NO872371L - Ringlasergyroskop for overvaaking av banelengden. - Google Patents

Abstract

En styreanordning for en ringlasergyrobanelengde har en koppliknende festeanordning som monterer en piezoelektrisk styreanordning og som er sveiset direkte til gyroblokken. En speilsammenstilling er konsentrisk plassert inne i festeanordningen og er uavhengig montert pa gyroblokken hvilket gjer det mulig uavhengig å sammenstille og demontere festeanordningen og sammenstillingen. Mellomstykkeseksjoner av sammenstillingen er koaksialt montert og forbundet til en mellomstykkeseksjon i festeanordningen slik at forflytning i to retning-er av sammenstillingen kan oppstå, og momentet som genereres av styreanordningen ferer til en aksial avbey-ningskraft pa sammenstillingen. En materialremse med hey utvidelseskoeffisient er montert pa den piezoelektriske styreanordning for øke avbeyningskraften etter som temperaturen eker og derved redusere styreanordningens kraftbehov.

Description

Denne oppfinnelse angår ringlasergyroskop og især en ny måte å montere en banelengderegulator for et slikt gyroskop.

Som det er sammenfattet i US 4 160 184 er en ringlaser-gyro et gyroskop som anvender seg av en laserstråle som er ment å bevege seg i en lukket bane, f.eks. en ring, for å registrere dreining rundt banens akse rundt hvilken laserstrålen er rettet. Typiske ringlasergyroskop er vist i US 3 373 650 og 3 467 472. Ringlasergyroskopet må være i stand til å virke over et stort temperaturområde. Dette fører til at materialet som gyroskopet er laget av, utsettes for termisk utvidelse og sammentrekning ettersom temperaturen forandres. Laserstrålen inne i ringlasergyroskopet er rettet i dens bane ved hjelp av speil, typisk i en trekantet bane mellom tre speil. Temperaturforandringen som fører til utvidelse og sammentrekning, vil forårsake en forandring i banens lengde. Denne forandring av banelengden kan, hvis den ikke blir justert, føre til en drift, dvs. et signal som viser en dreining som faktisk ikke har funnet sted, og som også fører til forandringer i skalafaktoren. Således er vanlig praksis å lage et speil med en bøyelig ring og montere dette speil på en piezoelektrisk transduktor som styres slik at den holder banelengden konstant selvom temperaturforandringer vil få materialet til å utvide seg eller trekke seg sammen.

Nåværende ringlasergyroskop er nokså følsomme for ytterst små mengder av smuss på speilene. Slikt smuss kan ha form av små partikler som frigjøres fra veggene i ringlaser-gyroskopets hull som resultat av plasmaerosjon. Slikt smuss fører til større støy, f.eks. tilfeldig vandring av et ringlasergyroskop. Det er nå vanlig praksis å fjerne og rense speilene av og til for å fjerne slikt smuss. Imidlertid er det ved de nåværende ringlasergyroskop nødvendig å bryte en limt forbindelse mellom en speilsammenstilling og en piezoelektrisk transduktormontering som generelt vil føre til ødeleggel-se av speilets optiske injustering. Ved rengjøring av speilene må nåværende ringlasergyroskop nøyaktig settes sammen og justeres, noe som er en kostbar og tidkrevende fremgangsmåte.

Den foreliggende oppfinnelse anvender en piezoelektrisk transduktor som oppfyller strenge krav med hensyn til uønsket vipping og forskyvning av speilet med forandringer i temperaturen. Transduktoren er også modulær noe som muliggjør sammenstilling av speildelen og transduktordelen uavhengig av hverandre. Den nærværende konstruksjon gjør at demontering av transduktordelen kan utføres uten å ødelegge delene og uten å forandre justeringen av speildelen.

Den vinkelmessige stabilitet i den nærværende transduktor kan vesentlig økes ved bruk av en diffusjonssveiset speilsammenstilling istedenfor den vanlige epoksyforbindelse. Denne økte stabilitet vil føre til øket grunnstabilitet i ringlasergyroskopet .

