DE2939946A1

DE2939946A1 - Steuerschaltung fuer das piezoelektrische stellglied eines regelkreises

Info

Publication number: DE2939946A1
Application number: DE19792939946
Authority: DE
Inventors: Bo Hans Gunnar Ljung; Charles Joseph Williams
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1978-11-17
Filing date: 1979-10-02
Publication date: 1980-05-29
Also published as: JPS5572815A; US4267478A; DE2939946C2; FR2441880B1; CA1134482A; NO793156L; FR2441880A1; SE444363B; IL58231A; NO155904C; SE7909437L; NO155904B; JPS6331957B2

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL. ING. WOLFD. OEDEKOVEN 29 39946

DIPL. CHEM. DR. 0. BERNGRUBER

3 2. Oktober 1979

2/Ha

THE SINGER COMPANY, Little Falls, New Jersey, USA

Steuerschaltung für das piezoelektrische Stellglied eines Regelkreises

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für das piezoelektrische Stellglied eines Regelkreises, insbesondere für Ringlaser zur Gewährleistung einer konstanten Laserstrahl-Bahnlänge unabhängig von der Temperatur.

Wegen der verwickelten Anforderungen an heutige Ausrüstungen für die Militär- und Zivilluftfahrt sowie die Raumfahrt werden auch die Anforderungen an solche Einrichtungen, wie Leitsysteme, immer größer. Da Kreisel ein wesentlicher Bestandteil der meisten solcher Systeme sind, werden auch an sie diese strengen Anforderungen gestellt. Um sie zu erfüllen, sind im Laufe der Zeit zahlreiche Kreiselarten entwickelt worden.

Eine moderne Kreiselart sind die Ringlaser, bei denen ein Laserstrahl sich entlang einer geschlossenen, also ringförmigen Bahn fortpflanzt, die beispielsweise drei-, vier- oder achteckig sein kann, wobei eine dreieckige Bahn bevorzugt ist, weil damit die zur Erzielung einer geschlossenen, ringförmigen Bahn geringstmögliche Anzahl von Richtungsänderungen verbunden ist. Mit einem solchen Ringlaser lassen sich Rotationen um die Achse der Bahn feststellen, um welche herum der Laserstrahl sich fortpflanzt.

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Es sind Eingläser mit einem dreieckigen Block bekannt, in wel-chem ein dreieckiger Resonanzhohlraum mit Reflektoren an den drei Ecken ausgebildet ist (US-PS 3 373 650 und 3 467 4-72). Der Resonanzhohlraum ist mit einem Gaslaser ausgefüllt, beispielsweise mit Helium- und Neongas. Üblicherweise arbeitet der Laser bei einer von zwei Wellenlängen, insbesondere entweder bei 1,15 Mikrometer im Infrarotspektralband oder bei 0,63 Mikrometer im sichtbaren Wellenlängenbereich. Durch entsprechende Auswahl des Verhältnisses der beiden Neon-Isotope Ne

op

und Ne im Gasgemisch lassen sich zwei Strahlen monochromatischen Lichtes erzeugen. Diese beiden Laserstrahlen pflanzen sich im Uhrzeigersinn bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn durch den dreieckigen Resonanzhohlraum hindurch entlang derselben, geschlossenen Bahn fort.

Wenn keine Rotation um die Eingangsachse des Ringlaser^ vorliegt, dann sind die Längen der beiden Laserstrahlen gleich und die beiden optischen Frequenzen identisch. Drehbewegung in der einen oder der anderen Richtung um die Eingangsachse bewirkt eine scheinbare Vergrößerung der Resonanzhohlraumlänge für den sich jeweils in Rotationsrichtung fortpflanzenden Laserstrahl und eine entsprechende, scheinbare Verkürzung der Resonanzhohlraumlänge für den anderen Laserstrahl. Da es sich bei der geschlossenen, optischen Bahn um einen Resonanzhohlraum handelt, welcher eine ungedämpfte Schwingung vermittelt, muß die Wellenlänge jedes Laserstrahles entsprechend wachsen bzw. sich verkürzen. Rotation des Resonanzhohlraumes bzw. des Ringlasers in der einen bzw. der anderen Richtung bewirkt also eine entsprechende Differenz zwischen den beiden Laserstrahl-Frequenzen, welche dem Drehwinkel bzw. der Rotatic-nsgeschwindigkeit proportional ist. Am Ausgangsreflektor des Ringlasers werden der im Uhrzeigersinn und der entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufende Laserstrahl aus dem Ringlaser extrahiert und mittels eines Strahlenkombinators überlagert, um ein Interferenzbild

