ITTO981029A1 - Dispositivo ottico e stato di funzionamento variabile, in particolare otturatore o specchio, a controllo elettrostatico. - Google Patents
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Description
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un dispositivo ottico a stato di funzionamento variabile, in particolare atto a fungere da otturatore o specchio, a controllo elettrostatico.
Sono stati già proposti in passato motori elettrostatici di bassa potenza e piccole dimensioni adatti all'impiego come attuatori in applicazioni di tecnologia microelettronica, per l'azionamento di dispositivi meccanici e simili in condizioni in cui si verificano vibrazioni, come ad esempio in campo automobilistico. Tali attuatori elettrostatici fanno uso di lamine flessibili, dette anche ciglia, o "petali", elettricamente conduttrici, aventi ciascuna un'estremità associata ad uno statore e l’estremità opposta adiacente ad un traslatore. L’applicazione di impulsi di tensione fra i petali ed un elettrodo associato al traslatore provoca l'adesione per effetto elettrostatico dei petali al traslatore, con il conseguente movimento di quest'ultimo rispetto allo statore.
Un attuatore del tipo sopra indicato è ad esempio descritto in Dyatlov V. L., Konyaskin V. V., Potapov B. S. e Pyankov Yu. A., "Prospects of thè employment of synchrotron radiation in film electrostatic actuator technology", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A359 (1995), pagine 394-395.
Lo scopo della presente invenzione è quello di proporre nuove ed originali applicazioni di petali ad effetto elettrostatico per la realizzazione di elementi ottici a stato di funzionamento variabile, come ad esempio otturatori oppure specchi a riflettanza variabile.
In vista di raggiungere tale scopo, l'invenzione ha per oggetto un dispositivo ottico comprendente :
un sopporto fisso, includente:
un sottostrato, costituito da una lamina di materiale trasparente.
- almeno un primo elettrodo, costituito da un film sottile di materiale elettricamente conduttore, almeno parzialmente trasparente, applicato ad una faccia della lamina costituente il sottostrato,
un film isolante, dielettrico o ferroelettrico, applicato sopra il film costituente detto primo elettrodo, ed
un petalo mobile, costituito da un film sottile di materiale elettricamente conduttore, avente solo una porzione d'estremità connessa rigidamente a detto film isolante, ed atto ad assumere una prima condizione operativa, nella quale esso aderisce, per effetto elettrostatico, sopra detto film isolante quando viene applicata una tensione elettrica fra detto primo elettrodo e detto petalo, cosi da attivare un primo stato di funzionamento di detto dispositivo ottico, e mezzi per richiamare detto petalo elettrostatico verso una seconda posizione operativa, in cui esso è distanziato da detto sopporto fisso, quando non è applicata tensione fra detto primo elettrodo e detto petalo, così da attivare un secondo stato di funzionamento di detto dispositivo ottico, e
mezzi per richiamare detto petalo elettrostatico verso una seconda posizione operativa, in cui esso è distanziato da detto sopporto fisso, quando non è applicata tensione fra detto primo elettrodo e detto petalo, così da attivare un secondo stato di funzionamento di detto dispositivo ottico.
In una prima forma di attuazione, i suddetti mezzi di richiamo del petalo verso la sua seconda posizione operativa sono costituiti dalla elasticità propria del petalo, che assume una posizione indeformata conformata a ricciolo quando non è applicata una tensione fra petalo e primo elettrodo. Il dispositivo ottico è così in grado fungere ad esempio da otturatore, atto ad impedire il passaggio di luce attraverso detto sopporto fisso quando il petalo è nella sua prima condizione operativa, detto strato isolante essendo anch'esso trasparente. In un'applicazione alternativa, detto petalo nella sua prima condizione operativa trasforma il sopporto in uno specchio in grado di riflettere la luce che arriva dal lato opposto a quello su cui è applicato il petalo. In tal caso, il film costituente detto primo elettrodo è trasparente solo parzialmente, per cui detto dispositivo ottico opera come uno specchio a riflettanza variabile, in funzione della condizione operativa del petalo.
ia nel caso dell'applicazione come otturatore, sia nel caso dell'applicazione come specchio a riflettanza variabile, possono essere previsti più petali affiancati che coprono l'intera area del sopporto fisso. Nel caso di applicazione come specchio a riflettanza variabile, possono essere predisposti elettrodi differenziati per consentire di attivare separatamente i diversi petali, al fine di ottenere una possibilità di gradazione della riflettanza dello specchio.