De ovennevnte formål og fordeler med den nærværende oppfinnelse vil fremgå tidligere i forbindelse med de medfølg-ende tegninger hvor: fig. 1 er et delriss av en banelengderegulator for et ringlasergyroskop av kjent teknikk, fig. 2 er et delriss av en banelengderegulator som er en forbedring av den som er vist på fig. 1 og som representerer en første, utførelse av denne oppfinnelse, fig. 3 er et topp-planriss av speilkomponentene anvendt i oppfinnelsen, fig. 4 er et riss tatt langs et plan gjennom linjen 4-4 på fig. 3, fig. 5 er et riss langs et plan gjennom linjen 5-5 på fig. 3, fig. 6 er et riss av en banelengderegulator som omfatter en annen utførelse av oppfinnelsen, fig. 7 er et riss av en banelengderegulator som utgjør en tredje utførelse av oppfinnelsen.

Fig. 1 viser en banelengderegulator som detaljbeskrevet i US 4 383 763. Regulatoren av kjent teknikk omfatter et speil 3 som reflekterer laserstråler gjennom en trekantet eller ringformet bane. Speilet 3 er montert på en blokk 2 som har sin øvre midtre kant permanent festet til et mellomstykke 8 langs forbindelsen 11. Det er samme type forbindelse mellom de ytre deler av blokken og mellomstykket 8 langs ringforbind-elsen 12. En koppformet forbindelse, generelt vist med refe-ransenummer 1, er fremstilt av Invar og er festet direkte til blokken 2 ved det viste punkt i mellom dem. Den permanente sammensveising av festeanordningen til blokken gjør at sammenstillingen er vanskelig å demontere uten å påvirke justeringen av speilet 3. De piezoelektriske elementer 5 og 6 er montert på hver side av festemellomstykket 9. Mellomstykket 9 er aksialt forskjøvet i forhold til mellomstykket slik lagerskruen 4 kan justeres til å hvile mot bæreplaten 7 som er festet til mellomstykket 8. Skruen er justert slik at den kan hvile fast mot bæreplaten 7 for innledende justering av speilet 3 .

Et problem med vinkelmessig forskyving oppstår hvis transduktoren vist på fig. 1 overfører bærekraften vekk fra sentrum i forhold til blokken 2. Det er vanskelig å fremstille en skrue 4 og en festeanordning 1 slik at skruen blir sentrert. Festeanordningen 1 har en relativt tykk kant 10 sammenliknet med mellomstykket 9. Som resultat vil en stor del av momentet som genereres av de piezoelektriske elementer 5 og 6 går med til å bøye kanten og kraften anvendt på blokken 2 og det festede speil 3 vil vesentlig reduseres.

Et annet problem med konstruksjonen vist på fig. 1 av kjent teknikk, angår begrensningen av bevegelsen av blokken 2 og det festede speil 3 på grunn av at en sammenpressende kraft bare kan tilføres blokken fra skruen.

Også et problem med den kjente teknikk vist på fig. 2 angår forbindelsene 11 og 12 mellom blokken 2 og mellomstykket 8. Disse forbindelser er meget anstrengt på grunn av at belastningen er konsentrert ved kantene. Limite forbindelser kan løsne selv med relativt små aksiale bevegelser noe som kan føre til uønsket vipping av speilene. Den første utførelse av oppfinnelsen som vist på fig. 2, viser en ny banelengderegulator som anvender en piezoelektrisk styreinnretning. En regulator omfatter en speilsammenstilling som omfatter et sirkulært speilelement 20 og et mel-lomstykkeelement 21 som er diffusjonssveiset ved forbindelsene 22 og 23. Ringformede fordypninger er anordnet i mellomstykket 21 og speilelementet 20. for å danne den viste forstørrede ringformede åpning 18 adskilt fra et annet mindre ringformet spor 19 ved mellomstykketdelen 24. Likeledes danner en tynn del av mellomstykkeelementet 21 en mellomstykkeseksjon 25 som er aksialt i linje med, men i avstand fra mellomstykkedelen 24 i speilelementet 20. Mellomstykkedelen 24 og mellomstykkeseksjonen 25 er aksialt i avstand fra hverandre for å få frem en meget stiv sammenstilling når den møter en vinkelkraft og likevel relativt fleksibel mot en aksial kraft. Mellomstyk-kedelene er sentrert og overflatene har liten klaring ut mot de radiale overflater 26 og 27 for hhv. mellomstykkeelementet 21 og speilelementet 20. Hjørnene 28 og 31 som finnes i det ringformede spir 19 og også hjørnene 29, 30, 32 og 33 i den ringformede åpning 18 har styrte radii for å minimere spenningskonsentrasjon. En høypolert speiloverflate 34 og speilele-mentoverflate 35 strekker seg i noen avstand i den aksiale retning bortenfor mellomstykkedelen 24 for å gjøre det mulig for de utstrakte overflater først å bli maskinert og senere bearbeidet uten å påvirke mellomstykkedelens dimensjoner. Et lite ventilhull 52 er anordnet i mellomstykkeelementet 21 .

