NO170745B - Navigasjonssensor med et gyroskopisk element - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en navigasjonssensor med et gyroskopisk element for rotasjon om en spinnakse.

Navigasjonssystemer for moderne fly krever deteksjon av vinkelhastighet og akselerasjon. Vanligvis blir dette oppnådd ved bruk av en gyroskopisk flersensors anordning som virker ved å detektere en vinkelhastighet om en akse perpendikulær på anord-ningens spinnlagerakse med bruk av et gyroskopisk element.

Dette gyroskopiske element er mekanisk fastspent av en piezoelektrisk krystallbjelke slik at gyroskopreaksjonen på vinkelhastigheten mekanisk deformerer den piezoelektriske krystallbjelke som igjen frembringer et elektrisk utgangssignal proporsjonalt med vinkelhastighetsinngangen. Tilsvarende kan en fastspent piezoelektrisk krystallbjelke benyttes til å detektere lineær akselerasjon langs enhver akse perpendikulær på spinnlageraksen. Derfor kan både vinkelhastigheten og akselerasjonsampli-tudene ved bruk av en eller flere mekanisk fastspente piezoelektriske krystallbjelker omdannes til elektriske signaler.

US-PS nr. 4 211 951 viser således et akselerometer bestående av en piezoelektrisk bjelke som kan benyttes til måling av vinkelakselerasjonen for en rotasjonsbevegelse omkring en akse. En annen art gyroskopisk sensor er vist i US-PS nr. 4 386 535

som angår en to-aksig gyro med piezoelektriske transdusere for å generere iboende digitale utgangssignaler.

I tidligere kjente innretninger benyttes sleperinger for å for-binde utgangene fra den piezoelektriske krystallbjelke med de elektriske prosesseringskretsene. Virkningene av dette er at der dannes sleperingstøy i kretsene, noe som reduserer signal/ støy-forholdet som er indikativt for ytelsen.

Videre er kjente innretninger tilbøyelige til å registrere spinn-lagerstøy. Dette skyldes monteringen av piezoelektriske krystallbjelker langs akser som er følsomme for virkningene av spill-støy fra spinnlagerenden, noe som igjen fører til en reduksjon av signal/støy-forholdet.

Visse tidligere kjente forsøk på å eliminere disse problemene førte til bruk av komplekse anordninger som omfattet en stor mengde deler til en høy kostnad, mens ytelsesøkningen ble begrenset.

Den foreliggende oppfinnelse løser problemene med kjent teknikk ved å skaffe to betydningsfulle fordeler.

Den minimerer virkningene av sleperingsstøy på instrumentelektro-nikken. Dette oppnåes ved å øke hastighetsskalafaktoren (det elektriske signal for en gitt vinkelhastighet eller hastighets-inngang. Denne økning i skalafaktoren øker instrumentets ytelsesnivå i forhold til tidligere utførelser.

Den minimerer også virkningen av spinnlagerstøy. Ved montering av den piezoelektriske krystallbjelke slik at dens monterings-ender rettes inn etter spinnaksen, blir krystallbjelkens ufølsom-me akse orientert langs spinnlageraksen. Dette minimerer virkningen av spillstøy fra spinnlagerenden og øker instrumentets ytelsesnivå i forhold til tidligere utførelser.

Den foreliggende oppfinnelsesgjenstand virker ved å detektere en vinkelhastighet rundt en akse perpendikulær på spinnlageraksen med bruk av et gyroskopisk element. Dette gyroskopiske element er mekanisk fastspent av en piezoelektrisk krystallbjelke, montert slik at dens opplagrede ender rettes inn etter lagerets spinnakse. Den gyroskopiske reaksjon på en vinkelhastighet deformerer mekanisk den piezoelektriske krystallbjelke, som på sin side frembringer et elektrisk utgangssignal proporsjonalt med vinkelhastighetsinngangen.

Dette elektriske signal leveres til støtteelektronikk slik at vinkelhastighetsamplityden og dens vinkelplassering i forhold til instrumenthuset kan bestemmes.