In una seconda forma di attuazione, i suddetti mezzi di richiamo del petalo verso la sua seconda posizione operativa sono costituiti da un secondo sopporto fisso, distanziato dal primo sopporto fisso e recante un secondo elettrodo, mezzi essendo previsti per alimentare una tensione elettrica fra detto petalo ed il secondo elettrodo, così da far aderire detto petalo a detto secondo sopporto fisso quando viene interrotta l’alimentazione di tensione elettrica fra il petalo e il primo elettrodo. In una prima applicazione come otturatore, detto petalo è atto ad impedire il passaggio di luce attraverso detto sopporto fisso nella sua prima condizione operativa. In questo caso, detto secondo sopporto fisso è costituito da una lamina ortogonale alla lamina del primo sopporto fisso ed il petalo elettrostatico è un film ripiegato ad anello chiuso ed appiattito in modo da presentare un doppio strato con un'estremità ancorata su un lato al primo sopporto fisso e sull'altro lato al secondo sopporto fisso. Nell’applicazione come specchio a riflettanza variabile, detto secondo sopporto fisso è costituito da una lamina formante un angolo fra 0° e 90° con la lamina del primo sopporto fisso, e detto petalo ha una prima estremità ancorata al primo sopporto fisso ed una seconda estremità ancorata al secondo sopporto fisso.
Grazie alle caratteristiche sopra indicate è possibile realizzare una pluralità di elementi ottici a stato di funzionamento variabile con mezzi relativamente semplici e tali da garantire comunque precisione ed affidabilità di funzionamento anche in applicazioni soggette a vibrazioni, come ad esempio in campo automobilistico.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:
le figure 1, 2 sono viste in sezione di una prima forma di attuazione del dispositivo secondo l'invenzione, in due differenti condizioni operative,
la figura 3 è un diagramma che illustra il modo di controllo del dispositivo delle figure 1, 2, le figure 4, 5 sono viste prospettiche che illustrano due differenti condizioni operative di una seconda forma di attuazione del dispositivo secondo l invenzione,
la figura 6 è una vista in sezione secondo la linea VI-VI della figura 5,
le figure 7, 8 sono viste in sezione che illustrano un'ulteriore forma di attuazione dell'invenzione in due differenti condizioni operative,
la figura 9 è un diagramma che illustra il modo di controllo dispositivo delle figure 7, 8,
le figure 10, 11 sono viste in sezione che illustrano due differenti condizioni operative di un'ulteriore forma di attuazione del dispositivo secondo l'invenzione, e
le figure 12, 13 sono viste in sezione che illustrano due differenti condizioni operative di un'ulteriore forma di attuazione dell'invenzione.
Le figure 1, 2 illustrano una prima forma di attuazione del dispositivo ottico secondo l'invenzione, in forma di otturatore. I dispositivo, indicato nel suo insieme col numero di riferimento 1, comprende un sopporto fisso 2 includente un sottostrato 3 costituito da una lamina di. vetro o di materiale plastico, trasparente alla luce, con spessore di qualche millimetro o centimetro. Sulla superficie del sottostrato 3 viene realizzato per evaporazione o spin-coating o serigrafia o dipping uno strato 4 di materiale conduttore trasparente alla luce dello spessore di qualche decina o centinaia di nanometri. Successivamente si isola lo strato conduttore 4 con una strato S di isolante dielettrico o ferroelettrico trasparente alla luce, il cui spessore può variare da 0.1 micrometri a qualche decina di micrometri. Tale strato può essere ottenuto per serigrafia o spin-coating o dipping. Il numero di riferimento 6 indica la parte mobile del dispositivo che è costituita da un film dielettrico di spessore di qualche micron, metallizzato su un lato (petalo). Alternativamente, il petalo può essere costituito da un unico film metallico. Il fi^m è fissato ad una estremità alla superficie del sottostrato in modo tale che la parte metallizzata si-trovi a contatto con il sottostrato. Si utilizza un film élastico che nella condizione indeformàta è avvolto a ricciolo, come illustrato nella figura 1. Le dimensioni del film possono variare a secondo del tipo di otturatore richiesto. Applicando una tensione elettrica fra il petalo 6 e l'elettrodo 4 trasparente alla luce, il petalo 6 si distende sulla superficie del sottostrato 3 (figura 2) impedendo il passaggio dei raggi di luce L (stato 1). Se invece la tensione elettrica tra il petalo 6 e l'elettrodo 4 è nulla il film si arrotola su se stesso per elasticità propria permettendo il passaggio della luce L (stato 0). Il diagramma di figura 3 illustra la variazione nel tempo della tensione fra elettrodo 4 e petalo 6.
