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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Linsenvorrichtung mit einer
verschiebbaren Linse. Ferner umfaßt sie ein Laserscannersystem,
das eine derartige Linsenvorrichtung umfaßt und die Verwendung einer
Linsenvorrichtung in einem Scannersystem.
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Linsenvorrichtungen
mit verschiebbaren Linsen werden beispielsweise in Laserscannersystemen
zur Fokussierung eines Laserstrahls in Abhängigkeit von dessen Auftreffort
auf einer Zieloberfläche verwendet.
Zur Illustration ist ein an sich aus dem Stand der Technik bekann tes
Laserscannersystem 10 in 1 gezeigt.
Das Laserscannersystem 10 umfaßt einen Laser 12,
der einen Laserstrahl 14 erzeugt. Der Laserstrahl 14 verläuft durch
eine lediglich schematisch dargestellte Linsenvorrichtung 16,
die eine verstellbare Linse 18 umaßt, bei der es sich im gezeigten
Ausführungsbeispiel
um eine Kollimatorlinse handelt.
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Die
Linsenvorrichtung 16 ist von einer Steuerungseinrichtung 20 über eine
Signalleitung 22 derart ansteuerbar, daß die Linse 18 entlang
der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 14 hin- und herbewegt werden
kann, wie durch den Doppelpfeil 24 angedeutet ist.
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Der
Laserstrahl 14 verläuft
weiter durch ein Objektiv 26 und über einen X-Ablenkspiegel 28 und einen
Y-Ablenkspiegel 30 auf eine Zieloberfläche 32, bei der es
sich beispielsweise um ein zu bearbeitendes Werkstück handeln
könnte,
etwa eine zu schneidende Folie oder eine Chipkarte, deren Oberfläche mit
Hilfe des Laserstrahls 14 markiert werden soll.
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Der
X-Spiegel 28 und der Y-Spiegel 30 sind jeweils
durch einen zugehörigen
galvanometrischen Motor 34 bzw. 36 verstellbar.
Die galvanometrischen Motoren (auch als ”Galvos” bezeichnet) sind ebenfalls über Signalleitungen 22 mit
der Steuerungseinrichtung 20 verbunden. Schließlich verbindet
eine weitere Signalleitung 22 den Laser 12 und
die Steuerungseinrichtung 20.
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Durch
geeignete Ansteuerung der galvanometrischen Motoren 34 und 36 wird
der Laserstrahl 14 über
die Zielfläche 32 gescannt.
Dabei bewirkt eine Drehung des X-Ablenkspiegels 28 durch
den galvanometrischen Motor 34 eine Ablenkung des Laserstrahls
in X-Richtung auf der Zieloberfläche 32, und
eine Drehung des Y-Ablenkspiegels 30 durch den galvanometrischen
Motor 36 eine Ablenkung des Laserstrahls 14 in
Y-Richtung auf der Zielfläche 32.
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Der
Laserstrahl 14 wird auf der Zieloberfläche 32 fokussiert.
Da die Zielfläche 32 jedoch
eben ist, ändert
sich beim Scannen die Weglänge
des Laserlichts zwischen dem Objektiv 26 und dem Auftreffpunkt
des Laserstrahls 14 auf der Zieloberfläche. Zur Bearbeitung der Zieloberfläche 32 muß der Laserstrahl 14 trotz
der unterschiedlichen Laufwege an allen Auftreff punkten auf der
Zieloberfläche 32 fokussiert
werden. Diese Fokussierung an allen Punkten einer ebenen Zielfläche wird
auch als ”Field-Flattening” bezeichnet.
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Bei
dem System 10 von 1 wird das ”Field-Flattening” durch
die Linsenvorrichtung 16 bewerkstelligt. Für jeden
Auftreffpunkt auf der Zieloberfläche 32 gibt
es eine Position der verstellbaren Linse 18, bei der der
Laserstrahl 14 im Auftreffpunkt fokussiert ist. Beim Abscannen
der Zieloberfläche 32 wird daher
die verstellbare Linse 18 durch Steuerung der Steuerungseinrichtung 20 stets
in diese geeignete Position gefahren. Diese Art der Fokussierung
wird daher auch als Realzeitfokussierung bezeichnet.
