SE451760B - Piezoelektrisk vibrationsomvandlaranordning avsedd for ett ringlasergyro - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 451 760 2 på den eker varpå omvandlaren är monterad. Under ekerns defor- mation erhålles därför fram- och tillbakautsignaler så att omvandlaren är känslig för enbart rotationshastighetssignaler_ från gyrot.

Anslutningen av en differentialförstärkarkrets till omvandlarens utgångar medför jordströmmar från sådana källor som vibrationsmotorn, vilka ej har någon inverkan.

Såsom kommer att framgå av den nedangivna detaljerade beskrivningen medger den föreliggande uppfinningen en använd- ning av en enda jordningspunkt och reducerad ingångskapacitans förbättrar signal/störningsförhållandet från omvandlarens differentialförstärkarkrets.

Anordnandet av en omvandlare med isolerande struktur- epoxymaterial resulterar i ytterst god monteringsstyrka för omvandlaren på därför avsedd eker på ett RLG.

Föredragna utföringsformer Ovan angivna ändamål och fördelar med den föreliggande uppfinningen kommer att framgå mer i detalj av den följande beskrivningen, som ges i samband med bifogade ritningar där fig. l visar ett snitt genom ett känt ringlasergyro (RLG) för åskådliggörande av monteringen av en upptagnings- omvandlare, fig. 2 visar delvis schematiskt en känd piezoelektrisk upptagningsomvandlare monterad på en eker och elektriskt an- sluten till en operationsförstärkare, fig. 3 visar ett detaljerat snitt av den monterade upptagningsomvandlaren enligt fig. 2, fig. 4 visar delvis schematiskt en piezoelektrisk upptagningsomvandlare med tillhörande kretsar enligt den före- liggande uppfinningen, I fig. 5 visar ett snitt av den piezoelektriska upptag- ningsomvandlaren monterad på en eker enligt den föreliggande uppfinningen och ' fig. 6 visar en andra utföringsform av den föreliggande uppfinningen, där en förenklad differentialförstärkare är an- sluten till omvandlaren enligt uppfinningen.

Fig. 1 illustrerar ett känt ringlasergyro (RLG) inne- fattande en trekantig kropp med en rörformad kavitet 10 15 20 25 30 35 451 7610 3 innesluten i kroppen. Hörnkaviteter sammanbinder de rörformiga kavitetsdelarna_så att en kontinuerlig bana åstadkommes för laserurladdning. Gas bringas att bli joniserad av de återgivna katoden och anoderna. Denna gasplasma ger nödvändig förstärk- ning för laserurladdning. En fotodetektor är anordnad i ett hörn av RLG-anordningen och ger en utsignal som bildar in- signal till en strålkombinerare. Utsignalen från strålkombine- raren bildar utsignalerna från RLG:t.

Det har sedan länge varit känt att en ökning av utsig- nalens korrekthet uppnås genom undvikande av välkända fastlås- ningseffekter medelst inmatning av en vibration på RLG:t. Detta utförs normalt genom att RLG:t vibreras med hjälp av en tor- sionsfjäder runt den centrala huven, som är förbunden med fjäderns ring medelst radiellt utgående ekrar. För att mäta vibrationshastigheten så att den kan regleras är en piezoelek- trisk omvandlare av det slag som beskrevs inledningsvis anord- nad på lämpligt sätt på en eker. Så långt är den kända tekni- ken beskriven i amerikansk patent 4 344 706.

Av fig. l framgår vidare att en operationsförstärkare har en ingång ansluten till den piezoelektriska omvandlaren' medan en andra ingång på operatíonsförstärkaren är jordad och därmed ansluten till upptagningomvandlaren via den ledande huven och ekern varpå omvandlaren är monterad.

Detaljerna hos omvandlaren och dess tillhörande krets återges för den förut kända anordningen i fig. 2 och 3, som illustrerar monteringen av och tillhörande kretsar för kända omvandlare till RLG:n.

Den piezoelektriska omvandlaren 3 är anordnad på en av ekrarna 14 på det sätt som beskrivs nedan. Den fasta huven 8 är infäst vid ena änden av varje eker medan motsatta ekerändar är förbundna med ringen 2, så att den senare kan vibrera i vridningsriktningen med ett litet vinkelutslag, vanligen 100 bågsek vid ungefär 400 Hz. Såsom angivits ovan överlagras denna vibrationsvridning på RLG:ts rörelse för undvikande av effekterna av gyrots fastlåsning.

