DE19519161A1

DE19519161A1 - Piezoelektrische Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE19519161A1
Application number: DE1995119161
Authority: DE
Inventors: Duncan Rowe
Original assignee: GEC Marconi Ltd; Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 1995-11-30
Also published as: GB2289773A; GB9510536D0; GB2289773B; FR2720521A1; FR2720521B1; GB9410439D0

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Abtastvorrich tung und insbesondere eine Abtastvorrichtung zum Abtasten eines Spiegels.

Verfahren zum Abtasten eines optischen Spiegels mittels piezoelektrischer Betätigungseinrichtungen sind bekannt. Ein Beispiel einer derartigen Abtastvorrichtung ist in Fig. 1 gezeigt. Sie umfaßt vier piezoelektrische Platten elemente 1, die über ein flexibles Gelenk 2 an einem Spie gel 3 befestigt sind. Jedes Plattenelement 1 umfaßt zwei piezoelektrische Platten, die so befestigt sind, daß eine an den Zentrumskontakt angelegte Spannung das Plattenelement dazu bringt, sich zu verbiegen. Eine Zwei-Achsen-Bewegung über relativ kleine Abtastwinkel ist möglich.

Im allgemeinen müssen die Plattenelemente um so größer sein, je größer der erforderliche Abtastwinkel ist, und infolge dessen müssen die Plattenelemente, um große Winkel abzuta sten, oft flächenmäßig größer sein als der Spiegel, der abgetastet wird. Oft ist nicht erwünscht, daß der Platten elementmechanismus eine größere Fläche als die Spiegelöff nung bedeckt, und zwar aufgrund von Raumknappheit innerhalb des optischen Systems und insbesondere dann, wenn mehrere derartige Abtastvorrichtungen in einem Feld angelegt werden sollen. Die Erfindung gestattet größere Abtastwinkel inner halb eines begrenzten Bereiches.

Die Erfindung schafft eine piezoelektrische Abtastvorrich tung mit einem abzutastenden Bauteil und einem Paar von piezoelektrischen Plattenelementen, die sich transversal zum Bauteil erstrecken und an einem Ende auf ein Aufbauelement wirken, das mit dem Bauteil verbunden ist, wobei die Platten elemente ausgelegt sind, so zu verbiegen, daß ihre Enden auf das Aufbauelement zu oder von diesem weg gedrängt werden, wenn Spannung angelegt ist, und wobei die Positionen entlang des Aufbauelementes, an welchen die Enden der Plattenelemen te wirken, versetzt sind, um das Bauteil zu veranlassen, sich zu drehen, wenn die Enden aufeinander zu oder vonein ander weg gedrängt werden.

Die transversale Anordnung der piezoelektrischen Plattenele mente gestattet es, größere Winkelablenkungen des Bauteils in einer Anordnung zu erzielen, in welcher sich die Platten elemente nicht über die lateralen Abmessungen der Oberfläche hinaus erstrecken, wie es beispielsweise im Fall eines Fel des von Elementen wünschenswert wäre, da in diesem Fall die Länge der Elemente nicht durch die lateralen Abmessungen der Oberfläche eingeschränkt sein würde.

Das abzutastende Bauteil kann ein Spiegel sein.

Um dem Bauteil zu erlauben, sich um zwei orthogonale Achsen drehen zu können, kann ein zweites Paar von Plattenelementen vorgesehen sein.

Vorteilhafterweise wirken die Enden der Plattenelemente auf das Aufbauelement über elastische Bauteile, zum Beispiel aus Silicongummi. Das Aufbauelement kann ein sich von der Rück seite der Oberfläche aus erstreckender Pfosten sein. Ab standhalter können zwischen die Enden und die elastischen Bauteile gesetzt sein, um die Verwendung breiterer Platten elemente in einer Situation zu gestatten, in der zwei Paare von Plattenelementen eingesetzt werden.

Jedes Plattenelement besteht wünschenswerterweise aus zwei Schichten piezoelektrischen Materials, von denen sich eine ausdehnt und die andere zusammenzieht, wenn Spannung ange legt wird.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 2a eine Schnittdraufsicht von einer Form einer piezoelektrischen Abtastvorrichtung,

Fig. 2b eine Seitenansicht der Abtastvorrichtung von Fig. 2a, und

Fig. 3 eine Seitenansicht von einer weiteren Form einer piezoelektrischen Abtastvorrichtung.

