DE3234078A1

DE3234078A1 - Torsionsgelenk zur abstuetzung von ringlaser-kreiselkoerpern

Info

Publication number: DE3234078A1
Application number: DE19823234078
Authority: DE
Inventors: James Koper; Shri 07054 Parsippany N.J. Kumar; Bo Hans Gunnar 07470 Wayne N.J. Ljung
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1981-09-14
Filing date: 1982-09-14
Publication date: 1983-03-24
Also published as: IT8223201A1; NO157516C; SE8205219L; FR2512947A1; NO157516B; GB2105901B; IT8223201A0; US4436423A; JPS5861405A; NO822961L; FR2512947B1; AU8729782A; SE451764B; IL66291A0; CA1172740A; GB2105901A; SE8205219D0; AU548988B2; IT1190997B

Description

- Mr -

Torsionsgelenk zur Abstützung von Ringlaser-Kreiselkörpern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Torsionsgelenk zur Abstützung von Ringlaser-Kreiselkörpern der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Eine besondere Art von Kreiseln stellen Ringlaser dar. SoI-ehe Ringlaser weisen Spiegel zum Reflektieren von zwei Laserstrahlen in einander entgegengesetzten Richtungen entlang eines in sich geschlossenen Resonanzhohlraumes auf. Aufgrund normaler Oberflächenunregelmäßigkeiten der Spiegel wird jeder auf einen Spiegel auftreffende Laserstrahl nicht vollkommen reflektiert, sondern findet vielmehr eine gewisse Rückstreuung statt. Dieses Phänomen hat zur Folge, daß die Schwebungsfrequenz zwischen den beiden Laserstrahlen des Ringlasers bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten im Inertialraum um die Eingangsachse verschwindet. Zur Vermeidung dieses sogenannten "Lock-in-Effektes" ist es bekannt, den mit dem Resonanzhohlraum versehenen Kreiselkörper in Drehschwingungen, sogenannte "Zitterbewegungen", zu versetzen, und zwar üblicherweise mittels eines piezoelektrischen Antriebs, welcher mit der Abstützung bzw. Aufhängung des Kreiselkörpers verbunden ist und bewirkt, daß letzterer mit der Eigen- oder Resonanzfrequenz der Abstützung bzw. Aufhängung drehend oszillier! . Die "Zitterbewegungen·' sind der tatsächlichen Rotation des Ringlasers im Inertialraum überlagert. Es sind verschiedene Verfahren bekannt,

JO um die eigentlichen Inertialraumrotationsinformationen zu gewinnen'.

Zum Stande der Technik gehört eine ganze Reihe von Torsionsabstützungs- bzw. -aufhängungssystemen für Ringlaser, welche es ermöglichen, den Kreiselkörper derselben

in "Zitterbewegungen" zu versetzen. So ist es bekannt, zwei wagenradförmige Torsionsfedern oder -gelenke zu verwenden, welche so vorgespannt sind, daß der Kreiselkörper zwischen den Torsionsfedern bzw. -gelenken sandwichartig eingeschlossen ist. Beim Betrieb innerhalb eines weiten Temperaturbereichs ist das Verhalten einer solchen Anordnung nicht optimal. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Torsionsfeder- bzw. Torsionsgelenkwerkstoffs einerseits und des Kreiselkörperwerkstoffs andererseits nicht übereinstimmen und zwischen den Torsionsfedern bzw. Torsionsgelenken und dem Kreiselkörper hohe Reibung auftritt, ergeben sich Stick/Slip-Probleme, was unregelmäßige Laserstrahlbahnlängenänderungen zur Folge hat, ferner große Neigungen, welche die Kreiseldriftgeschwindigkeit verändern. Darüber komplizieren die großen Laserstrahlbahnlängenänderungen bei diesen Anordnungen die Konstruktion von Laserstrahlbahnlängensteuerwandlern, welche^ zur Kompensation dieser Laserstrahlbahnlängenänderungen verwendet werden müssen.

