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Dokumentenidentifikation DE10150424B4 29.07.2004
Titel Reflexionssystem und Verwendung des Reflexionssystems
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Denzler, Michael, 80636 München, DE;
Steinkopff, Thorsten, Dr., 85614 Kirchseeon, DE
DE-Anmeldedatum 11.10.2001
DE-Aktenzeichen 10150424
Offenlegungstag 30.04.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.07.2004
IPC-Hauptklasse H02N 2/04
IPC-Nebenklasse H01Q 15/14   H04R 1/32   H01Q 3/01   G02B 26/00   G02B 7/185   G02B 5/10   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reflexionssystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine besondere Verwendung des Reflexionssystems.

Ein Reflexionssystem der eingangs genannten Art geht beispielsweise aus der EP 0793 120 A1 hervor. Dieses Reflexionssystem ist derart ausgestaltet, dass die Systemsegmente über eine gemeinsame Reflexionsschicht verfügen.

Aus der US 4 280 756 A geht ein Reflexionssystem mit mehreren Systemsegmenten hervor, die einen gemeinsamen Reflexionskörper mit einer Reflexionsschicht aufweisen.

Aus der DE 694 20 666 T2 geht ein Reflexionssystem mit einer Vielzahl von Systemsegmenten hervor, wobei jedes der Systemsegmente über einen Biegewandler mit einer Reflexionsschicht verfügt. Die Biegewandler sind jeweils auf einer verformbaren Grundfläche angeordnet.

Die DE 199 17 519 C2 offenbart ein Reflexionssystem mit einer großflächigen Reflexionsschicht, die über einen segmentierten Biegewandler verformt werden kann.

Aus der DE 433 85 578 A1 ist ein Biegewandler mit einer Reflexionsschicht bekannt. Der Biegewandler mit der Reflexionsschicht wird zum Ablenken eines Laserstrahls verwendet.

Piezoelektrische Wandler können als Vielschichtbauelemente mit einer Anzahl von jeweils alternierend angeordneten piezoelektrischen Keramikschichten und Elektrodenschichten ausgebildet sein und gewinnen in der modernen Elektrotechnik immer mehr an Bedeutung. Beispielsweise werden piezoelektrische Biegewandler als Stellantriebe, in Verbindung mit Ventilen und dergleichen eingesetzt.

Bei piezoelektrischen Wandlern, die auch als Piezoaktoren bezeichnet werden, wird allgemein der Effekt ausgenutzt, daß sich diese bei Anlegen einer elektrischen Spannung entlang der Hauptachse der Keramikschicht ausdehnen oder zusammenziehen.

Bekannt sind piezoelektrische Biegewandler, die mindestens einen monolithischen Schichtverbund aufweisen, wobei der monolithische Schichtverbund aus mehreren piezoelektrisch aktiven Keramikschichten und dazwischen angeordneten inneren Elektrodenschichten besteht. Jede der inneren Elektrodenschichten dient der Erzeugung der elektrischen Felder in den benachbarten piezoelektrisch aktiven Keramikschichten. Jede der piezoelektrisch aktiven Keramikschichten ist in Dickenrichtung der Keramikschicht und damit in Stapelrichtung des monolithischen Schichtverbundes polarisiert. Beim Polarisieren werden bei Anlegen alternierender Polaritäten an benachbarten Elektrodenschichten in benachbarten Keramikschichten entgegengesetzte Polarisationsrichtungen erzeugt. Durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten im Betrieb des Biegewandlers, das heißt durch Erzeugen elektrischer Felder parallel zu den Polarisationsrichtungen, kommt es zu den Dickenänderungen der Keramikschichten. Beispielsweise werden die Keramikschichten senkrecht zu den Polarisationsrichtungen und damit zu den Dickenrichtungen der Keramikschichten verkürzt oder verlängert, was die Biegung hervorruft.

Auf anderem technischem Gebiet sind beispielsweise fokussierende, optische Reflexionssysteme mit zeitlich veränderlichem Objektabstand bekannt. Derartige Systeme erfordern die ständige Anpassung der Brennweite an den jeweils aktuellen Objektabstand. Dabei sind für die Steuerung der Brennweite bisher komplexe, optische Systeme mit steuerbarem Abstand der einzelnen Komponenten erforderlich. Die Abstandssteuerung erfolgt in der Regel elektromechanisch und weist eine entsprechende Trägheit auf. Neben den zuvor beschriebenen Nachteilen, wie Komplexität und Trägheit, haben die bisher bekannten optischen Systeme den weiteren Nachteil, daß die Steuerung der einzelnen Systemkomponenten zur Anpassung der Brennweite konstruktiv aufwändig ist.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Reflexionssystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll eine Möglichkeit geschaffen werden, mit der Reflexionselemente eines Reflexionssystems besonders einfach und kostengünstig gesteuert und geregelt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den piezoelektrischen Biegewandler mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, das Reflexionssystem mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 11 und 16 sowie die besondere Verwendung gemäß Anspruch 18. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandler beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Reflexionssystemen, und jeweils umgekehrt. Analoges gilt für die erfindungsgemäße Verwendung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß Reflexionselemente, beziehungsweise Reflexionsschichten, direkt mit einem piezoelektrischen Biegewandler gekoppelt werden können oder aber Bestandteil von diesem sind.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein piezoelektrischer Biegewandler bereitgestellt, aufweisend wenigstens eine erste Schicht und wenigstens eine zweite Schicht, wobei die erste und/oder zweite Schicht elektrisch angesteuert oder ansteuerbar ist. Der piezoelektrische Biegewandler ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine zumindest teilweise freiliegende Seite des piezoelektrischen Biegewandlers eine Reflexionsschicht aufweist.