Nach den Fig. 2a und 2b sind vier piezoelektrische Plattenelemente 4, 5, 6 und 7 senkrecht zu einem Spiegel 8 ausgerichtet, der auf einem Aufbauelement 9 angebracht ist. Jedes Plattenelement umfaßt ein Paar von piezoelektrischen Platten, von denen sich eine ausdehnt und die andere zusammenzieht, wenn Spannung angelegt wird. Infolgedessen verbiegt jede Platte bei angelegter Spannung. Dieses Element 9 ist an jeweiligen Ecken der Plattenelemente 4-7 über elastische Bauteile 10-13 aus Silicongummi befestigt. Die Plattenelemente 4 und 6 sind in der Seitenansicht von Fig. 2b gezeigt, wobei der Deutlichkeit halber die Platten elemente 5 und 7 in diesem Diagramm nicht gezeigt sind. Die elastischen Bauteile 10 und 12, die an den Plattenelemen ten 4 bzw. 6 befestigt sind, sind in unterschiedlichen Höhen mit dem Aufbauelement 9 verbunden. Die Plattenelemente 4-7 sind gleich lang, und so ist die Basis 14, an der sie be festigt sind, so ausgeführt, daß jedes Plattenelement die gleiche Basismaterial-Tiefe durchdringt.

Die Plattenelemente 4 und 6 sind so angeordnet, daß bei ange legter Spannung die auf das Aufbauelement 9 wirkenden Enden sich entweder auf das Aufbauelement zu oder von diesem weg biegen, und zwar in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Span nung. Die resultierenden, entgegengesetzten Kräfte errich ten ein Drehmoment um einen Punkt, der von den Wirkungspunk ten der Kräfte auf das Aufbauelement gleich weit entfernt ist. Somit dreht sich der Spiegel 8 um einen Drehpunkt 15 entlang der Achse 16 von Fig. 2a. Wenn Spannung an dem Paar von Elementen 5 und 7 angelegt ist, biegen sich die auf das Aufbauelement 9 wirkenden Kräfte auf ähnliche Weise auf das Aufbauelement zu oder von diesem weg, und zwar gemäß dem Vorzeichen der angelegten Spannung, und dies bewirkt, daß sich der Spiegel 8 um eine Achse 17 dreht. Auf diese Weise kann eine Winkelbewegung des Spiegels 8 um eine der beiden Achsen oder um beide Achsen in Kombination erzielt werden.

Fig. 3 zeigt eine alternative, Ein-Achsen-Abtastvorrich tung, und in dieser Ausführungsform sind lediglich zwei Plattenelemente 18 und 19 vorhanden, die so breit wie der Spiegel 27 sein können. Jedes Element ist an einem Aufbau pfosten 20 mittels elastischer Bauteile 21, 22 befestigt, die an den Enden starrer Abstandhalterbauteile 23, 24 fixiert sind. Das Vorsehen von Abstandhalterbauteilen ge stattet eine leichte Herstellung der Abtastvorrichtung, da die anderen Enden der Plattenelemente einfach an den Seiten der Basis 25 fixiert werden können. In der Abtastvorrich tung von Fig. 3 veranlaßt das Anlegen einer Spannung an die Plattenelemente 18 und 19 die am Aufbauelement 20 angebrach ten Enden, sich entweder auf das Aufbauelement zu oder von diesem weg zu bewegen, wodurch der Spiegel dazu gebracht wird, um den Punkt 26 wie zuvor zu kippen, wobei die Bewe gung des Spiegels lediglich entlang einer Achse stattfindet.

Die Verwendung von starren Abstandhalterbauteilen gestattet die Verwendung eines zusätzlichen Paares von Plattenelemen ten. Diese können an den anderen zwei Seiten der Basis 25 befestigt werden. Die Verwendung dieser Abstandhalterelemen te gestattet die Verwendung breiterer Plattenelemente als bei der Ausführungsform der Fig. 2a, 2b. Der Vorteil davon ist, daß das Volumen der piezoelektrischen Platten erhöht wird, wodurch die Steifheit der Plattenelemente und somit die Betriebsgeschwindigkeit vergrößert wird. Der Spiegel kann daher schneller abgetastet werden.

Der halbe Abtastwinkel ist gegeben durch die Gleichung

wobei d₃₁ der piezoelektrische Ladungskoeffizient des piezo elektrischen Materials, V die angelegte Spannung, l die aktive Länge der Plattenelemente, a die Dicke des piezo elektrischen Materials und h der halbe Abstand zwischen den flexiblen Bauteilen ist.

Mit den Werten d₃₁ = 250 × 10^-12 m/V, Spannung + 80 V, l = 15 mm, a = 0,2 mm und h = 1 mm ergibt sich ein erwarte ter Winkel von ± 5°.

Die Resonanzfrequenz der Abtastvorrichtung ist gegeben durch:

wobei I das Trägheitsmoment des Spiegels ist und K, die Kraftkonstante der piezoelektrischen Plattenelemente, gege ben ist durch die Gleichung:

wobei Y der Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Mate rials und b dessen Breite ist. Bei einem 10 × 10 × 1 mm- Siliziumspiegel mit einem Trägheitsmoment I = 1 × 10^-8 Kgm², b = 7 mm und Elastizitätsmodul Y = 7 × 10¹⁰ Nm^-2 beträgt die Resonanzfrequenz 125 Hz.

Die Abtastvorrichtungen erzeugen sowohl etwas lineare verti kale Bewegung als auch die Abtastbewegung, jedoch kann berechnet werden, daß dies für die obigen Abtastvorrichtun gen weniger als 30 Mikron beträgt.

