DE3109789C2

DE3109789C2 - Piezoelektrischer Wandlerantrieb

Info

Publication number: DE3109789C2
Application number: DE3109789A
Authority: DE
Inventors: Lloyd Michael Woodland Hills Calif. Germain; Thomas Wing
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1980-03-25
Filing date: 1981-03-13
Publication date: 1985-12-12
Also published as: GB2072889B; US4314174A; CA1146664A; DE3109789A1; FR2479632B1; GB2072889A; FR2479632A1; JPS56153210A

Abstract

Piezoelektrischer Wandlerantrieb für ein Ringlasergyroskop (10), bei dem ein Widerstandselement (88) in einer Gegenkopplungsschleife mit einem zweiten Widerstandselement (90) kombiniert ist, um ein Rückkopplungssignal zu liefern, das bezüglich Änderungen im Wandlermaterial konstant und linear mit einer Temperaturänderung ist. Das Rückkopplungssignal wird verstärkt und liegt an einem Komparator (122), dessen Ausgangssignal mit einem Wechselspannungssignal moduliert wird und an einem Leistungsverstärker (96) liegt, der den piezoelektrischen Wandler (86) betreibt, um dessen Versetzung gleichmäßig über einen breiten Temperaturbereich zu steuern.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandlerantrieb, insbesondere zum temperaturkompensierten Antrieb der Zitterbewegung eines Ringlasergyroskops, mit einem Biegeelement, einem piezoelektrischen Element, das an dem Biegeelement angebracht ist, sowie einem oder mehreren Abtastelementen, die mit dem Biegeelement gekoppelt sind und über eine Rückkopp lungsschleife einen Verstärker zum Betrieb des piezo elektrischen Elements steuern.

Ein piezoelektrischer Wandlerantrieb der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 20 19 580 bekannt. Der bekannte piezoelektrische Wandlerantrieb dient zur Steuerung eines Oszillators, der zur Erzeugung einer Normalfrequenz in Zeitgebern verwandt wird, und insbesondere unabhängig von äußeren Schwingungskräften und -stoßen sein soll. Zu diesem Zweck wird ein Oszillator vorgesehen, der von einem Grundteil kamm förmig vorstehende Oszillatorarme aufweist, die in einer Ebene mit dem Grundteil liegen. An einem dieser Oszillatorarme ist ein piezoelektrischer Wandler als Steuerelement angebracht, während an einem weiteren oder weiteren Oszillatorarmen jeweils weitere piezoelektri sehe Wandler angebracht sind, die als Abtastelemente dienen. Die Abtastelemente liegen in einer Rückkopplungsschleife zu einem Verstärker, der das piezoelektrische Steuerelement steuert Das bekannte System mag zwar eine von äußeren Stoßeinwirkungen unabhängige Steuerung ermöglichen, jedoch unterliegt ein solches System zwangsläufig Schwankungen bei eintretenden Temperaturänderungen.

Besondere Anforderungen werden an piezoelektrische Wandlerantriebe gestellt, die in Verbindung mit Ringlasergyroskopen verwandt werden. Das Wesen eines Ringlasergyroskops besteht darin, daß zwei Lichtwellen, die in entgegengesetzte Richtung längs desselben geschlossenen Weges kreisförmig umlaufen, einer

