DE10252443A1

DE10252443A1 - Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE10252443A1
Application number: DE10252443A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Andreasch; Michael Häcker
Original assignee: Trumpf Lasertechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Lasertechnik GmbH
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-05-27
Also published as: ATE331971T1; US20060001990A1; EP1561145B1; WO2004044640A3; EP1561145A2; US7244035B2; DE50304083D1; WO2004044640A2

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Ablenkung eines Laserstrahls (2) umfasst einen Ablenkspiegel (3), der in einer Halterung (5) schwenkbar um eine in seiner Spiegelfläche liegende, erste Schwenkachse (4) gelagert ist, einen Drehantrieb zum Verschwenken der Halterung (5) um eine rechtwinklig zur ersten Schwenkachse (4) verlaufende, zweite Schwenkachse (9) und eine am Ablenkspiegel (3) angreifende Einrichtung zum Verschwenken des Ablenkspiegels (3) um die erste Schwenkachse (4), wobei die Einrichtung erfindungsgemäß ein drehbar um die zweite Schwenkachse (9) gelagertes Verbindungselement (12), einen Hebel (11), der am Ablenkspiegel (3) und am Verbindungselement (12) um jeweils parallel zur ersten Schwenkachse (4) verlaufende Achsen (14, 15) schwenkbar gelagert ist, und ein längs der zweiten Schwenkachse (9) verschiebbares Antriebselement (6) aufweist, wobei die Halterung (5) und das Verbindungselement (12) längs der zweiten Schwenkachse (9) relativ zueinander verschiebbar gelagert sind und das Antriebselement (6) mit der Halterung (5) oder dem Verbindungselement bewegungsgekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls mit einem Ablenkspiegel, der in einer Halterung schwenkbar um eine in seiner Spiegelfläche liegende, erste Schwenkachse gelagert ist, mit einem Drehantrieb zum Verschwenken der Halterung um eine rechtwinklig zur ersten Schwenkachse verlaufende, zweite Schwenkachse und mit einer am Ablenkspiegel angreifenden Einrichtung zum Verschwenken des Ablenkspiegels um die erste Schwenkachse.

Eine derartige Ablenkvorrichtung ist beispielsweise durch die EP 0 179 275 A1 bekannt geworden.