Durch den erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandler wird es auf einfache Weise möglich, gewünschte Reflexionen weitestgehend trägheitsfrei steuern und regeln zu können. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß wenigstens eine zumindest teilweise freiliegende Seite des piezoelektrischen Biegewandlers eine besondere Reflexionsschicht aufweist.

Erfindungsgemäß weist der piezoelektrische Biegewandler wenigstens eine erste Schicht und wenigstens eine zweite Schicht auf. Dabei kann die erste und/oder zweite Schicht elektrisch angesteuert sein oder werden. Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn der piezoelektrische Biegewandler aus einer elektrisch angesteuerten Schicht und einer weiteren Schicht besteht. In einem solchen Fall wird die elektrisch angesteuerte Schicht bei elektrischer Ansteuerung, piezoelektrisch reagieren und sich entweder verlängern oder verkürzen. Dadurch entstehen in den beiden Schichten jeweils unterschiedliche geometrische Änderungen. Für einen als wie weiter unten noch näher beschriebenen Biegewandler in Form eines Kreisscheibenbiegers bedeutet dies, daß sich die benachbarten Schichten geometrisch unterschiedlich ändern werden, was zu einer entsprechenden Krümmung beziehungsweise Biegung des Kreisscheibenbiegers führt.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen für den piezoelektrischen Biegewandler beschränkt. Die jeweils angemessene Ausgestaltungsform ergibt sich je nach Anwendungsfall und Einsatzgebiet für den piezoelektrischen Biegewandler. Einige nicht ausschließliche, exemplarische Beispiele für piezoelektrische Biegewandler werden im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert.

Beispielsweise kann zur elektrischen Ansteuerung der wenigstens einen ersten und/oder der wenigstens einen zweiten Schicht wenigstens ein Elektrodenpaar vorgesehen sein.

Vorteilhaft werden dabei solche Seiten der Schicht en) mit der Reflexionsschicht beschichtet, die nicht mit einer Elektrodenschicht verbunden sind. Es wäre jedoch auch denkbar, daß die Reflexionsschicht direkt auf einer Elektrodenschicht aufgebracht wird. Grundsätzlich ist die Anordnung der Reflexionsschicht auf oder an dem piezoelektrischen Biegewandler beliebig. Wichtig ist lediglich, daß die Reflexionsschicht auf einer äußeren Seite des piezoelektrischen Biegewandlers vorgesehen ist, damit das zu reflektierende Medium ungehindert auf die Reflexionsschicht auftreffen kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ausreichend, wenn wenigstens ein Bestandteil der entsprechenden Seite des piezoelektrischen Biegewandlers eine Reflexionsschicht aufweist. Natürlich ist auch denkbar, das die gesamte Seite eine solche Reflexionsschicht aufweist. Die Größe, Form sowie das Muster desjenigen Bereichs des piezoelektrischen Biegewandlers, der mit einer Reflexionsschicht versehen ist, ergibt sich je nach Einsatzgebiet und Funktion des entsprechenden Biegewandlers.

Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Materialien für die Reflexionsschicht, beziehungsweise auf zu reflektierende Medien, beschränkt. Die Erfindung kann überall dort eingesetzt werden, wo ein auf die Reflexionsschicht auftreffendes Medium gerichtet und gezielt in eine bestimmte Richtung reflektiert werden soll. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, kann der piezoelektrische Biegewandler zum Reflektieren von sichtbaren und unsichtbaren Wellen, beispielsweise Licht, Funkwellen, Strahlungen aller Art und dergleichen eingesetzt werden. Exemplarische, nicht ausschließliche Beispiele für bevorzugte Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandlers werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.

Wenn der die Reflexionsschicht aufweisende piezoelektrische Biegewandler elektrisch angesteuert wird, bewirkt dies auf Grund der weiter oben beschriebenen physikalischen Phänomene die konkave Krümmung der einzelnen Schichten des piezoelektrischen Biegewandlers und damit auch der Reflexionsschicht. Dadurch ergibt sich eine von der elektrischen Spannung kontinuierlich einstellbare Krümmung der Reflexionsschicht.