En enda eker visas med förstorat deformationsutseende vid hänvisningsbeteckningen 15. Under RLG:ts vibrationsrörelse genererar omvandlaren 3 en ström som är proportionell mot 10 15 20 25 30 35 451 760 4 hastigheten. Denna ström går genom ledaren l till operations- förstärkaren 4. Strömmen återvänder till omvandlaren 3 vis jordanslutningspunkterna 6, 5 (återgivna med streckad linje) och därefter till huven 8, där ström vidarematas genom ekern Q '14 för att återgå till omvandlaren 3.

Omvandlaren visas mer i detalj i fig. 3, där omvand- larens högra och vänstra ytor är täckta med silverelektroder, som normalt är påbrända omvandlaren. Den högra elektroden 10 täckes med en enhetlig beläggning 13 medan den vänstra elekt- roden 10 är infäst på ekern 14 med ett ledande silver- eller guldepoxyskikt ll. Operationsförstärkaren 4 är ansluten som en ström/spänningsomvandlare. Detta är genomfört med resistorn 9.

Kondensatorn 12 är relativt liten, i storleksordningen några pF, och är inkopplad enbart för stabilisering av operations- förstärkaren 4 vid högre operationsfrekvenser. Den beskrivna kretsen utgör en konventionell ström/spänningsomvandlare som är välkänd för fackmannen.

Jordningen från punkt 5 till punkt 6, som i fig. 2 vi- sas med streckad linje, förorsakar problem i ett i drift varan- de RLG. Orsaken härtill är att vanligen leder denna jordför- bindelse även ström för effektmatning av vibrationsmotorn (ej visad). Varje ström genom jordförbindelsen orsakar spännings- fall som resulterar i en icke önskad utsignal på klämman 7.

Denna utsignal kommer att komma in i servoslingan mellan motorn och omvandlaren och orsaka en oförutsägbar återkoppling.

Vidare framgår av fig. 3 att en källa till problem är de organ som användes för att fästa omvandlaren 3 på ekern 14.

Vid den visade kända utformningen utgörs infästningen av le- dande silverbelagt epoxyskikt ll. Närmare bestämt innebär detta problem att hög ledningsförmåga och samtidigt stor styr- ka är sällsynta egenskaper hos ett sådant material. Båda egen- skaperna krävs emellertid och resultatet blir i många fall att en kompromiss måste göras varvid styrkan gör att omvandlaren ramlar av under RLG:ts drift.

Genom placering av omvandlaren utmed en änddel av , ekern, såsom visats, kommer vidare den mekaniska påkänningen på omvandlaren att bli stor. Detta kan medföra vissa förluster i omvandlarens känslighet efter en tids användning. 10 15 20 25 30 35 451 76-0 5 _ Fig. 4 åskådliggör en första utföringsform av den föreliggande uppfinningen, som utgör en förbättring av kända utföranden. Såsom framgår av fig. 5_är en piezoelektrisk om- vandlare 20 anordnad på ekern 14 så att omvandlarens 20 cen- trumpunkt ligger vid den antydda radien "r". Radien "r" utgör endast en funktion av huvradien "a" och ringradien "b". Radien "r" definieras som den radie där ekern uppvisar ett nollböj- moment tack vare vridning av ringen 2. Med andra ord är radien "r" belägen på ekerns neutralpunkt. Omvandlaren 20 är liksom tidigare polariserad i tjockleksavseende.

Med hänvisning till fig. 5 framgår att omvandlaren kännetecknas av sluttande kanter 2l och av att omvandlarens 20 anbringande på ekern 14 genomförts medelst ett epoxyskikt 22 med isolerande beläggning. Normalt kan man använda en epoxy- film av B-typ med en 0,05 mm tjock vävbeläggning av fiberglas.

