektrodene 32

og 34 som en eneste sammenhengende elektrode og deretterr-fremskaffe spalten 33 ved kjemisk etsing av overflaten for fremskaffelse av adskilte elektroder med hovedsaklig samme areal.

Et annet trekk ved oppfinnelsen er anordningen med skrå ender 4 6 ved hver ende av det piezoelektriske element 30. Ved å skrå endene av elementet oppnår man at den påkjenning som resulterer fra koblingen av mekanisk påkjenning til eiken 6, blir gradert ved transduserendene. Hver skrå ende har den virkning at forskyvningskreftene fordeles i klebe-midlet over en vesentlig del av krystallengden sammenlignet med den konsentrasjon av påkjenning som opptrer ved bruk av rektangulære ender. Det er funnet ved beregning av spenning-ene i elementet ved punktene for spenningskonsentrasjon ved de respektive ytre stumpvinkelavfasede hjørner at dersom der skal fremskaffes en spenning under grensen på 2 758 N/cm<2 >gitt av materialstyrken for et blyzirkoniumtitankrystall ved minimering av krystalltykkelse,er den foretrukne vinkel for de avfasede ender ca. 15°.

Under drift går virkningen ved å påføre spenninger

til elektrodene 32 og 34 ut på motsatt påvirkning av endene av det piezoelektriske element 30. Fordi elementet ikke er blitt polarisert (slik tilfellet var ved tidligere kjente krystaller) vil hele lengden av elementet reagere ved deformasjon til en S-form. Ombytting av den påtrykte polaritet reverserer retningen av S-formen. Bruken av en vekselspenning blir derfor virksom til å drive endene av eiken 6 frem og tilbake og resultatet blir den ønskede skjelve- eller vibrasjonsbevegelse av den ytre krans 4

i forhold til navet 6. Virkningen av påtrykkingen av motsatte spenninger på elektrodene 32 og 34 er også å gjøre elektroden 36 på den annen side av elementet 30 til virkelig jord. Som et resultat vil ingen spenning fra drivorganet komme gjennom isolasjonsepoxyen 44 mellom den bakre elektrode 36 og eiken 6. Denne balanserte konstruksjon eliminerer jordkontakt og tillater bruken av lette mottaktforsterkere i steden for isolasjonstransformatorer.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet ovenfor i forbindelse med en foretrukket utførelsesform hvor der benyttes spesielle materialer og en spesiell anskueligbar konstruksjon, så skal det forståes at den foreliggende oppfinnelses lære kan benyttes i forbindelse med bruken av andre materialer og tidligere kjente konstruksjonsformer.

De etterfølgende krav må derfor bli tolket som omfattende

den foreliggende oppfinnelses idé héller enn å være be-grenset til de spesielle detaljer som er beskrevet og vist ovenfor.

Claims (7)

1. Piezoelektrisk drivmotor til å vibrere et ringlasergyroskop, hvor motoren omfatter et nav (2), en bevegelig ytre krans (4), minst en langstrakt bøyelig eike (6) som forbinder navet (2) til den ytre krans (4), og minst en transduser (30) festet til eiken (6) for utbøyning av denne, samt organer (14a,38,40) for spenningsforsyning til transduseren, karakterisert ved at transduseren (30) omfatter et piezoelektrisk element med en eneste elektrode (36) på den side av elementet som er festet til eiken (6), og et par elektroder (32,34) på motsatt side, idet den ene (32) av elektrodene i paret er anordnet nærmere navet (2) og den andre (34) er anordnet nærmere kransen (4), og at organene (14a,38,40) for spenningsforsyning til transduseren (30) er koblet til elektrodeparet (32,34) for å tilføre dette drivspenning.

2. Drivmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at elektrodene i elektrodeparet (32,34) ved sentrum for den mekaniske virkning av transduseren (30) er skilt fra hverandre av en spalte (33), og at spalten (33) er anordnet i et mekanisk lavspenningsområde for eiken (6).

3. Drivmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at de endeflater (46) av det piezoelektriske element som vender bort fra spalten (33) skråner mot eiken (6).

4. Drivmotor som angitt i krav 3, karakterisert ved at hver skrå endeflate (46) danner en vinkel på tilnærmet 15° med en side av elementet.

5. Drivmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at paret av elektroder (32,34) er anordnet symmetrisk på hver side av et mekanisk lavspenningsområde for eiken (6) og har hovedsakelig like over-flatearealer.

6. Drivmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at den side av transduseren (30) som har en eneste elektrode (36) er festet til eiken (6) ved hjelp av et elektrisk isolerende klebemiddel (44).

7. Drivmotor som angitt i et av kravene 1-7, karakterisert ved en mottaktforsterker (14a) som er forbundet med elektrodeparet (32,34).