Beispielsweise kann der piezoelektrische Biegewandler in einer Weise ausgebildet sein, daß zwischen zwei piezoelektrischen Keramikschichten eine Elektrodenschicht vorgesehen ist. Denkbar ist auch, daß zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Keramikschichten zwei oder mehr voneinander elektrisch isolierte Elektrodenschichten angeordnet sind. Die Elektrodenschicht(en) ist/sind im Vergleich zu den Keramikschichten vorteilhaft sehr dünn. Mit Hilfe der Elektrodenschicht(en) wird jeweils eine bestimmte Polarisation der benachbarten Keramikschichten erzeugt. Zudem dient/dienen die Elektrodenschicht(en) der Erzeugung der für die Krümmung der einzelnen Schichten benötigten elektrischen Felder. Sowohl die Polarisationen als auch die elektrischen Felder, beziehungsweise die Stärken der elektrischen Felder, können auf einfache Weise sehr genau eingestellt werden.

Vorzugsweise handelt es sich zumindest bei einigen der ersten und/oder zweiten Keramikschichten um piezoelektrisch aktive Keramikschichten. Unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes kommt es jeweils zu einer Abmessungsänderung (Verkürzung) der betreffenden Keramikschicht entlang einer flächenhaften (lateralen) Ausdehnung der Keramikschicht.

In einer beispielhaften Ausgestaltungsform kann der piezoelektrische Biegewandler mindestens eine piezoelektrisch aktive Keramikschicht mit einer durch ein elektrisches Feld erzeugbaren lateralen Abmessungsänderung und mindestens eine weitere piezoelektrisch aktive Keramikschicht mit einer durch ein weiteres elektrisches Feld erzeugbaren, von der vorgenannten lateralen Abmessungsänderung verschiedenen weiteren lateralen Abmessungänderung aufweisen, wobei zur Erzeugung der elektrischen Felder zwischen den Keramikschichten mindestens ein Elektrodenpaar vorgesehen ist.

Beispielsweise kann der piezoelektrische Biegewandler aus mehreren piezoelektrisch aktiven Keramikschichten und dazwischen angeordneten inneren Elektrodenschichten bestehen. Jede der inneren Elektrodenschichten dient der Erzeugung der elektrischen Felder in den benachbarten piezoelektrisch aktiven Keramikschichten. Jede der piezoelektrisch aktiven Keramikschichten ist vorzugsweise in Dickenrichtung der Keramikschicht und damit in Stapelrichtung des monolithischen Schichtverbunds polarisiert. Beim Polarisieren werden dann bei Anlegen alternierender Polaritäten an benachbarten Elektrodenschichten in benachbarten Keramikschichten entgegengesetzte Polarisationsrichtungen erzeugt. Durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten im Betrieb des Biegewandlers, das heißt durch Erzeugen elektrischer Felder parallel zu den Polarisationsrichtungen, kommt es dann zu den lateralen Abmessungsänderungen entlang der Keramikschichten. Die Keramikschichten werden senkrecht zu den Polarisationsrichtungen und damit zu den Dickenrichtungen der Keramikschichten verkürzt.

Denkbar sind jedoch auch Biegewandler mit wenigstens einer piezoelektrisch aktiven und mindestens einer piezoelektrisch inaktiven Schicht.

Beispielsweise können die Keramikschichten eine im wesentlichen gleiche Schichtdicke aufweisen. „Im wesentlichen gleich" bedeutet in diesem Fall, daß eine Toleranz von bis zu 10% zulässig sein soll. Wenn die Schichtdicken der Keramikschichten gleich sind und die Keramikschichten aus dem gleichen Keramikmaterial bestehen, kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß bei gleicher Polarisation unterschiedliche elektrische Feldstärken auf die Keramikschichten einwirken. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Abmessungsänderungen in den einzelnen Keramikschichten erzeugen, wenn an die Elektrodenschichten eine elektrische Spannung angelegt wird. Unterschiedliche Abmessungsänderungen sind auch dadurch realisierbar, daß die Keramikschichten unterschiedliche Polarisationen aufweisen und gleichen oder ähnlichen elektrischen Feldstärken ausgesetzt werden. Die Feldstärken werden dabei vorteilhaft so gewählt, daß es im Betrieb des Biegewandlers zu keiner Änderung der Polarisation der Keramikschichten kommt (Nachpolung).

In weiterer Ausgestaltung können zumindest einzelne Keramikschichten unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Sowohl beim Polarisieren der Keramikschichten als auch im Betrieb des Biegewandlers können die Elektrodenschichten bei alternierender Beschaltung mit den gleichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden. Dies führt dazu, daß bei gleicher elektrischer Ansteuerung der Elektrodenschichten unterschiedliche Abmessungsänderungen der Keramikschichten hervorgerufen werden können.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Materialien für die Keramikschichten beziehungsweise die Elektrodenschichten beschränkt. Vorteilhaft können die Keramikschichten, beziehungsweise die Elektrodenschichten, jeweils aus dem gleichen Material gebildet sein. Natürlich ist auch denkbar, daß zumindest einzelne Keramikschichten und/oder Elektrodenschichten im Vergleich zu anderen Keramikschichten beziehungsweise Elektrodenschichten aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind.

