DE4212981A1

DE4212981A1 - Actuator with path measured by changing length of laser resonator - has two laser reflectors arranged in opposite spaces, with waveguide feeding beam from solid state laser for superimposing on reference laser for detection by diode

Info

Publication number: DE4212981A1
Application number: DE19924212981
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Phys Heinemann; Axel Dipl Ing Mehnert; Peter Dr Peuser; Nikolaus Dipl Phys Schmitt
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1992-04-18
Filing date: 1992-04-18
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2012-04-19
Also published as: DE4212981C2

Abstract

The actuator comprises a two-part moveable tubular element in which a diode pumped solid state laser is integrated. A laser mirror is mechanically connected to the first part. A second laser mirror (12) is rigidly located lying opposite a second part (20). A length alteration of the actuator (10) results in a frequency alteration of the laser (11, 12), which is interpreted as a measurement value of an actual length alteration. The laser radiation of the solid state laser (11, 12) is led out from the actuator across a light wave conductor (13) and is optically superimposed with the radiation of a reference laser (17). So that at a detector diode (18) a signal can be tapped, which corresponds to the differential frequency of the integrated solid state laser and the reference laser (17). ADVANTAGE - Determines actual displacement of actuator with high precision, and uses electronic processing to correct hysteresis.

Description

Der Stand der Technik kennt eine Anzahl der verschiedensten Aktuatorkon zeptionen, so z. B. piezoelektrische, magnetoelastische oder mikromecha nische. Piezoelektrische Aktuatoren bestehen im wesentlichen aus einer Keramik, auf welcher Elektroden so angebracht sind, daß bei Anlegen ei ner Hochspannung die Keramik eine Längenänderung im Sinne einer Ausdeh nung erfährt. Die Anwendung solcher Aktuatoren - beispielsweise zur Mi kropositionierung sehr kleiner Objekte - ist eng mit der Problematik verknüpft, die Stellwege präzise zu messen.The prior art knows a number of different actuator cones zeps, so z. B. piezoelectric, magnetoelastic or micromecha niche. Piezoelectric actuators essentially consist of one Ceramic, on which electrodes are attached so that egg e ner high voltage the ceramic a change in length in the sense of an expansion experience. The use of such actuators - for example for the Mi copropositioning of very small objects - is closely related to the problem linked to measure the travel precisely.

So weist zum Beispiel der piezoelektrische Effekt eine nicht zu vernach lässigende Hysteresis auf, welche zu einer systematischen Abweichung des Stellweg-Istwertes vom Sollwert führt. Diese Abweichung ist insbesondere von der Vorgeschichte der letzten Wegänderung bzw. deren Richtung abhän gig. Um eine Korrektur dieser Abweichung zu bewerkstelligen, ist es not wendig, die tatsächliche Stellwegänderung zu messen.For example, the piezoelectric effect does not neglect one casual hysteresis, which leads to a systematic deviation of the Actual travel value leads from the setpoint. This deviation is special depend on the history of the last change of route or its direction gig. In order to correct this deviation, it is necessary nimble to measure the actual travel change.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit einer integrierten Stellweg-Meßeinrichtung versehen ist, welche es ermöglicht, den tatsäch lichen Stellweg des Aktuators hochpräzise zu erfassen und einer ange schlossenen Auswertelektronik hiermit die Korrektur der systembedingten Hysteresis ermöglicht.The present invention has for its object an actuator to create the type mentioned, with an integrated Travel measuring device is provided, which enables the actual Liche travel of the actuator to record with high precision and one closed evaluation electronics hereby the correction of the system-related Hysteresis enables.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbei spiel erläutert, das in der Figur der Zeichnung in einem Schemabild skizziert ist. This object is achieved by the measures outlined in claim 1 solves. Refinements and developments are in the subclaims and an embodiment is given in the following description game explained that in the figure of the drawing in a schematic image is outlined.