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nicht wechselseitigen Phasenverschiebung unterliegen. Piezoelektrische Krisxalle können sowohl zum Anwenn der Weg gedreht wird. Da der Weg einen Laserre- trieb eines Zittermechanismus als auch als Rückkoppsonanzhohlraum bildet, erzeugen die Phasenverschie- lungselement verwandt werden. Da ein typisches Ringbungen optische Frequenzunterschiede zwischen bei- lasergyroskop extremen Temperaturverhältnissen von den Wellen. Die beiden Frequenzen überlagern einan- 5 beispielsweise —55 bis +55⁰C ausgesetzt ist, ist es wunder an einem gemeinsamen Fotodetektor, was zu einer sehenswert, Kristalle vorzusehen, die für derartige Tem-Schwebungsfrequenz führt, die direkt proportional zur peraturveränderungen unempfindlich sind. Das Verhal-Winkeldrehgeschwindigkeit ist Wenn die Winkeldreh- ten piezoelektrischer Kristalle mit einer Änderung der geschwindigkeit eines einfachen Ringlasers ohne Vor- Temperatur kann jedoch nicht vorgesehen werden und spannung a«f einen gewissen kleinsten Wert herabge- io ist nicht linear. Weiterhin ist das Herstellungsverfahren setzt wird, nimmt die Frequenzaufspaltung zwischen zur Bildung derartiger Kristalle nicht in dem erfordernden Fortpflanzungsarten im Uhrzeigersinn und entge- chen Ausmaße steuerbar, daß von einer Charge zur angen dem Uhrzeigersinn der entgegengesetzt gerichte- deren das Ausgangssignal derartiger Kristalle vorherten Lichtwellen so ab, daß separate Schwingungen nicht sagbar ist Das hat zur Folge, daß die Verwendung pielänger aufrechterhalten werden. Die Fortpflanzungsar- 15 zoeJektrischer Kristalle entweder für Antriebs- oder ten der entgegengesetzt gerichteten Lichtwellen entar- Rückkopplungszwecke eine diesen Kristallen eigene ten und verriegeln auf derselben Frequenz. Diese Entar- Temperaturnichtlinearität erzeugt während sich bei der turig wird durch eine Rückstrahlung hervorgerufen, die Verwendung von piezoelektrischen Kristallen für beide dann erzeugt wird, wenn die Lichtwellen von den ver- Funktionen diese Schwierigkeiten addieren,
schiedenen Spiegeln im geschlossenen Weg reflektiert 20 Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zuwerden, der das Ringlasergyroskop bildet gründe, einen piezoelektrischen Wandlerantrieb, insbe-

Es ist bekannt die Verriegelung der Fortpflanzungs- sondere zur Erzeugung einer Zitterbewegung für ein

arten der Lichtwellen bei niedrigen Winkeldrehge- Ringlasergyroskop, anzugeben, der eine konstante und

schwindigkeiten durch eine Einführung eines mechani- lineare Ansprechempfindlichkeit über einen weiten

sehen Zitterns auszuschließen. Eine derartige Anord- 25 Temperaturbereich hat

ming ist in der US-PS 41 15 004 beschrieben. Diese Aufgabe wird, wie im Anspruch 1 angegeben,

Die in der US-PS 41 15 004 beschriebene Vorrichtung gelöst Gemäß der Erfindung werden die piezoelektrikann in der beschriebenen Weise durch einen Drehmo- sehen Elemente, die zumeist aus Kristallen bestehen, nur mentantrieb oder einen Motor mit konstantem Dreh- als Antriebselemente verwandt Die Rückkopplungseiemoment sowie über einen piezoelektrischen Wandhr- 30 mente werden durch Widerstandselemente aus einem antrieb betrieben werden. Wenn ein piezoelektrischer Material ersetzt dessen Verhalten bezüglich einer Tem-A η trieb verwandt wird, besteht die Gefahr, daß die pie- peratu ränderung voraussagbar linear ist. Es hat sich zoelektrischen Kristalle, die den Wandler bilden, eine herausgestellt daß sich die Biegeelemente, wenn sie in variable Versetzung oder Verformung in Abhängigkeit Form von Biegefederelementen aus Metall vorgesehen von der daran anliegenden Spannung erzeugen. Diese 35 sind, sich linear über einen weiten Temperaturbereich Veränderung wird zunächst durch Unterschiede hervor- verformen. Dadurch, daß ein Widerstandselement an gerufen, die während der Herstellung in jedem Kristall dem Biegeelement befestigt ist ist es möglich, ein Rückerzeugt werden. Ein zweiter Grund besteht darin, daß kopplungssignal zu erhalten, das über diesen Temperadie Versetzung oder Verformung eines piezoelektri- turbereich linear verläuft Sodann kann ein zweites fernsehen Kristalls bezüglich der Temperatur nicht linear 40 peraturempfindliches Widerstandselement dazu verist wandt werden, eine Kompensation über den gewünsch-

Bei bekannten Schaltungen wird ein Halbleitermate- ten Temperaturbereich zu liefern. Durch eine Kombinarial verwandt das durch die Temperatur in der Schal- tion der beiden Widerstandselemente in einer Gegentung so beeinflußt wird, daß der Einfluß der Temperatur kopplungsschleife ist es möglich, daß das Rückkoppauf ein anderes in derselben Schaltung verwandtes 45 lungssignal linear und konstant bezüglich einer Tempe-Halbleitermateriai kompensiert wird, wie es in der US- raturänderung über einen weiten Temperaturbereich PS 29 51 208 beschrieben wird. ist.