Beispielsweise können die Keramikschichten aus einem Bleizirkonattitanat (PZT) oder dergleichen gebildet sei. Die Elektrodenschichten können bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einer Palladium-Silber-Paste oder dergleichen, hergestellt sein.

Um die Reflexionsschicht am piezoelektrischen Biegewandler anzuordnen, kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die entsprechende, zumindest teilweise freiliegende Seite des piezoelektrischen Biegewandlers mit einer reflektierenden Schicht beschichtet ist. Beispielsweise kann die Reflexionsschicht aufgedampft oder aber auf andere Weise abgeschieden werden.

In weiterer Ausgestaltung kann auf der zumindest teilweise freiliegenden Seite des piezoelektrischen Biegewandlers eine reflektierende Schicht angeordnet sein. Bei einer solchen Ausgestaltungsform kann die reflektierende Schicht zunächst in einem separaten Fertigungsverfahren hergestellt und anschließend als fertiges Bauelement auf dem piezoelektrischen Biegewandler aufgebracht werden. Die Art und Weise, wie die reflektierende Schicht aufgebracht wird, ergibt sich je nach den verwendeten Materialien. Beispielsweise kann die Reflexionsschicht aufgeklebt, aufgelötet, aufgeschweißt oder dergleichen werden.

Vorteilhaft kann die Reflexionsschicht als Spiegelschicht ausgebildet sein.

In einem solchen Fall kann der piezoelektrische Biegewandler vorteilhaft zur Steuerung und Regelung der Krümmung von Spiegeln eingesetzt werden. Dabei kann der Biegewandler entweder Bestandteil eines Spiegels, beispielsweise eines Hohlspiegels sein, oder aber selbst den Spiegel bilden. Im erstgenannten Fall sind vorzugsweise eine ganze Reihe von Biegewandlern vorgesehen, die jeweils eine Facette des Spiegels bilden. Dabei ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des piezoelektrischen Biegewandlers sichergestellt, daß eine zumindest im wesentlichen trägheitsfreie Steuerung und Regelung der Brennweite von Spiegeln ermöglicht wird. Wenn der piezoelektrische Biegewandler auf einer Seite spiegelnd beschichtet ist, bewirkt die elektrische Ansteuerung des piezoelektrischen Biegewandlers, daß sich dessen spiegelnde Seite konkav krümmen kann. Damit ergibt sich eine von der elektrischen Spannung kontinuierlich einstellbare Brennweite des Spiegels.

Wenn die Reflexionsschicht als Spiegelschicht ausgebildet ist, kann die Verspiegelung des piezoelektrischen Biegewandlers beispielsweise durch Aufdampfen von Aluminium, Aufkleben von Aluminiumfolie oder dergleichen bewerkstelligt werden.

Vorteilhaft können die Elektrodenschichten des Elektrodenpaars mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer variablen Spannung verbunden sein. Auf diese Weise wird es möglich, die Krümmung der einzelnen Schichten des Biegewandlers sehr genau und definiert einstellen zu können. Das bedeutet gleichzeitig, daß auch die Reflexionsschicht, die ja mit der/den Schicht (en) des piezoelektrischen Biegewandlers, beispielsweise einer Keramikschicht, direkt verbunden ist, auf gleiche Weise verändert, insbesondere gekrümmt, wird. Aus diesem Grund läßt sich über die Einrichtung zum Erzeugen einer variablen Spannung bei Anlegen einer eben solchen an die Elektrodenschicht (en) eine sehr genaue Steuerung und Regelung der Krümmung der Reflexionsschicht realisieren. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Reflexionsschicht als Spiegelschicht ausgebildet ist und eine genau definierte, variable Krümmung des Spiegels gewünscht ist, um dessen Abbildungseigenschaften zu beeinflussen.

In weiterer Ausgestaltung kann wenigstens eine Elektrodenschicht zumindest ein Elektrodensegment aufweisen. Im einfachsten Fall besteht die Elektrodenschicht aus einem einzigen Elektrodensegment, das auf der Keramikschicht angeordnet wird. In diesem Fall kann die Elektrodenschicht in etwa der Kontur der Keramikschicht angepaßt sein. Es ist jedoch auch denkbar, daß zumindest einzelne Elektrodenschichten des piezoelektrischen Biegewandlers aus mehr als einem Elektrodensegment bestehen. Auf diese Weise wird es möglich, die piezoelektrisch aktiven Bereiche des Biegewandlers zu strukturieren. So ist es beispielsweise denkbar, daß jede Elektrodenschicht aus mehreren Elektrodensegmenten besteht, die unabhängig voneinander ausgebildet sind und somit unabhängig voneinander mit einer elektrischen Spannung angesteuert werden können. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß jedes oder zumindest einzelne Elektrodensegmente mit unterschiedlicher Spannung angesteuert werden. Auf diese Weise läßt sich die Abmessungsänderung, einer jeden Keramikschicht und damit auch die Krümmung der Reflexionsschicht sehr genau regeln.