Das in der Figur der Zeichnung skizzierte Ausführungsbeispiel für eine hochpräzise Stellwegmessung im Bereich bis kleiner als 1 nm sieht vor, daß beispielsweise in einem rohrförmigen Aktuatorgehäuse 10 ein Festkör perlaser derart integriert wird, daß ein in einer Fassung 19 gehalterter Laserspiegel oder ein verspiegelter Laserkristall 11 mit der einen Seite des Aktuators 10 mechanisch starr verbunden wird, demgegenüber ein zwei ter Laserspiegel 12 in oder an einem planen Bauelement 20 angeordnet ist und starr mit der anderen Seite des Aktuatorrohres in Kontakt gebracht wird. Bei der Ausführungsform mit einem Laserkristall 11 wird dieser über einen Lichtwellenleiter 15 und eine Optik 16 mittels einer Laser diode 14 optisch angeregt. Die Resonatorlänge muß hierbei hinreichend kurz sein oder eine hinreichend kurze Absorptionslänge im einseitig ver spiegelten Laserkristall aufweisen, so daß die Ausbildung eines longitu dinalen Single-mode-Laserbetriebes gewährleistet ist. Eine Längenände rung des Aktuators 10 führt somit zu einer Längenänderung des Laserreso nators und diese wieder zu einer Laser-Frequenzverschiebung. Die Laser spiegel oder - wie hier in dem Ausführungsbeispiel - der verspiegelte Laserkristall 11 und der zweite Laserspiegel 12 sind derart beschichtet, daß die Festkörper-Laserstrahlung durch die Glasfaser zurückgeleitet wird, so daß an einem Y-Zweig der Glasfaser 15 das Festkörperlasersignal abgenommen werden kann. Überlagert man nun dieses Signal des Festkörper lasers 11 mit einem Referenz-Festkörperlaser 17 derart, daß eine Fre quenzmischung stattfindet, so kann mittels einer Photodiode 18 ein HF-Signal erzeugt werden, das der Differenzfrequenz der beiden Laserfre quenzen entspricht.The approach presented in the figure of the drawing exemplary embodiment of a high-precision Stellwegmessung in the range up to less than 1 nm provides that a Festkör is perlaser integrated in such a way, for example in a tubular actuator housing 10 that a supported terter in a socket 19 laser mirror or a mirrored laser crystal 11 with one side of the actuator 10 is mechanically rigidly connected, in contrast a second laser mirror 12 is arranged in or on a flat component 20 and is brought rigidly into contact with the other side of the actuator tube. In the embodiment with a laser crystal 11 , this is optically excited via an optical waveguide 15 and optics 16 by means of a laser diode 14 . The resonator length must be sufficiently short or have a sufficiently short absorption length in the one-sided mirrored laser crystal, so that the formation of a longitu dinal single-mode laser operation is guaranteed. A length change tion of the actuator 10 thus leads to a change in length of the laser resonator and this again to a laser frequency shift. The laser mirror or - as here in the embodiment - the mirrored laser crystal 11 and the second laser mirror 12 are coated such that the solid-state laser radiation is returned through the glass fiber, so that the solid-state laser signal can be taken from a Y branch of the glass fiber 15 . If one superimposes this signal of the solid-state laser 11 with a reference solid-state laser 17 in such a way that a frequency mixing takes place, an RF signal can be generated by means of a photodiode 18 which corresponds to the difference frequency of the two laser frequencies.

Ist der Referenzlaser 17 mechanisch und thermisch hinreichend stabili siert, so daß eine Frequenzdrift im Meßbereich unter einer signifikanten Grenze bleibt, so ändert sich das Differenzfrequenzsignal linear mit der tatsächlichen Längenänderung des beispielsweise piezoelektrischen Aktua tors. Auf diese Weise kann bei einer Längenänderung des Aktuators ermit telt werden, ob und in welchem Umfang eine Hysterese aufgetreten ist. If the reference laser 17 is mechanically and thermally sufficiently stabilized so that a frequency drift in the measuring range remains below a significant limit, then the differential frequency signal changes linearly with the actual change in length of the piezoelectric actuator, for example. In this way, if the actuator changes length, it can be determined whether and to what extent hysteresis has occurred.

Das Differenzfrequenzsignal wird nach geeigneter Filterung an eine Re gelelektronik weitergeleitet, welche die tatsächliche, mit einer Hyste rese überlagerte Wegänderung kompensierend nachregelt, um die Abweichung des Istwertes vom Sollwert der Aktuatorlänge zu minimieren.The differential frequency signal is passed to a Re after suitable filtering gel electronics relayed the actual, with a hyster rese overlaid path change to compensate for the deviation to minimize the actual value from the setpoint of the actuator length.

Eine Wegänderung von 0,1 µm ergibt je nach Resonatorlänge eine Fre quenzverschiebung des Meßlasers von typisch 1 bis 10 GHz, wobei eine Un tergrenze der Auflösung durch die Linienbreiten der Laser von typisch < 10 kHz in 100 ms gegeben ist. Hieraus resultiert eine prinzipiell mögli che Auflösung bis in den Bereich eines Ångströms.A path change of 0.1 µm results in a Fre depending on the resonator length frequency shift of the measuring laser from typically 1 to 10 GHz, where an Un limit of the resolution due to the line widths of the lasers of typically < 10 kHz is given in 100 ms. In principle, this results in a possible resolution up to the range of an angular flow.

Eine weitgehende Entkopplung des Meßsignales von thermischen Driften wird dadurch erreicht, daß die Messung in sehr kurzen Zeiräumen nach der Stellwegänderung erfolgt, so daß die Frequenzänderung lediglich in einem sehr kurzen Zeitraum als signifikant ausgewertet wird, in welchem diese Frequenzänderung unter adiabatischen Randbedingungen angesehen werden kann. Bei der Wahl des signifikanten Meßzeitraumes ist einerseits die Linienbreite der Laser äußerst gering, andererseits darf eine hinrei chend thermische Stabilität über den kurzen Zeitraum angenommen werden. Der Einfluß einer Temperaturänderung beträgt typisch ca. 4 GHz/K; in ei nem Zeitraum von 100 ms sind thermische Stabilitäten von besser als 10 mK leicht möglich.Extensive decoupling of the measurement signal from thermal drifts is achieved in that the measurement in very short periods after the Travel change takes place so that the frequency change only in one very short period is evaluated as significant, in which this Frequency changes can be viewed under adiabatic boundary conditions can. When choosing the significant measurement period, the Line width of the lasers extremely small, on the other hand one is allowed thermal stability over the short period of time. The influence of a temperature change is typically approx. 4 GHz / K; in egg After a period of 100 ms, thermal stabilities of better than 10 mK easily possible.

