DE3935891A1

DE3935891A1 - Anordnung zum verstellen eines spiegels in einem laserkreisel

Info

Publication number: DE3935891A1
Application number: DE19893935891
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl Ing Hoffmann; Harald Kretzler
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-10-27
Publication date: 1990-07-19

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verstellen eines Spiegels senkrecht zu seiner Spiegelfläche mit dem Ziel, die Strahlpfadlänge in einem Laserkreisel zu verändern, wobei die Kraft für die Spiegelverstellung von einem piezoelektri schen Antrieb aufgebracht wird.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE-OS 29 00 609 bekannt. Der piezoelektri sche Antrieb gemäß dieser DE-OS 29 00 609 besteht aus einer Piezoscheibe, bei der ein äußerer Bereich und ein zentraler Bereich getrennt voneinander elek trisch ansteuerbar sind, so daß der Randbereich und der Zentralbereich des Spie gels entgegengesetzt gerichteten Kräften ausgesetzt werden können. Eine exakte Funktion eines Laserkreisels setzt voraus, daß die Laserstrahlpfadlänge in dem Ringlaser möglichst konstant ist. Bei Temperaturschwankungen, denen der Laser kreisel ausgesetzt ist, kommt es aber zu Veränderungen der Laserstrahlpfadlänge. Werden diese Veränderungen der Laserstrahlpfadlänge nicht korrigiert, dann kön nen sie eine Drift verursachen, also ein Ausgangssignal hervorrufen, welches ei ne Rotation angibt, auch wenn tatsächlich keine vorhanden ist.

Temperaturabhängige Laserstrahlpfadlängen lassen sich dadurch kompensieren, daß einer der vorhandenen Spiegel verschoben wird. Eine solche Verschiebung soll aber nur in Richtung senkrecht zur Spiegelfläche erfolgen. Alle andersartigen Bewegungen, beispielsweise Rotationen oder Kippungen, sind möglichst zu vermei den. Solche unerwünschten Spiegelbewegungen lassen sich aber bei der in der DE-OS 29 00 609 beschriebenen Anordnung nicht ausschließen. Das liegt daran, daß die elektrisch getrennt voneinander ansteuerbaren inneren und äußeren Bereiche der gemeinsamen Piezoscheibe miteinander und auch mit dem Spiegel zu starr ver bunden sind. Dann übertragen sich nämlich nicht nur senkrecht zur Spiegelfläche gerichtete Kräfte, sondern auch parallel zur Spiegelfläche orientierte Kräfte auf den Spiegel.

Vorteile der Erfindung

Die durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 1, 10 und 19 gekennzeichne ten Anordnungen sind vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß die von dem piezo elektrischen Antrieb ausgehenden Kräfte eine nahezu ausschließlich senkrecht zur Spiegelfläche gerichtete Spiegelbewegung bewirken. D.h. durch die erfindungsge mäßen Anordnungen werden unerwünschte Spiegelbewegungen weitgehendst unter drückt. Die den nebengeordneten Ansprüchen 1, 10 und 19 untergeordneten Ansprü che geben vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnungen wieder.

Zeichnung

Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird nun die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1, 2, 3 drei Varianten für einen auf den äußeren und inneren Be reich des Spiegels einwirkenden piezoelektrischen Antrieb,

Fig. 4-9 sechs Ausführungsbeispiele für einen piezoelektrischen An trieb, dessen radiale Volumenänderung in eine axiale Spiegelbewegung umge formt wird,

Fig. 10, 11, 12 drei Ausführungen für einen piezoelektrischen Antrieb mit einer den Spiegel bewegenden Membran,

Fig. 13, 14, 15 drei Ausführungen für eine Verbindung des Spiegels mit der Membran und

Fig. 16-21 sechs Ausführungen für eine Verbindung der Membran mit einem den Spiegel fassenden Rahmen.

Beschreibung der Erfindung

Der Fig. 1 ist eine Anordnung zu entnehmen, die einen in einem Laserkreisel eingesetzten Spiegel 1 in axialer Richtung, d.h. senkrecht zu seiner Spiegelflä che, zu verschieben vermag. Der in einem Querschnitt in Fig. 1 gezeigte Spiegel 1 ist in bekannter Weise so gestaltet, daß er einen äußeren Ringbereich 1′, und einen zylindrischen Innenbereich 1′′, den sogenannten Spiegelstempel, aufweist.