In weiterer Ausgestaltung kann wenigstens eine Elektrodenschicht zumindest einen strukturierten Bereich aufweisen. Durch die strukturierten Bereiche der Elektrodenschicht können die piezoelektrisch aktiven Bereiche des Biegewandlers ebenfalls gezielt und an die jeweiligen Bedürfnisse angepaßt, eingestellt werden.

Durch die Aufteilung der Elektrodenschicht in einzelne Elektrodensegmente, beziehungsweise durch die Strukturierung der Elektrodenschicht, wird es möglich, eine variable Änderung der Reflexionsschicht zu erzeugen, so daß diese ohne Schwierigkeiten an sich ändernde äußere Begebenheiten angepaßt werden kann. Wenn die Reflexionsschicht beispielsweise als Spiegelschicht ausgebildet ist, wird durch die Segmentierung, beziehungsweise Strukturierung, der Elektrodenschicht(en) erreicht, daß eine örtlich variable Krümmung der Spiegelschicht möglich wird. Dadurch können die Abbildungseigenschaften des Spiegels beeinflußt werden, beispielsweise wenn statt einer sphärischen Abbildung eine parabolische Abbildung gewünscht wird.

Grundsätzlich kann die Grundfläche des piezoelektrischen Biegewandlers beliebig ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Grundfläche rechteckig sein, was beispielsweise zu einem streifenförmigen Schichtverbund führen kann. Denkbar ist auch eine Grundfläche in Form eines regelmäßigen Sechsecks oder dergleichen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist der piezoelektrische Biegewandler eine runde Grundfläche auf. In diesem Fall stellt der piezoelektrische Biegewandler einen sogenannten Kreisscheibenbieger dar. Jede der Keramikschichten ist dabei vorzugsweise eine Scheibe. Auf diese Weise wird es auf besonders einfache Weise möglich, einen maximalen resultierenden Hub des Biegewandlers zu ermöglichen.

Weiterhin zeichnet sich ein Kreisscheibenbieger durch eine gute Stabilität aus. Der Kreisscheibenbieger ist selbsttragend. Eine Auflage des Kreisscheibenbiegers ist beispielsweise nicht punktförmig, sondern erstreckt sich über den Umfang des Kreisscheibenbiegers. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Kreisscheibenbieger nur fixiert werden muß. Als weitere Vorteile sind eine im Vergleich zu anderen Bauformen erhöhte Blockierkraft, eine erhöhte Steifigkeit und eine relativ hohe Resonanzfrequenz zu nennen. Zudem kann zur Herstellung des Kreisscheibenbiegers auf bewährte Verfahren zur Herstellung von keramischen Mehrschichtaktoren zurückgegriffen werden.

Wenn die Reflexionsschicht als Spiegelschicht ausgebildet und der piezoelektrische Biegewandler als Kreisscheibenbieger ausgebildet ist, bewirkt die elektrische Ansteuerung des Kreisscheibenbiegers die konkave Krümmung der spiegelnden Seite. Damit ergibt sich eine von der elektrischen Spannung kontinuierlich einstellbare Brennweite.

In weiterer Ausgestaltung kann der piezoelektrische Biegewandler als monolithischer Schichtverbund ausgebildet sein. Monolithisch bedeutet in diesem Fall, daß der Schichtverbund etwa durch gemeinsames Sintern (Co-Firing) der Keramikschichten und der dazwischen angeordneten Elektrodenschichten hergestellt wird. Beispielsweise werden zum Herstellen des monolithischen Schichtverbunds mehrere, mit Elektrodenmaterial bedruckte keramische Grünfolien übereinander gestapelt, laminiert, gegebenenfalls entbindert und nachfolgend gesintert. Die Grünfolien sind beispielsweise so gewählt, daß durch das Sintern Schichtdicken der Keramikschichten im Bereich zwischen 20 &mgr;m und 500 &mgr;m resultieren.

Durch den wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandler lassen sich eine Reihe von Vorteilen realisieren. So ist es zum einen möglich, die Reflexionsschicht in ihrer Krümmung sehr genau einzustellen. Wenn die Reflexionsschicht als Spiegelschicht ausgebildet ist, läßt sich auf diese Weise beispielsweise eine hochpräzise Einstellung der Brennweite des Spiegels realisieren. Weiterhin kann die Reflexionsschicht mit hohen Frequenzen verändert werden. Darüber hinaus ist eine kompakte Bauweise des Biegewandlers möglich. Durch eine zusätzliche Strukturierung, beziehungsweise Segmentierung, des Biegewandlers, insbesondere zumindest einzelner Elektrodenschichten sowie eine separate Ansteuerung dieser Segmente können die Reflexionseigenschaften weiter verbessert werden. Insbesondere dann, wenn der piezoelektrische Biegewandler als Kreisscheibenbieger und die Reflexionsschicht als Spiegelschicht ausgebildet ist, können durch zusätzliche Strukturierung des Kreisscheibenbiegers und separate Ansteuerung dieser Segmente die Eigenschaften der optischen Abbildung über die der sphärischen Grundform hinaus erweitert werden.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Reflexionssystem bereitgestellt, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß es wenigstens ein Systemsegment mit wenigstens einem wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Biegewandler aufweist.