Mellomstykkeelementet 21 har et lite fremspring 36 langs dens øverste viste overflate som er sentrert i forhold til mellomstykkedelen 24 og mellomseksjonen 25. Toppen av fremspringet 36 er flat og parallell med speilflaten 34.

I sin enkleste form kan kontaktflaten 50 på toppen av fremspringet 36 være sirkelformet. For å minske momentene forårsaket av en usentrert piezoelektrisk styringsanordning, kan kontaktoverf laten være rektangulær som vist på fig.- 3, 4 og 5. med henvisning til fig. 3 er aksen 51 loddrett på gyroaksen. Dette minsker momentet som genereres rundt aksen

51 og øker momentene rundt aksen 37 på grunn av en ikke-symmet-risk piezoelektrisk styringsinnretning. Gyroen er imidlertid bare følsom for vinkel-vipping rundt aksen 51. Speilelementet 20 er kontaktsveiset til ringlaserens gyroblokk 46 langs ring-flaten 35. Den første utførelse av oppfinnelsen vist på fig. 2 omfatter en koppformet festeanordning 38 som fortrinnsvis er fremstilt av et lavekspanderende materiale som f.eks. Super Invar. Festeinnretningen monterer to symmetriske piezoelektriske elementer 39 og 40 festet til mellomstykkedelen 41, idet de piezoelektriske elementer er sentrert i forhold til aksen for den koppformede festeanordning. Festeanordningen omfatter en integrert kant 42 som er vesentlig tynnere enn mellomstykkedelen 41. Den nederste forstørrede festeseksjon 43 er vesentlig tykkere enn kanten 42. Flere radiale hull slik som 44 og 45, er vist. Disse kan brukes for sammenstilling og demontering av den piezoelektriske styreanordning fra blokken 46. Styreanordningen er sentrert i forhold til den radialt utadvendte radialflate 27 og er festet til ringlaserens gyroblokk 46 langs den ringformede forbindelse 47. Et spor 48 er skåret i den nedre forstørrede festedel 43 for å avlaste belastningen på den limte forbindelse 47. Styreanordningen er festet til mellomstykkeelementet 41 i kraft av forbindelsen mellom fremspringet 36 og justeringsskruen 49, langs flaten 50 som er dekket av en film med lim. Skruen 49 er sentrert i forhold til den koppformede festeanordning 38 og overflaten 50 er flat og loddrett i forhold til f esteanordningens akse. Overflaten 50 er litt større i diameter enn fremspringet 36. Tilpasningen mellom gjengene i skruen 49 er litt løs slik at skrueflaten justerer seg selv parallelt med toppen av fremspringet 36. Skruen er innstilt til en liten f orbelas tni .ig når limefilmen på overflaten 50 herdes.

For å kompensere for den gjennomsnittelige forandringen av banelengden for ringlasergyroen og banelengdens styrekompo-nenter, som typisk øker med temperaturen, har en tynn plate 53 med relativt høy utvidelsekoeffisient blitt limt til det piezoelektriske element 40. Den høyere termiske utvidelse av den tynne plate 53 vil danne en innad vendt kraft mot speilflaten 34 og derved kompensere for økningen av banelengden på grunn av temperaturutvidelsen. Ved å kompensere den gjennomsnittelige forandringen av banelengden mekanisk, er kraften som kreves fra de piezoelektriske elementer blitt redusert og som resultat kan spenningen til disse elementer også reduseres .

En alternativ utførelse av oppfinnelsen er vist på fig. 6. I denne utførelse omfatter speilsammenstillingen 60 speilelementet 20 og mellomstykkeelementet 21 som i den foregå-ende utførelse. Speilsammenstillingen er kontaktsveiset til ringlaserens gyroblokk 61 langs den ringformede forbindelse 62. Festeanordningen 63 for den piezoelektriske styreanordning, har en integrert tynn kant 64 sammenliknet med en tykkere forstørret festeseksjon 65. Den tykkere, forstørrede festeseksjon 65 er limt til adapterkanten langs med den ringformede forbindelse 67 som i sin tur er limt til ringlaserens gyroblokk 61 langs den ringformede forbindelse 68. Adapterkanten 66 og den forstørrede festeseksjon 65 har flere radiale hull som hhv. 74 og 73, for å underlette sammenstilling og demontering av de forskjellige komponenter. De piezoelektriske elementer 69 og 70 er limt til mellomstykkeseksjonen 71 mens elementet 70 er limt til fremspringet 72 ved overgangen mellom disse.