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Der
Begriff ”Realzeitfokussierung” deutet
bereits darauf hin, daß die
Linsenvorrichtung 16 in der Lage sein muß, die Linse
auf derselben Zeitskala zu verstellen, auf der der Laserstrahl 14 auf
der Zieloberfläche 32 bewegt
wird, bzw. auf derselben Zeitskala, auf der die Spiegel 28 und 30 durch
die zugehörigen
galvanometrischen Motoren 34 und 36 verstellt
werden können.
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Mit
leistungsfähigen
galvanometrischen Motoren 34 und 36 lassen sich
die Spiegel 28, 30 extrem schnell verstellen,
so daß in
der Praxis gegenwärtig die
Linsenvorrichtung 16 bei der Scangeschwindigkeit den limitierenden
Faktor darstellt. Während
nämlich
ein Ablenkspiegel 28 oder 30 typischerweise ungefähr 3 bis
4 Gramm wiegt, wiegt die Linse 18 typischerweise rund das
Zehnfache. Die rund zehnmal höhere
Massenträgheit
der Linse 18 führt
dazu, daß die
Verschiebung derselben in der Linsenvorrichtung 16 bei
hohen Beschleunigungen der Verstellung hinterherhinkt, was man auch
als ”Schleppfehler” bezeichnet.
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Eine
Linsenvorrichtung, wie sie in
1 gezeigt
ist, ist aus der
DE
203 20 269 U1 bekannt. Insbesondere ist darin offenbart,
wie eine Linse mit einem galvanometrischen Motor verstellt wird,
wobei die Drehbewegung des Motors in eine Linearbewegung der Linse
umgesetzt wird. Ähnliche
Linsenvorrichtungen sind auch aus der
DE 103 43 080 A1 und der
WO 2005106559 A1 bekannt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Linsenvorrichtung
mit einer verschiebbaren Linse anzugeben, bei der die Linse schnell
verstellt werden kann und insbesondere rasch beschleunigt werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Linsenvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
Linsenvorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt eine
Führung,
durch die die Linse verschiebbar geführt ist, einen ersten und einen
zweiten galvanometrischen Motor, und eine erste und eine zweite Kraftübertragungseinrichtung,
die mit dem Rotor des ersten bzw. zweiten galvanometrischen Motors
gekoppelt ist. Die erste bzw. zweite Kraftübertragungseinrichtung ist
ferner an einer ersten bzw. zweiten Verbindungsstelle mit der Linse
gekoppelt, und sie ist geeignet, eine Drehbewegung des Rotors des
ersten bzw. zweiten galvanometrischen Motors in eine Verschiebebewegung
der Linse umzuwandeln, wobei die erste und die zweite Verbindungsstelle
in einer Richtung quer zur Verschiebungsrichtung der Linse voneinander
beabstandet sind.
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Die
Verwendung zweier galvanometrischer Motoren zur Verstellung der
Linse hat zwei wichtige Vorteile. Zum einen verdoppelt sich die
Schubkraft, die auf die Linse übertragen
wird gegenüber
einer Ausführungsform
mit nur einem galvanometrischen Motor. Da die erste und die zweite
Verbindungsstelle, an denen die Kraft von den galvanometrischen
Motoren eingeleitet wird, in einer Richtung quer zur Verschiebungsrichtung
der Linse voneinander beabstandet sind, wird die Kraft außerdem zumindest
näherungsweise
symmetrisch eingeleitet, so daß die
Linse auch bei sehr starker Krafteinwirkung, die bei raschen Beschleunigungen
benötigt
wird, ruhig geführt wird.
Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, daß bei einer einfacheren Ausführungsform
mit nur einem galvanometrischen Motor als Antrieb die Geschwindigkeit
der Linse nicht allein durch die mangelnde Schubkraft begrenzt ist.
Darüber
hinaus führt die
unsymmetrische Krafteinleitung hoher Kräfte, wie sie bei Verwendung
nur eines galvanometrischen Motors als Antrieb auftritt, zu Vibrationen
in der Linsenvorrichtung, die ihrerseits dadurch hervorgerufen werden,
daß die
Linse aufgrund der asymmetrischen Krafteinleitung in der Führung verkantet
bzw. eine Schlingerbewegung durchführt. Gerade dieses letzte Problem
stellt eine obere Grenze für
die eingeleitete Kraft dar, und somit eine obere Grenze für die Geschwindigkeit
der Linseneinrichtung.
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Durch
die Einleitung der Kraft an zwei quer zur Verschiebungsrichtung
der Linse voneinander beabstandeten Stellen können diese Probleme sehr wirksam
unterdrückt
werden, und es können
weit höhere
Verstellgeschwindigkeiten und Beschleunigungen erreicht werden,
als bei Linsenvorrichtungen mit nur einem galvanometrischen Motor.
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Die
erste und/oder die zweite Kraftübertragungseinrichtung
umfaßt
vorzugsweise einen Arm, der drehfest mit dem Rotor des ersten bzw.
zweiten galvanometrischen Motors verbunden ist, und einen Lenker,
der mit seinem einen Ende gelenkig mit dem Arm verbunden ist und
an seinem anderen Ende an der ersten bzw. zweiten Verbindungsstelle
angelenkt ist. Eine derartige Kraftübertragungseinrichtung gestattet
es, auf einfache Weise das Drehmoment des galvanometrischen Motors
in eine Schubkraft umzuwandeln.
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Naheliegenderweise
würde man
die galvanometrischen Motoren beiderseits der Führung anordnen und zwar so,
daß die
freien Enden der Rotoren der galvanometrischen Motoren zur Führung weisen.
Dabei bezeichnet das ”freie
Ende des Rotors” dasjenige
Ende, an dem das Drehmoment abgegriffen werden kann, d. h. beispielsweise
das Ende, an dem der oben genannte Arm befestigt wäre. In einer besonders
vorteilhaften Weiterbildung sind jedoch der erste und der zweite
galvanometrische Motor abweichend von dieser naheliegenden Anordnung
nebeneinander und parallel zueinander unter- oder oberhalb einer
Verschiebungsebene angeordnet, in der die Linse verschoben wird,
wobei die jeweiligen freien Enden der Rotoren der galvanometrischen
Motoren in unterschiedliche Richtungen zeigen. Wie unten anhand
der Figuren zu einem Ausführungsbeispiel
deutlich wird, ist eine derartige Anordnung extrem platzsparend
und kompakt.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Führung
mindestens zwei parallele Führungsstangen
oder -schienen, und ist die genannte Verschiebungsebene die Ebene,
in der die Führungsstangen
oder -schienen angeordnet sind. In einer besonders vorteilhaften
Weiterbildung ist die Führung
an und insbesondere auf den Gehäusen
der galvanometrischen Motoren befestigt. Dies führt wiederum zu einem äußerst kompakten Aufbau
und zu einer besonders starren Verbin dung zwischen den galvanometrischen
Motoren und der Führung,
was wiederum vorteilhaft für
die Laufruhe bei der Verstellung der Linse ist.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Linse in einer Linsenhalterung
gehalten, die mindestens zwei quer zu Verschiebungsrichtung voneinander
beabstandete Gleitelemente umfaßt,
die geeignet sind, an der Führung
gleitend geführt
zu werden. Die Gleitelemente umfassen dabei vorzugsweise Linearkugellager.