Kombinasjon av denne vinkelhastighetssensor med en eller flere akselerasjonsfølende piezoelektriske krystallbjelker gir en anordning som er istand til å detektere både vinkelhastighet og lineær akselerasjon langs hvilken som helst akse ortogonal på spinnaksen. Denne hastighetssensor er integrert med akselerasjonsen-soren slik at det fåes en billig, forbedret konstruksjon.

De ovennevnte hensikter og fordeler oppnås med en navigasjonssensor i henhold til den foreliggende oppfinnelse som er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av de vedføyde krav.

Videre vil de ovennevnte hensikter og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse lettere forstås ved betraktning av tegningen.

Fig. 1 viser en utspilt avbildning av en navigasjonssensor konstruert i henhold til den foreliggende oppfinnelse,

fig. IB viser et partielt snitt sammenbygget med komponentene på fig. IA,

fig. 1C er et grunnriss av anordningen på fig. IA og fig. IB,

fig. 2 viser en variant av en detalj på fig. 1 og fig. 3 en ytterligere modifikasjon av detaljen på fig. 2.

Med referanse til fig. 1A-1C skal nå anordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse forklares i detalj. Henvisningstallet 10 angir generelt et gyroskopisk element som roterer om spinnaksen 11 og har armer 12 som strekker seg diametralt utover fra en sentralt dannet boring 13. Hver av armene 12 har ortogonalt orienterte boringer 14 og 16 for vektreduksjon.

Diametralt utragende, todelte armer strekker seg ortogonalt fra armene 12 og er hver utformet med en sliss 20 til å motta en øvre ende av en bøyehengsel 66.

De generelt halvsylindriske fastspenningselementer 22 er plassert inne i boringen 13 og tjener til å fastspenne den piezoelektriske krystallbjelken 34 mellom seg. Hvert av elementene 22 omfatter en generelt halvsylindrisk overflate 24 og en til denne motstående plan overflate 26 med et trinn opp til partiet 27, som har en generelt rektangulær overflate i anlegg mot en tilsvarende overflate 36, 38 på den piezoelektriske krystallbjelke 34. En vertikal boring 30 strekker seg fra den øvre overflate 28 på elementet 22 gjennom den nedre overflate 32 og tjener til montering av en vektjusteringsskrueanordning, som det vil bli beskrevet senere. Det nedre parti av den piezoelektriske krystallbjelke opptas i en holder, som generelt er betegnet med 40 og som er plassert innenfor bunnstykket 42 på oppfinnelsesgjenstanden. Holderen omfatter en slisset del 44 i kontakt med det nedre parti av den piezoelektriske krystallbjelke 34, mens utragende vinge-seksjoner 46 er festet perpendikulært på den slissede del 44 og tjener som skuldre for anordningen når den stikkes ned i bunnstykket 42. En buet flens som rager ned fra vingeseksjonen 46, opptas i et sirkulært spor 60 utformet på undersiden av bunnstykkets ringformede flens 58, som er best vist på fig. IB.

Det gyroskopiske element 10 hviler på oversiden 52 av en ring 50, som best vist på fig. IB. Den ringformede overflate av ringen 50 opptas i et ringformet spor 56 utformet i bunnstykkets ringformede flens, noe som igjen ses tydeligst på fig. IB.

Med betraktning av fig. IA vil det ses at den sylindriske side-vegg 62 av bunnstykket 42 har diametralt motstående slisser 64 utformet for å motta de nedre deler av bøyehengselet 66. Som klart vist på fig. IA, omfatter hvert bøyehengsel 66 øvre og nedre flensseksjoner 68 og 72 adskilt av et steg 70. Veggen 62 av bunnstykket 42 har fire slisser anordnet i kvadratur og bøyeheng-selslissene 64 er anbrakt i en vinkel på 45° relativt til til-grensende slisser 76.

Det gyroskopiske elements armer 12 er plassert i langstrakte sirkelringformede slisser 78 utformet i veggen 62 av bunnstykket 42 som vist på fig. IA og 1C.

