DE3012830C2 - - Google Patents
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit variabler
Krümmung aus einer ersten Doppellamelle mit Anschlußelektroden,
wobei wenigstens ein Bestandteil oder Element der Doppellamelle
aus piezoelektrischem Werkstoff gefertigt ist.
Derartige optische Elemente und daraus gebildete, optische
Systeme sind in den französischen Patentanmeldungen 77 12 799,
77 12 800, 77 12 801 und 78 09 152 beschrieben.
Die Doppelschichten oder Doppellamellen aus keramischem Werkstoff,
welche in die Konstruktion dieser optischen Elemente
und Systeme eingehen, werden mit Hilfe dünner Elemente aus keramischem,
piezoelektrischem Material derart hergestellt, daß
ihre Gesamtdicke in der Größenordnung von 1 mm liegt.
Sobald die Oberflächenausdehnung solcher Doppellamellen bestimmte
Grenzen überschreitet, bilden sich auf diesen Lamellen, die
man in diesem Falle dann auch Doppelplatten nennt, schwer zu
vermeidende Verformungen aus, die zu Verarbeitungsschwierigkeiten
führen.
Weiterhin ist es unbequem, die Krümmungsveränderungen eines
dünnen Elementes mit erheblicher Oberfläche präzise zu beherrschen.
Infolgedessen besitzen die bisherigen optischen Elemente mit
variabler Krümmung relativ kleine Oberflächen, was, beispielsweise
im Falle von Spiegeln, einen beträchtlichen Mangel darstellt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, diesem Mangel abzuhelfen und ein
gattungsgemäßes optisches Element mit variabler Krümmung vorzuschlagen,
dessen mechanische Steifheit oder Festigkeit so groß
ist, daß man dem Element die gewünschte Oberflächenausdehnung
geben kann, ohne dabei die Fähigkeit einer Krümmungsveränderung
zu beeinträchtigen oder zu verringern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen optischen
Element durch folgende Merkmale gelöst:
- a) wenigstens eine der mechanischen Verstärkung der ersten Doppellamelle dienende, weitere, piezoelektrische Doppellamelle mit Anschlußelektroden, die mit den Anschlußelektroden der ersten Doppellamelle verbunden sind;
- b) ein Element der ersten Doppellamelle ist unter Zwischenschaltung einer Schicht aus elastischem Werkstoff an einem korrespondierenden Element der zweiten Doppellamelle angeordnet;
- c) der elastische Werkstoff der Schicht hat einen kleineren Zugwiderstand als die Elemente, welche die aus piezoelektrischem Material bestehende Doppellamelle bilden.
Die nachstehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen dient
im Zusammenhang mit beiligender Zeichnung der weiteren Erläuterung.
Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht eines optischen
Elementes gemäß der Erfindung im nicht
erregten Zustand und
Fig. 2 eine Schnittansicht des optischen Elements
aus Fig. 1 im erregten Zustand.
Das auf der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist ein Spiegel mit veränderlicher Brennweite.
Der Spiegel umfaßt eine erste Doppelschicht oder Doppellamelle 1,
bestehend aus zwei Elementen 2, 3 aus keramischem, piezoelektrischem
Material. Die beiden Elemente 2 und 3 sind durch eine
Schicht 4 aus Klebstoff zusammengefügt.
Die freie Fläche des Elements 2 trägt eine Schicht 5 aus reflektierendem
Werkstoff.
Mit Hilfe von Elektroden 6 und 7 können die Elemente 2, 3 der
Doppellamelle 1 unter elektrische Spannung gesetzt werden. Hierzu
dient eine Gleichstromspannungsquelle 8, die in Reihe mit einem
Unterbrechungsschalter 9 geschaltet ist.
Um die mechanische Steifigkeit oder Festigkeit des so gebildeten
optischen Elements zu erhöhen, ist die freie Fläche des
Elements 3 der ersten Doppellamelle 1 mit Hilfe einer Schicht
14 mit einer zweiten oder Verstärkungs-Doppellamelle 10 fest
verbunden. Die Doppellamelle 10 besteht aus zwei Elementen 11,
12 aus piezoelektrischer Keramik, die durch eine Klebstoffschicht
13 miteinander verbunden sind. Die erwähnte Verbindungsschicht
14 zwischen den beiden Doppellamellen 1, 10 besteht
aus einem Werkstoff mit geringem Zugwiderstand. Beispielsweise
kann dieser Werkstoff ein elastomeres Material sein.