Nach einem jüngeren Vorschlag wird ein wagenradförmiges Torsionsgelenk innerhalb einer mittleren Axialbohrung des Kreiselkörpers von Einglasern angebracht. Obwohl damit Vorteile verbunden sind, bewirken Wärmeausdehnungen des Torsionsgelenkwerkstoffs Verformungen des blockförmigen Kreiselkörpers und Änderungen der Laserstrahlbahnlänge bei Temperaturänderungen. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß die wagenradförmige Torsionsgelenkausbildung nicht genügend Material im Kreiselkörper gewährleistet, um sagittalenNeigungen infolge von Temperaturänderungen entgegenzuwirken, was zu Fehlern im Ausgangssignal bei derart aufgebauten Einglasern führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere die geschilderten Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Torsionsgelenks sind in den restlichen Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird der Kreiselkörper von Eingläsern mittels eines einzigen Torsionsgelenks abgestützt, welches in einer mittleren, zylindrischen Axialbohrung des Kreiselkörpers angeordnet und mit deren Wandung verklebt wird. Durch die besondere Anordnung der Berührungsflächen zwischen dem Torsionsgelenk und dem Kreiselkörper wird erreicht, daß die Laserstrahlbahnlänge sich bei Ausdehnungen und Kontraktionen des Torsionsgelenks im Betriebstemperaturbereich nicht oder kaum ändert. Das erfindungsgemäße Torsionsgelenk weist mehrere in Umfangsrichtung verteilte Flügelabschnitte mit im wesentlichen radial verlaufenden Längsschlitzen zur Ermöglichung von Torsionsbewegungen des Kreiselkörpers um das Torsionsgelenk auf. Mehrere in Umfangsrichtung verteilte, kreisbogenförmige Segmente überbrücken einen Spalt zwischen den Plügelabschnitten und der gegenüberliegenden Wandung der Axialbohrung des Kreiselkörpers, wenn das Torsionsgelenk in die Axialbohrung eingesetzt ist, und sind mit der Wandung der Axialbohrung zur Befestigung des Torsionsgelenks am Kreiselkörper verklebbar. Durch richtiges Positionieren der Segmente des Torsionsgelenks innerhalb der Axialbohrung des Kreiselkörpers werden die Auswirkungen von Wärmeausdehnungen des Torsionsgelenks auf ein Mindestmaß reduziert, so daß Verformungen des Kreiselkörpers und Laserstrahlbahnlängenänderungen infolge von Temperaturänderungen ausgeschlossen sind. Auch sind durch die Verwendung eines mittig angeordneten, ein-

zigen Torsionsgelenks anstatt der beiden geschilderten, wagenradförmigen und sandwichartig angeordneten Torsionsfedern bzw. Torsionsgelenke Stick/Slip- Probleme im gesamten Betriebstemperaturbereich vermieden. Darüber hinaus gewährleistet die kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Torsionsgelenks ausreichend Material innerhalb des Kreiselkörpers, so daß die sagittale Stabilität oder Neigungsstabilitat des Einglasers erhöht ist. Zusätzlich zu allen diesen Vorteilen gegenüber dem Stande der Technik ist das erfindungsgemäße Torsionsgelenk bzw. dessen Verwendung auch noch billiger.

Nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Torsionsgelenks anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt dureh einen bekannten Ringlaser;

Figur 2A bis 2C schematisch verschiedene Kreiselkörperabstützungen bzw. -aufhängungen von Einglasern mit unterschiedlicher Beaufschlagung des Kreiselkörpers mit Verformungskräften bei Temperaturänderungen;

Figur 3 die Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Torsionsgelenk, eingebaut in den Kreiselkörper eines Ringlasers; und
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Figur 4- eine Seitenansicht des Torsionsgelenks gemäß Figur 3.

Der Ringlaser gemäß Figur 1 weist einen dreieckigen Kreiselkörper 1 aus Glaskeramik auf. In diesem ist ein in sich geschlossener, dreieckiger Resonanzhohlraum ausgebildet, welcher aus drei geraden Kanälen 6, 7 und 8 sowie drei größeren Hohlräumen 2, 3 und 4 an den drei Ecken des Kreiselkörpers 1 besteht, die Jeweils die beiden einander benachbarten Enden zweier Kanäle 6 und 8 bzw. 8 und 7 bzw. 7 und 6 miteinander verbinden. Der Resonanzhohlraum ist mit einem Gasgemisch, beispielsweise einem He/Ne-Gasgemisch, gefüllt. An den drei Ecken des Kreiselkörpers 1 sind zwei Spiegel 12 und 13 hohen Reflexionsvermögens sowie ein Ausgangsspiegel 14· angeordnet. Der Ausgangs spie gel 14 ist mit einem Fotodetektor 14' sowie einem halbversilberten Abschnitt versehen, so daß auffallendes Licht reflektiert wird, Licht aber auch an der in Figur 1 rechten, unteren Ecke des Kreiselkörpers 1 aus diesem austreten kann.