Diese bekannte Vorrichtung dient zum zweidimensionalen Ablenken eines auf den Ablenkspiegel auftreffenden Laserstrahls. Dazu lässt sich der Ablenkspiegel um zwei zueinander rechtwinklige Schwenkachsen verkippen, deren Schnittpunkt in der Spiegelfläche liegt und daher einen Drehfixpunkt bildet. Der Ablenkspiegel ist schwenkbar um die eine, erste Schwenkachse in einem Rahmen gelagert, der um die andere, zweite Schwenkachse gelagert ist und mittels einer Antriebsspindel gedreht wird. Mittels eines Dreharms, in dessen Schlitz ein rückseitig am Ablenkspiegel befestigter Mitnehmer eingreift, wird die Drehbewegung einer weiteren Antriebsspindel in ein Verschwenken des Ablenkspiegels um die erste Schwenkachse umgelenkt. Durch Verschwenken des Ablenkspiegels um die erste Schwenkachse und des Rahmens um die zweite Schwenkachse lässt sich der Ablenkspiegel allseitig bezüglich des Drehfixpunkts verkippen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei einer Ablenkvorrichtung der eingangs genannten Art einen anderen Antrieb zum Verschwenken des Ablenkspiegels um die erste Schwenkachse bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einrichtung ein drehbar um die zweite Schwenkachse gelagertes Verbindungselement, einen Hebel, der am Ablenkspiegel und am Verbindungselement um jeweils parallel zur ersten Schwenkachse verlaufende Achsen schwenkbar gelagert ist, und ein längs der zweiten Schwenkachse verschiebbares Antriebselement aufweist, wobei die Halterung und das Verbindungselement längs der zweiten Schwenkachse relativ zueinander verschiebbar gelagert sind und das Antriebselement mit der Halterung oder dem Verbindungselement bewegungsgekoppelt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Halterung mit dem Antriebselement verbunden und das Verbindungselement unverschiebbar gelagert. Bei Anordnung der Halterung zwischen Ablenkspiegel und Verbindungselement erstreckt sich das Antriebselement vorzugsweise durch eine Öffnung des Verbindungselements hindurch bis zur Halterung. Das Antriebselement ist beispielsweise mit einem Dreh-Schub-Antrieb zum Verschwenken und Verschieben der Halterung verbunden, wobei der Dreh-Schub-Antrieb als Kombination eines tubularen Linearmotors mit einem Torque-Motor ausgebildet sein kann. Bei dem Torque-Motor sind die Primär- und Sekundärteile unterschiedlich lang ausgebildet.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verbindungselement mit dem Antriebselement verbunden und die Halterung unverschiebbar gelagert. Bei Anordnung des Verbindungselements zwischen Ablenkspiegel und Halterung erstreckt sich das Antriebselement vorzugsweise durch eine Öffnung der Halterung bis zum Verbindungselement, das in vorteilhafter Weiterbildung auf dem Antriebselement drehbar, aber axial unverschiebbar gelagert ist. Das Antriebselement ist beispielsweise mit einem Linearantrieb zum Verschieben des Verbindungselements verbunden. Die Halterung ist beispielsweise mit einem Drehantrieb verbunden. In einer weiteren Variante sind das Verbindungselement und das Antriebselement miteinander starr gekoppelt, wobei das Antriebselement relativ zum Abtrieb eines Linearantriebs drehbar, aber axial unverschiebbar ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ablenkvorrichtung; und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ablenkvorrichtung in einer Darstellung analog zu 1.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Ablenkung eines Laserstrahls 2 mittels eines Ablenkspiegels 3, der um eine erste Schwenkachse 4 in einer gabelförmigen Halterung 5 drehbar gelagert ist. Die Halterung 5 ist an dem Antriebselement 6 eines Dreh-Schub-Antriebs 7 befestigt, das gleichzeitig oder separat eine Rotationsbewegung (Doppelpfeil 8) um eine rechtwinklig zur ersten Schwenkachse 4 verlaufende, zweite Schwenkachse 9 und eine Translationsbewegung (Doppelpfeil 10) ausführen kann. Diese zweite Schwenkachse 9 verläuft kollinear zur optischen Achse des auf die Ablenkvorrichtung 1 einfallenden Laserstrahls 2. Der Ablenkspiegel 3 ist über einen Hebel 11 gelenkig mit einem ringförmigen Verbindungselement 12 verbunden, das axial unverschiebbar an einem Gehäuseflansch 13 des Dreh-Schub-Antriebs 7 um die zweite Schwenkachse 9 drehbar gelagert ist. Der Hebel 11 ist rückseitig am Ablenkspiegel 3 und am Verbindungselement 12 um jeweils parallel zur ersten Schwenkachse 4 verlaufende Achsen 14, 15 drehbar gelagert. Das Antriebselement 6 erstreckt sich durch die Ringöffnung 16 des Verbindungselements 12 hindurch bis zur Halterung 5, die zwischen Ablenkspiegel 3 und Verbindungselement 12 angeordnet ist.
Vorteilhaft kann zwischen Antriebselement 6 und Verbindungselement 12 noch eine Drehkopplung vorgesehen sein, die in 1 aber nicht gezeigt ist.
Durch Verdrehen des Antriebselements 6 werden die Halterung 5 und damit auch der Ablenkspiegel 3 um die zweite Schwenkachse 9 geschwenkt. Eine Schubbewegung des Antriebselements 6 längs der zweiten Schwenkachse 9 bewirkt eine Verschiebung der Halterung 5 gegenüber dem Verbindungselement 12. Da das Verbindungselement 12 unverschiebbar gelagert ist, wird der Ablenkspiegel 3 um die erste Schwenkachse 4 geschwenkt. Durch gleichzeitiges Verschwenken und Verschieben der Halterung 5 mittels des Antriebselements 6 lässt sich der Ablenkspiegel 3 um beide Schwenkachsen 4, 9 beliebig verkippen und dadurch der einfallende Laserstrahl 2 zweidimensional ablenken.
Das Antriebselement 6, das einen translativen und einen rotativen Freiheitsgrad besitzt, kann in Wälz-, Luft- oder Magnetlagerungen gelagert sein. Als Dreh-Schub-Antrieb 7 kann beispielsweise ein tubularer Linearmotor in Kombination mit einem Torque-Motor mit unterschiedlich langen Primär- und Sekundärteilen eingesetzt werden. Diese beiden Motoren sind Drehstromsynchronmotoren und ermöglichen die stationäre Anordnung ihrer schweren kupfer- und eisenbehafteten Primärspulenteile. Die prinzip- und konstruktionsbedingten Vorteile dieser Ablenkvorrichtung 1 sind insbesondere:

– hochdynamischer Antrieb durch geringe bewegte Massen;
– gutes Leistungs/Bauraum-Verhältnis (hohe Kräfte auf kleinem Raum);
– Antrieb mit ortfester Energieversorgung und Wasserkühlung;
– stationäre Anordnung der Messköpfe;
– Verwendung weniger und einfacher Lager zwischen Antrieb und Ablenkspiegel;
– kompakter Aufbau.

