DE3012830C2

DE3012830C2 -

Info

Publication number: DE3012830C2
Application number: DE3012830A
Authority: DE
Inventors: Guy Paris Fr Michelet; Jean-Pierre Ste Genevieve Des Bois Fr Treton
Original assignee: Quantel Sa Orsay Fr
Current assignee: Quantel Sa Orsay Fr
Priority date: 1979-04-04
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1991-01-31
Also published as: FR2453423B1; FR2453423A1; JPS6239721B2; DE3012830A1; GB2046936B; JPS55135802A; US4298247A; GB2046936A

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.

Die allgemeine Formel, welche die Krümmung eines n_b Doppellamellen umfassenden Systems angibt, lautet:

Es bedeuten:
n_b = Zahl der Doppellamellen oder Doppelplatten;
e_c = Dicke der Verbindungsschicht mit kleinem Zugwiderstand;
Y_c = Elastizitätsmodul des die Verbindungsschicht bildenden Werkstoffes;
Y_p = 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

Y_c = 6 · 10⁶ deca N · m^-2

Y_p = 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 Y_c/Y_p 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

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.