Es ist bekannt, piezoelektrische Wandler zum Antrieb Mit Hilfe einer Kraftantriebsschaltung etwa in Form des Zittermechanismus eines Ringlasergyroskops zu eines Leistungsverstärkers wird sodann der piezoelekverwenden. Wie es oben beschrieben wurde, ist es not- 50 trische Wandler betrieben. In einer Rückkopplungswendig, ein Ringlasergyroskop zum Zittern zu bringen, schleife zu dieser Kraftantriebsschaltung liegt die Komum eine Verriegelung der entgegengesetzt gerichteten bination aus dem Widerstandselement und dem tempe-Lichtwellen zu vermeiden. Diese Verriegelung wird raturempfindlichen Widerstandselement. In dieser dann hervorgerufen, wenn die Winkelgeschwindigkeit Rückkopplungsschleife liegt vorzugsweise als Schaldes Ringlasergyroskops sich einem minimalen Wert nä- 55 tungseinrichtung eine Komparatorschaltung, durch die hert und aufgrund der Rückstrahlung die im Uhrzeiger- sodann der Leistungsverstärker für das piezoelektrische sinn und entgegen dem Uhrzeigersinn rotierenden Element gesteuert wird.

Lichtwellen mit der gleichen Frequenz erscheinen und Bei einer derartigen Anordnung liegt über dem oder daher auf dieser Frequenz verriegeln, was das Aus- den nichtlinearen piezoelektrischen Antriebselementen gangssignal des Ringlasergyroskops unbrauchbar 60 eine Spannung, die durch die Rückkopplungsschaltung macht. Um das zu vermeiden, kann der Ringlaser an wahrgenommen wird. Wenn etwa die Biegung des Bieeinem Zittermechanismus angebracht werden, der eine geelementes, das über das piezoelektrische Element beVielzahl von Biegefederelementen umfaßt. Ein Beispiel trieben wird, einen bestimmten Wert erreicht, der durch eines derartigen Zittermechanismus ist in der US-PS das erste Widerstandselement wahrgenommen wird, 41 15 004 beschrieben. Der Zittermechanismus kann da- 65 vergleicht der Komparatorverstärker in der Rückkoppdurch betrieben werden, daß eine Spannung über die lungsschleife das Signal mit einem Gleichspannungssipiezoelektrischen Kristalle gelegt wird, die auf den Au- gnal und gibt ein Korrektursignal an den Ausgang eines ßenflächen der Federelemente angebracht sind. Leistungsverstärkers, um die Amplitude der durch die

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durch die piezoelektrischen Antriebselemente verur- gerichteten Biegefederelementen 42,44, 46 und 48. die

sachten Versetzung zu steuern. Vorzugsweise sind das den ersten mittleren toroidalen Ring 38 an einer inneren ;

erste Widerstandselement und das zweite temperatur- Befestigungsnabe 50 anbringen, an der das Gyroskop 10 ■...

empfindliche Element, das ebenfalls in Form eines Wi- befestigt ist. Der erste mittlere toroidale Ring 38 ist

derstandselementes ausgebildet ist, in Form einer Brük- 5 gleichfalls an einem äußeren toroidalen Ring (anzutrei-

kenschaltung miteinander kombiniert, um so ein kon- bende Masse) 51 über das zweite Federsystem 18 ange-

stantes Rückkopplungssignal bezüglich der Tempera- bracht, das von vier Federelementen 52, 54, 56 und 58

turänderungen zu liefern. gebildet wird, die vom ersten toroidalen Ring 38 radial

Besonders gute Ergebnisse haben sich bei der An- nach außen zu dem äußeren toroidalen Segmentring 51

wendung des piezoelektrischen Wandlerantriebs auf ein 10 verlaufen. Der äußere toroidale Ring 51 bildet einen Teil

