DE10303266A1

DE10303266A1 - Ablenkeinrichtung für einen Galvanometer-Scanner, Drehlagererfassungseinrichtung, sowie Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE10303266A1
Application number: DE2003103266
Authority: DE
Inventors: Joachim Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (1), mit einer drehbeweglich gelagerten Rotorwelle (8), die am Ende einen Reflektor (12) aufweist, welcher zur Ablenkung der Laserstrahlen dient. Die Rotorwelle (8) weist einen Antriebsmagneten (16) auf, der als Rotor dient und von einem Stator (18) zumindest teilweise umschlossen ist, so daß die Rotorwelle (8) elektromagnetisch angetrieben werden kann. Die Rotorwelle (8) weist einen zweiten magnetischen Abschnitt (24) auf, der als Signalgebermagnet (26) für wenigstens einen in diesem Bereich benachbarten Magnetfeldsensor (28) dient, zur Lageerfassung der Rotorwelle (8). Im Bereich des Rotors oder im Bereich des Signalgebermagneten ist ein weiterer Magnet (30) benachbart angeordnet, der mit diesem wechselwirkt, zur Aufprägung einer definierten Vorzugsausgangslage der Rotorwelle (8) im Ruhezustand. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Drehlageerfassungseinrichtung (34) sowie ein Verfahren hierfür.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ablenkeinrichtung für einen Galvanometer-Scanner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Drehlageerfassungseinrichtung für eine Rotorwelle hierfür, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10, sowie ein Rotorwellen-Drehlageerfassungsverfahren hierfür nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Galvanometer-Scanner werden in der Praxis zur zielgerichteten Ablenkung von Laserstrahlen verwendet. Derlei Galvanometer-Scanner weisen eine drehbar gelagerte Achse auf, die häufig kurz als Rotorwelle bezeichnet wird. Die Rotorwelle kann aus einer Grund- und- bzw. Ruhestellung heraus innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs in beide Drehrichtungen bewegt werden.

Die Drehachse bzw. Rotorwelle mit einem daran angeordneten Reflektor zur Ablenkung der Laserstrahlen kann bei aus der Praxis bekannten Ausführungsformen einen zylindrischen Permanentmagneten aufweisen, der zweipolig diametral durchmagnetisiert ist. Das drehende Antreiben der Rotorwelle erfolgt durch Beaufschlagung dieses zylirdrischen Permanentmagneten mit einem von außen einwirkenden Magnetfeld, welches beispielsweise von einer stromdurchflossenen Statorspule erzeugt wird.

Wie vorstehend erwähnt, ist an einem Ende der Rotorwelle ein Reflektor, beispielsweise ein Spiegel, befestigt, dessen von der Rotorwelle aufgeprägte Drehbewegung schlußendlich die Ablenkung eines auf ihn gerichteten Laserstrahls bewirkt.

Um die Drehlage der Rotorwelle und damit des Reflektors exakt bestimmen und somit positionieren zu können, wird deren Drehlage mittels einer geeigneten Sensorik erfaßt und das Drehlage-Signal einer Servoelektronik oder dergleichen Auswerfe- und Regeleinrichtungen zugeführt, welche die gewünschte Drehlage ausregelt.

Galvanometer-Scanner werden beispielsweise in der Materialbearbeitung, der Laserbeschriftungs-Technik, zu Markierungszwecken oder in der Unterhaltungselektronik (Lasershows) oder dergleichen Anwendungsbereichen verwendet.

Galvanometer-Scanner mit einer elektromagnetisch angetriebenen Ablenkeinrichtung sind beispielsweise aus der DE 198 34 410 A1 bekannt. Die dort verwendeten Sensoren zur Drehlageerfassung sind vom statischen Kapazitätstyp. Weiterhin offenbart die DE 197 02 752 C2 ein Ansteuersystem für einen Scannerantrieb. Der dort beschriebene Galvanometer-Scanner ist mit einem auf einer drehbar gelagerten Achse befestigten Spiegel versehen, welcher durch magnetische Kräfte abgelenkt wird. Eine Positionserfassung der Schwingspiegel erfolgt durch kapazitive Winkelmeßsysteme.

