DE3218528A1

DE3218528A1 - Parallelverschiebevorrichtung fuer piezoelektrische stellglieder

Info

Publication number: DE3218528A1
Application number: DE19823218528
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Phys. 6451 Bruchköbel Baumann
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Priority date: 1982-05-17
Filing date: 1982-05-17
Publication date: 1983-11-24
Also published as: DE3218528C2

Description

Parallelverschiebevorrichtung für
piezoelektrische Stellglieder Die vorliegende Erfindung betrifft eine Parallelverschiebevorrichtung für piezoelektrische Stellglieder, insbesondere für einen Resonatorlängenregler in einem Laser nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.
Ein solcher Resonatorlängenregler ist beispielsweise in der DE-OS 19 19 219 dargestellt und beschrieben. Dieser bekannte Resonatorlängenregler arbeitet mit einem piezoelektrischen Antrieb auf eine Parallelverschiebevorrichtung. Diese Vorrichtung umfaßt einen einen Reflektorspiegel tragenden Verschiebestempel, wobei der Verschiebestempel an einer Membranplatte aufgehängt ist, die ihrerseits in einen hohlzylindrischen Trägerblock übergeht. Der Verschiebestempel, die Membranplatte und der Trägerblock sind einstückig aus dem gleichen Material, wie z.B. Quarz, hergestellt. Der piezoelektrische Antrieb liegt flächig an der Membranplatte bzw. dem Verschiebestempel an.
Es ist andererseits bekannt, daß piezoelektrische Antriebe bei ihrer Verschiebung auch eine Verkippung erfahren, welche auf Materialinhomogenitaten der Piezokeramik und auf Fertigungstoleranzen der Piezokeramikteile zurückzuführen sind. Typische Werte sind beispielsweise durch eine Verkippung von 6 Winkelsekunden bei einer Verschiebung von 1ßm gegeben. Bei dem Resonatorlängenregler gemäß der eingangs genannten DE-OS würden diese Verkippungen auf den von dem Verschiebestempel getragenen Spiegel weitgehendst übertragen, wodurch sich Instabilitäten des Lasers ergeben können. Gefordert wird beispielsweise eine Parallelität besser als 0,1 Winkelsekunden bei einer Verschiebung von 1Am.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Parallelverschiebevorrichtung für ein piezoelektrisches Stellglied so auszubilden, daß sie eine Parallelverschiebung ohne nennenswerte Verkippung gestattet.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar Anhand der einzigen Figur der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Parallelverschiebevorrichtung näher beschrieben.
Gemäß dieser einzigen Figur stützt sich ein piezoelektrischer Antrieb 10 über eine Kugel 12 an einer Parallelverschiebevorrichtung 14 ab Der piezoelektrische Antrieb 10 besteht aus piezokeramischen Scheiben 16 mit dazwischen angeordneten Elektroden 18. Die Elektroden 18 sind auf die piezokeramische Scheiben aufgedampft, aufgesputtert oder eingebrannt und sind über zwischengelegte Metallfolien oder spezielle Formgebung alternierend miteinander verbunden. Der Antriebsstapel, bestehend aus den piezokeramischen Scheiben 16 und den Elektroden 18, ist zwischen einer Grundplatte 20 und einer Gegendruckplatte 22 eingespannt. Zu diesem Zweck sind die piezokeramischen Scheiben 16 und die Elektroden 18 sowie die Grundplatte 20 mit einer zentralen Ausnehmung 24 versehen, durch die die Gegendruckplatte 22 mit einem Gewindebolzen 26 nach oben hinausragt. Eine Spannfeder-Mutter 28 ist auf den Gewindebolzen 26 aufgeschraubt und stützt sich hierbei mit ihrem äußeren Rand auf der Grundplatte 20 ab. Ilierdurch wird über die C nt uckplatte 22 der Stapel aus piezokeramischen Scheiben 16 und Elektroden 18 federnd gegen die Grundplatte 20 vorgespannt. Eine Kontermutter 30 sichert die Spannfeder-Mutter 28 in ihrer Lage. Die Kugel 12 ist in den Boden der Gegendruckplatte 22 so eingelassen, daß sie über die Bodenfläche vorsteht und sich auf der darunter angeordneten Parallelverschiebevorrichtung 14 abstützt.