Der äußere Ringbereich 1′ ist mit dem Spiegelstempel 1′′ durch einen membranar tigen Steg 1′′′ verbunden. Für die im Mikrometerbereich liegende Auslenkung des Spiegels 1 in axialer Richtung, d.h. senkrecht zu seiner Spiegelfläche 2, ist ein piezoelektrischer Antrieb vorgesehen. Dieser piezoelektrische Antrieb be steht aus einem ersten ringförmigen, auf den äußeren Ringbereich 1′ des Spiegels 1 einwirkenden Piezoelement 3 und einem von diesem durch einen Freiraum getrennten zweiten zylindrischen Piezoelement 4, das auf den Spiegelstempel 1′′ einwirkt. Beide Piezoelemente 3 und 4 können, wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, mehr schichtig aufgebaut sein. Dadurch, daß die beiden Piezoelemente 3 und 4 durch einen Freiraum voneinander getrennt sind, beeinflussen sie sich durch radiale Volumenausdehnungen gegenseitig nicht. Die zwei Piezoelemente 3 und 4 sind ge meinsam zwischen einer in axialer Richtung biegeweichen Membran 5 und einer bie gesteifen Abdeckplatte 6 eingespannt. Die Membran 5 befindet sich auf der dem Spiegel 1 zugewandten Seite und die Abdeckplatte 6 auf der gegenüberliegenden Seite der beiden Piezoelemente 3 und 4. Zwei mit der Membran 5 verbundene Bolzen 7 und 8 durchdringen den mit den Piezoelementen 3 und 4 belegten Raum und die anschließende Abdeckplatte 6, auf deren Oberseite sie jeweils mit einer Mutter 7′, und 8′, verschraubt sind.

Eine jeweils zwischen der Mutter 7′ bzw. 8′ und der Abdeckplatte 6 eingefügte Feder 7′′ bzw. 8′′ sorgt für eine elastische Verspannung der Piezoelemente 3 und 4 zwischen der Abdeckplatte 6 und der Membran 5. Bei dem in der Fig. 1 darge stellten Ausführungsbeispiel ist zwischen den Piezoelementen 3 und 4 und der Membran 5 eine Zwischenlage 9 eingefügt, die von einer großen, an die Piezoele mente 3 und 4 angepaßte Auflagefläche auf eine kleinere, auf der Membran 5 auf liegenden Fläche übergeht. Durch diese Übersetzung der großen Auflagefläche der Piezoelemente 3 und 4 auf eine wesentlich kleinere Berührungsfläche mit der Mem bran 5 steht eine sehr große effektive Membranfläche zur Verfügung, die durch ihre geringere Biegesteifigkeit Volumenänderungen der Piezoelemente 3 und 4 in eine axiale Kraft auf dem Spiegel 1 besser umsetzt. Auf der dem Spiegel 1 zuge wandten Unterseite der Membran 5 ist eine Distanzscheibe 10 aufgeklebt, und auf dieser Distanzscheibe 10 wiederum ist der Spiegel 1 durch Kleben fixiert. Diese Distanzscheibe 10 besteht aus dem gleichen Material wie der Spiegel 1, um eine Anpassung zwischen den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Mem bran 5 und dem Spiegel 1 zu bewirken. Damit, wie bereits im Zusammenhang mit der Zwischenlage 9 gesagt, die effektive Membranfläche möglichst groß ist, liegt die Distanzscheibe 10 mit einer kleinen Fläche auf der Membran 5 auf und geht auf eine große Auflagefläche für den Spiegel 1 über. Durch die elastische Verspan nung der Piezoelemente 3 und 4 zwischen der Membran 5 und der Abdeckplatte 6 können sich die Piezoelemente ungehindert in radialer Richtung ausdehnen, ohne daß daraus eine störende radiale Kraft auf den Spiegel 1 resultiert. Durch die in Fig. 1 gezeigte Anordnung wird nur eine in axialer Richtung erfolgende Volu menänderung der Piezoelemente 3 und 4 auf den Spiegel 1 übertragen. Es besteht die Möglichkeit, die beiden Piezoelemente 3 und 4 entgegengesetzt anzusteuern, so daß es z.B. bei dem äußeren Piezoelement 3 zu einer Kontraktion und bei dem inneren Piezoelement 4 zu einer Ausdehnung kommt. Damit läßt sich ein größerer axialer Verstellweg für den Spiegel 1 verwirklichen.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung unterscheidet sich gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Anordnung durch die Führung der beiden mit der Membran 5 verbundenen Bolzen 7 und 8. Es ist auch möglich mit mehreren Bolzen zu arbeiten, damit die Last gleichmäßiger verteilt wird. Gemäß Fig. 1 sind die beiden Bolzen 7 und 8 durch das ringförmige äußere Piezoelement 3 geführt, und gemäß Fig. 2 durch dringen die beiden Bolzen 7 und 8 den Freiraum zwischen den beiden Piezoelemen ten 3 und 4.

Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist reicht für die Verspannung der Piezoelemente 3 und 4 unter Umständen auch nur ein mit der Membran 5 verbundener Bolzen 11 aus, der durch das mittlere Piezoelement 4 geführt ist. Dieser eine Bolzen 11 ist auf der Oberseite der Abdeckplatte 6 mit einer Mutter 11′ unter Zwischenlage einer Feder 11′′ verschraubt.

