DE10060111C1

DE10060111C1 - Optische Ablenkvorrichtung

Info

Publication number: DE10060111C1
Application number: DE10060111A
Authority: DE
Inventors: Christof Abel-Keilhack; Manfred Helm
Original assignee: Siemens Production and Logistics Systems AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2002-07-25
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: WO2002046819A2; WO2002046819A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Ablenkvorrichtung zur Ablenkung eines einfallenden Lichtstrahles (12) in eine Richtung (P2). Ein Materialteil (1, 2, 3, 4, 5) ist an wenigstens einem Ende fest eingespannt und durch eine Antriebseinrichtung zu linearen Bewegungen senkrecht zur Ebene des Materialteils anregbar, wobei in der Längserstreckung des Materialteils gesehen zwei Spiegel (10, 11) voneinander beabstandet angeordnet sind und wobei die Spiegel (10, 11) bei der linearen Bewegung des Materialteils senkrecht zur Ebene desselben bewegt werden, so dass der auf einen Spiegel (10) einfallende Lichtstrahl (12) zum anderen Spiegel (11) reflektiert und nach der Reflexion am anderen Spiegel (11) in der Richtung (P2) senkrecht zur Ebene des Materialstreifens abgelenkt wird. Vorzugsweise sind in der Längsrichtung des Materialteils mehrere Drehgelenke (6, 7, 8, 9) angeordnet, die das Materialteil in mehrere Elemente untergliedern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Ablenkvor richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es sind optische Ablenkvorrichtungen bekannt, bei denen gemäß der Fig. 1 ein erster Spiegel 13 durch ein erstes Galvanome ter 14 in einer ersten Richtung ablenkbar ist und ein zweiter Spiegel 15 durch ein zweites Galvanometer 16 in einer zweiten Richtung ablenkbar ist. Dabei verläuft die erste Richtung senkrecht zur zweiten Richtung. Der einfallende Lichtstrahl 17 trifft auf den ersten Spiegel 13 und wird zum zweiten Spiegel 15 abgelenkt. Anschließend wird der Lichtstrahl durch ein Objektiv 18 auf eine Arbeitsfläche 19 fokussiert. Der auf die Arbeitsfläche 19 auffallende Lichtstrahl 20 kann bei der entsprechenden Bewegung des ersten Spiegels 13 und des zwei ten Spiegels 15 eine beliebige kontinuierliche Bahn verfol gen. Eine solche Anordnung wird als Scanner bezeichnet.

Aus der DE 196 48 727 A1 ist eine optische Ablenkvorrichtung mit einem piezoelektrischen Antriebs- oder Stellelement bekannt. Die Vorrichtung weist mindestens ein Tragteil und einen Schwinger aus einer piezoelektrischen Keramik oder aus aufgebrachten piezoelektrischen Erregern auf. Der Schwinger ist auf einem Schwingerhalter befestigt. Das piezoelektrische Antriebs- oder Stellelement umfasst den Schwinger und den Schwingerhalter, die so ausgebildet sind, dass die Stirnflä chen des Schwingerhalters eine Kippbewegung um einen vorgege benen Winkel ausführen, wobei auf mindestens einer der Stirn flächen ein strahlablenkendes optisches Element abgeordnet ist oder die Stirnflächen selbst strahlablenkende optische Eigenschaften aufweisen.

Üblicherweise werden als Lichtstrahlen Laserstrahlen einge setzt, wenn die beschriebene optische Ablenkvorrichtung z. B. zur Laserbeschriftung verwendet wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Ablenkvorrichtung zu schaffen, die vergleichsweise einfach aufgebaut und daher kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine optische Ablenkvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass die erfindungsge mäße optische Ablenkvorrichtung vergleichsweise einfach aufgebaut und daher kostengünstig herstellbar ist. Dies ist insbesondere auch darauf zurückzuführen, dass die erforderli chen Antriebseinrichtungen nur einige Millimeter Stellweg bei relativ kleinen Kräften (ca. 1 N) benötigen. Insbesondere eignen sich die erfindungsgemäßen optischen Ablenkvorrichtun gen für Anwendungen, bei denen nur relativ kleine Ablenkwin kel erforderlich sind. Auch kann die erfindungsgemäße opti sche Ablenkvorrichtung sehr gut in Resonanzscannern einge setzt werden.