Per realizzare otturatori di grandi dimensioni e di differenti forme è possibile utilizzare insieme più petali (come illustrato nelle figure 4, 5 con riferimento alla seconda forma di attuazione dell'invenzione). Inoltre è possibile avere un passaggio graduale dallo stato 0 allo stato 1 alimentando separatamente i petali e realizzando una partizione degli elettrodi.
Le figure 4, 5, 6 illustrano una seconda forma di. attuazione dell'invenzione che corrisponde sostanzialmente alla forma di attuazione delle figure 1, 2, tranne per il fatto che in questo caso il dispositivo viene utilizzato come specchio a r^flettanza variàbile. In tali figure, le parti comuni a quelle delle figure 1, 2 sono indicate con lo stesso numero di riferimento. Anche in questo caso il dispositivo 1 comprende un sopporto fisso 2 includente un sottostrato 3, un elettrodo 4 ed uno strato isolante 5. Le tecniche per realizzare tali strati e i relativi spessori sono identici a quanto sopra indicato con riferimento alle figure 1, 2. In questo caso, tuttavia l’elettrodo 4 è costituito da materiale semitrasparente alla luce. Sono infine previsti più petali 6 fra loro affiancati che hanno una condizione indeformata avvolta a ricciolo (figura 4) e che possono essere distesi sopra il sottostrato 3, in modo del tutto analogo a quanto previsto nella forma di attuazione delle figure 1, 2, mediante l'applicazione di un impulso di tensione fra l'elettrodo ed i petali. In questo caso i petali sono costituiti da film dielettrici di spessore di qualche micrometro, metallizzati su un lato, oppure da film completamente metallici realizzati per evaporazione, di spessore compreso fra 0.5 e 2 micrometri. Quando i petali sono distesi sopra il sottostrato 3, essi trasformano il dispositivo in uno specchio che riflette totalmente la luce proveniente dal lato opposto a quello su cui sono applicati i petali. Quando i petali sono nella condizione arricciata illustrata nella figura 4, lo specchio risulta semi-riflettente, per via dello strato 4: Una possibile applicazione di tale dispositivo è quella degli specchi retrovisori di autoveicolo che possono essere commutati da una condizione di riflessione completa ad una condizione parzialmente riflettente per evitare l'abbagliamento dovuto ai proiettori dei veicoli che seguono.
Le figure 7, 8 illustrano un'ulteriore forma di attuazione del dispositivo secondo l'invenzione, che s^. riferisce ad un otturatore con un primo sopporto fisso 2, un secondo sopporto fisso 7 ed una parte mobile 6. Il primo sopporto fisso 2 include un sottostrato 3 costituito da una lamina di vetro o di plastica trasparente alla luce di qualche millimetro o centimetro di spessore. Sulla superficie del spttostrato viene realizzato per evaporazione, spincoating, serigrafia o dipping uno strato 4 di materiale conduttore trasparente alla luce dello spessore di qualche decina o centinaia di nanometri. Successivamente si isola lo strato conduttore 4 con uno strato 5 di isolante dielettrico o ferroelettrico trasparente alla luce iì cui spessore può variare fra i 0.1 micrometri e qualche decina di micrometri. Tale strato può essere ottenuto per serigrafia o spin-coating o dipping.