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Vorzugsweise
ist der Mittelpunkt der Linse in bezug auf eine gedachte Verbindungslinie
zwischen den Gleitelementen in einer Richtung von den galvanometrischen
Motoren fort versetzt. Dies gestattet wiederum einen sehr kompakten
Aufbau, bei dem die galvanometrischen Motoren und die Führung dicht beieinander
angeordnet sind, ohne daß die
galvanometrischen Motoren die Verschiebung der Linse behindern würden. Außerdem wird
durch diese Anordnung eine vorteilhafte räumliche Trennung zwischen dem
Lichtweg und den mechanischen Teilen, insbesondere der galvanometrischen
Motoren erreicht, so daß diese
vor der Laserstrahlung geschützt
sind.
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Vorzugsweise
sind die Linse, die Führung und
die galvanometrischen Motoren vollständig in einem Gehäuse angeordnet.
Dies erleichtert die Integration der Linsenvorrichtung insbesondere
in bereits bestehende Systeme erheblich. Aufgrund der sehr kompakten
Anordnung nach den oben beschriebenen Weiterbildungen der Erfindung
lassen sich die genannten Komponenten in der Tat in einem verhältnismäßig kleinen
Gehäuse
unterbringen, wie unten anhand eines Ausführungsbeispiels verdeutlicht wird.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung umfaßt die Erfindung ein Laserscannersystem
mit einer Ablenkeinheit, die geeignet ist, einen Laserstrahl über eine
Zielfläche
zu scannen, einer Linsenvorrichtung nach der Erfindung oder einer
der oben beschriebenen vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung
und einer Steuerungseinrichtung, die geeignet ist, die Linsenvorrich tung
in Abhängigkeit
von dem Auftreffort des Laserstrahls auf der Zielfläche so anzusteuern, daß der Laserstrahl
auf der Zieloberfläche
fokussiert ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung, in der die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben ist. Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Laserscannersystems nach dem Stand
der Technik,
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Linsenvorrichtung nach einer Weiterbildung
der Erfindung,
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3 eine
Seitenansicht der Linsenvorrichtung von 2 und
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4 eine
Draufsicht auf die Linsenvorrichtung von 2.
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In 2 ist
eine Linsenvorrichtung 16 nach einer Weiterbildung der
Erfindung in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die 3 und 4 zeigen
dieselbe Linsenvorrichtung 16 in einer Seitenansicht bzw.
einer Draufsicht.
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Die
Linsenvorrichtung 16 umfaßt eine Linse 18,
die in einer Linsenhalterung 38 gehalten ist. Die Linsenhalterung 38 umfaßt einen
mittleren Abschnitt, in dem die Linse 18 gehalten ist,
und zwei seitliche Abschnitte, an denen Gleitelemente 40 ausgebildet sind.
Die Gleitelemente 40 sind dazu geeignet, an zugehörigen Schienen 42 entlangzugleiten,
die eine Führung
für die
Linsenhalterung 38 bilden. Die Schienen 42 sind
parallel zueinander in einer Ebene angeordnet, die im folgenden
als Verschiebungsebene bezeichnet wird. In den Schienen 42 sind
seitlich Nuten 44 ausgebildet, die einen Teil eines Kugelkäfigs eines Linearkugellagers
(nicht gezeigt) bilden, das in den Gleitelementen 40 ausgebildet
ist.
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Wie
insbesondere in den 2 und 3 zu sehen
ist, ist die Linse 18 oberhalb der Verschiebungsebene angeordnet.
Insbesondere ist der Mittelpunkt der Linse 18 deutlich
oberhalb einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Gleitelementen 40 angeordnet
ist.