Im folgenden werden die Erfindungen deren Ausgestaltungen in Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine bekannte optische Ablenkvorrichtung mit zwei Spiegeln und zwei Galvano metern;

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen optischen Ablenkvorrichtung in ei nem Bewegungszustand;

Fig. 3 die optische Ablenkvorrichtung der Fig. 2 in einem anderen Bewegungszustand und

Fig. 4 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen optischen Ablenkvor richtung.

Gemäß Fig. 2 besteht die erfindungsgemäße optische Ablenk vorrichtung, bei der es sich vorzugsweise um eine Viergelenk struktur handelt, aus einem Materialteil, das vorzugsweise streifenförmig beschaffen ist und fünf Elemente, die durch vier Gelenke miteinander verbunden sind, umfasst. Die ganze Einrichtung ist als Festkörperstruktur ausgebildet. Genauer gesagt ist ein erstes äußeres Element, das mit 1 bezeichnet ist, in einem Gehäuse der optischen Ablenkvorrichtung fest angeordnet. Dies gilt auch für ein zweites äußeres Element 5, das vom ersten Element 1 beabstandet ebenfalls im Gehäuse fest angeordnet ist, wobei es sich vorzugsweise in der Ebene des ersten Elementes 1 befindet. Zwischen den äußeren Elemen ten 1 und 5 befinden sich vom ersten äußeren Element 1 ausge hend ein erstes Zwischenelement 2, ein mittleres Element 3 und ein zweites Zwischenelement 4. Die genannten Elemente sind jeweils an den einander zugewandten Seiten durch Gelenke miteinander verbunden. Das äußere Element 1 ist über das Gelenk 6 mit dem Zwischenelement 2, das Zwischenelement 2 über das Gelenk 7 mit dem mittleren Element 3, das mittlere Element 3 über das Gelenk 8 mit dem Zwischenelement 4 und das Zwischenelement 4 über das Gelenk 9 mit dem äußeren Element 5 verbunden.

Vorzugsweise handelt es sich bei den Gelenken um 6, 7, 8 und 9 jeweils um Kerbgelenke, die in dem Materialteil in Quer richtung ausgebildet sind und das äußere Element 1, das Zwischenelement 2, das mittlere Element 3, das Zwischenele ment 4 und das äußere Element 5 definieren. Das genannte Materialteil besteht vorzugsweise aus einem superelastischen Material, bei dem es sich beispielsweise um Nickel-Titan (NiTi) handelt. Beispielsweise besitzt das Materialteil eine Abmessung von 57 × 8 mm.

Auf der einen Seite des Zwischenelementes 2 ist ein erster Spiegel 10 angeordnet. Entsprechend ist auf der selben Seite des Zwischenelementes 4 ein zweiter Spiegel 11 angeordnet.

Das mittlere Element 3 wird senkrecht zur Erstreckung des Materialteiles durch eine nicht dargestellte Antriebseinrich tung in der Richtung des Pfeiles P1 linear bewegt. Diese Bewegung wird durch die Elastizität der als Kerbgelenke in dem Materialteil ausgebildeten Gelenke 6, 7, 8 und 9 ermög licht. Bei der genannten Bewegung des mittleren Elementes 3 führen die rechts und links davon angeordneten Zwischenele mente 2, 4 eine Kippbewegung mit dem Winkel α aus.

Bei den Spiegeln 10 und 11 handelt es sich vorzugsweise jeweils um leicht schräg gestellte Spiegel, wobei die Neigung der Spiegel unter einem spitzen Winkel zur Ebene des Zwi schenteiles 2 bzw. 4 in Richtung auf das mittlere Element 3 verläuft. Ein einfallender Lichtstrahl 12 wird am ersten Spiegel 10 in Richtung auf den zweiten Spiegel 11 reflektiert (Bezugszeichen 12'), um dort ebenfalls reflektiert zu werden und als ausfallender Lichtstrahl 12" die optische Ablenkvor richtung zu verlassen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen etwa die unterschiedlichen maxima len Auslenkungen des mittleren Elementes 3 in die entgegenge setzten Richtungen, sowie die dabei erzielbaren Ablenkungen des Lichtstrahles 12" in der Richtung des Pfeiles P2.