Bei beiden in den Fig. 2 und 3 dargestellten Anordnungen ist auf die Darstel lung des Spiegels verzichtet worden, weil er hier an gleicher Stelle, wie im Zu sammenhang mit Fig. 1 beschrieben, angeordnet ist. Im Unterschied zu den in den Fig. 1 und 3 dargestellten Anordnungen weist die weniger aufwendige Ausfüh rungsform nach Fig. 2 keine Zwischenlage zwischen der Membran 5 und den Piezoe lementen 3 und 4 auf, und die Distanzscheibe 12 ist nicht für eine Übersetzung einer großen Auflagefläche für den Spiegel auf eine kleine Auflagefläche für die Membran ausgeführt.

Die in den Fig. 4-9 dargestellten Anordnungen haben gemeinsam, daß der pie zoelektrische Antrieb in einer mit dem Außenbereich des Spiegels verbundenen Haltevorrichtung untergebracht ist. Und zwar ist darin der piezoelektrische An trieb so angeordnet, daß er durch eine parallel zur Spiegelfläche gerichtete Vo lumenänderung eines sich einerseits auf dem inneren Bereich des Spiegels und an dererseits am piezoelektrischen Antrieb abstützende Biegebalkenvorrichtung zu einer Durchbiegung senkrecht zur Spiegelfläche veranlaßt.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4 besteht die Haltevorrichtung aus einem den Spiegel 1 überspannenden stabilen Oberteil 13 und von diesem abgewinkelte über den Rand des Spiegels 1 greifenden Armen 13′. In das Oberteil sind minde stens zwei Piezoelemente 14 und 15 eingesetzt. Eine Blattfeder 16, die mit ihren beiden Enden an den einander zugewandten Innenseiten der beiden Piezoelemente 14 und 15 anliegt, drückt die Piezoelemente 14 und 15 gegen Schultern 17 und 18 in dem Oberteil 13 der Haltevorrichtung. Der Bereich des Durchbiegungsmaximums der Blattfeder 16 liegt auf dem Stempel 1′′ des Spiegels 1 auf. Bei einer radialen Volumenänderung der Piezoelemente 14 und 15 biegt sich die Blattfeder 16 in Richtung auf den Spiegel 1 schwächer oder stärker durch und übt somit eine axia le Kraft auf den Spiegel 1 aus. Es können auch mehrere über Kreuz geführte Blattfedern zur Verschiebung des Spiegels 1 eingesetzt werden. Dabei wird jede Blattfeder zwischen jeweils zwei in dem Oberteil 13 der Haltevorrichtung einge setzten Piezoelementen eingespannt.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung ist in das Oberteil 19 der Haltevor richtung, welche den Spiegel 1 zwischen seinen Armen 19′ hält ein geschlossener Piezoring 20 eingesetzt. An der Innenseite dieses Piezorings 20 stützen sich mit ihren Enden eine mit ihrem Durchbiegungsmaximum auf dem Spiegel 1 aufliegende Blattfeder 21 und eine in entgegengesetzter Richtung mit ihrem Durchbiegungsma ximum am Oberteil 19 aufliegende Blattfeder 22 ab. Schrumpft nun der Piezoring 20, d.h. verringert sich sein Innendurchmesser, so biegen sich die beiden Blatt federn 21 und 22 in einander entgegengesetzte Richtungen durch und veranlassen den Spiegel 1 zu einer Auslenkung in axialer Richtung. Mit den zwei einander entgegenwirkenden Blattfedern 19, 21 läßt sich ein längerer Auslenkungsweg für den Spiegel 1 realisieren. Denn die am Oberteil 19 der Haltevorrichtung anlie gende Blattfeder 22 schiebt mit zunehmender Durchbiegung den geschrumpften, im Oberteil 19 frei beweglichen Piezoring 20 zusammen mit der an ihm fixierten Blattfeder 21 in Richtung auf den Spiegel 1. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 4 erwähnt, können mehrere über Kreuz geführte Blattfedern in dem Piezo ring 20 eingesetzt werden.

Ebenfalls mit entgegengesetzt wirkenden Blattfedern 23 und 24 ist die Anordnung gemäß Fig. 7 ausgestattet. Der Piezoring 25, in den die Blattfedern 23 und 24 eingesetzt sind, ist in diesem Ausführungsbeispiel segmentiert. Durch Ausdehnung der einzelnen Piezoringsegmente 25 werden die Blattfedern 23 und 24 gespannt und üben in der im Zusammenhang mit Fig. 5 geschilderten Weise eine axiale Kraft auf den Spiegel 1 aus. Der segmentierte Piezoring 25, der mit seiner Innenseite einen radialen Druck auf die Blattfedern 23 und 24 ausübt, stützt sich mit sei ner Außenseite an der Innenwand einer Haltevorrichtung 26 ab, die aus dem glei chen Material besteht wie der Spiegel 1. Wegen der gleichen Materialien des Spiegels 1 und der Haltevorrichtung 26 erfahren beide die gleichen Wärmeausdeh nungen. Aus diesem Grunde ist es auch unproblematisch, die Haltevorrichtung 26 mit ihrem den Piezoring 25 abstützenden Rand direkt auf dem äußeren Ringbereich des Spiegels 1 aufzukleben oder anzusprengen.