I denne sammenstillingsrekkefølge for denne utførelse, er speilsammenstillingen 60 flyttet til en optimal stilling og koaksialt med festeanordningen 63. Når dette er oppnådd blir adapterkanten 66 limt på plass. Deretter blir mellomstykkeseksjonen 71 festet til fremspringet 72. Til slutt blir den for-størrede festeseksjon 65 limt til adapterkanten 66.

Fig. 7 viser en tredje utførelse av oppfinnelsen.

I denne utførelse er speilsammenstillingen 80 inkludert det sirkulære speilelement 20 og mellomstykkeelementet 21 kontaktsveiset ved 81 til ringlaserens gyroblokk 84 slik at den radialt utadvendte flate 82 på speilsammenstillingen er konsentrisk med den sirkulære skulder 83 maskinert i blokken 84. Mellomstykkeseksjonen for festeanordningen 85 er lik den som tidligere er beskrevet i forbindelse med fig. 6. Således er den limt fast til speilsammenstillingen ved overgangen til fremspringet 86 under en lett forbelastning.

På grunn av diffusjonsveisingen mellom det sirkulære .speilelement 20 og mellomstykkeelementet 21 for en speilsammenstilling, blir den resulterende konstruksjon ganske stiv mot vinkelmessig vipping og meget stivere aksialt (fig. 2). Dette gjør det lettere å polere speilflaten 34 og speilelementets overflate 35 og å holde dem parallelle. Mellomstykkedelen 24 er nedsenket i forhold til speilflaten 34 og gjør det derved mjlig for overflatene å bli maskinert og polert og dessuten vedlikeholdt etter behov uten å forstyrre mellomstykkedelen 24 .

Mellomstykkedelen 24 og mellomstykkeseksjonen 25 er forbundet til de sentrale seksjoner av det sirkulære speilelement 20 og mellomstykkeelementet 21, for å redusere spenningskonsentrasjon ved disse punkter. Diffusjonssammensveisingene er gjort i de sentrale seksjoner som er relativt tykke og eliminerer derved en spenningskonsentrasjon ved disse punkter.

Styreinnretningen for banelengden er primært festet til selve ringlaserens gyroblokk noe som gjør det lettere å demontere den fra gyroen uten å påvirke speilsammenstillingen. Styreinnretningen for banelengden er festet til speilsammenstillingen ved et lite fremspring, slik som 36 (fig. 2), og som kan lages konsentrisk mot mellomstykkedelen 24 og som kan utformes slik som vist på fig. 3 for å minske vippebevegel-ser langs de følsomme akser. På grunn av den måte som styreinnretningen for banelengden er montert på i oppfinnelsens utfør-elser, kan positive og negative forflytningskrefter utvirkes på det sirkelformede speilelement 20 og mellomstykkeelementet 21.

Festeanordningen for banelengdestyringen har en tynn kant som reduserer bevegelsene som er nødvendig for å bøye kanten og som resultat er vesentlig hele bevegelsen som genereres av de piezoelektriske elementer brukt for å anvende en aksial kraft.

En mekanisk kompensasjonsmetode er tilveiebrakt som reduserer spenningen som kreves for de piezoelektriske elementer, og fører således til en lavere kostnad for kraftforsyning-en. Det fører også til en hysteresis reduksjon fra sterkt belastede piezoelektriske elementer.

Det skal forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til de nøyaktige konstruksjonsdetaljer som er vist og beskrevet her, for åpenbare modifikasjoner vil fremgå for en fagmann.

Claims (12)

1. Regulator for en ringlasergyrobanelengde som KARAKTERISERES VED: en festeanordning for en styreinnretning med en monteringsflate forbundet til en gyroblokk; en speilsammenstilling med et fremspring på denne, idet sammenstillingen er plassert inn i festeanordningen og uavhengig forbundet til blokken for å muliggjøre uavhengig sammenstilling og demontering av sammenstillingen fra festeanordningen; speilanordning anordnet i sammenstillingen for reflektering av laserstråler langs forutbestemte baner i blokken; styreanordning montert til festeanordningen for selektivt avbøyning av en del av festeanordningen, hvor forflytning av den avbøyede festedel vil forårsake translatert avbøyning av speilanordningen.