Når komponentene av den oppfunnede anordning er montert, strekker bolter 80 seg gjennom boringene 82 dannet i oversiden av bunnstykket 42 for å feste drivakselflensen 84 (fig. IB) til den resterende anordning. På den sistnevnte figur er drivakselen betegnet 86. I øvre venstre hjørne av fig. IA ses en gjenget bøssing 88 som skal anbringes i boringen 30 på fastspenningsele-mentet 22, og innenfor bøssingen 88 plasseres en gjenget kom-ponent 90. Ved å justere posisjonen av det gjengede element 90 innenfor bøssingen 88, kan anordningen justeres for utbalansering.

I montert tilstand fastholdes det gyroskopiske element 10 til bunnstykket 42 ved de to bøyehengsler 66. Svingningen av disse komponentene om bøyehengselaksen motvirkes av den torsjonsdetek-terende anordning som omfatter både fastspenningselementene 22, den piezoelektriske krystallbjelke 34 og holderen 40. De piezoelektriske krysta11bjelker festes i basis-slissene 76 for å detektere lineær akselerasjon under drift.

Oppfinnelsen tjener dessuten til å detektere en vinkelhastighet om en eller annen akse perpendikulær på spinnlageraksen med bruk av et gyroskopisk element 10. Dette gyroskopiske element er mekanisk fastspent av en piezoelektrisk krystallbjelke 34 montert slik at dens opplagrede ender er på linje med spinnlagerets akse. Den gyroskopiske reaksjon på en vinkelhastighet deformerer mekanisk den piezoelektriske krystallbjelke 34, som på sin side frembringer et elektrisk utgangssignal proporsjonalt med vinkelhastighetsinngangen.

Dette elektriske signal gis til et elektronisk støtteinstrument, slik at vinkelhastighetsamplityden og dens vinkelstilling relativt til et instrumenthus (ikke vist) kan bestemmes.

Kombinasjon av denne vinkelhastighetssensor med en eller flere piezoelektriske krystallbjelker for akselerasjonsdeteksjon skaf-fer en anordning som kan detektere både vinkelhastighet og lineær akselerasjon langs enhver akse ortogonal på spinnaksen. Hastig-hetssensoren er integrert med akselerasjonssensoren for å gi en billig, forbedret konstruksjon.

Fig. 2 viser en modifikasjon av den vinkelhastighetsdetekterende piezoelektriske krystallbjelke som var betegnet med 34 på fig.IA, idet den nå er modifisert som vist ved 34a på fig. 2. Identiske komponenter angis med identiske henvisningstall, mens modifiserte komponenter på fig. 2 er kjennetegnet ved tilføyelse av bokstaven "a" etter det tilsvarende henvisningstall på fig. la.

Som vist på fig. 2, er den piezoelektriske krystallbjelke 34a

et stort sett trapesformet element som har et basisskulderparti 92 adskilt fra et midtparti 94 ved et innsnitt 93 i flatsiden. Tilsvarende er midtparti 94 adskilt fra et avkortet topparti 96 ved et lignende innsnitt 95. Hvert av fastspenningselementene

22a har et opphøyet skulderparti 27 som får anlegg mot en flate på bjelkeskulderpartiet 92. Toppartiet 96 passer inn i en mot-tagende holder 98 slik at bjelken 34a opplagres på de øvre og nedre kanter av denne. Mottagerdelen 98 opptas i et motsvarende innsnitt (ikke vist) uttatt i bunnen 100 av ringen 50a. Som i tilfellet av hovedutførelsen som tidligere beskrevet i forbindelse med fig. 1A-1C, mottar ringen 50a de fastholdende elementer og den mellomliggende piezoelektriske krystallbjelke 34a. Takket være sideinnsnittene 93 og 95 i bjelken 34a, er midtpartiet 94 bedre i stand til å forskyves fleksibelt som reaksjon på for-andringer i vinkelhastigheten.