Den till höger âtergivna elektroden omfattar uppdelade elekt- roder 23, 24 och är normalt tillverkade av silver och är dela- de genom föregående etsning av de båda återgivna elektrod- ytorna. Var och en är elektriskt ansluten till en förstärkare 4 resp. 31 via ledare 26, 27. När ekern utsättes för deforma- tion, såsom antyds med hänvisningsbeteckningen 15 i fig. 4 sträckes det piezoelektriska materialet under elektroden 23 medan materialet under elektroden 24 hoppressas. Detta ger upphov till strömflöde i en bana som omfattar en ledare 26, elektroden 23, omvandlarens 20 kristallmaterial (i form av förskjutningsström), den vänstra silverelektroden 28, tillbaka genom omvandlarens kristallmaterial, elektroden 24 och slut- ligen ut via ledaren 27.

Förstärkarna 4, 3l arbetar var och en på sätt som an- givits för de kända strömomvandlarna. Förstärkarens 31 konden- sator 38 och resistor 39 motsvarar förstärkarens 4 kondensator 12 och resistor 9. Ledarna 26, 27 tjänar som respektive in- gångar till förstärkarna 4, 31. Detta innebär, med tanke på omvandlarens fram- och -tillbakafunktion, att den vänstra silverelektroden 28 även är jordad. Nominellt föreligger allt- så ej någon spänning över det gap som bildas av epoxyskiktet 22, som utgör en isolerande film med beläggning. Denna kon- struktion har den fördelen att läckresistansen över skiktet 22 10 15 20 25 30 35 451 760 6 ej är av någon betydelse. Eftersom ledarna 26, 27 vidare är virtuella jordpotentialer kan de skärmas. Skärmkapacitansen kommer ej att tillföra något fasfel på utsignalen från kläm- morna 37. Förstärkaren 35 är ansluten som en äkta different- ialförstärkare. Ingångsresistorerna 32, 33 uppvisar lika stora resistanser på samma sätt som återkopplingsresistorerna 34, 25. Omvandlar-förstärkarkombinationen påverkas sålunda en- bart av differentialinsignaler förorsakade av vridning av RLG:ts rörliga utgångsring 2. En sträckning av den eker varpå omvandlaren 20 är monterad resulterar i en gemensam insignal till förstärkarna 4, 31. Alltså uppträder ej någon utsignal på klämmorna 37. Ej heller uppträder någon utsignal på klämmorna 37 då en jordström passerar mellan jordpunkterna 5, 30 tack vare kretsens stora samverkande undertryckningsfunktion.

Jordpunkten 30 kan väljas som en enda jordpunkt för systemet. I en dylik situation är jordpunkten 5 utan betydelse och har därför ej någon funktion. Det är mycket viktigt att i ett komplicerat system såsom i ett RLG, kunna använda ett jord- system med en enda jordpunkt. Det är dock vanligen ej möjligt med tidigare känd teknik.

Fig. 6 åskådliggör en alternativ utföringsform av den föreliggande uppfinningen med användning av enbart en enda förstärkare 40. Omvandlaren 20 och dess fysiska läge på ekern 14 är identiskt lika vad som gäller för utföringsformen enligt fig. 4. Omvandlarens 20 struktur är i sig identiskt lika med den som visas i fig. 5.

Den primära skillnaden är att ledaren 27 återgår till jordpunkten 42 för den enda förstärkaren 40 i stället för att utgöra ingång till den andra förstärkaren 31, såsom visats i fig. 4. I utföringsformen enligt fig. 6 föreligger ej någon undertryckning av strömstörningar av samverkansfunktion i jordbanan från punkt 5 till punkt 42. Denna krets är således speciellt lämplig för användning där jordströmmar är av liten betydelse.

Eftersom epoxyskiktets 22 kapacitans dessutom är unge- fär l/50 av kapacitansen mellan elektroderna 23, 24, 28 orsa- kar en liten felspänning i jordförbindelsen mellan punkterna 5, 42 en utspänning på vibrationsutgångsklämmorna 41 som un! 10 15 20 '~ i 451 760 7 endast uppgår till ungefär l/50 av felet för upptagningsom- vandlarna av tidigare kända slag.