Ringlasergyroskop ergeben. In diesem Falle bilden das des Gegengewichtes 16, wie es später beschrieben wird,

oder die Biegeelemente einen Teil eines Aufhängesy- An der ersten Biegeplatte 36 ist eine zweite Biege-

stems für ein Ringlasergyroskop zum Erzeugen eines platte 60 befestigt, die einen äußeren toroidalen Ring 61

Zitterns des Ringlasergyroskops. Vorzugsweise beste- aufweist, der koaxial zum äußeren toroidalen Ring 51 ;

hen hierbei die Biegeelemente aus flachen dünnen Steg- 15 der ersten Biegeplatte angeordnet ist Der äußere toroi- ;

elementen. dale Ring 61 ist über das dritte Federsystem 20 aus ύ-

Im folgenden werden anhand der Zeichnung bevor- radial nach innen gerichteten Biegefederelementen 62,

zugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläu- 64,66 und 68 an einer inneren Nabe 70 angebracht die \

tert. koaxial zur inneren Nabe 50 der ersten Biegeplatte 36

F i g. 1 zeigt in einer auseinandergezogenen Ansicht 20 angeordnet ist

ein Ringlasergyroskop mit einem über piezoelektrische Der äußere toroidale Ring 61 der zweiten Biegeplatte

Wandler betriebenen mechanischen Zittersystem. 60 bildet die zweite Masse des Gegengewichtes 16. Die-

F i g. 2 zeigt in einer Draufsicht ein einzelnes Biegefe- ser Ring 61 ist über mehrere Schrauben 63 an dem

derelement mit einem piezoelektrischen Element, einem äußeren toroidalen Ring 51 angebracht Jede Biegeplat-

Widerstandselement und einem zweiten temperatur- 25 te 36,60 weist eine in der Mitte angeordnete öffnung 74

empfindlichen Widerstandselement die daran ange- und 75 jeweils auf, durch die ein Biegestift 76 geht, der

bracht sind. von der unteren Außenfläche einer Gyroskopbefesti-

F i g. 3 zeigt in einer grafischen Darstellung ein typi- gungsplatte 78 ausgeht. Das äußerste Ende des Stiftes sches Ausgangssignal eines piezoelektrischen Elements, 76 ist mit einem Gewinde versehen, um eine Sechskanteines Widerstandselementes und eines temperaturemp- 30 mutter 80 aufzunehmen, die zusammen mit den Schraufindlichen Widerstandselementes. ben 63 und 72 die erste und die zweite Biegeplatte 36

F i g. 4 zeigt das schema tische Schaltbild einer Kraft- und 60 zu einer Aufhängeeinrichtung kombiniert

antriebsschaltung zum Be reiben des piezoelektrischen Auf der Gyroskopbefestigungsplatte 78 ist mit

Wandlers. Schrauben 82 das Gyroskop 10 befestigt das in einem I

In F i g. 1 ist ein Zittermechanismus mit einem Dreife- 35 Körper 84 ausgebildet sein kann, der mit vier nicht dar- ' dersystem dargestellt wie es dazu verwandt wird, ein gestellten Durchgängen oder Kanälen versehen ist die Ringlasergyroskop 10 zum Zittern zu bringen. In dieses im Körper 84 so angeordnet sind, daß sie einen geSystem ist eine Ausführungsform eines piezoelektri- schlossenen rechteckigen Laserweg bilden. Die Kanäle sehen Wandlerantriebs eingebaut Ein Zweifedersystem, sind dicht verschlossen und enthalten ein Gasgemisch das gleichfalls mit einem piezoelektrischen Wandleran- 40 aus annähernd 90% Helium und 10% Neon bei einem trieb ausgebildet werden kann, ist in der US-PS Unterdruck von annähernd 3 Torr, wobei der Atmo-41 15 004 dargestellt Für die Anwendung des piezo- sphärendruck annähernd 760 Torr beträgt
elektrischen Wandlerantriebs auf ein Ringlasergyro- In F i g. 2 ist in einer Draufsicht ein typisches Biegefeskop ist es von geringer Bedeutung, ob der Zittermecha- derelement beispielsweise das Element 58, dargestellt nismus einen einzigen Federsatz, ein Doppelfedersy- 45 An einer ebenen Breitseitenfläche des dünnen Biegestestem oder ein Drei- oder Mehr-Federsystem verwendet ges, der das Federelement 58 bildet ist ein piezoelektri-