Eine ebensolche Haltevorrichtung 27 besitzt die in Fig. 6 dargestellte Anord nung. In dieser Haltevorrichtung ist auch ein segmentierter Piezoring 28 einge setzt, und an dessen Innenbereich stützt sich mit seinen beiden Enden eine Blattfeder 29 - es können auch wiederum mehrere über Kreuz geführte Blattfedern sein - ab.

Diese Blattfeder 29 drückt mit dem Bereich ihres Durchbiegungsmaximums auf ei nen Stempel 30, der unter Zwischenlage einer Scheibe 31 auf dem Spiegel 1 auf liegt. Die Zwischenlage 31 besteht aus dem gleichen Material wie der Spiegel 1, um eine Anpassung zwischen den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stempels 30 und des Spiegels 1 zu bewirken. Der Stempel 30 ist mit seinem Schaft 30′ durch die Haltevorrichtung 27 geführt und auf deren Oberseite mit ei ner Mutter 32 verschraubt. Eine zwischen der Mutter 32 und der Oberseite der Haltevorrichtung 27 eingefügte Feder 33 bildet eine Gegenkraft zu der Blattfeder 29. So kann durch Verdrehen der Mutter 32 die Andruckkraft des Stempels 30 auf den Spiegel 1 eingestellt werden.

Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bestand die Biegebalken vorrichtung aus einer oder mehreren Blattfedern. Bei der der Fig. 8 zu entneh menden Anordnung wird die axiale Kraft auf den Spiegel 1 von Hebeln 34, 35 aus geübt. Die Hebel 34, 35 sind in einer Haltevorrichtung für den Spiegel 1 schwenk bar aufgehängt. Diese Haltevorrichtung besteht wie die in den Fig. 4 und 5 gezeigte Haltevorrichtung ebenfalls aus einem Oberteil 36 und von diesem abge winkelten Armen 36′. Die Arme übergreifen den Spiegel 1 und sind mit ihren Enden an dem Grundkörper 37 des Laserkreisels fixiert. Der Spiegel 1, welcher auf dem Grundkörper 37 des Laserkreisels aufliegt wird somit zwischen diesem Grundkörper 37 und dem Oberteil 36 der Haltevorrichtung eingeklemmt. Jeder von mindestens zwei vorhandenen Hebeln 34, 35 weist an seinem an dem Oberteil 36 der Haltevor richtung gelagerten Ende eine Schulter 34′, 35′ auf. Das andere Ende eines jeden Hebels drückt auf den Spiegelstempel 1′′ des Spiegels 1. Die Hebel 34, 35 stüt zen sich mit ihren Schultern 34′, 35′ gegen Piezoelemente 38, 39 ab. Auf der den Schultern 34′, 35′ der Hebel 34, 35 gegenüberliegenden Seite liegen die Piezo elemente 38, 39 an Begrenzungswänden 40, 41 an. Erfahren nun die Piezoelemente 38, 39 zwischen den Begrenzungswänden 4 O, 41 und den Schultern 34′, 35′ der He bel 34, 35 eine Volumenänderung in radialer Richtung, so werden die am Oberteil 36 der Haltevorrichtung gelenkig gelagerten Hebel 34, 35 auf den Spiegel 1 zu oder von ihm weg gekippt. Eine zwischen den zwei gegenüberliegenden Hebeln 34, 35 eingespannte Blattfeder 42 stellt eine Gegenkraft gegen die Piezoelemente 38, 39 dar. Mittels Schrauben 43, 44 welche durch die Begrenzungswände geführt sind und auf die Piezoelemente 38, 39 treffen, kann die Andruckkraft der Hebel 34, 35 auf den Spiegel 1 eingestellt werden.

Eine andere Möglichkeit, die Andruckkraft der Hebel 34, 35 auf den Spiegel 1 einzustellen, verdeutlicht die in Fig. 9 dargestellte Anordnung. Dort sind die auf den Spiegel 1 Kraft ausübenden Hebelenden von Schrauben 45, 46 durchsetzt, mit denen sich der Abstand zwischen den Hebelenden und dem Spiegelstempel 1′′ und damit die Hebelandruckkraft verstellen läßt. Die Anordnung der Fig. 9 ent spricht im wesentlichen der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform. Die Fig. 9 zeigt lediglich eine andere Verbindung zwischen der Haltevorrichtung und dem Spiegel 1. Hier wird der Spiegel 1 direkt zwischen den Armen 47′, welche von dem Oberteil 47 der Haltevorrichtung abgewinkelt sind, gehalten, so wie es oben be reits bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 beschrieben worden ist.