2. Konstruksjon som i krav 1, KARAKTERISERT VED at speilanordningen omfatter: en første skive med første og andre tverrflater idet første overflate er vesentlig plan og den andre overflate har en ringformet fordypning som bestemmer speilanordningen i sentrum av overflaten, en gjenværende del av den første overflate er i samme plan som speilanordningen og danner et forbindelsespunkt for forbindelse med blokken; og en andre skive med første og andre tverrflater idet' den første overflate er vesentlig plan og festet til den første overflate på den første skive for å danne en enhetlig konstruksjon.

3. Konstruksjon som i krav 2, KARAKTERISERT VED at den første og andre skive har ringformede fordypninger anordnet i sine første overflater idet disse fordypninger er komplemen-tære og derved danner et ringformet område inn i sammenstillingen som radialt bestemmer et sentrumsnav i sammenstillingen og som bestemmer de tverrgående mellomstykkeseksjoner i med mellomrom, koaksialt forhold for å muliggjøre avbøyning av speilanordningen.

4. Konstruksjon som i krav 2, KARAKTERISERT VED at festeanordningen er generelt koppformet og plassert på blokken i en omvendt stilling, idet festeanordningen har en generelt sylindrisk vegg og videre at avbøyningsfestedelen er et integrert formet endemellomstykke idet tykkelsen på den sylind-riske vegg er vesentlig mindre enn endemellomstykkets tykkelse slik at avbøyningskreftene konsentreres i en aksial retning.

5. Konstruksjon som i krav 2, KARAKTERISERT VED styreanordningen omfatter piezoelektriske anordninger montert på endemellomstykket for avbøyning av endestykket i en aksial retning.

6. Konstruksjon som i krav 2 sammen med anordning forbundet mellom avbøyningsfestedelen og fremspringet for translasjon av avbøyningen til speilanordningen, og som KARAKTERISERES VED at fremspringet har et tverrsnitt som er bestemt av større og mindre dimensjoner og som er orientert i en forut-valgt retning for å minske momenter forårsaket av en usentrert translasjonsanordning.

7. Konstruksjon som i krav 4, KARAKTERISERT VED at endemellomstykket omfatter ett integrert formet sentralt boss festet til fremspringet for translasjonsavbøyning fra endemellomstykket til speilanordningen.

8. Konstruksjon som i krav 4 sammen med anordning, KARAKTERISERT VED en relativt høy utvidelseskoeffisient som er montert på den piezoelektriske anordning for økning av avbøyningen i endemellomstykket som svar på temperaturøkninger, og derved redusere kraftbehovet for de piezoelektriske anordninger som er nødvendig for avbøyningen.

9. En styreinnretning for en ringlasergyrobanelengde som KARAKTERISERES VED: en festeanordning for en generelt koppformet styreinnretning, som er omvendt for montering på en gyroblokk; et speilelement plassert i festeanordningen, idet elementet omfatter (a) en ringformet passasje plassert i elementets legeme og som har en akse som er koaksial med elementets akse; (b) en sentralt plassert navdel koaksialt med passasjens akse; (c) koaksiale mellomstykkedeler som side-veis bestemmer navdelen av elementet for å muliggjøre bøyebe-vegelse av elementet; (d) en første tverrflate av elementet med et fremspring integrert anordnet på dette; (e) et ringformet spor anordnet innover på en motstående tverrflate som derved bestemmer (i) en sentral speilflate for reflektering av laserstråler, og (ii) en radialt utadvendt ringformet skulder festet til gyroblokken.

10. Konstruksjon som i krav 9, KARAKTERISERT VED at festeanordningen har et sidevendt endemellomstykke integrert forbundet til en sylindrisk vegg idet veggens tykkelse er vesentlig mindre enn endemellomstykkets tykkelse, hvilket gjør det mulig å konsentrere avbøyningskreftene i en aksial retning.

11. Konstruksjon som i krav 10 sammen med anordning forbundet mellom endemellomstykket og fremspringet for translasjon av avbøyningen til speilanordningen, og som KARAKTERISERES VED at fremspringet har tverrsnitt som bestemmes av større eller mindre dimensjoner og som er rettet mot en forut-valgt retning for å minske momenter forårsaket av en usentrert trans lasjonsanordning.

12. Konstruksjon som i krav 10, KARAKTERISERT VED at endemellomstykket omfatter et integrert formet, sentralt boss festet til fremspringet for translasjon av avbøyningen fra endemellomstykket til speilflaten.