Wie es in F i g. 1 dargestellt ist ist das Ringlasergyro- sches Kristallelement 86 angebracht Das piezoelektri-

skop 10 über ein erstes Federsystem 14 in einem Gehäu- sehe Element 86 kann mittels irgendeines bekannten

se 12 angebracht Das Gehäuse 12 ist gleichfalls an ei- Verbindungsverfahrens angebracht sein, wobei nicht

nem Gegengewicht 16 über ein zweites Federsystem 18 50 dargestellte Drähte von diesem Element ausgehen. Auf ^;

angeordnet während das Gegengewicht 16 seinerseits der gegenüberliegenden Seite des Federelementes 58 ist

über ein drittes Federsystem 2Ö mit dem Gyroskop i0 ein Wldersiandselernent 88, beispielsweise ein Dch-

verbundenist nungsmeßstreifen angebracht beispielsweise aufge-

Das Gehäuse 12 wird von einer ebenen rechteckigen klebt Die Zuleitungsdrähte sind wiederum nicht darge-

Grundplatte 22 mit Seitenwänden 24 gebildet, die einen 55 stellt Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist

geschlossenen und durch einen nicht dargestellten der Dehnungsmeßstreifen ein positiver linearer Deh-

rechteckigen Deckel dicht verschlossenen Hohlraum nungsmeßstreifen. Schließlich ist ein temperaturemp-

bilden. Die rechteckige Grundplatte 22 ist mit einer öff- findliches Widerstandselement 90 an dem mittleren to- >

nung 32 versehen, die von einem toroidalgeformten Be- roidalen Ring 38 angebracht Das temperaturempfindli- '

festigungskragen 34 umgeben ist Auf dem Kragen 34 ist 60 ehe Element kann ein Negativ-, Positiv- oder Null-Ther-

eine erste Biegeplatte 36 angebracht, die das erste und mistor, NPO-Thermistor, der durch Kleben angebracht ~ -

das zweite Federsystem 14 und 18 jeweils enthält ist oder ein zweiter Dehnungsmeßstreifen sein. Bei ei-

Die Biegeplatte 36 besteht aus einem ersten mittleren nem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das tempera- '

toroidalen Befestigungsring (feste Masse) 38, der ko- turempfindliche Element ein positiver linearer Deh- ^

axial zum Kragen 34 angeordnet und daran über mehre- 65 nungsmeßstreifen aus dem gleichen Material wie das .-

re Schrauben 40 angebracht ist Dadurch wird der mitt- Widerstandselement 88.

lere Ring 38 zu einem Teil des Gehäuses 12. Das erste Der piezoelektrische Wandlerantrieb, der von dem -«

Federsystem 14 besteht aus vier radialen nach innen piezoelektrischen Element 86, dem Widerstandselement g

88 und dem zweiten Widerstandselement 90 gebildet wird, kann entweder am ersten Federsystem 14 oder am zweiten Federsystem 18 angebracht sein. Es versteht sich, daß das jeweilige Federsystem, an dem der Wandlerantrieb angebracht ist, kaum Folgen hat. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß jede Biegefeder 52,54,56 und 58 beispielsweise ein piezoelektrisches Antriebselement benötigt, während nur eine Feder, beispielsweise die Feder 54 in F i g. 1, ein Widerstandselement 88 benötigt. Es ist weiterhin auch nur ein temperaturempfindliches Element 90 erforderlich. Der Grund dafür besteht darin, daß jeder Steg über ein Antriebselement 86 betrieben werden muß, während nur ein Rückkopplungselement 88 erforderlich ist Wenn tatsächlich vier Rückkopplungselemente verwandt wurden, ergäbe sich eine Unregelmäßigkeit, die das Antriebssystem beeinträchtigen würde. Obwohl das temperaturempfindliche Element 90 irgendwo angebracht werden kann, ist es wünschenswert es am Hauptrahmen oder bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf dem toroidalen Ring 38 anzubringen, der am Gehäuse 12 angebracht ist. Bei einer derartigen Anordnung ist das temperaturempfindliche Element keiner Spannung oder Dehnung ausgesetzt die durch das Betreiben der Biegefederelemente hervorgerufen wird.