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zu erzeugen, welches von einem Fotodetektor abgetastet wird. Dieser ermittelt die Schwebungsfrequenz der beiden überlagerten Laserstrahl-Frequenzen, welche ein Maß für den Drehwinkel bzw. die Rotationsgeschwindigkeit ist.

Wegen der extremen Umgebungsbedingungen, denen moderne Leitsysteme ausgesetzt sind, müssen Ringlaser innerhalb eines weiten Temperaturbereiches von beispielsweise -55° C bis +70 C arbeiten können, wobei das Material, aus welchem Ringlaser hergestellt sind, entsprechender Wärmeexpansion bzw. -kontraktion unterworfen ist. Weil die Laserstrahlen üblicherweise mittels Reflektoren entlang der geschlossenen Bahn geführt werden, bewirkt jede durch eine Temperaturänderung verursachte Wärmeexpansion bzw. -kontraktion des die Reflektoren tragenden Bauteiles oder der Reflektoren selbst eine Veränderung der Laserstrahl-Bahnlänge. Wird diese nicht korrigiert, dann kann sie eine Drift verursachen, also ein Ausgangssignal, welches eine Rotation angibt, auch wenn tatsächlich keine stattgefunden hat.

Bei Ringlasern mit dreieckiger Bahn der Laserstrahlen ist es daher bekannt, einen Reflektor mit einem flexiblen, membranartigen Ringbereich zu versehen und auf einem piezoelektrischen Stellglied anzuordnen, welches so angesteuert wird, daß die Laserstrahl-Bahnlänge konstant bleibt, selbst wenn Temperaturänderungen eine Expansion oder Kontraktion des Materials bewirken. Das piezoelektrische Stellglied ändert die Position des ausreichend beweglichen Reflektors entsprechend, und zwar als Reaktion auf die jeweils gemessenen Veränderungen der Laserstrahl-Bahnlänge. Es liegt also ein geschlossener Regelkreis vor (US-PS 3 581 227).

In der Regel werden solche piezoelektrischen Stellglieder so ausgelegt, daß sie die Laserstrahl-Bahnlänge auf eine ganze Zahl von Laserstrahl-Wellenlängen steuern. Gewöhnlich ist es

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erforderlich, daß das Stellglied wenigstens die Fähigkeit hat, den flexiblen Heflektor um fünf freie Spektralbereiche zu verändern, also den Ringlaser von einer Resonanz zur fünft-höheren oder -niedrigeren Resonanz zu ändern. Dies bedeutet für das Arbeiten mit sichtbaren, roten Helium/Neon-Laser-Wellenlängen, daß der Reflektor wenigstens um

Λ L = (5 . 0,6328 . 10"⁶)/"/? Meter (1)

beweglich sein muß. Selbst wenn Werkstoffe mit extrem niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden, wie beispielsweise das unter dem Handelsnamen "Zerodur" bekannte Material der Firma SCHOTT COMPANY oder das unter dem Handelsnamen "Cervit 101" bekannte Material der Firma OWENS ILLINOIS CORPORATION, dann verändert sich die Laserstrahl-Bahnlänge des Ringlasers beträchtlich, wenn einer Temperaturänderung von -55° G auf +70⁰C