Am Kreiselkörper 1 sind zwei Anoden I5 und 16 sowie eine Kathode I7 angebracht, welche jeweils mit dem Kanal 6 bzw. 7 bzw. 8 kommunizieren. Bei elektrischer Erregung der beiden Anoden I5 und 16 sowie der Kathode I7 tritt ein "Lasen" des He/Ne-Gasgemisches ein und ergeben sich zwei Laserstrahlen, welche sich im dreieckigen Resonanzhohlraum in einander entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen.

Zwischen dem Kreiselkörper 1 und einem Supportzapfen 19 ist ein Radialtorsionsgelenk 18 angebracht. Aufgrund normaler Oberflächenunregelmäßigkeiten der Spiegel 12, I3 und 14 wird der jeweils auftreffende Laserstrahl nicht vollkommen in den jeweils anschließenden Kanal 6 bzw. 8 bzw. 7 oder 7 bzw. 8 bzw. 6 reflektiert, sondern findet vielmehr auch eine gewisse Rückstreuung statt, was zur Folge hat, daß die Schwebungsfrequenz zwischen den beiden

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Laserstrahlen bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten des Kreiselkörpers 1 um die Eingangsachse des Ringlasers verschwindet. Um diesen sogenannten "Lock-in-Effekt" zu vermeiden, wird der Kreiselkörper 1 in Drehoszillationsbewegungen, sogenannte "Zitterbewegungen¹¹, versetzt, und zwar üblicherweise mittels eines piezoelektrischen Antriebs, welcher mit dem Radialtorsionsgelenk 18 verbunden ist und den Kreiselkörper 1 in Drehschwingungen versetzt, so daß er mit seiner Eigen- oder Resonanzfrequenz drehend oszilliert. Die geschilderten "Zitterbewegungen" sind der tatsächlichen Rotation des Ringlasers im Inertialraum überlagert. Die eigentlichen Inertialraumrotationsinformationen werden bei dem Ringlaser gemäß Figur 1 auf bekannte Art und Weise gewonnen.

Im Hinblick auf Laserstrahlbahnlängenänderungen aufgrund von Temperaturänderungen sind die Berührungspunkte zwisehen dem Radialtorsionsgelenk 18 oder dergleichen und der gegenüberliegenden Fläche des Kreiselkörpers 1 kritisch. So bewirken beispielsweise die drei Berührungspunkte a, b und c gemäß Figur 2A die Beaufschlagung des Kreise lkörpers 1 mit Verformungskräften, so daß die Spiegel 12, 13 und 14 nach außen versetzt werden. Dieser unerwünschte Effekt vergrößert sich mit der Gelenkausdehnung aufgrund erhöhter Betriebstemperaturen. Die umgekehrte Wirkung ergibt sich bei der Gelenkkontraktion aufgrund niedrigerer Betriebstemperaturen.

Bei der Position der Berührungspunkte a, b und c gemäß Figur 2B, welche sich dadurch von derjenigen nach Figur 2A unterscheidet, daß die Berührungspunkte a, b und c um etwa 60° entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt sind, wird der Kreiselkörper 1 mit Verformungskräften beaufschlagt, welche

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bewirken, daß die Spiegel 12, I3 und 14 radial nach innen versetzt werden, weil der dreieckige Kreiselkörper 1 an den Seiten nach außen ausgewölbt wird. Bei der Gelenkausdehnung infolge erhöhter Betriebstemperaturen vermindert sich also die Laserstrahlbahnlänge. Das Gegenteil geschieht bei der Gelenkkontraktion aufgrund fallender Betriebstemperaturen.
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Figur 2C veranschaulicht eine mittlere Gelenkanordnung im Kreiselkörper 1, bei welcher die mit der Gelenkausdehnung verbundenen, auf den Kreiselkörper 1 einwirkenden Verformungskräfte gleichmäßiger verteilt sind, so daß mit der Gelenkausdehnung und -kontraktion virtuell keine Laserstrahlbahnlängenänderung verbunden ist. Diese Kraftverteilung wird mit der Gelenkausbildung gemäß Figur 3 und 4 erzielt.