Die Fig. 4 zeigt im Detail ein streifenförmiges Material teil, das aus einem superelastischen NiTi-Material besteht, in dem die Gelenke 6, 7, 8 und 9 als Kerbgelenke ausgebildet sind. Für die genannte Bemessung führt eine Auslenkung des mittleren Elementes 3 um einen Millimeter zu einer Kippbewe gung von etwa 4,5° der Zwischenelemente 2 und 4, wobei eine Ablenkung von insgesamt ±18° erreicht werden kann. Die in den Gelenken 7 und 8 auftretende maximale Dehnung beträgt etwa 1,3% und die in diesen Gelenken auftretenden Spannungen betragen maximal 330 N/mm².

Die Herstellung des Materialteiles und der Kerbgelenke er folgt bei einem Nickel-Titan-Material vorzugsweise durch Erodieren, da Nickel-Titan nicht spanend bearbeitet werden kann. Die minimale Materialstärke der Kerbgelenke sollte etwa 0,3 mm nicht unterschreiten, da das genannte Material an den Randbereichen durch das Erodieren spröde wird.

Es wird daraufhin gewiesen das bei der beschriebenen Anord nung das Übersetzungsverhältnis zwischen Stellweg und Drehbe wegung in weiten Grenzen durch die Abstandsverhältnisse zwischen den Gelenken 6, 7, 8 und 9 variierbar ist. Vorteil hafter Weise ist eine hoch präzise und damit kostspielige Linearführung des Antriebes nicht erforderlich. Ein nicht genau senkrecht zur Ebene des mittleren Elementes 3 liegender Kraftangriff führt zwar zu einer leicht unsymmetrischen Auslenkung der Struktur; diese Unsymmetrie wird jedoch durch den parallelen Ansatz voll kompensiert.

Als Antriebe eigenen sich beispielsweise Tauchspulen oder bei relativ kleinen Winkelbewegungen auch Piezostapel. Der Vor teil solcher Piezostapel liegt darin, das sehr schnelle Bewegungen in kHz-Bereich möglich sind.

Die beschriebene optische Ablenkvorrichtung eignet sich zur Umsetzung einer linearen Bewegung in eine Drehbewegung. Für eine Ablenkung eines Lichtstrahles in zwei Richtungen, bei spielsweise für einen X-Y-Scanner, benötigt man daher zwei der beschriebenen optischen Ablenkvorrichtungen, die in Reihe geschaltet sind, wobei der Lichtstrahl also dann über insge samt 4 Spiegel geführt wird.

Besonders geeignet ist die vorliegende optische Ablenkvor richtung beispielsweise als Führungsgetriebe in einer Licht- bzw. Laserablenkanordnung, insbesondere in einer Laser- Beschriftungsanordnung. Beispielsweise kann sie auch in einem Mehrachsantrieb, einem Roboterhandgelenk oder in einem Inkli nometer verwendet werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass das Materialteil auch anders als bei der voranstehend beschriebenen Ausführungsform einge spannt sein kann. Beispielsweise ist es denkbar, das Materi alteil nur einseitig gemäß Fig. 2 an dem einen Ende des äußeren Elementes 1 fest einzuspannen, wobei das entgegenge setzte Ende des anderen äußeren Elementes 5 nicht eingespannt ist und die Antriebseinrichtung am mittleren Element 3 oder am äußeren Element 5 angreift. Zudem ist es denkbar, in diesem Fall das mittlere Element 3 ganz wegzulassen, sodass es sich bei der vorliegenden optischen Ablenkvorrichtung dann um eine Dreigelenkanordnung handelt.

Claims

1. Optische Ablenkvorrichtung zur Ablenkung eines einfallen den Lichtstrahles (12) in eine Richtung (P2), gekenn zeichnet durch ein Materialteil (1, 2, 3, 4, 5), das an wenigstens einem Ende fest eingespannt ist und durch eine Antriebseinrichtung zu linearen Bewegungen senkrecht zur Ebene des Materialteils anregbar ist, wobei in der Längs erstreckung des Materialteils gesehen zwei Spiegel (10, 11) voneinander beabstandet angeordnet sind und wobei die Spiegel (10, 11) bei der linearen Bewegung des Material teils senkrecht zur Ebene desselben bewegt werden, so dass der auf einen Spiegel (10) einfallende Lichtstrahl (12) zum anderen Spiegel (11) reflektiert und nach der Reflexion am anderen Spiegel (11) in der Richtung (P2) senkrecht zur Ebene des Materialstreifens abgelenkt wird.