—6

ausgesetzt, beispielsweise um -3,2 · 10 Meter bei einer Bahnlänge von 0,32 Meter für den unter dem Handelsnamen "Zerodur" bekannten Werkstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten OL = -8 · 10 /° C , so daß sich also die Bahnlänge um diesen Betrag verkürzt. Eine solche Bahnlängenänderung entspricht fünf Wellenlängen bei Betrieb des Lasers im sichtbaren Helium/ileon-Bereich. Wird der Ringlaser beispielsweise bei einer Temperatur von -55° C eingeschaltet, dann dürfte die anfängliche Eingangsspannung des Stellgliedes bei 0 Volt liegen. Wird vei1;erhxn der übliche, ungünstigste Fall angenommen, daß nämlich der Regelkreis sich mit einer Erhöhung der gesamten Bahnlänge um einen halben freien Spektralbereich bei der Temperatur von -55° G anschaltet, dann hat der Regelkreis diesen Teil seines Gesamtbereiches verbraucht. Dieses aber bedingt, daß der Gesamtbereich um einen halben freien Spektralbereich vergrößert wird. Das piezoelektrische Stellglied muß also Bewegungen innerhalb des folgenden Bereiches bewirken können:

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((5 + 1/2) · o,6328 · io~⁶)

= 2,0 · 10"⁶ Meter (2)

Der Vergleich der vorstehenden Gleichung (2) mit der obigen Gleichung (1) zeigt die Vergrößerung um einen halben freien Spektralbereich. Die zur Verfügung stehenden, piezoelektrischen Materialien sind zu der folgenden Dickenänderung bei angelegter, voller Spannung fähig:

Δ L/L = 200 · 10~⁶ (3)

Gemäß den Gleichungen (2) und (3) muß also das Stellglied des Regelkreises zum Konstanthalten der Laserstrahl-Bahnlänge einen Stapel von piezoelektrischen Scheiben der folgenden Gesamtlänge aufweisen:

L = (2,0 · 10~⁶) / (200 · 10~⁶)

= 0,01 Meter (4)

Es ist bereits ein piezoelektrisches Stellglied für Ringlaser zur Steuerung der Laserstrahl-Bahnlänge mit einem Stapel piezoelektrischer Scheiben, welche an den Seitenflächen mit einer Spannung beaufschlagbar und so angeordnet sind, daß jeweils zwei einander benachbarte Scheiben sich mit denselben Polaritäten gegenüberliegen, vorgeschlagen worden, wobei jede piezoelektrische Scheibe mit einem Zentralbereich und einem Umfangsbereich versehen ist, welche Bereiche einander entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, und wobei an einem Ende des Stapels piezoelektrischer Scheiben ein Kuppelglied angebracht ist (DE-OS 29 00 609).

Dieses piezoelektrische Stellglied mit doppelt wirkenden piezoelektrischen Scheiben macht zwar die Verwendung eines Gehäuses für den Stapel überflüssig und reduziert sowohl die Länge L

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gemäß Gleichung (4) auf die Hälfte, nämlich 0,005 Meter, als ' auch die erforderliche Anzahl an piezoelektrischen Scheiben, jedoch wird dort ebenso wie bei allen anderen piezoelektrischen Stellgliedern im wesentlichen nur etwa eine Hälfte des gesamten, zur Verfügung stehenden Hubes ausgenutzt, wenn die anfängliche Eingangsspannung des Stellgliedes 0 Volt beträgt und der zugehörige Regelkreis sich so anschaltet, wie oben beschrieben. Der Grund dafür ist, daß nur eine Polarität des Stapels piezoelektrischer Scheiben des Stellgliedes ausgenutzt wird.

Das Ausnutzen nur einer Polarität und demzufolge nur einer Hälfte des zur Verfügung stehenden Hubes des piezoelektrischen Stellgliedes bzw. des Stapels piezoelektrischer Scheiben desselben ist mit Schwierigkeiten bezüglich der Kompensation temperaturbedingter Änderungen verbunden. Entweder muß der Temperaturbereich für den Ringlaserbetrieb begrenzt werden, oder aber es müssen Werkstoffe verwendet werden, deren Wärmeausdehnungskoeffizient noch geringer als der ultraniedrige Wärmeausdehnungskoeffizient der heutzutage für Ringlaser verwendeten Materialien ist. Oder es muß schließlich stattdessen der Hub des piezoelektrischen Stellgliedes so groß sein, daß der zugehörige, dadurch zu verstellende Reflektor einen äußerst dünnen flexiblen, membranartigen Ringbereich aufweisen und möglicherweise ein bimorphes piezoelektrisches Stellglied verwendet werden muß.