Die Elemente 11 und 12 der zweiten Doppellamelle 10 sind ebenfalls
über Elektroden 15, 16 mit den Klemmen der Spannungsquelle
8 verbunden.
Die Schicht 14 kann im übrigen auch ein Klebstoff, eine Löt-
oder Schweißstelle sein oder aus anderem Material bestehen.
Die elektrischen Verbindungen zwischen der Spannungsquelle 8
und den Elementen der Doppellamellen 1 und 10 sind in Abhängigkeit
von den Polarisationsrichtungen in den keramischen Werkstoffen
realisiert, aus denen die Elemente der Doppellamellen
bestehen.
Die Doppellamellen sind so aufgebaut und miteinander verbunden,
daß sich unter dem Einfluß der elektrischen Spannung ihre Konkavität
im gleichen Sinne ändert.
Um ein optimales Funktionieren zu erreichen, werden die Doppellamellen
1 und 10 vorzugsweise identisch ausgebildet.
Wenn an die Doppellamellen 1, 10 durch Schließung des Schalters
9 die elektrische Spannung aus der Spannungsquelle 8 angelegt
ist, nimmt das optische Element die in Fig. 2 dargestellte Form
an. Die Dicken der verschiedenen Bestandteile des optischen
Elements sind aus Gründen der besseren Klarheit übertrieben
groß gezeichnet.
Es wurde gefunden, daß sich die Schicht 14 aus dem Werkstoff mit
kleinem Zugwiderstand nur sehr wenig der Verformung der Doppellamellen
1, 10 widersetzt und die erste Doppellamelle 1 praktisch
die gleichen Veränderungen erfährt, wie wenn sie allein vorhanden
wäre.
Bei der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform der
Erfindung besteht der Spiegel mit variabler Brennweite aus zwei
Doppellamellen.
Die Zahl der Doppellamellen, welche untereinander durch Schichten
aus Werkstoff mit geringem Zugwiderstand verbunden sind,
ist jedoch bei anderen Ausführungsformen der Erfindung nicht
auf zwei beschränkt.
Den folgenden Ausführungsformen wird als Beispiel ein Spiegel
mit veränderlicher Krümmung zugrunde gelegt, der einen Durchmesser
von 100 mm und eine Dicke von 30 mm besitzt.
Dieser Spiegel besteht aus Doppellamellen, die miteinander durch
Schichten aus einem elastischen Material mit kleinem Zugwiderstand
verbunden sind. Diese elastischen Schichten können beispielsweise
aus einem elastomeren Silikon gefertigt werden,
wie es von der Firma Plastigem unter der Bezeichnung TECSIL 2034
hergestellt und vertrieben wird.
Es wurde gefunden, daß die Krümmungsveränderung eines solchen
Spiegels bei gleicher Variation des elektrischen Feldes in jeder
den Spiegel bildenden Doppellamelle um zwei Prozent kleiner ist
als diejenige eines Spiegels, der aus einer einzigen Doppellamelle
mit einem Durchmesser von 100 mm und 0,7 mm Dicke besteht.
Die allgemeine Formel für die Krümmung einer piezoelektrischen
Doppellamelle ist:
Es bedeuten:
K = vom Typ der Doppellamelle abhängiger Koeffizient;
d₃₁ = piezoelektrische Konstante;
e = Dicke der Doppellamelle;
E = elektrische Feldstärke.
K = vom Typ der Doppellamelle abhängiger Koeffizient;
d₃₁ = piezoelektrische Konstante;
e = Dicke der Doppellamelle;
E = elektrische Feldstärke.
Die allgemeine Formel, welche die Krümmung eines nb Doppellamellen
umfassenden Systems angibt, lautet:
Es bedeuten:
nb = Zahl der Doppellamellen oder Doppelplatten;
ec = Dicke der Verbindungsschicht mit kleinem Zugwiderstand;
Yc = Elastizitätsmodul des die Verbindungsschicht bildenden Werkstoffes;
Yp = Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Werkstoffs.
nb = Zahl der Doppellamellen oder Doppelplatten;
ec = Dicke der Verbindungsschicht mit kleinem Zugwiderstand;
Yc = Elastizitätsmodul des die Verbindungsschicht bildenden Werkstoffes;
Yp = Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Werkstoffs.