Wie es in F i g. 3 dargestellt ist, folgt der Ausschlag oder die Verformung Φ des piezoelektrischen Elementes 86 keiner linearen Kurve bezüglich der Temperatur T. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Ausgangswiderstand R\ des Widerstandselementes 88 die Neigung, mit der Temperatur zuzunehmen, während der Ausgangswiderstand /?2 des temperaturempfindlichen Elementes 90 gleichfalls die Neigung hat mit steigender Temperatur zuzunehmen. Das Verhältnis dieser beiden Signale bildet daher eine konstante und lineare Funktion mit der Temperatur, wie es mit R\IRi dargestellt ist

Eine typische schematische Darstellung, in welcher Weise ein Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Wandlerantriebes verwandt werden kann, ist in F i g. 4 dargestellt Ein Antriebssignal in Form eines Wechselspannungssignals wird durch einen Sinuswellengenerator 92 erzeugt, dessen Signal an einer Modulatorschaltung 94 liegt Der Ausgang der Modulatorschaltung 94 ist mit dem positiven Eingang eines Leistungsverstärkers 96 verbunden, dessen zweiter negativer Eingang an Masse liegt während sein Ausgang mit einer Anschlußklemme jedes piezoelektrischen Wandlers 86 verbunden ist Wie es in F i g. 4 dargestellt ist kann irgendeine Zahl N von Wandlern verwandt werden, um den Zittermechanismus anzutreiben, was von der Anzahl der Federn abhängt die im System erwünscht sind. Das Widerstandselement 88, das sich an der gegenüberliegenden Außenfläche des Steges 58 befindet, ist mit dem piezoelektrischen Wandler 86 über ein mechanisches Verbindungsglied verbunden, das von dem Steg gebildet wird, wie es durch die unterbrochene Linie 58' dargestellt ist Ein Anschluß des Widerstandselementes 88 liegt an Masse, während sein zweiter Anschluß mit dem positiven Eingang eines Temperaturnachlaufverstärkers 98 verbunden ist Der positive Eingang dieses Verstärkers liegt gleichfalls über das zweite temperaturempfindliche Widerstandselement 90 an einer Vergleichspotentialquelle 100. Die Vergleichspotentialquelle 100 ist über einen Widerstand 102 mit dem negativen Eingang des Verstärkers 98 verbunden. Der negative Eingang liegt dann über einen Widerstand 104 am Ausgang des Verstärkers 98. der über einen Widerstand 106 mit dem negativen Eingang eines Regelverstärkers 108 verbunden ist. Der positive Eingang des Regelverstärkers 108 liegt an Masse, wodurch eine Eingangsbrückenschaltung gebildet ist, die das Widerstandselement 88, das temperaturempfindliche Element 90 und die Widerstände 102, iO4 und 106 enthält. Ein Rückkopplungswiderstand 110 liegt zwischen dem negativen Eingang des Verstärkers 108 und seinem Ausgang, der wiederum über ein Widerstandselement 112 mit der Source eines

ίο Feldeffekttransistorschalters 114 verbunden ist. Der Drain des Feldeffekttransistorschalters ist mit dem negativen Eingang eines Verstärkers 116 verbunden, der so ausgebildet ist, daß er als Wechselgleichspannungswandler wirkt. Der positive Eingang des Verstärkers 116 liegt an Masse. Der Ausgang des Verstärkers 116 ist über einen Rückkopplungskondensator 118 mit dem Drain des Feldeffekttransistorschalters 114 verbunden, während ein Rückkopplungswiderstand 120 zwischen der Ausgangsklemme des Verstärkers 116 und der Source des Feldeffekttransistorschalters 114 liegt

Der Ausgang des Verstärkers 116 ist gleichfalls mit dem positiven Eingang eines Komparatorverstärkers 122 verbunden, dessen negativer Eingang mit dem verstellbaren Anschluß eines Potentiometers 124 verbunden ist Die festen Anschlüsse des Potentiometers 124 sind über eine Gleichspannungspotentialquelle 126 geschaltet. Der Ausgang des !Comparators (Komparatorverstärkers) 122 ist mit dem Modulator 94 verbunden, so daß sich eine Gegenkopplungsschleife ergibt Das Ausgangssignal des Sinuswellengenerators 92 liegt an einem Rechteckwellengenerator 128 und anschließend am Gate des Feldeffekttransistorschalters 114, um den Schaltkreis zu schließen.