Bimorphe Stellglieder wirken ähnlich Bimetallsystemen, sind jedoch aus piezoelektrischem Material mit radial expandierenden Scheiben hergestellt. Normalerweise werden eine expandierende Scheibe und eine kontrahierende Scheibe verwendet. Nachteiligerweise weisen solche Anordnungen eine äußerst geringe Steifheit auf und darf bei Verwendung in Ringlasern der dünne flexible, membranartige Ringbereich des zugehörigen, bewegli-

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chen Reflektors nicht größer als 0,4- Millimeter sein. Eine derart geringe Dicke erhöht nicht nur den Preis beträchtlich, sondern auch die Gefahr mechanischer Ausfälle.

Alles dieses ist wenig zufriedenstellend. Wird beispielsweise ein großhubiges, piezoelektrisches Stellglied verwendet, wobei also die Länge L = 0,01 Meter, dann kann unter Umständen die Gesamtgröße des Ringlasers so weit vergrößert werden müssen, daß eine größere Umhüllung der Einheit erforderlich wird. Sa weiterhin piezoelektrische Scheiben sehr teuer sind und sehr viel mehr Scheiben benötigt werden, wenn die Länge L vergrößert wird, ergibt sich ein sehr hoher Gesamtpreis. Ande rerseits ist die Verwendung eines Reflektors mit äußerst dünnem flexiblen, membranartigen Ringbereich in Verbindung mit einem bimorphen Stellglied nicht annehmbar, weil der Ringbereich des Reflektors wegen des erforderlichen Polierens usw. nur mit hohem Kostenaufwand hergestellt werden kann und empfindlich gegenüber Umgebungsdruck ist. Zusätzlich ist eine solche kombinierte Anordnung mechanisch schwach, durch Vibra tionen beeinflußbar und mit der Neigung zu gleichzeitiger, un- erwünschter Drehung bei der Ausführung der erwünschten, geradlinigen Bewegung behaftet. Diese Rotation bewirkt eine Ver schiebung der Position jedes Laserstrahles im Ringlaser bezüglich der Reflektoren und Offnungen und verändert somit die Vorwärtsausbreitung jedes Laserstrahles. Dieses hat zur Folge, daß der Ringlaser ein Ausgangssignal abgibt, welches eine Rotation angibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile zu beheben und die Ausnutzung der vollen geradlinigen Bewegungemöglichkeit des piezoelektrischen Stellgliedes eines Regelkreises, insbesondere für Ringlaser zur Gewährleistung einer konstanten Laserstrahl-Bahnlänge unabhängig von der Temperatur, zu ermöglichen, so daß ein einfaches und bil-

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liges piezoelektrisches Stellglied bzw. ein solches mit einer Mindestanzahl piezoelektrischer Elemente verwendet werden kann·

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den restlichen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ermöglicht es, im wesentlichen den gesamten Hub eines piezoelektrischen Stellgliedes auszunutzen, um einen Parameter genau zu steuern, welcher sich aufgrund thermischer Expansion bzw. Eontraktion der jeweiligen Anordnung ändert, wozu die Hubposition des Stellgliedes voreingestellt wird. Inabesondere kann auf diese Weise die Laserstrahl-Bahnlänge bei Ringlasern genau konstant gehalten werden, und zwar in Abhängigkeit von der jeweiligen Umgebungs- oder Starttemperatur.