Der Elastizitätsmodul charakterisiert in Wirklichkeit den Zugwiderstand
des betrachteten Materials.
Der Spiegel mit 30 mm Dicke und einem Durchmesser von 100 mm
umfaßt:
30 Doppellamellen mit je 0,7 mm Dicke
29 Verbindungsschichten mit 0,4 mm Dicke
30 Doppellamellen mit je 0,7 mm Dicke
29 Verbindungsschichten mit 0,4 mm Dicke
Yc = 6 · 10⁶ deca N · m-2
Yp = 6 · 10⁹ deca N · m-2
Unter identischen Anregungsbedingungen nimmt eine einzige Doppellamelle
folgende Krümmung an:
Das aus 30 Doppellamellen gebildete System erfährt folgende
Krümmung:
Die Abweichung zwischen den Krümmungen der beiden Systeme beträgt
also 1,8%.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis
Yc/Yp zwischen den Elastizitätsmoduln des Verbindungsmaterials
und des piezoelektrischen Werkstoffs 10-3. Dieses Verhältnis
kann bei anderen Ausführungsformen der Erfindung jedoch auch
irgendeinen Wert zwischen 10-1 und 10-4 haben.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre kann ein optisches Element
mit variabler Krümmung ausreichend dick ausgebildet werden,
ohne dabei seine Möglichkeiten zur Krümmungsveränderung merklich
zu verändern. Hierdurch wird es möglich, optische Elemente
mit großer Oberfläche und beträchtlicher mechanischer Steifheit
derart herzustellen, daß sie keine andere Verformung erfahren
als diejenige, welche durch ihre Anregung hervorgerufen
wird.
Die optischen Elemente gemäß der Erfindung besitzen weiterhin
den Vorteil, daß sie mechanischen Oberflächenbehandlungen unterworfen
werden können, beispielsweise einer Polierung, ohne daß
sie sich dabei unter der Einwirkung des Werkzeuges verformen.
Bei dem auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
findet die Erfindung Anwendung auf einen Spiegel. In gleicher
Weise läßt sich die Erfindung jedoch auch auf jedes andere
optische Element oder System anwenden, welches aus piezoelektrischen
Doppellamellen besteht.
Claims (5)
1. Optisches Element mit variabler Krümmung aus einer ersten
Doppellamelle mit Anschlußelektroden, wobei wenigstens ein
Bestandteil der Doppellamelle aus piezoelektrischem Werkstoff
gefertigt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) Es ist wenigstens eine der mechanischen Verstärkung der ersten Doppellamelle (1) dienende, weitere, piezoelektrische Doppellamelle (10) mit Anschlußelektroden (15, 16), die mit den korrespondierenden Anschlußelektroden (6, 7) der ersten Doppellamelle verbunden sind, vorgesehen;
- b) ein Element (3) der ersten Doppellamelle (1) ist unter Zwischenschaltung einer Schicht (4) aus elastischem Werkstoff an einem korrespondierenden Element (11) der zweiten Doppellamelle (10) angeordnet;
- c) der elastische Werkstoff der Schicht (14) hat einen kleineren Zugwiderstand als die Elemente, welche die aus piezoelektrischem Material bestehende Doppellamelle bilden.
2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Doppellamelle (1) mit den weiteren, der Verstärkung
dienenden Doppellamellen (10) identisch ist.
3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zugwiderstand des die Schicht (14) bildenden
Werkstoffes etwa um 10-1 bis 10-4mal kleiner als
derjenige des die piezoelektrischen Elemente (2, 3, 11,
12) bildenden Materials ist.
4. Optisches Element nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der die Schicht (14) bildende Werkstoff
ein Elastomer, ein Klebstoff oder ein Lot ist.
5. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß es mehrere, der Verstärkung
dienende Doppellamellen (10) umfaßt, die mit der ersten
Doppellamelle (1) und untereinander durch Verbindungsschichten
(14) aus einem Werkstoff verbunden sind, dessen
Zugwiderstand kleiner als derjenige der piezoelektrischen
Elemente (2, 3, 11, 12) ist.
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