Dabei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß jedes Systemsegment und/oder jeder piezoelektrische Biegewandler separat angesteuert wird oder ansteuerbar ist.

Insbesondere dann, wenn ein solches Reflexionssystem als Spiegel, beispielsweise als Hohlspiegel, ausgebildet ist, wobei die Reflexionsschicht eines jeden piezoelektrischen Biegewandlers als Spiegelschicht ausgebildet ist und die einzelnen piezoelektrischen Biegewandler zu einem Gesamtsystem zusammengesetzt sind, kann die Krümmung eines jeden Spiegelsegments, und damit die Krümmung des gesamten Spiegels, auf einfache Weise elektronisch gesteuert werden. Diese gezielte Steuerung kann noch dadurch unterstützt werden, daß jedes Systemsegment und/oder jeder piezoelektrische Biegewandler separat angesteuert wird beziehungsweise ansteuerbar ist. In diesem Zusammenhang ist es auch denkbar, daß jeweils mehrere Biegewandler ein Systemsegment bilden und daß alle in einem Systemsegment befindlichen Biegewandler gleichzeitig und/oder gleichartig angesteuert werden.

Vorteilhaft kann zur Steuerung und/oder zur Regelung des wenigstens einen Systemsegments und/oder des wenigstens einen piezoelektrischen Biegewandlers eine Steuereinrichtung vorgesehen sein. Diese Steuereinrichtung kann beispielsweise einen Mikroprozessor, einen elektronischen Rechner und dergleichen aufweisen. Die Steuerung der einzelnen Komponenten erfolgt vorteilhaft über entsprechende Elemente der Steuereinrichtung. Hierbei kann es sich beispielsweise um Bestandteile des wenigstens einen elektronischen Rechners, um elektronische Bauteile, Komponenten, Schaltungen, Schaltungsteile, um geeignete Programmittel, beziehungsweise Software, und dergleichen handeln.

Vorteilhaft kann das wenigstens eine Systemsegment auf einer Grundfläche, insbesondere auf einer verformbaren oder verformten Grundfläche, angeordnet sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Reflexionssystem bereitgestellt, das wenigstens ein Systemsegment mit wenigstens einem piezoelektrischen Biegewandler aufweist, wobei der piezoelektrische Biegewandler wenigstens eine erste Schicht und wenigstens eine zweite Schicht aufweist und wobei die erste und/oder zweite Schicht elektrisch angesteuert oder ansteuerbar ist. Das Reflexionssystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Systemsegment auf einer als Reflexionsschicht ausgebildeten Grundfläche, insbesondere auf einer verformbaren Grundfläche, angeordnet ist.

Auf diese Weise wird eine veränderliche Reflexionsschicht geschaffen, wobei die eigentliche Reflexionsschicht als Grundfläche ausgebildet ist, die auf wenigstens einem Systemsegment mit wenigstens einem piezoelektrischen Biegewandler gelagert ist. Vorzugsweise ist die Reflexionsschicht jedoch auf einer Vielzahl von Systemsegmenten beziehungsweise piezoelektrischen Biegewandlern gelagert. Durch gezielte Einzelansteuerung der piezoelektrischen Biegewandler gelingt die lokale Korrektur beziehungsweise Anpassung der Reflexionsschicht an eine gewünschte Kontur.

Vorteilhaft kann der piezoelektrische Biegewandler dabei in einer wie weiter oben beschriebenen Weise ausgebildet sein.

Insbesondere dann, wenn das Reflexionssystem als Spiegel ausgebildet ist, kann durch gezielte Ansteuereung der piezoelektrischen Biegewandler auf einfache und genaue Weise die lokale Korrektur beziehungsweise Anpassung der Spiegeloberfläche an jede gewünschte Kontur erreicht werden.

Aus diesem Grund können derartige Reflexionssysteme besonders vorteilhaft als Teleskope oder dergleichen eingesetzt werden.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein wie vorstehend beschriebener erfindungsgemäßer piezoelektrischer Biegewandler und/oder ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Reflexionssystem vorteilhaft als regulierbarer Spiegel verwendet werden.

Nachfolgend wird nun die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen piezoelektrischen Biegewandler gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Seitenansicht;

2 in schematischer Seitenansicht den Biegewandler gemäß 1 in gekrümmter Form;

3 eine erste Ausführungsform einer Elektrodenschicht des piezoelektrischen Biegewandlers;

4 eine weitere Ausführungsform der Elektrodenschicht des piezoelektrischen Biegewandlers;

5 in schematischer Darstellung die Draufsicht auf ein Reflexionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung; und

6 eine Schnittansicht durch das Reflexionssystem gemäß 5 entlang der Schnittlinie VI-VI.