Die erforderliche, geradlinige Bewegung des piezoelektrischen Stellgliedes wird auf ein Mindestmaß reduziert, indem die erwähnte Voreinstellung des Stellgliedes entsprechend der besagten Temperatur des Ringlasers erfolgt, um Veränderungen der Laserstrahl-Bahnlänge vorwegzunehmen, welche aus Veränderungen der Umgebungstemperatur und/oder Selbstaufwärmung beim Ringlaserbetrieb resultieren. Das vom erfindungsgemäß vorgesehenen Funktionsnetzwerk gelieferte Steuersignal wird dabei einem Treiber zur Steuerung der Position des piezoelektrischen Stellgliedes zugeführt, welcher das Stellglied mit einer entsprechenden Spannung beaufschlagt. Wenn das Stellglied auf die gewünschte Position voreingestellt worden ist, dann schaltet der erfindungsgemäß vorgesehene Schalter um, so daß etatt der Voreinstellung der normale Regelkreisbetrieb stattfindet.

Die Anwendung der Erfindung ist allerdinge nicht auf Ringlaser beschränkt, sondern überall dort möglich, wo eine entsprechende Temperaturkompensation erforderlich ist.

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Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen, jeweiIb schematisch:

Fig. 1 bis 3 jeweils einen Ringlaser mit Regelkreis zur Gewährleistung einer konstanten Laserstrahl-Bahnlänge unabhängig von der Temperatur nach dem Stande der Technik bzw. in größerem Maßstab und detaillierter den flexiblen Reflektor des Ringlasers und das zugehörige, piezoelektrische Stellglied des Regelkreises nach Fig. 1 bzw. in noch größerem Maßstab die perspektivische Ansicht einer quer geschnittenen piezoelektrischen Scheibe des Stellgliedes gemäß Fig. 2; und

Fig. 4· die Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Ausführungeform der Erfindung.

Der Ringlaser nebet zugehörigem Regelkreis gemäß Fig. 1 bis 3 ist aus der oben erwähnten US-PS 3 581 227 bekannt. Der Ringlaser weist ein Gehäuse 10 auf, beispielsweise aus dem unter dem Handelsnamen "Zerodur¹¹ bekannten Material der Firma SCHOTT COMPANY oder dem unter dem Handelsnamen "Cervit 101" bekannten Material der Firma OWENS ILLINOIS CORPORATION. Das Gehäuse 10 ist mit Kanälen 12 versehen, durch welche hindurch sich Laserstrahlen 14 im Uhrzeigersinn bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzen, und zwar mittels dreier Reflektoren 16, 18 und 20 in einer geschlossenen, dreieckigen Bahn. Der gekrümmte Reflektor 16 und der ebene Reflektor 18 sind starr angeordnet. Demgegenüber ist der Reflektor 20 mit einem flexiblen, membranartigen Singbereich 21 versehen, so daß er gebogen und die gesamte Laserstrahl-Bahnlänge verändert werden kann. Dazu dient ein piezoelektrisches Stellglied 22.

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Das Stellglied 22 weist ein Gehäuse 23 aus einem Werkstoff, wie beispielsweise dem unter dem Handelsnamen "Invar" bekannten Material, auf, welcher hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizientens möglichst genau mit demjenigen des Gehäuses 10 übereinstimmt. In dem Gehäuse 23 sind mehrere piezoelektrische Scheiben 24 gemäß Fig. 3 untergebracht. Zwischen jeweils zwei einander benachbarten Scheiben 24 ist eine Abstandsscheibe 26 aus Metall vorgesehen. Die piezoelektrischen Scheiben 24 und die Abstandsscheiben 26 sind im Stapel mittels einer Mutter und eines Bolzens 36 zusammengehalten, dessen Kopf 36' mit Hilfe eines geeigneten Klebers am Reflektor 20 befestigt ist.

Für den nach der obigen Gleichung (2) berechneten Hub von 2,0 * 10 Meter muß bei Verwendung eines piezoelektrischen Materials mit einem Ausdehnungskoeffizienten gemäß obiger Glei-