Die beschriebenen Abtastvorrichtungen besitzen somit eine große Abtastbewegung (± 5° für eine Spannung von 80 V), eine hohe Resonanzfrequenz (125 Hz), und ihre Antriebsmechanismen sind vollständig innerhalb des Bereiches der Spiegelöffnung enthalten. Die Tiefe der Abtastvorrichtungen, einschließ lich Spiegel und Halterung, könnte so ausgeführt werden, daß sie weniger als 25 mm beträgt, wodurch sich ein Gesamt volumen von 3,6 × 10^-6 m³ ergibt.

Um ein maximales Drehmoment zu erzeugen, sollte idealerweise der Teil des Aufbauelementes, auf den die Plattenelemente wirken, dünn sein. Dies kann erzielt werden, indem entweder der sich erstreckende, pfostenartige Teil des Aufbauelemen tes so dünn wie möglich ausgeführt wird oder dieser Teil des Aufbauelements eingeschnitten wird und die elastischen Bau teile in die sich ergebenden Räume eingesetzt werden, so daß die Wirkungspunkte auf dem Aufbauelement der durch die Plattenelemente erzeugten Kräfte und der Drehpunkt auf einer Geraden liegen, und zwar senkrecht zur Ebene des Spiegels.

Die beschriebenen Abtastvorrichtungsmechanismen könnten dazu verwendet werden, andere Einrichtungen als Spiegel abzuta sten, beispielsweise könnten Laserdioden verwendet werden.

Unabhängig davon, ob die Abtastvorrichtung einen Spiegel oder eine Laserdiode trägt, ist die Erfindung insbesondere auf ein Feld von Spiegeln (oder Laserdioden etc.) anwendbar, da der Ablenkmechanismus (die Plattenelemente) sich nicht über den Vorsprung des Oberflächenbereiches des Spiegels etc. erstrecken. Ein besonderer Vorteil der Erfindung be steht darin, daß die transversale Anordnung der Plattenele mente die Verwendung von Elementen gestattet, welche die lateralen Abmessungen des Spiegels überschreiten. Weitere Alternativen können vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise zeigen die Fig. 2a, 2b und 3 die piezoelektrischen Plattenelemente senkrecht zur Ebene des Spiegels angebracht, jedoch könnte jedes Plattenelement schräg angebracht sein.

Zusammengefaßt wird somit eine piezoelektrische Abtastvor richtung beschrieben, welche ein abzutastendes Bauteil, zum Beispiel einen Spiegel und ein Paar von piezoelektrischen Plattenelementen umfaßt, die sich transversal zum Bauteil erstrecken und an einem Ende auf ein Aufbauelement wirken, das mit dem Bauteil verbunden ist, wobei die Plattenelemente ausgelegt sind, so zu verbiegen, daß ihre Enden auf das Aufbauelement zu oder von diesem weg gedrängt werden, wenn Spannung angelegt ist, und wobei die Positionen entlang des Aufbauelements, an welchen die Enden der Plattenelemente wirken, versetzt sind, um das Bauteil zu veranlassen, sich zu drehen, wenn die Enden aufeinander zu oder voneinander weg gedrängt werden. Ein Feld derartiger Abtastvorrichtun gen kann vorgesehen sein, wodurch größere Abtastwinkel als bisher gestattet werden, da die transversale Anordnung der Plattenelemente die Länge von Elementen nicht auf die late ralen Abmessungen des Spiegels beschränkt.

Claims

1. Piezoelektrische Abtastvorrichtung mit einem abzutasten den Bauteil und einem Paar von piezoelektrischen Platten elementen, die sich transversal zum Bauteil erstrecken und an einem Ende auf ein Aufbauelement wirken, das mit dem Bauteil verbunden ist, wobei die Plattenelemente ausgelegt sind, so zu verbiegen, daß ihre Enden auf das Aufbauelement zu oder von diesem weg gedrängt werden, wenn Spannung angelegt ist, und wobei die Positionen entlang des Aufbauelementes, an welchen die Enden der Plattenelemente wirken, versetzt sind, um das Bauteil zu veranlassen, sich zu drehen, wenn die Enden aufeinander zu oder voneinander weg gedrängt werden.

2. Piezoelektrische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, in der das Bauteil ein Spiegel ist.

3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in der die Plattenelemente mit dem Aufbauelement mittels elastischer Bauteile verbunden sind.

4. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der starre Abstandhalterbauteile zwischen die Platten elemente und die elastischen Bauteile gesetzt sind.

5. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in der die Plattenelemente jeweils aus zwei Lagen piezo elektrischen Materials bestehen.

6. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in der die Plattenelemente senkrecht zum abzutastenden Bauteil angebracht sind.

7. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in der ein weiteres Paar von sich transversal zum Bau teil erstreckenden Plattenelementen vorgesehen ist.

8. Feld von Abtastvorrichtungen, wobei jede Abtastvorrich tung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist und die abzutastenden Bauteile in einem Feld angeordnet sind.