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Ferner
umfaßt
die Linsenvorrichtung 16 einen ersten und einen zweiten
galvanometrischen Motor 46a, 46b. Wie den 2 bis 4 zu
entnehmen ist, sind die galvanometrischen Motoren 46a und 46b parallel
zueinander und nebeneinander unterhalb der Verschiebungsebene angeordnet,
wobei die freien Enden ihrer Rotoren in unterschiedliche Richtungen
zeigen. Dabei sind die Schienen 42 über Zwischenträger 48 auf
den Gehäusen 50a, 50b der
galvanometrischen Motoren 46a, 46b befestigt,
wodurch sich eine sehr starre Anordnung der Schienen 42 und
der galvanometrischen Motoren 46a, 46b relativ
zueinander ergibt. Trotz der baulichen Nähe zwischen den Schienen 42 und
den galvanometrischen Motoren 46a, 46b behindern
diese nicht die Verschiebebewegung der Linse 18, da diese
wie oben erwähnt
gegenüber
einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Gleitelementen 40 in
eine Richtung fort von den galvanometrischen Motoren 46a, 46b,
d. h. nach oben versetzt ist.
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Die
gezeigte Anordnung der galvanometrischen Motoren 46a, 46b ist äußerst kompakt
und platzsparend. Tatsächlich
ist die gesamte Anordnung inklusive galvanometrischer Motoren 46a, 46b nicht erheblich
breiter als die Führung
der verschiebbaren Linse 18 selbst, d. h. als der Abstand
der Schienen 42. Dies gestattet es, die gesamte Linsenvorrichtung 16 in
einem kompakten Gehäuse 52 anzuordnen, welches
in den Darstellungen von 3 und 4 weggelassen
wurde und lediglich in 2 schematisch gestrichelt angedeutet
ist. Das Gehäuse 52 ist vorzugsweise
wassergekühlt,
um Erwärmung
im Falle von hohen Laserleistungen zu begrenzen. Dies führt zu einer
erhöhten
Betriebsstabilität
der Linsenvorrichtung 16. Außerdem ist das Gehäuse 52 vorzugsweise
so ausgeführt,
daß außen am Gehäuse 52 angeordnete
Elektronikteile (nicht gezeigt) nicht von Laser- und/oder Streustrahlung
getroffen werden können.
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Die
galvanometrischen Motoren 46a, 46b haben jeweils
einen radialen Arm 54a, 54b, der am freien Ende
des jeweiligen Rotors (nicht gezeigt) des zugehörigen galvanometrischen Motors 46a, 46b mit diesem
drehfest verbunden ist. Ferner sind zwei Lenker 56a, 56b vorgesehen,
die mit ihrem einen Ende gelenkig mit dem zugehörigen Arm 54a, 54b verbunden
sind und mit ihrem anderen Ende an einer ersten bzw. zweiten Verbindungsstelle 58a, 58b durch
einen Bolzen 60a, 60b an der Linsenhalterung 38 angelenkt
sind. Der Arm 54a, 54b und der Lenker 56a, 56b bilden
zusammen eine erste bzw. zweite Kraftübertragungseinrichtung, die
das Drehmoment des zugehörigen
galvanometrischen Motors 46a, 46b in eine Schubkraft übersetzt.
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Im
folgenden wird die Funktion der Linsenvorrichtung 16 von 2 bis 4 beschrieben.
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Es
sei angenommen, daß die
Linse 18 in eine vorbestimmte Stellung geschoben werden
soll. Falls die Linseneinrichtung beispielsweise in einem Laserscannersystem
wie in 1 gezeigt verwendet wird, kann diese vorbestimmte
Stellung beispielsweise mit einem bestimmten Auftreffpunkt des Laserstrahls 14 von 1 auf
der Zielfläche 32 korrelieren und
so vorbestimmt sein, daß der
Laserstrahl 14 im Auftreffpunkt fokussiert ist. Die vorbestimmte
translatorische Stellung der Linse 18 entspricht einer
bestimmten Drehstellung des Rotors (nicht gezeigt) des ersten galvanometrischen
Motors 46a. Der erste galvanometrische Motor 46a umfaßt eine
Positionsdetektionseinrichtung (nicht gezeigt), mit der die Drehstellung
des Rotors detektiert werden kann. Über einen Regelkreis wird ein
geeigneter Strom an die Wicklungen des ersten galvanometrischen
Motors 46a angelegt, durch den der Rotor in die geeignete Stellung
gebracht wird.