^5 chung (3) der Stapel piezoelektrischer Scheiben 24 gemäß der obigen Gleichung (4) die Länge L ±= 0,01 Meter aufweisen. Die Scheiben 24 aus piezoelektrischem Material weisen jeweils eine Dicke in der Größenordnung von 0,5 Millimeter auf, welche sich bei Anlegen einer Spannung ändert. Zur Spannungsbeaufschlagung kann ein transistorisierter Verstärker verwendet werden, welcher im Bereich von + 200 Volt arbeitet. Die piezoelektrischen Scheiben 24 werden jeweils an beiden Seitenflächen mit Spannung beaufschlagt, und zwar mit Hilfe der dünnen Abstandsscheiben 26 aus Metall, und sind so im Stapel angeordnet, daß sich jeweils zwei einander benachbarte Scheiben 24 mit Seitenflächen gleicher Polarität gegenüberliegen, und zwar unter Einschluß einer Abstandsscheibe 26, so daß bei Erregung alle piezoelektrischen Scheiben 24 gemeinsam expandieren und kontrahieren. Eine gemeinsame, positive Leitung 28 und eine gemeinsame, negative Leitung 30 sind über Durchführungen 32 aus dem Gehäuse 23 herausgeführt.

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Die von Ausgangssensoren 38 des Ringlasers abgegebenen Signale werden mittels eines Verstärkers 40 und eines Rückkopplungswiderstandes 41 verstärkt und einem Demodulator 42 zugeführt. Dieser wird mit einem Bezugssignal von einem Signalgenerator 44 her beaufschlagt, welcher bei einer bestimmten Frequenz von beispielsweise zwei Kilohertz arbeitet. Das Ausgangssignal des Demodulators 42 wird mittels eines Verstärkers 46 mit parallelem Kondensator 48 integriert, worauf eine weitere Verstärkung in einem Hochspannungsverstärker 50 erfolgt. Dessen Ausgangssignal treibt die piezoelektrischen Scheiben 24, so daß der Hochspannungsverstärker 50 also als Treiber für das piezoelektrische Stellglied 22 dient. Der Hochspannungsverstärker 50 wird weiterhin mit dem vom Signalgenerator 44 gelieferten Bezugssignal beaufschlagt, um die Frequenz von 2 Kilohertz dem vom Hochspannungsverstärker 50 dem piezoelektrischen Stellglied 22 zugeführten Ausgangssignal einzuprägen, was ein leichtes Oszillieren oder Vibrieren des Reflektors 20 während des Betriebes zur Folge hat. Diese Vibration wird durch die Ausgangssensoren 38 festgestellt und dann im Demodulator 42 demoduliert.

Bei dem oben erörterten Vorschlag nach DE-OS 29 00 609 benötigt das piezoelektrische Stellglied 22 für den flexiblen Reflektor 20 kein Gehäuse 23 und sind doppelt wirkende, piezoelektrische Scheiben 24 verwendet, so daß deren Anzahl vermindert werden kann. Obwohl ein solches piezoelektrisches Stellglied 22 wegen der geringeren Anzahl von Elementen und Komponenten und dem geringeren Gewicht dem vorstehend geschilderten piezoelektrischen Stellglied 22 überlegen ist, wird auch dort nur eine Hälfte des zur Verfügung stehenden Hubes der piezoelektrischen Scheiben 24 bzw. des piezoelektrischen Stellgliedes 22 ausgenutzt.

Gemäß Fig. 4 unterscheidet sich die Erfindung dadurch vom Stande der Technik, daß eine Steuerschaltung 52 zur Vorein-

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stellung des piezoelektrischen Stellgliedes 22 vorgesehen ist, und zwar zusätzlich zum geschilderten Regelkreis zur Gewährleistung einer konstanten Laserstrahl-Bahnlänge unabhängig von der Temperatur. Der zum integrierenden Verstärker 46 parallel liegende Kondensator 48 kann wahlweise auf die übliche Art durch das Ausgangs signal des Verstärkers 46 aufgeladen oder durch die Steuerschaltung 52 vor dem herkömmlichen Hegelkreisbetrieb voraufgeladen werden. Die Steuerschaltung 52 umfaßt ein Thermometer, also einen Temperatursensor 54-, ein Funktionsnetzwerk 56, eine Startfolgeschaltung 53 und einen Schalter 60 in der Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator 48 und dem Ausgang des integrierenden Verstärkers 46, welcher außerdem an den Ausgang des Funktionsnetzwerkes 56 angeschlossen ist und durch die Startfolgeschaltung 58 gesteuert wird.