Bei der in 2 gezeigten Ablenkvorrichtung 20 ist der Ablenkspiegel 21 ebenfalls in einer gabelförmigen Halterung 22 schwenkbar um eine in seiner Spiegelfläche liegende erste Schwenkachse 23 gelagert. Die Halterung 22 ist in einem Gehäuseflansch 24 schwenkbar um eine rechtwinklig zur ersten Schwenkachse 23 verlaufende, zweite Schwenkachse 25, aber längs der zweiten Schwenkachse 25 unverschiebbar gelagert. Diese zweite Schwenkachse 25 verläuft kollinear zur optischen Achse des auf die Ablenkvorrichtung 20 einfallenden Laserstrahls 2. Das Verdrehen (Doppelpfeil 26) der Halterung 22 um die zweite Schwenkachse 25 erfolgt mittels eines Drehantriebs (nicht gezeigt), z.B. mittels eines Torque-Motors mit dem Prinzip eines Drehstromsynchronmotors. Der Ablenkspiegel 21 ist über einen Hebel 27 mit einem Verbindungselement 28, das zwischen Ablenkspiegel 21 und Halterung 22 angeordnet ist, gelenkig verbunden. Der Hebel 27 ist rückseitig am Ablenkspiegel 21 und am Verbindungselement 28 um jeweils parallel zur ersten Schwenkachse 23 verlaufende Achsen 29, 30 drehbar gelagert. Das Antriebselement 31 eines Linearantriebs (nicht gezeigt) erstreckt sich durch eine zentrale Öffnung 32 der Halterung 22 bis zum Verbindungselement 28, das auf dem freien Ende des Antriebselements 31 drehbar, aber axial unverschiebbar gelagert ist. Im Unterschied zum Verbindungselement 12 der Ablenkvorrichtung 1 führt das Verbindungselement 28 eine Linear- und eine Rotationsbewegung aus.
Durch Verschwenken der Halterung 22 um die zweite Schwenkachse 25 wird der Ablenkspiegel 21 um die zweite Schwenkachse 25 mitgeschwenkt. Eine Linearbewegung des Antriebselements 31 längs der zweiten Schwenkachse 25 (Doppelpfeil 33) bewirkt, da die Halterung 22 unverschiebbar gelagert ist, eine Verschiebung des Verbindungselements 28 gegenüber der Halterung 22, wodurch der Ablenkspiegel 21 um die erste Schwenkachse 23 geschwenkt wird. Durch gleichzeitiges Verschwenken der Halterung 22 und Verschieben des Verbindungselements 28 lässt sich der Ablenkspiegel 21 um beide Schwenkachsen 23, 25 beliebig verkippen und dadurch der einfallende Laserstrahl 2 zweidimensional ablenken.
Wesentlicher Vorteile dieser Parallelkinematik ist die Möglichkeit, zwei konventionelle Direktantriebe mit konventionellen Messsystemen einsetzen zu können. Die Statoren mit Energie- und Kühlversorgung sowie die Messköpfe der Messsysteme mit Messsignalanschlüssen beider Antriebe können ortsfest angebracht werden. Die bewegten Massen reduzieren sich auf ein Minimum. Zusammen mit einer mechanisch steifen Konstruktion wird somit ein Maximum an Dynamik erreicht.

Claims

Vorrichtung (1; 20) zur Ablenkung eines Laserstrahls (2), mit einem Ablenkspiegel (3; 21), der in einer Halterung (5; 22) schwenkbar um eine in seiner Spiegelfläche liegende, erste Schwenkachse (4; 23) gelagert ist, mit einem Drehantrieb zum Verschwenken der Halterung (5; 22) um eine rechtwinklig zur ersten Schwenkachse (4; 23) verlaufende, zweite Schwenkachse (9; 25) und mit einer am Ablenkspiegel (3; 21) angreifenden Einrichtung zum Verschwenken des Ablenkspiegels (3; 21) um die erste Schwenkachse (4; 23), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein drehbar um die zweite Schwenkachse (9; 25) gelagertes Verbindungselement (12; 28), einen Hebel (11; 27), der am Ablenkspiegel (3; 21) und am Kopplungselement (12; 28) um jeweils parallel zur ersten Schwenkachse (4; 23) verlaufende Achsen (14, 15; 29, 30) schwenkbar gelagert ist, und ein längs der zweiten Schwenkachse (9; 25) verschiebbares Antriebselement (6; 31) aufweist, wobei die Halterung (5; 22) und das Verbindungselement (12; 28) längs der zweiten Schwenkachse (9; 25) relativ zueinander verschiebbar gelagert sind und das Antriebselement (6; 31) mit der Halterung (5) oder dem Verbindungselement (28) bewegungsgekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (12) unverschiebbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (5) zwischen Ablenkspiegel (3) und Verbindungselement (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Antriebselement (6) durch eine Öffnung (16) des Verbindungselements (12) hindurch bis zur Halterung (5) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (6) mit einem Dreh-Schub-Antrieb (7) zum Verdrehen und Verschieben der Halterung (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (6) und das Verbindungselement (12) miteinander drehgekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (22) unverschiebbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (28) zwischen Ablenkspiegel (21) und Halterung (22) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Antriebselement (31) durch eine Öffnung (32) der Halterung (22) bis zum Verbindungselement (28) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (28) auf dem Antriebselement (31) drehbar, aber axial unverschiebbar gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (31) mit einem Linearantrieb zum Verschieben des Verbindungselements (28) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (28) und das Antriebselement (31) miteinander starr gekoppelt sind und das Antriebselement (31) relativ zum Abtrieb eines Linearantriebs drehbar, aber axial unverschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (22) mit einem Drehantrieb verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (31) und der Drehantrieb miteinander drehgekoppelt sind.