Fig. 3 viser den modifiserte piezoelektriske krystallbjelke 34a (som tidligere beskrevet i forbindelse med fig. 2), og i en ytterligere modifisert form, betegnet med 34b. Forskjellen mellom bjelkene på fig. 2 og 3 er at beholderen 98 på fig. 2 er erstat-tet med en stift 99 som går gjennom en halvsylindrisk sliss 97

i toppartiet 96 av bjelken 34b. Stiften 99 har sin ytre ende fastspent (ikke vist) i innretningens bunnstykke. Som i tilfellet av hovedutførelsen på fig. 1A-1C, mottar en ring 50 fastspenningselementene 22 såvel som den mellom disse fastspente bjelke 34b.

Claims (10)

1. Navigasjonssensor med et gyroskopisk element (10) for rotasjon om en spinnakse (11), karakterisert ved at den omfatter en dreiemomentdetekterende montasje med (a) en første piezoelektrisk bjelke (34) montert koaksialt med spinnaksen (11), (b) en første bjelkefastspenningsanordning (22) til å montere et første kantparti (36) av bjelken (34) på tvers av spinnaksen (11) og innenfor det gyroskopiske element (10), (c) en annen bjelkefastspenningsanordning (22) til å montere et motsatt kantparti (38) av bjelken (34) på tvers av spinnaksen (11) og innenfor det gyroskopiske element (10), (d) en holdeanordning (40) for å montere bjelken (34) til et bunnstykke (42), slik at den resulterende fastholdte bjelke i den dreiemomentdetekterende montasje genererer et elektrisk signal proporsjonalt med vinkelhastigheten til navigasjonssensoren omkring en akse perpendikulær på spinnaksen (11), samt minst ett bøyehengsel (66) til fjærende montering av det gyroskopiske element (10) på bunnstykket (42).

2. Navigasjonssensor i henhold til krav 1, karakterisert ved at den dessuten omfatter minst en annen piezoelektrisk bjelke (74) montert i jevn avstand til spinnaksen (11) for å generere et elektrisk signal proporsjonalt med sensorens lineære akselerasjon i en retning perpendikulær på aksen for å tillate flersensorbruk.

3. Navigasjonssensor i henhold til krav 2, karakterisert ved at fire av de andre piezoelektriske bjelker (74) er montert i kvadratur i bunnstykket (42) .

4. Navigasjonssensor i henhold til krav l, karakterisert ved at det gyroskopiske element (10) omfatter et første par av diametralt motsatte armer (12) som rager ut fra en sentral åpning (13), et annet par av diametralt motsatte armer (18) ortogonale til det første par og likeledes ragende ut fra den sentrale åpning, slik at den sentrale åpning (13) mottar de første og andre bjelkefast-spenningsanordninger (22) og den mellom disse fastspente første piezoelektriske bjelke (34).

5. Navigasjonssensor i henhold til krav 4, karakterisert ved at det annet par av armer (18) er utført med slisser (20) for å motta et første parti av bøyehengselen (66), mens et motsatt parti derav mottas i bunnstykket (42).

6. Navigasjonssensor i henhold til krav 5, karakterisert ved at den omfatter en inngangsaksel (86) forbundet med bunnstykket (42) for å gi dette en vinkelhastighet.

7. Navigasjonssensor i henhold til krav 6, karakterisert ved at den omfatter anordninger (88,90) innsatt i de første og andre fastspenningsanordnin-ger (22) for å justere rotasjonsbalansen til den dreiemomentdetekterende anordning.

8. Navigasjonssensor i henhold til krav 6, karakterisert ved at den første piezoelektriske bjelke (34) har form av et parallellogram.

9. Navigasjonssensor i henhold til krav 6, karakterisert ved at den første piezoelektriske bjelke (34) er trapesformet og forsynt med minst ett innsnitt (93,95) for å lette bøying av bjelken.

10. Navigasjonssensor i henhold til krav 7, karakterisert ved at justeringsanordningene omfatter gjengede elementer (90) som justerbart kan føres inn og ut av den dreiemomentdetekterende anordning.