Gemäß Figur 3 ist ein Torsionsgelenk 20 mittig in einer mittleren, zylindrischen Axialbohrung 22 des dreieckigen Kreiselkörpers 1 eines Ringlasers angeordnet. Das Torsionsgelenk 20 weist drei im wesentlichen kuchenstückförmige Flügelabschnitte 24, 26 und 28 auf, welche in einem Zylinder ausgebildet sowie symmetrisch und gegenseitig um 120° versetzt sind. Weiterhin sind in dem Zylinder drei kreisbogenförmige Segmente 30, 32 und 3^ ausgebildet, welche jeweils die beiden einander gegenüberliegenden Flächen zweier einander benachbarter Flügelabschnitte 26 und 28 bzw. 28 und 24 bzw. 24 imd 26 sowie den Spalt zwischen der Wandung der Axialbohrung 22 des Kreiselkörpers 1 und den Flügelabschnitten 24, 26 und 28 des Torsionsgelenkes 20 überbrücken. Die beiden einander gegenüberliegenden Flächen jeweils zweier einander benachbarter Flügelabschnitte 28 und 26 bzw. 26 und 24 bzw. 24 und 28 sind

durch einen dreieckigen Hohlraum 36 bzw. 38 bzw. 40 voneinander getrennt.
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Gemäß Figur 4 ist in der zylindrischen bzw. zylindersegmentförmigen Mantelfläche jedes Segments 30 bzw. 32 bzw. 34 eine Umfangsnut 41 ausgebildet, so daß sich an beiden Enden des Torsionsgelenkes 20 Flächen zur Anlage an der Wandung der Axialbohrung 22 des Kreiselkörpers 1 ergeben. Jeder Flügelabschnitt 24 bzw. 26 bzw. 28 ist mit zwei Längsschlitzen 44 und 48 versehen, welche sich im wesentlichen radial bezüglich der Torsionsgelenkmitte erstrekken, jeweils unmittelbar neben dem einen bzw. dem anderen der beiden beiderseits des Flügelabschnittes 24 bzw. 26 bzw. 28 vorgesehenen Hohlräume 38 und 40 bzw. 36 und 38 bzw. 40 und 36 ausgebildet sind und die Torsionsfedercharakteristik des Torsionsgelenks 20 während des "Zitterns" oder Oszillierens des Kreiselkörpers 1 bezüglich des Torsionsgelenks 20 verbessern.

Bei der Herstellung des Torsiohsgelenkes 20 werden die Längsschlitze 44 und 48 vorzugsweise mittels EDM-Elektroden hervorgebracht, welche durch den Werkstoff der Flügelabschnitte 24, 26 und 28 auf bekannte Art und V/eise hindurchlaufen. Zur genauen Positionierung eines EDM-Elektrodenführungswerkzeugs ist jeder Flügelabschnitt 24 bzw. 26 bzw. 28 mit einer Führungsbohrung 42 versehen, und zwar in der Nähe eines benachbarten Segmentes 34 bzw. 30 bzw. 32. Zur Gewährleistung einer abgeglichenen bzw. ausgewuchteten Symmetrie ist jeder Flügelabschnitt 24 bzw. 26 bzw. 28 weiterhin mit einer Ausgleichsbohrung 46 versehen, welche keinerlei andere Funktion hat. Schließlich ist in jedem Flügelabschnitt 24 bzw. 26 bzw. 28 eine größere mittlere Befestigungsbohrung 50 ausgebildet. Die

Befestigungsbohrungen 50 dienen zur symmetrisch abgeglichenen Befestigung des Torsionsgelenks 20 an einem Xreisei- bzw. Ringlasergehäuse mittels geeigneter Befestigungselemente .

Durch richtige Dimensionierung und Positionierung der Berührungsflächen der kreisbogenförmigen Segmente 30, 32 und 34 des Torsionsgelenks 20 bezüglich der mittleren Axialbohrung 22 des Kreiselkörpers 1 läßt sich die in Figur 2C veranschaulichte gleichmäßige Kraftverteilung erzielen, so daß Ausdehnungen und Kontraktionen des Torsionsgelenks 20 infolge von Umgebungstemperaturänderungen keine Laserstrahlbahnlängenänderungen bewirken bzw« diese jedenfalls auf ein Mindestmaß reduziert sind.

