DE3615930A1

DE3615930A1 - Vorrichtung zum einstellen der lage eines spiegels

Info

Publication number: DE3615930A1
Application number: DE19863615930
Authority: DE
Inventors: Menno Dover Mass. Koning
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1985-06-03
Filing date: 1986-05-12
Publication date: 1986-12-04
Also published as: JPS62122187A; GB2176336A; SE8602114D0; SE8602114L; SE462663B; JPH0142153B2; FR2582803B1; US4969726A; GB8610344D0; DE3615930C2; FR2582803A1; GB2176336B

Description

Northrop Corporation Los Angeles, California 9oo67, V.St.A.

Vorrichtung zum Einstellen der Lage eines Spiegels

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen der Weglänge eines Ring-Lasergyroskops, insbesondere unter Nutzung der diametralen Kontraktion von piezoelektrischen Scheiben (kurz: Piezoscheiben) für die Spiegelbewegung.

Die optische Weglänge in einem Ring-Lasergyroskop muß exakt eingestellt sein, um ein akzeptables Betriebsverhalten des Gyroskops zu gewährleisten. Die Weglänge wird üblicherweise durch piezoelektrische Elemente geregelt, die die Lage eines beweglichen Spiegels im Hohlraum des Ring-Lasergyroskops einstellen. Bei bekannten Konstruktionen sind Piezoscheiben aufeinandergestapelt, und die Spiegelbewegung wird durch Änderungen der Dicken der Piezoscheiben bewirkt. Wenn an eine solche Scheibe eine Spannung angelegt wird, nimmt ihre Dicke zu. Größe und Polarität der an solche Scheiben angelegten Spannung sind vom Laserausgang abgeleitet, um eine optimale Laserverstärkung und -frequenz zu unterhalten. Die Weglängen-Einstellvorrichtung muß Abmessungsänderungen im Ring-Lasergyroskopblock und den Spiegeln, die sich z. B. aufgrund von Temperaturschwankungen oder Instabilitäten in den Werkstoffen ergeben, ausgleichen. In einem typischen Anwendungsfall beträgt die Höchststrecke,

über die der Spiegel einzustellen ist, ca. 2,54 /im. Die erforderliche Genauigkeit und Auflösung der Spiegelbewegung liegt typischerweise unter 0,0254 pm.

Wenn sich der Spiegel zur Einstellung der Weglänge bewegt, muß die von den Laserstrahlen gebildete Ebene im wesentlichen unveränderlich in ihrer Lage in bezug auf Reflexionsflächen des Spiegels, die Öffnung im Laserstrahlengang und die Laserelektroden bleiben, weil jede Änderung

IQ- der Lage dieser Ebene auch den Laserverstärkungsfaktor und die Laservorspannungsbedingungen ändert. Eine Formänderung des Laserblocks infolge von Beschleunigungen oder thermischer Änderung in einer quer zur Laserebene verlaufenden Richtung bewirkt eine relative Verschiebung der Ebene. Bei

l§ kleinen Ring-Lasergyroskopen mit einer Gesamtweglänge von z. B. weniger als 38,1 cm kann der Laserblock ausreichend starr gemacht werden, um eine übermäßige Verschiebung der Laserebene infolge von Verwindungen des Blocks auszuschließen. In diesem Fall ist der Hauptgrund für Änderungen der

on Laserebene die Unfähigkeit der piezoelektrischen Weglängen-Einstellvorrichtung, den Spiegel exakt nur in der Ebene der Laserstrahlen zu bewegen. Ungleiche Zustände der Piezoelemente und Ungenauigkeiten in den Abmessungen der gefertigten Teile der Vorrichtung führen zu einem Verkanten bzw. Kippen des Spiegels, wenn er bewegt wird, um die Weglänge einzustellen, und dieses Kippen bewirkt eine Änderung der Lage der Laserebene.