Es ist zweckmäßig, die Arme 13′, 19′, 36′ und 47′ der in den Fig. 4, 5, 8 und 9 dargestellten Haltevorrichtungen in Längsrichtung, d.h. in axialer Verschiebe richtung des Spiegels 1, zu schlitzen, so daß eine Art Fingerstruktur entsteht. Dadurch wird die unerwünschte Kopplung zwischen in der Haltevorrichtung auftre tenden radialen Kräften und dem Spiegel 1 geschwächt. Die Übertragung axialer Kräfte auf den Spiegel 1 vermindert sich dadurch aber nicht.

Bei den in den Fig. 10, 11 und 12 dargestellten Anordnungen ist der Spiegel 1 in einer Haltevorrichtung gefaßt, die aus einem über den Rand des Spiegels 1 greifenden Rahmen 48 und einer in diesen Rahmen 48 angeordneten, parallel zur Spiegelfläche verlaufenden Membran 49 besteht. Ein auf der Membran 49 angeordne ter piezoelektrischer Antrieb bewirkt eine Durchbiegung der Membran 49, die sich in eine axiale Auslenkung des Spiegels 1 übersetzt. Die Fig. 10, 11 und 12 zeigen drei verschiedene Ausgestaltungen des piezoelektrischen Antriebes. Gemäß Fig. 10 besteht dieser piezoelektrische Antrieb aus zwei Piezoelementen 50 und 51, von denen das eine auf der Ünterseite und das andere auf der Oberseite der Membran 49 fixiert ist. Werden die beiden Piezoelemente 50 und 51 so entgegenge setzt angesteuert, daß das Piezoelement 51 auf der Oberseite der Membran 49 schrumpft und sich das Piezoelement 50 auf der Unterseite der Membran 49 aus dehnt, so kommt es zu einer Durchbiegung der Membran 49 in Richtung auf den Spiegel 1. Die Form der Durchbiegung der Membran 49 läßt sich gezielter beein flussen, wenn, wie die Fig. 11 zeigt, auf jeder der beiden Membranseiten mehre re Piezoelemente 52 und 53 getrennt voneinander angeordnet sind und alle Piezo elemente 52, 53 einzeln ansteuerbar sind.

Bei der in Fig. 12 dargestellten Anordnung sind auf den beiden Membranseiten mehrschichtige Piezoelemente 54 und 55 aufgebracht. Die Dicke der miteinander verklebten Schichten der Piezoelemente 54, 55 werden mit zunehmender Entfernung von der Membran 49 kleiner. Werden alle Schichten mit gleicher Spannung ange steuert, nimmt die Feldstärker mit abnehmender Schichtdicke zu. Die außenliegen den Schichten erfahren wegen der in ihnen vorherrschenden größeren Feldstärke eine größere Volumenausdehnung. Dadurch werden die Piezoelemente 54, 55 gleich mäßiger belastet; es kommt zu einer homogeneren Spannungsverteilung in den Pie zoelementen 54, 55. Jedes geschichtete Piezoelement 54, 55 kann mit einer einzi gen an allen Schichten anliegenden Spannung angesteuert werden. Bei Piezoelemen ten, die aus gleich dicken Schichten aufgebaut sind, müssen die einzelnen Schichten mit abgestuften elektrischen Spannungen angesteuert werden, um eine gewünschte Durchbiegung der Membran 49 zu erzielen.

Zur Erzielung einer gleichbleibenden Kraftübertragung zwischen den einzelnen Schichten der Piezoelemente ist es zweckmäßig, für eine gleichbleibende Schicht dicke des Klebers zwischen den einzelnen Schichten zu sorgen. Für eine über die ganze Fläche der Piezoschichten gleichmäßig verteilte Kleberschichtdicke sorgen zwischen die Piezoschichten eingefügte Abstandhalter. Diese Abstandhalter können z.B. Formteile aus Metall oder Kunststoff sein.

Eine höhere Steifigkeit der Piezoelemente läßt sich dadurch erzielen, daß zwi schen die Piezoschichten Metallfolien eingefügt werden. Sie können gleichzeitig als Elektroden für die elektrische Ansteuerung der Piezoelemente dienen.

Die Übertragung der Kraft der sich durchbiegenden Membran 49 auf den Spiegel 1 erfolgt durch ein Verbindungsstück, das einerseits an der Membran 49 bzw. an ei nem an dessen Unterseite befindlichen Piezoelement fixiert ist und andererseits eine Verbindung mit dem Spiegelstempel 1′′ eingeht. Die Fig. 10, 11 und 12 zeigen drei sehr einfache Formen von Verbindungsstücken 56, 57 und 58. Das Ver bindungsstück 56 in Fig. 10 ist an einem Ende mit dem auf der Unterseite der Membran 49 befindlichen Piezoelement 50 durch Kleben verbunden. Das andere Ende dieses Verbindungsstücks 56 besitzt einen verbreiterten Fuß, der mit einer Fin gerstruktur über den Spiegelstempel 1′′ greift.