Das Thermometer 54 liefert dem Funktionsnetzwerk 56 eine Ausgangs spannung, welche der Differenz zwischen der Starttemperatur des fiinglasers, also der Umgebungstemperatur, und der mittleren Temperatur desjenigen Temperaturbereiches proportional ist, innerhalb welchem der Betrieb des Ringlasers stattfindet.

Das Funktionsnetzwerk 56 enthält ein mathematisches Modell der Wärmeexpansions- und -kontraktionskennzeichen des Materials, woraus der Ringlaser besteht. Das Funktionsnetzwerk 56 kann im wesentlichen als Festspeicher (ROM) arbeiten, wobei das mathematische Modell dauernd darin gespeichert ist, oder es kann aus einem stufenweise einschaltbaren, linearen Widerstandsnetzwerk bestehen. Jedenfalls liefert das Funktionsnetzwerk 56 je nach der Ausgangs spannung des Thermometers 54 eine Ausgangsspannung zum Aufladen des Kondensators 48 bis auf ein Niveau, welches von der Differenz zwischen der jeweiligen Start- bzw. Umgebungstemperatur und der mittleren Temperatur desjenigen Temperaturbereichs abhängt, innerhalb welchem der Betrieb des Ringlasers erwartet wird.

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Beim Einschalten des bekannten Regelkreises gemäß Fig. 1 weist der Kondensator 48 die Ladung = 0 auf, so daß auch der integrierende Verstärker 46 eine Ausgangsspannung von 0 Volt abgibt. Nach dem Einschalten des Regelkreises und dem Start des Ringlasers entwickelt sich eine Fehlerspannung, welche den Hochspannungsverstärker 50 treibt, so daß er sich an die nächstliegende Resonanzfrequenz des Ringlasers anschaltet. Bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung 52 gemäß Fig. 4 liefert demgegenüber das Funktionsnetzwerk 56 beispielsweise für einen Ringlaser aus dem unter dem Handelsnamen "Zerodur" bekannten Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten OC= -8 · 10~ /

C bei einer Starttemperatur an der unteren Grenze desjenigen Temperaturbereiches, innerhalb welchem der Ringlaser betrieben wird, also bei einer Starttemperatür von -55° C, eine Ausgangsspannung von +10 Volt, welche über den integrierenden Verstärker 46 dem Hochspannungsverstärker 50 zugeht und eine Ausgangsspannung desselben von etwa -200 Volt bewirkt. In diesem Fall wird das piezoelektrische Stellglied 22 also zur vollen Bewegung in einer Richtung ausgesteuert, so daß der volle Betriebsbereich des piezoelektrischen Stellgliedes 22 von -200 Volt bis +200 Volt ausgenutzt werden kann, wenn die Temperatur sich von der Starttemperatür von -55° C auf die höchste Betriebstemperatur von +70° C ändert. Erwärmt sich der Ringlaser auf die letztgenannte Temperatur, dann geschehen diejenigen Korrekturen, welehe zur Kompensation der durch die Temperaturänderung bewirkten Veränderung der Laserstrahl-Bahnlänge erforderlich sind. Wird der Regelkreis zur Gewährleiötung einer konstanten Laserstrahl-Bahnlänge unabhängig von der Temperatur so ausgelegt, daß das piezoelektrische Stellglied 22 bei Temperaturen im Bereich von + 70° C eine Spannung von etwa +200 Volt und bei Temperaturen im Bereich von -55° C eine Spannung von etwa -200 Volt verlangt, dann ist der gesamte Hub des piezoelektrischen Stellgliedes 22 ausgenutzt. Wird als weiteres Beispiel angenommen, daß die Starttemperatur mit der mittleren Temperatur des Betriebstemperatur-

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bereiches identisch ist, also bei etwa +7 C liegt, dann liefert das Funktionsnetzwerk 56 eine Ausgangsspannung von etwa 0 Volt. Infolgedessen gibt auch der Hochspannungsverstärker 50 eine Ausgangsspannung von etwa 0 Volt ab, so daß sich das piezoelektrische Stellglied 22 in entspanntem Zustand befindet und der Ringlaser bei ungespanntem Reflektor 20 zu arbeiten beginnt.