Aufgabe der Erfindung ist somit die Bereitstellung einer Q präzisen Weglängen-Einstellvorrichtung in einem Ring-Lasergyroskop unter Minimierung der Spiegelverkantung; dabei soll diese Vorrichtung mechanisch einfach ausgebildet sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine or Vorrichtung zum Einstellen der Weglänge, die Piezoscheiben aufweist. Die Piezoscheiben sind in konischen Elementen angeordnet, deren eines am Zentrum einer Spiegelmembran und deren anderes an einer Außenseite oder Bezugsfläche des

Spiegels befestigt ist. Elektroden sind an den Piezoscheiben befestigt. Wenn an die Scheiben eine Spannung angelegt wird, erfolgt eine Kontraktion des Scheibendurchmessers. Die Kontraktion der Scheiben wird unter mechanischer Verstärkung in eine erwünschte Linearbewegung durch Formänderung der konischen Elemente umgesetzt. Auf diese Weise wird das Zentrum des Spiegels in einer Geraden in der Ebene der Laserstrahlen gegen die Steifigkeit der Spiegelmembran mit Zug beaufschlagt, was in einer Spiegelbewegung ohne Verkanten resultiert.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erfindung, wobei die Funktionsprinzipien veranschaulicht sind; und

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. 20

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sollen zunächst die Prinzipien erläutert werden, auf denen die Erfindung basiert. Wie bereits gesagt, wird die Weglänge in einem Ring-Lasergyroskop durch die Anordnung einer Spiegelfläche, z. B. einer Spiegelfläche 10, bestimmt. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die Spiegelfläche 10 in einem Ring-Lasergyroskop-Hohlraum (nicht gezeigt) angeordnet ist, um die Weglänge einzustellen. Die Spiegelfläche 10 bildet einen Teil

₃Q einer Spiegelmembran 12. Die Spiegelmembran 12 ist an einer Halterung 14 starr festgelegt. Innerhalb der Halterung 14 sind ein oberes konisches Element 16 und ein unteres konisches Element 18 angeordnet. Zwischen den konischen Elementen befindet sich eine piezoelektrische oder piezokera-

g₅ mische Scheibe 20. Eine geeignete Piezoscheibe besteht aus Bleizirkonat-Titanat mit einem Durchmesser von 17,8 mm und einer Dicke von 0,5 mm. Wenn über die Dicke der Scheibe eine Spannung von 500 V angelegt wird, erfährt die Scheibe

eine diametrale Kontraktion von ca. 5,08 ^uiti. Es ist zu beachten, daß die Kontraktion der Scheibe 20 eine verstärkte Verschiebung der Spiegelfläche 10 entlang der Richtung X zur Folge hat. Bei einer Scheibe mit einem Radius R, wobei die konischen Elemente 16 und 18 einen Längenabschnitt L haben, gilt: dX/dR = R/V L²-R²' , da X =V L²-R² . Es ist ersichtlich, daß sich die Verstärkung dX/dR unendlich nähert, wenn der Winkel <X. nach Null geht. Aus praktischen Erwägungen in bezug auf Fertigungstoleranzen der Teile und

^O Grenzen der Werkstoffbeanspruchung ist der Winkel 0(, so gewählt, daß er ca. 10° beträgt. Bei einer typischen Anwendung mit R = 8,9 mm und L = 9.03 mm ist die Verstärkung dX/dR = 5,7. D. h., Änderungen der Abmessung X entsprechen ungefähr den 5,7fachen Änderungen der Abmessung R. Diese mechanische Verstärkung resultiert aus der geometrischen Konfiguration. Ferner ist die Konfiguration weniger anfällig für Fehler, die aus Querbeschleunigungen resultieren, und der Spiegel bewegt sich in einer sehr gut wiederholbaren Weise. Im theoretischen Fall der perfekten Passung

2Q zwischen den Teilen und unendlich steifen Elementen würde die Spiegelverschiebung beim Anlegen von 500 V an die Scheibe 20 28,95 pm oder 0,058 jum/V betragen. Die Beziehung zwischen angelegter Spannung und Bewegung der Spiegelfläche 10 ist im wesentlichen linear und wiederholbar. Durch die mechanische Verstärkung wird ferner die für einen befriedigenden Betrieb erforderliche Spannung über die Scheibe vermindert.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird ein Paar Piezo-OQ scheiben 3 0 und 32 verwendet. An den Piezoscheiben 30 bzw. 32 sind Elektroden 34 bzw. 36 befestigt. Zuleitungen 38 und 40 erlauben das Anlegen von Spannungen an die Scheiben 3 0 und 32. Bei dieser Ausführungsform hat ein unteres konisches Element 4 2 einen Abschnitt 44, der an einem Vorsprung gg 46 der Spiegeleinheit 48 befestigbar ist. Die Scheiben 30 und 32 sind in die konischen Elemente 42 und 50 unter Vorspannung eingesetzt, was durch Druckbeaufschlagen der Mitten der konischen Elemente 42 und 50 beim Einsetzen der

Scheiben erreicht wird. Die Vorspannung gewährleistet eine gute schlupffreie Passung zwischen den Teilen. Bei der Endmontage wird das konische Element 42 um einen vorbestimmten Betrag gegen den Spiegelvorsprung 46 vorgespannt.