Il secondo sopporto fisso 7 è disposto perpendicolarmente al primo sopporto fisso 2 ed include una base di allumina o di acciaio 8 su cui è applicato un secondo elettrodo 9 che può essere costituito da una lamina di metallo dello spessore di qualche millimetro oppure da uno strato di materiale conduttivo realizzato per serigrafia o dipping o spin-coating o evaporazione. Anche il secondo elettrodo 9 è isolato tramite serigrafia o spin-coating o dipping con uno strato di isolante dielettrico o ferroelettrico il cui spessore può variare tra i 0.1 micrometri e qualche decina di micrometri .
La parte mobile è costituita da un petalo 6 realizzato mediante un film dielettrico di spessore di qualche micron, metallizzato su un lato, oppure mediante un unico strato metallico. Il film è ripiegato su se stesso ad anello chiuso, e appiattito in modo tale da presentare un doppio strato con un'estremità 6a che aderisce su un lato al primo sopporto fisso 2 e sull'altro lato al secondo sopporto fisso 7. La parte metallizzata del petalo 6 è disposta all'esterno dell'anello chiuso. Le dimensioni e la forma del film possono variare a seconda del tipo di otturatore richiesto. È possibile utilizzare petali con la parte metallica situata all'interno dell'anello chiuso, nel qual caso non è necessario isolare i due elettrodi 4, 9 mediante gli strati 5, 10.
Applicando una tensione elettrica fra il petalo 6 e l'elettrodo 4 trasparente alla luce, il film si distende sulla superficie del sottostrato 3 impedendo il passaggio della luce (stato 1). Se invece si applica tensione elettrica tra il petalo 6 e il secondo elettrodo 9 il film si distende sulla superficie del secondo elettrodo 9 permettendo il passaggio della luce (stato 0). Tale funzionamento è anche illustrato nel diagramma della figura 9 che illustra la variazione nel tempo della tensione fra petalo 6 ed elettrodo 4 e della tensione fra petalo 6 ed elettrodo 9.
Per realizzare otturatori di grandi dimensioni e di differenti forme è possibile utilizzare insieme più petali. Inoltre è possibile avere un passaggio graduale dallo stato 0 allo stato 1 alimentando separatamente i petali e realizzando una partizione degli elettrodi.
Le figure 10, 11 illustrano una variante del dispositivo delle figure 7, 8 che si riferisce all'applicazione come specchio a riflettanza variabile. In questo caso, il secondo sopporto fisso 7 è disposto in modo da formare un angolo Θ col primo sopporto fisso 2. Nelle figure 10, 11 le parti comuni a quelle delle figure 7, 8 sono indicate con lo stesso numero di riferimento. I vari strati del dispositivo delle figure 10, 11 sono ottenuti con tecnologie e dimensioni analoghe a quanto previsto per il dispositivo delle figure 7, 8, salvo il fatto che in questo caso il primo elettrodo 4 è di materiale semitrasparente alla luce.
Il petalo 6, costituito da un film dielettrico di spessore di qualche micron metallizzato su un lato, o da un film interamente metallico, è fissato ad un'estremità al primo sopporto 2 e all'altra estremità al secondo sopporto 7. Le dimensioni e forme del film possono variare a secondo del tipo di specchio richiesto. Applicando una tensione elettrica fra il petalo 6 e l'elettrodo 4 semitrasparente alla luce, il film si distende sulla superficie del sottostrato 3 rendendo il sottostrato completamente riflettente. Se, invece, si applica tensione elettrica fra il petalo 6 e il secondo elettrodo 9 il film 6 si distende sulla superficie del secondo elettrodo 9 e il sottostrato diventa uno specchio parzialmente riflettente.
Per realizzare specchi a riflettanza variabile di grandi dimensioni e di differenti forme è possibile utilizzare insieme più petali. È anche possibile scegliere il grado voluto di riflettanza alimentando separatamente i petali o realizzando una partizione degli elettrodi.
Lo strato isolante 10 può avere una superficie strutturata in modo tale da avere caratteristiche antiriflettenti quando il petalo vi si distende.
Le figure 12, 13 illustrano le due differenti condizioni di funzionamento di una variante del dispositivo delle figure 10, 11, in cui i due sopporti 2, 7 sono fra loro paralleli, con elementi distanziatori 11 interposti fra essi.