Während des Betriebes wird das Gleichspannungssignal vom Komparator 122 mit dem Wechselspannungssignal vom Sinuswellengenerator 92 am Modulator 94 moduliert. Dieses modulierte Signal liegt am Leistungsverstärker 96 und anschließend an den piezoelektrischen Wandlerkristallen 86. Die Spannung über den Kristallen 86 bewirkt eine Biegung der Feder 58, die durch den Dehnungsmeßstreifen 88 wahrgenommen wird, um die am Temperaturnachlaufverstärker 98 liegende Spannung zu verändern. Es ist ersichtlich, daß die Widerstände 102 und 104 in Form einer Brücke mit dem Widerstandselement 88 und 90 angeordnet sind. Wenn die Biegung des Widerstandselementes 88 gleich Null ist bleibt das Potential am positiven Eingang des Verstärkers 98 konstant. Wenn sich die Temperatur ändert, wird der Einfluß der Temperatur auf das Widerstandselement 88 durch die Wirkung der Temperatur auf das temperaturempfindliche Element 90 ausgeglichen. Wie es in Fig.3 dargestellt ist bleibt das Verhältnis der beiden Widerstandswerte konstant so daß das Potential am positiven Eingang des Verstärkers 98 durch die Temperatur nicht geändert wird.

Das Ausgangssignal vom Temperaturnachlaufverstärker geht durch den Regelverstärker 108 und liegt an der Source des Feldeffekttransistorschalters 114. Der Feldeffekttransistorschalter wird mit derselben Frequenz wie der Modulator 94 über den Rechteckwellengenerator 128 betrieben, um ein Signal an den Wechseigleichspannungswandler 116 zu legen. Dieses Signal liegt dann am Komparator 122, wo es mit einer Vergieichsgleichspannung verglichen wird, die vom Potentiometer 124 geliefert wird. Aufgrund des Komparators 122 nimmt dessen Ausgangssignal zu, wenn das Gegenkopplungssignal an seinem positiven Eingang unter einen vorbestimmten Wert abnimmt Umgekehrt wird das

Ausgangssignal abnehmen, wenn das Gegenkopplungssignal am positiven Eingang über einen vorbestimmten Wert zunimmt. Über diese Schaltung folgt das Widerstandselement 88 dem Ausgangssignal der piezoelektrischen Kristalle 86 unabhängig von der Temperatur auf- grund des temperaturempfindlichen Elementes 90. Der Ausgangssignalpegel der piezoelektrischen Kristalle 86 ist aufgrund der Möglichkeit der Einstellung am Potentiometer 124 unabhängig von konstruktiven Unregelmäßigkeiten. Die Rückkopplungsschleife liefert somit eine Schaltung, die die Ausschlagsamplitude genau steuert, die von den piezoelektrischen Kristallen 86 hervorgerufen wird und die unabhängig von der Temperatur und Änderungen in dem Material ist, das zum Aufbau dieser Kristalle verwandt wird.