Utföringsformerna av den föreliggande uppfinningen innebär följaktligen en balanserad piezoelektrisk omvandlare med en fram- och -tillbakautsignal som enbart är känslig för vridningshastighetsinsignaler. I fall där jordström genereras från en vibrationsmotor kommer den först beskrivna utförings- formen enligt fig. 4 att eliminera en sådan jordström. Upp- finningen medger ett utnyttjande av en enkel jordpunkt och reducerad ingàngskapacitans, vilket ökar signal/brusförhållan- det erhållet från omvandlaren. Anbringandet av omvandlaren _ medelst isolerande epoxy i stället för med ledande epoxy en- ligt tidigare känd teknik medför större fästförmåga mellan de två delarna. Utnyttjandet av sluttande kanter på omvandlaren reducerar påkänningar i epoxyskiktet vid en punkt där omvand- larna är speciellt utsatta för släppningsfel.

Det bör inses att uppfinningen ej är begränsad till de exakt konstruktionsdetaljer som åskådliggjorts och beskrivits ovan utan att modifieringar mycket väl kan åstadkommas av fackmannen utan att uppfinningstanken frångås.

Claims (9)

1. 0 15 20 25 30 35 451 760 8 PATENTKRAV l. Piezoelektrisk vibrationsomvandlaranordning avsedd för ett ringlasergyro med radiella ekrar (14) som förbinder en huv (8) med en ring (2), k ä n n e t e c k n a d av en piezoelektrisk omvandlare (20) med minst två utgångsledare (26, 27) för fram- och tillbakafunktion och anordnad på en av ekrarna (l4) vid dess neutrala punkt, vilka utgångsledare är anslutna som ingångar till ett differentialorgan (4, 31,35; 40) för mätning av skillnaden mellan vibrationssignalerna på ingângarna, varvid differentialorganets utgångar (37) har an- slutningsklämmor för mätning av en genererad vibrationssignal.

2. Anordning enligt patentkravet l, k ä n n e - t e c k n a d av att omvandlaren (20) omfattar en isolerande bimkmedelsfilm (22) för infästning på ekern (14), en elektrod (28) anordnad på en första piezoelektrisk omvandlaryta i omedelbar närhet av ekern samt två i samma plan belägna åt- skilda elektroder (23, 24) anordnade på en andra omvandlaryta mitt emot den första omvandlarytan, varvid de två ledarna (26, 27) är anslutna till var och en av de båda åtskilda elektroderna.

3. Anordning enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att differentialorganet omfattar en opera- tionsförstärkare (40) med en första och en andra ingång (26, 27) och en utgång, varvid organ (43, 44) är inkopplade mellan ingångarna och utgången för erhållande av en ström/spännings- omvandling. i

4. Anordning enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att differentialorganet omfattar första och andra operationsförstärkare (4, 31) som vardera uppvisar en första ingång ansluten till en därtill hörande ledare (26, 27) samt en andra ingång som är jordad, varvid varje operations- N; förstärkare arbetar som en ström/spänningsomvandlare vars ut- gång är ansluten till en differentialförstärkare (35).

5. Anordning enligt patentkravet 3, k ä n n e - ~ t e c k n a d av organ för jordning av huven (8) och organ 31) första och andra ingångar till respektive omvandlarledare (26, 27) samt för anslutning av operationsförstärkarens (4, 10 15 'ring på en eker (14) i ett ringlasergyro, 451. 760 9 för jordning av operationsförstärkarens andra ingång.

6. Anordning enligt patentkravet 4, k ä n n e - t e c k n a d (av organ för jordning av huven (8).

7. K Piezoelektrisk vibrationsomvandlare avsedd för monte- k ä n n e-- t'e c k nia d av en isolerandelfindemedelsfilm (22) för in- fästning på ekern (14), en elektrod (28) anordnad på en första piezoelektrisk omvandlaryta i omedelbar närhet av ekern samt två i samma plan belägna åtskilda elektroder (23, 24) anord- nade på en andra omvandlaryta mitt emot den första omvandlar- ytan, varvid de två ledarna (26, 27) är anslutna till var och en av de båda åtskilda elektroderna.

8. Omvandlare enligt patentkravet 7, k ä n n e - t e c k n a d av att bindemedelsfilmen (22) innefattar ett epoxyunderlag.

9. Omvandlare enligt patentkravet 7, k ä n n e - t e c k n a d av att omvandlaren (20) uppvisar sluttande kanter (21) för att väsentligt nedbringar påkänningarna i bindemedelsförbandet mellan omvandlaren och ekern (14).