Auch das in Fig. 12 dargestellte Verbindungsstück 58 ist mit einem Ende auf dem Piezoelement 54 an der Unterseite der Membran 49 verklebt, und das andere Ende mit verbreiterter Auflagefläche ist auf den Spiegelstempel 1′′ aufgeklebt. Die Anordnung gemäß Fig. 11 besitzt ein Verbindungsstück 57 das direkt mit der Mem bran 49 auf der einen Seite verbunden ist und auf der anderen Seite auf dem Spiegelstempel 1′′ fixiert ist.

Weitere Ausführungsbeispiele von Verbindungsstücken zeigen die Fig. 13, 14 und 15. Das in der Fig. 13 dargestellte Verbindungsstück besitzt eine erste Auflagefläche 59 zur Befestigung an einem Piezoelement und eine mit dieser durch einen Schaft 60 verbundene zweite Auflagefläche 61 zur Fixierung auf dem Spiegel 1. Die erste Auflagefläche 59 und/oder die zweite Auflagefläche 61 können, wie in Fig. 13 dargestellt, strahlenförmig gefiedert sein. Der Fig. 14 ist ein Verbindungsstück zu entnehmen, das aus einem mit der Membran 49 direkt verbunde nen Schaft 62 und einer am Ende des Schaftes befindlichen Auflagefläche 63 be steht, die zur Fixierung mit dem Spiegel 1 dient. Diese Auflagefläche 63 kann geschlossen (siehe Fig. 14) oder gefiedert (siehe Fig. 13) sein. Der Fig. 15 ist ein topfförmiges Verbindungsstück 64 zu entnehmen. Dabei stellt der Topfrand 65 die Auflagefläche für den piezoelektrischen Antrieb und der Topfboden 66 die Auflagefläche für den Spiegel 1 dar. Der Topfrand 65 kann, wie der Fig. 15 zu entnehmen ist, gefiedert sein.

In den Fig. 16 bis 21 sind sechs verschiedene Ausführungsbeispiele für Ver bindungen zwischen der Membran 49 und dem den Spiegel aufnehmenden Rahmen 48 dargestellt. Die Fig. 16 bis 21 zeigen jeweils auf der rechten Seite eine Draufsicht von der Membranseite her und auf der linken Seite einen Querschnitt entlang einer strichpunktierten Linie in der Draufsicht der Haltevorrichtung. Bei der Verbindung zwischen der Membran 49 und dem Rahmen 48 der Haltevorrich tung kommt es darauf an, sie so zu gestalten, daß von der Membran 49 ausgehende radiale Kräfte sich nur schwach auf den Rahmen 48 übertragen. Gemäß der Ausfüh rungsform in Fig. 16 ist die Verbindung als Kugelgelenk ausgebildet. Dabei sind in Abständen am Rand der Membran 49 mehrere Kugeln 65 angeformt, die in eine Aufnahme 66 am Rahmen 48 eingreifen.

Die Membran 49 der in Fig. 17 dargestellten Haltevorrichtung ist mit ihrem Rand in keilförmige Schlitze 67 in Aufnahmen 68 am Rahmen 48 eingesetzt.

Die Fig. 18 und 19 zeigen Haltevorrichtungen, deren Membran 49 an ihrem Rand mit Speichen 69 versehen ist. Diese Speichen 69 verzweigen sich gemäß Fig. 18 in zwei in der Membranebene liegende am Rahmen 48 fixierte Arme 70 und 71. Gemäß Fig. 19 verzweigen sich die Speichen 69 in einer Ebene senkrecht zur Membran 49 in zwei am Rahmen 48 fixierte Arme 72 und 73. Solche aus zwei parallelen Feder armen 49′ und 49′′ bestehende Quasigelenke verdeutlicht auch die Fig. 12.

Die Fig. 20 zeigt eine Membran 49, die zwischen mehreren am Rahmen 48 befestig ten Blattfedern 74 eingeklemmt ist.

Der der Fig. 21 zu entnehmende Rahmen 48 besitzt einen gefiederten, um 90° ab gewinkelten Rand 75, auf dem entweder die Membran 49 selbst oder das auf ihr be findliche Piezoelement z.B. durch Kleben fixiert wird.

Es wurde bereits oben schon einmal darauf hingewiesen, daß der den Spiegel fas sende Rahmen 48 als Fingerstruktur ausgebildet sein kann, die für radiale Kräfte eine weniger harte Verbindung mit dem Spiegel darstellt.