In 1 ist zunächst ein piezoelektrischer Biegewandler 10 dargestellt, der als monolithischer Schichtverbund mit einer Anzahl von ersten piezoelektrischen Keramikschichten 13 sowie zweiten piezoelektrischen Keramikschichten 14 ausgebildet ist. Im vorliegenden Beispiel sind jeweils zwei erste und zwei zweite Keramikschichten 13, 14 dargestellt, die jeweils abwechselnd übereinander gestapelt sind. Zwischen den Keramikschichten 13, 14 ist jeweils eine Elektrodenschicht 15 angeordnet.

Die Keramikschichten 13, 14 weisen jeweils das gleiche Keramikmaterial auf, im vorliegenden Fall ein Bleizirkonattitanat (PZT). Die Polarisationen der einzelnen Keramikschichten 13, 14 sind vom Betrag her ungefähr gleich, was durch entsprechende Pfeile dargestellt ist. Die Polarisationen benachbarter Keramikschichten sind parallel zueinander, aber einander entgegengerichtet. Die Schichtdicken der Keramikschichten 13, 14 sind unterschiedlich.

Im Betrieb des Biegewandlers 10 werden die Elektrodenschichten 15 alternierend mit entsprechenden Potentialen beaufschlagt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel haben die Potentiale entweder einen bestimmten Wert U0 oder aber sie betragen 0 Volt. Durch die Kombination von verschiedenen Schichtdicken der piezoelektrischen Keramikschichten 13, 14 und gleichen Potentialdifferenzen zwischen den Elektrodenschichten 15 werden die Keramikschichten 13, 14 unterschiedlich starken elektrischen Feldern ausgesetzt, was durch entsprechende Pfeile im unteren Bereich von 1 dargestellt ist.

Die unterschiedlich dicken Keramikschichten 13, 14 werden jeweils gleich angesteuert, was zu unterschiedlichen elektrischen Feldstärken führt. Dies führt zu einer unterschiedlichen geometrischen Veränderung der Schichten, beispielsweise zu einer unterschiedlichen Verkürzung derselben. Grundsätzlich gilt, je größer die elektrische Feldstärke, desto größer die planare Verkleinerung der einzelnen Keramikschichten 13, 14.

Der piezoelektrische Biegewandler 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kreisscheibenbieger ausgebildet, wobei jede der Keramikschichten 13, 14 einen scheibenförmigen Grundaufbau aufweist.

Wenn die Elektrodenschichten 15 des Biegewandlers 10 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, führt die wie weiter oben beschriebene Ausgestaltung des Biegewandlers 10 zu unterschiedlichen Krümmungen der einzelnen Keramikschichten 13, 14, wie dies im Zusammenhang mit 2 dargestellt ist.

Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Biegewandler 10 weist eine der Keramikschichten, im vorliegenden Fall eine der ersten piezoelektrischen Keramikschichten 13, auf einer ihrer Seiten 17 eine Reflexionsschicht 16 auf. Dabei ist die Reflexionsschicht 16 auf derjenigen freiliegenden Seite 17 der Keramikschicht 13 angeordnet, die nicht mit einer Elektrodenschicht 15 verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist nur eine einzige Keramikschicht 13 mit einer solchen Reflexionsschicht 16 verbunden, nämlich die äußerste Keramikschicht des piezoelektrischen Biegewandlers 10. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Reflexionsschicht 16 möglichst unbehelligt einem zu reflektierenden Medium zugänglich sein muß.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Reflexionsschicht 16 als Spiegelschicht ausgebildet. Eine solche Verspiegelung kann beispielsweise durch Aufdampfen von Aluminium oder Aufkleben einer Aluminiumfolie auf die Keramikschicht 13 bewerkstelligt werden.

Wenn die Elektrodenschichten 15 des Biegewandlers 10 elektrisch angesteuert werden, führt dies zu einer Verkrümmung der Keramikschichten 13, 14, wie dies im Zusammenhang mit 2 dargestellt ist. Gleichzeitig krümmt sich auch die Reflexionsschicht 16. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bewirkt die elektrische Ansteuerung des piezoelektrischen Biegewandlers 10 die konkave Krümmung der Reflexionsschicht 16. Da die Krümmung des piezoelektrischen Biegewandlers 10 und damit der Reflexionsschicht 16 von der Höhe der angelegten Spannung abhängt, ergibt sich im vorliegenden Fall eine von der elektrischen Spannung kontinuierlich einstellbare Brennweite der als Spiegelschicht ausgebildeten Reflexionsschicht 16.

Je nach Ausgestaltung können die Elektrodenschichten 15 strukturiert beziehungsweise segmentiert sein. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Elektrodenschicht 15, die einen in Sternform ausgebildeten strukturierten Bereich 25 aufweist.

In 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Elektrodenschicht 15 dargestellt, wobei die Elektrodenschicht 15 aus drei kreisförmigen Elektrodensegmenten 20, 21, 22 ausgebildet ist. Die einzelnen Elektrodensegmente 20, 21, 22 sind unabhängig voneinander und radial ineinanderliegend ausgebildet. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel kann beispielsweise jedes Elektrodensegment 20, 21, 22 mit unterschiedlicher Spannung angesteuert werden. Die Kontaktierung insbesondere der inneren Elektrodensegmente 21, 22 kann beispielsweise über Vias von der Gegenseite her erfolgen.