Die optimale Position des Torsionsgelenks 20 kann dadurch herausgefunden werden, daß man es aus, der Drehstellung gemäß Figur 3 in jeder Richtung geringfügig herausdreht. Ein Herausdrehen des Torsionsgelenks 20 aus der festgestellten optimalen Position oder Nullposition in der einen Richtung hat Verlängerungen und in der anderen Richtung hat Verkürzungen der Laserstrahlbahnlänge bei Wärmeausdehnungen des Torsionsgelenks 20 zur Folge.

Der Werkstoff des Torsionsgelenks 20 sollte ein hohes elektrisches Isolationsvermögen und eine ultraniedrige Wärmeausdehnung aufweisen sowie gegenüber Helium undurchlässig sein. Vorzugsweise wird das Torsionsgelenk 20 aus der unter dem Handelsnamen "Invar" bekannten Eisen/Nickel-Legierung hergestellt.

Die Befestigung des Torsionsgelenks 20 im Kreiselkörper 1 erfolgt vorzugsweise mittels Verklebens der drei kreis-

bogenförmigen Segmente 30, 32 und 34- an den äußeren Mantelflächen mit der Wandung der Axialbonrung 5

Claims

PATENTANWALT
DIPL. ING. WOLF D. OEDEKOVEN

14. September 1982 2/Ha

THE SINGER COMPAIiY, Stamford, Connecticut 06904-, USA

Patentansprüche

/ 1-) Torsionsgelenk zur Abstützung von Ringlaser-Kreiselkörpern, insbesondere von dreieckigen Ringlaser-Kreiselkörpern, welches zylindrisch ausgebildet und in einer mittleren Axialbohrung der Kreiselkörper befestigbar ist, gekennzeichnet durch mehrere symmetrisch verteilte Segmente (30, 32, 34), welche jeweils eine Fläche (b bzw. a bzw. c) bestimmter Größe zur Anlage und Befestigung an der Wandung der mittleren Axialbohrung (22) der Kreiselkörper (1) aufweisen.
2. Torsionsgelenk nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch mehrere symmetrisch verteilte Abschnitte (24, 26, 28), welche mit den Segmenten (30, 32, 34) verbunden, radial kürzer als die Segmente (30, 32, 34) und mit Längsschlitzen (44, 48) zur Ermöglichung --or Oszillationsbewegungen der :ireiselkörper (1) um das Torsionsgelenk (20) versehen sind.
3. Torsionsgelenk nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abschnitte (24, 26, 28) mit Befestigungsbohrungen (50) zur Befestigung des Torsionsgelenks (20) am Gehäuse der Ringlaser versehen sind.
4. Torsionsgelenk nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch mehrere symmetrisch ver- teilte Hohlräume (36, 38, 4O)₅ welche Jeweils in einem Segment (30 bzw. 34- "bzw. 32) bzw. zwischen zwei einander benachbarten Abschnitten (26 und 28 bzw. 24 und 26 bzw. 28 und 24) vorgesehen sind und sich radial bezüglich der Torsionsgelenkmitte erstrecken.
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5. Torsionsgelenk nach Anspruch 2, 3 oder 4 zur Abstützung von dreieckigen Ringlaser-Kreiselkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die sich radial bezüglich der Torsionsgelenkmitte erstreckenden Abschnitte (24, 26, 28) flügeiförmig ausgebildet sind und

b) die in einer bestimmten Orientierung bezüglich der · drei Ecken der Kreiselkörper (1) anzuordnenden Segmente (30, 32, 34) jeweils kreisbogenförmig ausgebildet sind sowie zwei einander benachbarte Abschnitte (26 und 28 bzw. 28 und 24 bzw. 24 und 26) überbrücken.
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6. Torsionsgelenk nach Anspruch 5» dadurch ge kennzeichnet, daß die Längsschlitze (44, 48) sich im wesentlichen radial bezüglich der Torsionsgelenkmitte in der Nähe der Radialkanten der flügeiförmigen Abschnitte (24, 26, 28) erstrecken.
7. Torsionsgelenk nach Anspruch 5 oder 6_} dadurch gekennzeichnet, daß in der zylindrischen Mantelfläche jedes kreisbogenförmigen Segments (30 bzw. 32 bzw. 34) eine Umfangsnut (41) ausgebildet ist, so daß

sich an "beiden Torsionsgelenkenden Flächen (a, b, c) zur Anlage und Befestigung des Torsionsgelenks (20) an der Wandung der mittleren Axialbohrung (22) der Kreiselkörper (1) ergeben.