Wie es oben beschrieben wurde, kann die Anzahl der piezoelektrischen Elemente in Abhängigkeit von der Anzahl der verwandten Biegefedern variieren. Es ist weiterhin nicht notwendig, einen positiven Dehnungsmeßstreifen 90 zu verwenden, um das Ausgangssignal des Widerstandselementes 88 in der in F i g. 3 dargestellten Weise zu kennzeichnen. Ein Thermistor mit negativen Koeffizienten kann statt dessen verwandt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Wandlerantrieb, insbesondere zum temperaturkompensierten Antrieb der Zitterbewegung eines Ringlasergyroskops, mit einem Biegeelement, einem piezoelektrischen Element, das an dem Biegeelement angebracht ist, sowie einem oder mehreren Abtastelementen, die mit dem Biegeelement gekoppelt sind und Ober eine Rückkopplungsschleife einen Verstärker zum Betrieb des piezoelektrischen Elements steuern, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (58) zwischen einer festen und einer anzutreibenden Masse (38 bzw. 51) liegt und mit beiden Massen verbunden ist, daß an dem Biegeelement als Abtastelement ein Widerstasdselement (88) angebracht ist, daß in der Nähe des piezoelektrischen Elements (86) und des Widerstandselements (88) ein temperaturempfindliches Element (90) angebracht ist, daß das Widerstandselement (88) und das temperaturempfindliche Element (90) in der Rückkopplungsschleife zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals liegen, daß eine Bezugseinrichtung (124,126) vorgesehen ist, die ein Vergleichssigna! bildet, daß eine Schaltungseinrichtung (Komparatorverstärker 122) in der Rückkopplungsschleife vorgesehen ist, um das Ausgangssignal des Verstärkers (96) durch einen Vergleich des Rückkopplungssignals mit dem Vergleichssignal festzulegen und dadurch die Bewegung des piezoelektrischen Elements (86) und des Biegeelements (58) zu steuern.

2. Piezoelektrischer Wandlerantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung aus einem Komparatorverstärker (122) besteht

3. Piezoelektrischer Wandlerantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (86) ein Kristall ist, daß das Widerstandselement (88) ein Dehnungsmeßstreifenelement ist, daß das temperaturempfindliche Element (90) ein zweites Dehnungsmeßstreifenelement ist und daß die Rückkopplungsschleife eine Gegenkopplungsschleife ist.

4. Piezoelektrischer Wandlerantrieb nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (58) ein dünner flacher Steg ist, der die feste Masse (38) mit der Masse (51) verbindet, die in einer Schwingbewegung angetrieben werden soll, daß das piezoelektrische Element (86) an einer ebenen Außenfläche auf einer Seite des Biegeelementes (58) angebracht ist, daß das Widerstandselement (88) an einer ebenen Außenfläche auf der gegenüberliegenden Seite des Biegeelementes (58) angebracht ist, und daß das temperaturempfindliche Element (90) an der festen Masse (38) angebracht ist.

5. Piezoelektrischer Wandlerantrieb nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Biegeelementen (52,54,56,58), die die feste Masse (38) mit der angetriebenen Masse (51) verbinden, vorgesehen sind, daß an jedem Biegeelement (52,54,56,58) ein entsprechendes piezoelektrisches Element (86) angebracht ist, daß nur an einem Biegeelement (52,54,56,58) ein Widerstandselement (88) angebracht ist und daß nur ein temperaturempfindliches Element (90) an der festen Masse (38) angebracht ist.

6. Piezoelektrischer Wandlerantrieb nach einem

der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (88) und das temperaturempfindliche Element (90) in Form einer Brücke in die Rückkopplungsschleife geschaltet sind, um ein von der Temperatur abhängiges Rückkopplungssignal zu liefern.

7. Piezoelektrischer Wandlerantrieb nach einem der Ansprüche 1 —6, gekennzeichnet durch eine Wechselspannungsquelle (92,128), wobei das Rückkopplungssignal ein Wechselspannungssignal ist, eine Wechselspannungsgleichspannungswandlerschaltung (116) in der Rückkopplungsschleife, um ein Gleichspannungsrückkopplungssignal zu erzeugen, den Komparatorverstärker (112) in der Rückkopplungsschleife, der das Gleichspannungsrückkopplungssignal mit dem Vergleichssignal vergleicht und ein Korrektursignai erzeugt, und durch eine mit dem Wechselspannungssignal betriebene, in der Rückkopplungsschleife liegende Modulationseinrichtung (94), in der das Korrektursignal durch das Wechselspannungssignal moduliert und sodann auf den Verstärker (96) gegeben wird.

8. Piezoelektrischer Wandlerantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Biegeelemente (52,54,56, 58) Teil eines Aufhängesystems für ein Ringlasergyroskop zum Erzeugen eines Zitterns des Ringlasergyroskops sind.