In den 5 und 6 ist schließlich ein Reflexionssystem 30 dargestellt, das zunächst eine Anzahl von Systemsegmenten 31 aufweist, die auf einer Grundfläche 32, im vorliegenden Fall einer gekrümmten Grundfläche 32, angeordnet sind. Jedes der Systemsegmente 31 umfaßt im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils einen piezoelektrischen Biegewandler 10, wie er beispielsweise in den 1 bis 4 dargestellt und beschrieben ist.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 5 und 6 können insbesondere größere Spiegelflächen mit hochpräziser Fokussierung realisiert werden. Die einzelnen, gegebenenfalls vorgekrümmten Systemsegmente 31, die im vorliegenden Beispiel Spiegelsegmente bilden, werden auf einer der jeweiligen Anwendung entsprechend geformten beziehungsweise gekrümmten Fläche, der Grundfläche 32, aufgebracht. Über die elektrische Einzelansteuerung der einzelnen Systemsegmente 31, beziehungsweise der piezoelektrischen Biegewandler 10, kann die Krümmung im jeweiligen Bereich gezielt beeinflußt werden. Das bedeutet, daß auch lokale Formtoleranzen in der gekrümmten Spiegelfläche ausgeglichen werden können.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Reflexionssystems 30, beziehungsweise der entsprechenden piezoelektrischen Biegewandler 10, wird eine im wesentlichen trägheitsfreie Steuerung und Regelung der Brennweite der einzelnen Reflexionsschichten 16, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also der Spiegelschichten beziehungsweise der daraus resultierenden Gesamtschicht, ermöglicht. Damit läßt sich auf besonders einfache und genaue Weise die Krümmung des gesamten Reflexionssystems 30, bei dem es sich beispielsweise um einen Hohlspiegel handeln kann, elektronisch steuern. Dies kann insbesondere durch die Segmentierung des Reflexionssystems 30 sowie die elektrische Einzelansteuerung der einzelnen Systemsegmente 31 als auch durch die Strukturierung der einzelnen Elektrodenschichten 15 des piezoelektrischen Biegewandlers 10 erreicht werden. Dadurch wird eine örtlich variable Krümmung des Reflexionssystems 30 gestattet, wodurch die Abbildungseigenschaften des Spiegels beeinflußt werden können, etwa wenn statt einer sphärischen Abbildung eine parabolische Abbildung gewünscht wird. Weiterhin können lokale Abweichungen von der gewünschten Spiegelkontur auf einfache Weise korrigiert werden.


Anspruch[de]
  1. Reflexionssystem mit wenigstens zwei Systemsegmenten (31) mit jeweils wenigstens einem piezoelektrischen Biegewandler (10), aufweisend eine erste Schicht (13) und wenigstens eine zweite Schicht (14), wobei die erste und/oder zweite Schicht (13, 14) elektrisch angesteuert oder ansteuerbar ist, und die Systemsegmente (31) auf einer gemeinsamen, verformbaren oder verformten Grundfläche (32) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Systemsegmente (31) derart ausgebildet sind, daß jeweils wenigstens eine zumindest teilweise freiliegende Seite (17) der piezoelektrischen Biegewandler (10) der Systemsegmente (31) eine einzelne Reflexionsschicht (16) aufweist.
  2. Reflexionssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Ansteuerung der wenigstens einen ersten Schicht (13) und/oder der wenigstens einen zweiten Schicht (14) wenigstens ein Elektrodenpaar (15) vorgesehen ist.
  3. Reflexionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest teilweise freiliegende Seite (17) der piezoelektrischen Biegewandler (10) mit einer reflektierenden Schicht beschichtet ist.
  4. Reflexionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zumindest teilweise freiliegenden Seite (17) der piezoelektrischen Biegewandler (10) eine reflektierende Schicht angeordnet ist.
  5. Reflexionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht (16) als Spiegelschicht ausgebildet ist.
  6. Reflexionssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Elektrodenpaar (15) mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer variablen Spannung verbunden ist.
  7. Reflexionssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrodenschicht (15) zumindest ein Elektrodensegment (20, 21, 22) aufweist.
  8. Reflexionssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrodenschicht (15) zumindest einen strukturierten Bereich (25) aufweist.
  9. Reflexionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Biegewandler (10) eine runde Grundfläche aufweisen.
  10. Reflexionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Biegewandler (10) als monolithischer Schichtverbund ausgebildet sind.
  11. Reflexionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Systemsegment (31) und/oder jeder piezoelektrische Biegewandler (10) separat angesteuert wird oder ansteuerbar ist.
  12. Reflexionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Steuern und/oder Regeln der wenigstens zwei Systemsegmente (31) und/oder des jeweils wenigstens einen piezoelektrischen Biegewandlers (10) eine Steuereinrichtung vorgesehen ist.
  13. Verwendung eines Reflexionssystems (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als regulierbarer Spiegel.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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