Weitere Möglichkeiten der Kompensation thermisch induzierter Frequenzef fekte können durch bekannte Methoden des Phasenvergleiches bzw. des Su per-Heterodyning bei geeigneter Frequenz- oder Phasenmodulation der La ser erreicht werden.Further possibilities for the compensation of thermally induced frequencies fects can by known methods of phase comparison or Su per-heterodyne with suitable frequency or phase modulation of the La be achieved.

Bei einer vereinfachten Ausführungsform des Aktuators kann - sofern die relative Verschiebbarkeit der Elemente 11 und 12 durch konstruktive Maß nahmen gewährleistet ist - wenigstens eines der Elemente 11 und 12 auch direkt auf die Endflächen des Aktuatorrohres aufgeklebt werden; somit können die Raumelemente 19 und/oder 20 entfallen. In a simplified embodiment of the actuator - if the relative displaceability of the elements 11 and 12 is ensured by constructive measures - at least one of the elements 11 and 12 can also be glued directly onto the end faces of the actuator tube; thus the space elements 19 and / or 20 can be omitted.

Zusammenfassend besteht der vorbeschriebene Aktuator mit integrierter Stellwegmessung aus einem Aktuator 10, welcher im Ausführungsbeispiel piezoelektrisch ausgeführt ist, prinzipiell aber auch alle anderen Ak tuatorausführungen - wie mikromechanische etc. - einschließt, in oder an welchem ein Festkörperlaser 11 derart integriert ist, daß eine Längenän derung des Aktuators 10 in einer Frequenzänderung des Festkörperlasers 11 resultiert, wobei das optische Ausgangssignal des Festkörperlasers optisch heterodyn mit einem Referenzlasersignal fester Frequenz überla gert wird, so daß die Differenzfrequenz beider Lasersignale direkt pro portional der tatsächlichen Weglängenänderung des Aktuators ist. Das Differenzfrequenzsignal ist so das Eingangssignal für eine Regelelektro nik, welches eventuell auftretende Hysterese-Effekte des Aktuators aus regelt.In summary, the above-described actuator with integrated travel measurement consists of an actuator 10 , which is piezoelectric in the exemplary embodiment, but in principle also includes all other actuator designs - such as micromechanical etc. - in or on which a solid-state laser 11 is integrated in such a way that a change in length of the actuator 10 results in a frequency change of the solid-state laser 11 , the optical output signal of the solid-state laser being superimposed optically heterodyne with a reference laser signal of fixed frequency, so that the difference frequency of the two laser signals is directly proportional to the actual path length change of the actuator. The differential frequency signal is thus the input signal for a control electronics, which controls any hysteresis effects of the actuator.

Claims

1. Actuator, consisting of a two-part, mutually gene-displaceable, for example tubular, space element, characterized in that in this actuator ( 10 ) a tunable, diode-pumped solid-state laser is integrated in such a way that in a Raumele element ( 19 ) a laser mirror or a mirrored laser crystal ( 11 ) is mechanically rigidly connected and in the second space element ( 20 ) opposite a second laser mirror ( 12 ) is rigidly mounted, so that a change in length of the actuator results in a change in frequency of the laser ( 11 , 12 ), which is a measured variable an actual change in length is interpreted, the laser radiation from the solid-state laser ( 11 , 12 ) being guided out of the actuator via an optical waveguide ( 13 ) and being optically superimposed with the radiation from a reference laser ( 17 ), so that a signal is sent to a detector diode ( 18 ) It can be tapped what the difference frequency of the integrie the solid-state laser ( 11 , 12 ) and the reference laser (measuring laser) ( 17 ).

2. Actuator according to claim 1, characterized in that the resonator length of the solid-state laser ( 11 , 12 ) or the absorption length of the laser crystal ( 11 ) mirrored on one side is sufficiently short to allow longitudinal single-mode operation of the solid-state laser ( 11 , 12 ) or operation to ensure a few longitudinal modes.

3. Actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the solid-state laser ( 11 , 12 ) via an optical waveguide ( 13 ) by means of a semiconductor laser diode ( 14 ) via an optical system ( 16 ) is excited.

4. Actuator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the laser mirror or the mirrored laser crystal ( 11 ) and the second laser mirror ( 12 ) are coated such that the solid-state perlaser radiation is returned through the optical waveguide ( 13 ), so that the solid-state laser signal can be removed from a Y branch ( 15 ) of the glass fiber or the optical waveguide ( 13 ).

5. Actuator according to one of claims 1 to 4, characterized in net that the differential frequency signal as an input signal for a com compensation circuit for regulating the travel hysteresis.

6. Actuator according to one of claims 1 to 5, characterized in net that for decoupling the measurement signal from thermal drift effects, the frequency measurement in very short periods of time after the change of travel is carried out.