Die Parallelverschiebevorrichtung 14 umfaßt zwei nahezu identische Teile 32,32', die jeweils einen zentralen Verschiebestempel 34,34', einen hohlzylindrischen Trägerblock 36,36' und eine den Trägerblock 36,36' mit dem Verschiebestempel 34,34' verbindende ringförmige Membranplatte 38,38' umfassen. Beide Teile 32,32' sind einstückig aus dem gleichen Material (Metall, Glas) hergestellt. Für einen Resonatorlängenregler bestehen die Teile 32,32' aus Zerodur, und befinden sich in optischem Kontakt, d.h. sie werden durch Adhäsionskräfte zusammengehalten. Eine solche Verbindung ist relativ gut belastbar auf Druck und Zug. Schwerkräfte können durch eine solche Verbindung schlecht aufgenommen werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die beiden Teile 32,32' an einer seitlichen Bewegung in bezug aufeinander gehindert, da ein Konterring 40 beide Teile umgibt. Der Konterring 40 greift mit einem Innengewinde 42 in ein Außengewinde 44 an einem topfförmigen Ansatz 46 der Grundplatte 20 und er zieht über eine Schulter 48 die Parallelverschiebevorrichtung 14 gegen die Kugel 12 und somit gegen den Stapelantrieb 10. Die Parallelverschiebevorrichtung 14 weist auf der der Kugel 12 gegen überliegenden Seite zentral auf dem Verschiebestempel 34' einen dielektrischen Mehrschichtenspiegel 50 auf.
Es liegt auf der Hand, daß die beiden Teile 32,32' nicht nur durch optischen Kontakt miteinanderverbunden werden können. Diese könnten auch miteinander verschraubt oder durch Verschweißen (mittels Laser) miteinander verbunden sein. Ebenso müssen die Teile 32,32' nicht in jedem Fall einstückig ausgebildet sein. Schließlich müssen die Teile 32,32' nicht unbedingt rotationssymmetrisch ausgebildet sein; raumbedingt können auch spiegelsymmetrische, elliptische oder rechteckige Teile 32,32' zur Anwendung gelangen.
In jedem Fall sind bezüglich der Parallelverschiebevorrichtung folgende Symmetrieforderungen einzuhalten: die Platten müssen exakt parallel sein; die Plattendicke muß für gleiche Abstände r von der Symmetrieachse konstant sein; und die äußeren und inneren Ein spannungen der Platten müssen symmetrisch zur Mittelachse sein.
Wegen der meist nicht-axialen Krafteinleitung der durch den piezoelektrischen Antrieb aufgebrachten Kraft bestehen ferner folgende Forderungen: die Plattendicke h muß relativ groß sein; die Platten-Ringbreite (ra - ri) sollte möglichst klein sein; der innere Plattenring-Radius r. soll möglichst groß gewählt werden; und der Plattenabstand d sollte groß sein.
Diese Forderungen lassen sich teilweise raumbedingt nur eingeschränkt erfüllen. Eine große Dicke der Membranplatte und eine geringe Ringbreite der Membranplatte bedeuten eine hohe Federkonstante, gegen die nur ein piezoelektrischer Antrieb mit hoher Stellkraft arbeiten kann. Eine große Federkonstante der Membranplatten hat ferner den Vorteil, daß das System unempfindlich gegen die Trägheitskräfte des Verschiebestempels und der Plattenmassen bei Beschleunigungen oder äußeren Vibrationen ist.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Paral Parallelverschiebevorrichtung für piezoelektrische Stellglieder, insbesondere für einen Resonatorlängenregler in einem laser, mit einem ein Objekt, insbesondere Spiegel, tragenden Verschiebestempel, der an einer am Umfang in einem Trägerblock eingesnannten Membranplatte gelagert ist und auf den die Kraft eines Antriebs einwirkt, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens ein weiterer durch eine in einem Trägerblock (36,36') eingespannte Membranplatte (38,38') gelagerter Verschiebestempel (34,34') angeordnet ist und daß beide Membranplatten (38,38') über die Verschiebestempel (34,34') und die Trägerblöcke (36,36') starr miteinander verbunden sind.
2. Parallelverschiebevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Trägerblock, die Membranplatte und der Verschiebestempel' jeweils einstückig aus dem gleichen Material hergestellt sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die starre Verbindung durch optischen Kontakt zwischen den Trägerblöcken (36,36') und den Verschiebestempeln (34,34') hergestellt wird.
3. Parallelverschiebevorrichtung nach Anspruch 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Trägerblöcke (36,36'), die Membranplatten (38,38') und die Verschiebestempel (34,34') jeweils aus Zerodur bestehen.
4. Parallelverschiebevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Antrieb (10) sich punktförmig und zentral an dem Verschiebestempel (34) abstützt.