Naturalmente, fermo restando il principio del presente trovato, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito dell’invenzione.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo ottico a stato di funzionamento variabile, in particolare otturatore o specchio, a controllo elettrostatico, comprendente: un sopporto fisso (2), includente: un sottostrato (3), costituito da una lamina di materiale trasparente, - almeno un primo elettrodo (4), costituito da un film sottile di materiale elettricamente conduttore, almeno parzialmente trasparente, applicato ad una faccia della lamina costituente il sottostrato (3), un film isolante (5), dielettrico o ferroelettrico, applicato sopra il film (4) costituente detto primo elettrodo, ed un petalo mobile (6), comprendente un film sottile di materiale elettricamente conduttore, avente solo una porzione d'estremità connessa rigidamente a detto film isolante (5), ed atto ad assumere una prima condizione operativa, nella quale esso aderisce completamente, per effetto elettrostatico, sopra detto film isolante (5) quando viene applicata una tensione elettrica fra detto primo elettrodo (4) e detto petalo (6), cosi da attivare un primo stato di funzionamento di detto dispositivo ottico, e mezzi per richiamare detto petalo elettrostatico (6) verso una seconda posizione operativa, in cui esso è distanziato da detto sopporto fisso (2), quando non è applicata tensione fra detto primo elettrodo (4) e detto petalo (6), così da attivare un secondo stato di funzionamento di detto dispositivo ottico. -2. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione..1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di richiamo del petalo (6) verso la sua seconda posizione operativa sono costituiti dalla elasticità propria del petalo (6), che assume una posizione indeformata configurata a ricciolo quando non è applicata una tensione fra petalo (6) e primo elettrodo (4). 3. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto petalo (6) funge da otturatore atto ad impedire il passaggio di luce attraverso detto sopporto fisso (2), detto strato isolante (5) essendo anch'esso trasparente . 4. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto petalo (6) nella sua prima condizione operativa trasforma il sopporto (2) in uno specchio in grado di riflettere la luce che arriva dal lato opposto a quello su cui è applicato il petalo (6), detto strato isolante (5) essendo anch'esso trasparente. 5. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il film costituente detto primo elettrodo (4) è trasparente solo parzialmente, per cui detto dispositivo ottico è uno specchio a riflettanza variabile in funzione della condizione operativa del petalo (6). 6. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che sono previsti più petali (6) affiancati che coprono l'intera area del sopporto fisso (2) e che sono attivabili separatamente. 7. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di richiamo del petalo (6) verso la sua seconda posizione operativa sono costituiti da un secondo sopporto fisso (7), distanziato dal primo sopporto fisso (2) e recante un secondo elettrodo (9), mezzi essendo previsti per alimentare una tensione elettrica fra detto petalo (6) ed il secondo elettrodo (9), così da far aderire detto petalo (6) a detto secondo sopporto fisso (7) quando viene interrotta l'alimentazione elettrica fra il petalo (6) ed il primo elettrodo (4). 8. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto petalo (6) funge da otturatore atto ad impedire il passaggio di luce attraverso detto sopporto fisso (2), detto strato isolante (4) essendo anch'esso trasparente . 9. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto secondo sopporto fisso (7) è costituito da una lamina perpendicolare alla lamina (3) del primo sopporto fisso (2). 10. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il petalo elettrostatico (6) è costituito da un film ripiegato ad anello chiuso ed appiattito in modo da presentare un doppio strato, con un'estremità (6a) ancorata su un lato al primo sopporto fisso (2) e sull’altro lato al secondo sopporto fisso (7). 11. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto secondo sopporto fisso (7) è costituito da una lamina formante un angolo fra 0° e 90° con la lamina (3) del primo sopporto fisso (2), detto petalo (6) avendo una prima estremità ancorata a detto primo sopporto fisso (2) ed una seconda estremità ancorata a detto secondo sopporto fisso (7) ed essendo atto a trasformare il primo sopporto (2) in uno specchio in grado di riilettere la luce che arriva dal lato opposto a quello su cui è applicato il petalo, detto strato isolante (5) essendo anch'esso trasparente. 12. Dispositivo ottico secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che il film costituente detto primo elettrodo (4) è trasparente solo parzialmente, per cui detto dispositivo ottico è uno specchio a riflettanza variabile in funzione della condizione operativa del petalo. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.
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