Das vom Funktionsnetzwerk 56 abgegebene Steuersignal bewirkt also eine Voraufladung des Kondensators 48, um das Ausgangssignal des Zweipolaritätshochspannungsverstärkers 50 und die Hubposition des Stapels piezoelektrischer Scheiben 24 voreinzustellen. Sobald der Ringlaser zu funktionieren begonnen hat und der Kondensator 48 vom Funktionsnetzwerk 56 vorauf geladen worden ist, bewirkt die Startfolgeschaltung 58 ein Umschalten des Schalters 60, so daß der Eingang des Kondensators 4€ vom Ausgang des Funktionsnetzwerks 56 getrennt und stattdessen mit dem Ausgang des integrierenden Verstärkers 46 in Verbindung gesetzt wird. Nach der Startphase kommt also der Regelkreis gemäß Fig. 4 zur Gewährleistung einer konstanten Laserstrahl-Bahnlänge unabhängig von der Temperatur zur Wirkung, welcher mit demjenigen nach Fig. 1 übereinstimmt und genau so funktioniert, wie oben geschildert.

Die Steuerschaltung 52 ermöglicht eine Verminderung der zur Erzielung des erforderlichen Stellglied-Hubes nötigen Anzahl an teueren piezoelektrischen Scheiben 24 auf die Hälfte. In Verbindung mit dem Vorschlag nach DE-OS 29 00 609 kann die Anzahl sogar auf ein Viertel der Anzahl von piezoelektrischen Scheiben 24 bei bekannten piezoelektrischen Stellgliedern 22 herabgesetzt werden.

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Claims

Patentansprüche

M.) Steuerschaltung für das piezoelektrische Stellglied eines Regelkreises, insbesondere für Ringlaser zur Gewährleistung einer konstanten Laserstrahl-Bahnlänge unabhängig von der Temperatur, gekennzeichnet durch

a) einen Temperatursensor (54) zur Ermittlung der Temperatur des Ringlasers und Abgabe eines entsprechenden Ausgangssignals;

b) ein mit dem Ausgangssignal beaufschlagtes Funktionsnetzwerk (56) mit einem mathematischen Modell der Wärmeexpansions- und -kontraktionskennzeichen des Ringlasermaterials, welches ein sich entsprechend dem Ausgangssignal und dem mathematischen Modell änderndes Steuersignal liefert ; und

c) einen die Ausgabe des Steuersignals steuernden Schalter (60).
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das mathematische Modell im Funktionsnetzwerk (56) von einer externen Quelle stammt.
3· Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ ei chne t, daß das mathematische Modell im Funktionsnetzwerk (56) dauernd gespeichert ist.
4. Steuerschaltung nach Anspruch 3» dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Funktionsnetzwerk (56) einen Festspeicher (ROM) aufweist.

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5· Steuerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, daß der Temperatursensor (54) ein eine Änderung zwischen einer Bezugstemperatur und der Temperatur des Ringlasers repräsentierendes Ausgangssignal liefert.
6. Steuerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet, daß das Steuersignal einem Treiber (50) zur Steuerung der Position des piezoelektrischen Stellgliedes (22) zuführbar ist.
7· Steuerschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal zur Vorauf ladung einem Kondensator (48) zuführbar ist, welcher parallel zu einem integrierenden Verstärker (46) liegt.
8. Steuerschaltung nach Anspruch 6 und 7» dadurch ge kennzeichnet, daß der integrierende Verstärker (46) eingangsseitig mit einem Signal entsprechend der jeweiligen Änderung der Laserstrahl-Bahnlänge des Einglasers beaufschlagbar und ausgangsseitig mit einem Zweipolaritätshochspannungsverstärker (50) als Treiber verbunden ist, welcher mit seinem Ausgangssignal das piezoelektrische Stellglied (22) zur Verstellung eines Laserstrahl-Reflektors (20) des Ringlasers ansteuert.

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