Claims

1. Anordnung zum Verstellen eines Spiegels senkrecht zu seiner Spiegelfläche mit dem Ziel, die Strahlpfadlänge in einem Laserkreisel zu verändern, wobei die Kraft für die Spiegelverstellung von einem piezoelektrischen Antrieb aufgebracht wird, der auf einen äußeren Bereich des Spiegels und auf einen inneren Bereich des Spiegels einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der pie zoelektrische Antrieb aus einem ersten Piezoelement (3), das auf den äuße ren Spiegelbereich (1′) wirkt, und einem von diesem durch einen Freiraum getrennten zweiten Piezoelement (4) besteht, das auf den inneren Spiegelbe reich (1′′) wirkt, und daß die beiden Piezoelemente (3, 4) zwischen einer Membran (5), die sich auf der dem Spiegel (1) zugewandten Seite der Piezo elemente (3, 4) befindet, und einer auf der dem Spiegel (1) abgewandten Seite der Piezoelemente (3, 4) angeordneten biegesteifen Abdeckplatte (6) verspannt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Membran (5) mindestens ein Bolzen (7, 8, 11) verbunden ist, der den mit den Piezoele menten (3, 4) belegten Raum und die anschließende Abdeckplatte (6) durch dringt, und daß auf der den Piezoelementen (3, 4) abgewandten Seite der Abdeckplatte (6) eine Mutter (7′, 8′, 11′) auf den Bolzen (7, 8, 11) ge schraubt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Mutter (7′, 8′, 11′) und der Abdeckplatte (6) eine Feder (7′′, 8′′, 11,,) befindet.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bolzen (11) durch das auf den inneren Bereich (1′′) des Spiegels (1) wirkende Piezoelement (4) geführt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bolzen (7, 8) durch das auf den äußeren Bereich (1′) des Spiegels (1) wirkende Piezoelement (3) geführt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bolzen (7, 8) durch den zwischen den beiden Piezoelementen (3, 4) befindlichen Freiraum geführt sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Piezo elementen (3, 4) und der Membran (5) eine Zwischenlage (9) eingefügt ist, welche von einer großen, an die Piezoelemente (3, 4) angepaßten Auflage fläche auf eine kleinere, auf der Membran (5) aufliegenden Fläche übergeht.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Membran (5) und dem Spiegel (1) eine Distanzscheibe (10) angeordnet ist, die eine Anpassung zwischen den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Membran (5) und des Spiegels (1) bewirkt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzscheibe (10) von einer kleinen, der Membran (5) zugewandten Auflagefläche auf eine größere, dem Spiegel (1) zugewandte Auflagefläche übergeht.

10. Anordnung zum Verstellen eines Spiegels senkrecht zu seiner Spiegelfläche mit dem Ziel, die Strahlpfadlänge in einem Laserkreisel zu verändern wobei die Kraft für die Spiegelverstellung von einem piezoelektrischen Antrieb aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Antrieb (14, 15, 20, 25, 28, 38, 39) in einer mit dem Spiegel (1) verbundenen Hal tevorrichtung (13, 13′, 19, 19′, 26, 27, 36, 36′, 47, 47′) so untergebracht ist, daß der piezoelektrische Antrieb (14, 15, 20, 25, 28, 38, 39) durch eine parallel zur Spiegelfläche gerichtete Volumenänderung eine sich einer seits auf dem inneren Bereich (1′′) des Spiegels (1) und andererseits am piezoelektrischen Antrieb (14, 15, 20, 25, 28, 38, 39) abstützende Biege balkenvorrichtung (16, 19, 21, 23, 24, 29, 34, 35) zu einer Durchbiegung senkrecht zur Spiegelfläche veranlaßt.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegebalkenvor richtung aus einer oder mehreren über Kreuz geführten Blattfedern (16, 29) besteht und daß jede dieser Blattfedern (16, 29) sich mit ihren beiden Enden an dem piezoelektrischen Antrieb (14, 15, 28) abstützt und mit dem Bereich des Durchbiegungsmaximums auf dem Spiegel (1) aufliegt.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegebalkenvor richtung aus einer oder mehreren über Kreuz geführten Blattfedern (21, 23), die auf den Spiegel (1) eine Kraft ausüben, und aus einer oder mehreren über Kreuz geführten Blattfedern (22, 24) besteht, die in entgegengesetzte Richtung auf die Haltevorrichtung (19, 26) eine Kraft ausüben, und daß jede dieser Blattfedern (21, 23, 22, 24) sich mit ihren beiden Enden an dem Piezoelektrischen Antrieb (20, 25) abstützt und mit dem Bereich des Durchbiegungsmaximums an dem Spiegel (1) beziehungsweise an der Haltevor richtung (19, 26) anliegt.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Antrieb ein segmentierter Piezoring (25, 28) ist, an dessen Innenseite sich die Biegebalkenvorrichtung (23, 24, 29) abstützt und dessen Außenseite an der Haltevorrichtung (26, 27) anliegt.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Antrieb ein geschlossener Piezoring (20) ist, an dessen Innenseite sich die Biegebalkenvorrichtung (21, 22) abstützt und dessen Außenseite an der Haltevorrichtung (19) anliegt.

15. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Spiegel (1) ein Stempel (30) gesetzt ist, daß der Stempel (30) von der (den) Blattfeder(n) auf den Spiegel (1) gedrückt wird und daß der Stempel (30) durch eine der (den) Blattfeder(n) (29) entgegenwirkende Feder (33) vorgespannt ist.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (30) mit seinem Schaft (30′) in der Haltevorrichtung (27) federnd aufgehängt ist und daß der Fuß des Stempels (30) mit dem Spiegel (1) unter Zwischenlage einer Scheibe (31), die eine Anpassung zwischen den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stempels (30) und des Spiegels (1) bewirkt, verbunden ist.

17. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegebalkenvor richtung aus mindestens einem an der Haltevorrichtung schwenkbar gelagerten Hebel (34, 35) besteht, der an seinem an der Haltevorrichtung (36) gelager ten Ende eine am piezoelektrischen Antrieb (38, 39) anliegenden Schulter (34′, 35′) aufweist und dessen anderes Ende auf dem Spiegel (1) aufliegt, und daß eine Federkraft (42) den Hebel (34, 35) mit seiner Schulter (34′, 35′) gegen den piezoelektrischen Antrieb (38, 39) drückt.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den Spiegel (1) drückende Hebelende von einer Schraube (45, 46) durchsetzt ist, mit der sich die Andruckskraft des Hebels (34, 35) auf den Spiegel (1) einstellen läßt.

19. Anordnung zum Verstellen eines Spiegels senkrecht zu seiner Spiegelfläche mit dem Ziel, die Strahlpfadlänge in einem Laserkreisel zu verändern, wobei die Kraft für die Spiegelverstellung von einem piezoelektrischen Antrieb aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (1) in einer Halterung gefaßt ist, die aus einem über den Rand des Spiegels greifenden Rahmen (48) und einer in diesem Rahmen (48) angeordneten, parallel zur Spiegelfläche verlaufenden Membran (49) besteht, und daß der piezoelektri sche Antrieb auf der Membran (49) so fixiert ist, daß sich bei einer Volu menänderung des piezoelektrischen Antriebs (50, 51, 52, 53, 54, 55) die Membran (49) durchbiegt und dabei auf den Spiegel (1) eine Kraft senkrecht zur Spiegelfläche ausübt.

20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Membran (49) mindestens ein Piezoelement (50, 51, 52, 53, 54, 55) fi xiert ist.

21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (54, 55) aus mehreren parallel zur Membran (49) verlaufenden Piezoschichten zusammengesetzt sind, wobei die Schichtdicke mit zunehmender Entfernung von der Membran (49) kleiner wird.

22. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (48) der Halterung in Richtung senkrecht zur Spiegelfläche geschlitzt ist, so daß sich eine Fingerstruktur ergibt, die für Kräfte parallel zur Spiegel fläche nachgiebig und für Kräfte senkrecht zur Spiegelfläche steif ist.

23. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mit Piezoelementen (50, 51, 52, 53, 54, 55) bestückten Membran (49) und dem Spiegel (1) ein die Kraft auf den Spiegel (1) übertragendes Verbindungsstück (56, 57, 58) vorhanden ist.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungs stück eine erste Auflagefläche (61) für den Spiegel (1) und eine zweite Auflagefläche (59) für die mit Piezoelementen versehene Membran (49) auf weist und daß die beiden Auflageflächen (59, 61) durch einen Schaft (60) miteinander verbunden sind.

25. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungs stück eine Auflagefläche (63) für den Spiegel (1) aufweist, die über einen Schaft (62) an der Membran (49) fixiert ist.

26. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungs stück (64) topfförmig ausgebildet ist, wobei der Topfboden (66) als Aufla gefläche für den Spiegel (1) und der Topfrand (65) als Auflagefläche für die mit Piezoelementen versehene Membran dient.

27. Anordnung nach Anspruch 24, 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche (61, 63) für den Spiegel und/oder die Auflagefläche (59) für die mit Piezoelementen versehene Membran (49) strahlenförmig gefiedert ist.

28. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (49) über mehrere Kugelgelenke (65, 66) am Rahmen (48) gelagert ist.

29. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranrand in keilförmige Schlitze (67) am Rahmen (48) eingreift.

30. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (49) über mehrere Speichen (69) mit dem Rahmen (48) verbunden ist und daß die einzelnen Speichen (69) jeweils in zwei am Rahmen (48) fixierte Arme (70, 71, 72, 73) verzweigt sind.

31. Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Spei chen (69) entweder in Richtung der Membranebene oder senkrecht zur Membran ebene verzweigt sind.

32. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (49) zwischen mehreren am Rahmen (48) befestigten Blattfedern (74) eingeklemmt ist.

33. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (48) einen Rand (75) besitzt, auf dem die Membran (49) aufliegt und fixiert ist.

34. Anordnung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (75) des Rahmens (48) gefiedert ist.