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Der
vorbestimmten Stellung der Linse 18 entspricht selbstverständlich auch
eine bestimmte Drehstellung des Rotors (nicht gezeigt) des zweiten galvanometrischen
Motors 46b, und im Prinzip könnte der zweite galvanometrische
Motor 46b ebenfalls so angesteuert werden, daß er die
vorbestimmte Drehstellung einnimmt. In der bevorzugten Ausführungsform
wird diese eigenständige
Steuerung des zweiten galvanometrischen Motors 46b jedoch
nicht verwendet. Statt dessen wird einfach derselbe Strom, der für die Ansteuerung
des ersten galvanometrischen Motors 46a ermittelt wurde,
auch für
den zweiten galvanometrischen Motor 46b ver wendet, jedoch
mit umgekehrten Vorzeichen, da sich die Rotoren der galvanometrischen
Motoren 46a, 46b bei einer Verschiebung der Linse 18 stets
gegensinnig drehen. Dies ist nicht nur einfacher als eine eigenständige Steuerung
des zweiten galvanometrischen Motors 46b, sondern es führt auch
zu einem besseren und ruhigeren dynamischen Verhalten.
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Wenn
sich die Rotoren der galvanometrischen Motoren 46a, 46b entsprechend
des Spulenstroms drehen, wird die Drehbewegung der Rotoren durch
die Arme 54a, 54b und die Lenker 58a, 58b in eine
translatorische Bewegung der Gleitelemente 40 übertragen.
Die Schubkraft wird dabei über
die Bolzen 60a, 60b an der ersten bzw. zweiten
Verbindungsstelle 58a, 58b in die Gleitelemente 40 bzw.
in die Linsenhalterung 38 eingeleitet. Da diese Verbindungsstellen 58a, 58b quer
zur Verschiebungsrichtung der Linsenhalterung 38 voneinander
beabstandet sind, wird die Schubkraft gleichmäßig und symmetrisch eingeleitet,
und es kommt selbst bei sehr starken eingeleiteten Kräften zu
keiner Verkantung der Linsenhalterung 38 bezüglich der
Schienen 42. Insbesondere bewirkt die gezeigte symmetrische Krafteinleitung,
daß die
Linsenhalterung 38 auch bei starken eingeleiteten Schubkräften, die
für eine
rasche Beschleunigung der Linse 18 unerläßlich sind, ruhig
und vibrationsarm geführt
wird. Durch diese ruhige und vibrationsarme Führung kann das Drehmomentpotential
der galvanometrischen Motoren 46a, 46b ausgeschöpft werden,
und die Verschiebung der Linse ist beispielsweise auf derselben
Zeitskala möglich,
wie die Verstellung der Ablenkspiegel 28 und 30 des
Laserscannersystems 10 von 1.
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- 10
- Laserscannersystem
- 12
- Laser
- 14
- Laserstrahl
- 16
- Linsenvorrichtung
- 18
- Verstellbare
Linse
- 20
- Steuerungseinrichtung
- 22
- Signalleitung
- 24
- Doppelpfeil
- 26
- Objektiv
- 28
- X-Verstellspiegel
- 30
- Y-Verstellspiegel
- 32
- Zielfläche
- 34,
36
- Galvanometrische
Motoren
- 38
- Linsenhalterung
- 40
- Gleitelement
- 42
- Schiene
- 44
- Nut
in Schiene 42
- 46a,
46b
- Galvanometrischer
Motor
- 48
- Zwischenteil
- 50a,
50b
- Gehäuse des
galvanometrischen Motors 46a, 46b
- 52
- Gehäuse
- 54a,
54b
- Arm
- 56a,
56b
- Lenker
- 58a,
58b
- Verbindungsstelle
- 60a,
60b
- Bolzen