2. Optische Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Längsrichtung des Material teils mehrere Drehgelenke (6, 7, 8, 9) angeordnet sind, die das Materialteil in mehrere Elemente untergliedern.

3. Optische Ablenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialteil in seiner Längs erstreckung gesehen ein erstes äußeres Element (1), das mit seinem einen Ende fest eingespannt ist, ein erstes Zwischenelement (2), das mit seinem einen Ende mit dem anderen Ende des ersten äußeren Elementes (1) in einem ersten Drehgelenk (6) verbunden ist, ein mittleres Ele ment (3), das mit seinem einen Ende in einem zweiten Drehgelenk (7) mit dem anderen Ende des ersten Zwischen elementes (2) verbunden ist, ein zweites Zwischenelement (4), das mit seinem einen Ende in einem dritten Drehge lenk (8) mit dem anderen Ende des mittleren Elementes (3) verbunden ist, und ein zweites äußeres Element (5), das mit seinem einen Ende in einem vierten Drehgelenk (9) mit dem anderen Ende des zweiten Zwischenelementes (4) verbunden ist und dass an dem ersten Zwischenelement (2) der eine Spiegel (10) und an dem zweiten Zwischenelement (4) der andere Spiegel (11) angeordnet sind.

4. Optische Ablenkvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Element (3) durch die Antriebseinrichtung senkrecht zur Ebene des Materialteils linear bewegt wird und dass das andere Ende des zweiten äußeren Elementes (5) fest eingespannt ist.

5. Optische Ablenkvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende des zweiten äußeren Elementes (5) frei bewegbar ist und dass die Antriebsein richtung am mittleren Element (3) oder am zweiten äußeren Element (5) angreift.

6. Optische Ablenkvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende des zweiten äußeren Elementes frei bewegbar ist, dass das mittlere Element entfällt und dass die Antriebseinrichtung am zweiten äu ßeren Element (5) angreift.

7. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialteil (1, 2, 3, 4, 5) streifenförmig ausgebildet ist.

8. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (10, 11) an der der Ebene des Materialteiles abgewandten Seite je weils unter einem Winkel in Richtung auf den jeweils an deren Spiegel geneigt sind.

9. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen aus einem superelastischen Material besteht.

10. Optische Ablenkvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Nickel-Titan- Material ist.

11. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen ei ne Abmessung von etwa 57 × 8 mm aufweist.

12. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (6), das zwei te (7), das dritte (8) und gegebenenfalls das vierte (9) Drehgelenk die Form von quer zur Längserstreckung des Ma terialteils verlaufenden Kerbgelenken aufweist.

13. Optische Ablenkvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen im Bereich der Kerbgelenke eine Dicke von minimal etwa 0,3 mm aufweist.

14. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstreifen und die Kerbgelenke durch Erodieren eines Ausgangsmaterial teils hergestellt sind.

15. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung in der Längserstreckung des Materialteiles gesehen in der Mitte des mittleren Elementes (3) angreift.

16. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung ein Tauchspulen-Antrieb ist.

17. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung einen Piezostapel umfaßt.

18. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der einfallende Licht strahl (12) ein Laserstrahl ist.

19. Optische Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ablenkung des ein fallenden Lichtstrahles (12) in zwei Richtungen der opti schen Ablenkvorrichtung eine weitere optische Ablenkvor richtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 nachgeschal tet ist, derart, dass der aus der optischen Ablenkvor richtung vom anderen Spiegel (11) ausfallende Lichtstrahl (12") auf einen Spiegel der weiteren optischen Ablenk vorrichtung gelenkt wird, derart, dass der aus der weite ren optischen Ablenkvorrichtung ausfallende Lichtstrahl bei der Betätigung der Antriebseinrichtungen der opti schen Ablenkvorrichtung und der weiteren optischen Ab lenkvorrichtung in zwei unterschiedliche, vorzugsweise senkrecht zueinander verlaufende Richtungen ablenkbar ist.

20. Anwendung einer optischen Ablenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zum Scannen eines Laserstrahls in einer Laserablenkeinrichtung, insbesondere zur Laserbe schriftung.