Wenn im Betrieb die Position einer Spiegelfläche 52 geändert werden soll, um die Weglänge in einem Ring-Lasergyroskop einzustellen, wird an die Elektroden 34 und 36 eine Spannung angelegt. Wie bereits erläutert, bewirkt diese IQ Spannung eine diametrale Kontraktion der Piezoscheiben 30 und 32. Aufgrund der in einer mechanischen Verstärkung resultierenden geometrischen Konfiguration wird die Spiegelfläche 52 durch diese diametrale Kontraktion bewegt.

I^ Bei dieser Ausführungsform spielen die in einem piezokeramischen Teil inhärent vorhandenen üngenauigkeiten keine wesentliche Rolle, da die konischen Elemente 42 und 50 sich an den Außenrand der Keramikscheibe infolge der Vorspannung und des Festsitzes anpassen. Ferner wird eine Wärmedehnung der Scheibe automatisch ausgeglichen, und es ist nicht notwendig, die Keramikteile mit anderen Teilen der Konstruktion sorgfältig abzustimmen. Die vorliegende Konstruktion nähert sich dem Idealzustand des Anlegens von Kräften zwischen dem Spiegelmittelpunkt und einem Festpunkt an der Halterung in wiederholbarer Weise. Die Anordnung resultiert in einer Bewegung der Spiegelfläche 52, wobei praktisch überhaupt kein Verkanten erfolgt. Anders als bei bekannten piezoelektrischen Anordnungen ist die vorliegende Anordnung relativ unempfindlich gegenüber Störungen infolge von

gO Vibrationen, Beschleunigungen und Stößen, da nur wenig Überhang vorhanden ist und die beweglichen Teile von biegesteifen Teilen abgestützt sind. Insbesondere sind die konischen Elemente 42 und 50 ausreichend steif gewählt, um hohe Eigenfrequenzen sicherzustellen.

1 Es ist somit ersichtlich, daß eine Vorrichtung zum präzisen Bewegen einer Spiegelfläche ohne gleichzeitiges Verkanten bzw. Kippen angegeben wird. Mit der Vorrichtung wird eine mechanische Verstärkung erhalten, und die Spiegelbewegung

5 ist sehr gut wiederholbar.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Einstellen der Lage eines Spiegels/ mit einer am Außenrand des Spiegels befestigten Halterung, gekennzeichnet durch zwei innerhalb der Halterung (14) angeordnete konische Elemente (16, 18), deren eines (18) an einem zentralen Teil des Spiegels und deren anderes (16) an der Halterung (14)

befestigt ist;

eine Piezoscheibe (20), die diametral an den konischen Elementen (16, 18) anliegt; und Mittel zum Anlegen einer Spannung an die Piezoscheibe, so daß eine diametrale Kontraktion der Piezoscheibe in einer linearen Bewegung der Spiegelfläche (10) resultiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Piezoscheiben (30, 32) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoscheiben (30, 32) aus Bleizirkonat-Titanat bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

65-740 557-Schö

daß die Mittel zum Anlegen einer Spannung an die Piezoscheiben Elektroden (34, 36) aufweisen, die an den Piezoscheiben (30, 32) befestigt sind.

5. Vorrichtung zum Einstellen der Lage eines Spiegels, ° mit einer am Außenrand des Spiegels befestigten Halterung, gekennzeichnet durch zwei innerhalb der Halterung angeordnete konische Elemente (42, 50), deren eines (42) an einem zentralen Teil (46) des Spiegels und deren anderes (50) an der Halterung befestigt ist; Piezoscheiben (30, 32), die diametral an den konischen Elementen (42, 50) anliegen; und Mittel (34, 36) zum Anlegen einer Spannung an die Piezoscheiben (30, 32), so daß eine diametrale Kontraktion der Piezoscheiben in einer linearen Bewegung der Spiegelfläche (52) unter mechanischer Verstärkung und im wesentlichen ohne Verkanten des Spiegels resultiert.