Ferner diskutiert die DE 196 19 271 C2 eine Regeleinrichtung mit adaptiver Parameterkorrektur. Der dort diskutierte Galvanometer-Scanner zur Ablenkung von einem Laserlicht weist einen Drehmagneten auf. Der Positionsdetektor des Drehmagneten ist nicht näher diskutiert. Des weiteren ist in der DE 43 37 800 A1 eine Lagerung für einen drehwinkelbegrenzten Rotor für einen Galvanometer-Scanner diskutiert. Der drehwinkelbegrenzte Rotor dient als Drehschwinger und ist magnetisch angetrieben. Dessen Positionsregelung ist jedoch nicht näher diskutiert.

Weiterhin sind Laser-Galvanometer-Scanner bekannt geworden, welche zur Erzeugung eines Laserstrahls in Lasermikroskopen Verwendung finden. Der Strahlengang des Laserlichtes wird mittels Reflektorschieber und entsprechender Vollspiegel freigegeben oder blockiert. De Erfassung der Stellung dieser Vollspiegel erfolgt durch magnetische Sensoren. Derlei Lasermikroskope sind beispielsweise in der DE 43 45 538 C2 oder in der DE 43 23 129 C2 beschrieben.

Nicht zuletzt ist aus der EP 0 520 388 B1 ein Strahlabtastgalvanometer bekannt geworden, das elektromagnetisch angetriebene Ablenkspiegel und magnetische Sensoren zur Lageerfassung der Spiegel aufweist. Hierbei ist in Bezug auf die magnetische Erfassung der Drehlage der Spiegel als nachteilig erkannt worden, das der elektromagnetische Antrieb zur Drehung des Spiegels und die magnetischen Sensoren zur Lageerfassung des Spiegels sich gegenseitig beeinflussen, was zu einer unakzeptablen Störung des Drehlagesignals führt, so daß die Drehlage nicht ausreichend genau bestimmt werden kann. Deshalb ist in der EP 0 520 388 B1 vorgeschlagen worden, einen Kompensationsstrom vorzusehen, um so den Effekt des Magnetfeldes erzeugt durch den Treiberstrom am Sensor auszulöschen.

Laserstrahlen sollen jedoch mit Galvanometer-Scannern möglichst schnell und sehr genau abgelenkt werden können. Zudem ist für viele Einsatzzwecke ein möglichst großer Ablenkwinkel erwünscht. Dabei soll der Aufbau der Ablenkeinheit und nach Möglichkeit auch der Aufbau des gesamten Galvanometer-Scanners unempfindlich gegenüber Fremdeinwirkungen aller Art sein. Nicht zuletzt soll der Aufbau der Ablenkeinheit und ggf. auch der Aufbau des Scanners einfach gehalten sein, um Kosten sparen zu können.

Dabei ist es jedoch von besonders großem Nachteil, das gerade der Drehbereich des Rotors bzw. des von diesem verschwenkten Reflektors stark begrenzt ist, wenn kapazitive oder optische Sensoren zur Erfassung der Drehlage des Rotors verwendet werden. Denn derlei kapazitive oder optische Sensoren können systembedingt nur einen begrenzten Winkelbereich erfassen. Zudem macht die Beschränkung des mit einem kapazitiven oder optischen Sensor erfaßbaren Winkelbereichs in dem erfaßbaren Winkelbereich zusätzlich eine mechanische Drehwinkelbegrenzung der Rotorwelle durch entsprechende Drehwinkelbegrenzer notwendig, um sicherstellen zu können, daß die Rotorwelle sich ausschließlich im von den mechanischen Drehwinkelbegrenzern definierten, begrenzten Winkelbereich bewegt, so daß deren Bewegung vom kapazitiven oder optischen Sensor überhaupt erfaßt werden kann.

Dieses Problem tritt zwar bei einer Drehlageerfassung mit magnetischen Sensoren nicht auf. Dafür aber müssen die vorstehend erwähnten und in der EP 0 520 388 B1 diskutierten Nachteile einer gegenseitigen Beeinflussung des elektro-magnetischen Rotorwellenantriebs und der magnetischen Lageerfassung der Rotorwelle gelöst werden, was beispielsweise mittels der beschriebenen, sehr aufwendigen Kompensierung erfolgen kann.

Da bei den meisten bekannten Galvanometer-Scannern die Lageregelung des Rotors über eine Servoregelung oder dergleichen elektrischer und/oder elektronischer Regeleinrichtungen erfolgt, tritt in der Praxis ein weiteres Problem auf, wenn der maximal mögliche bzw. erlaubte Drehwinkel des Rotors nicht sauber begrenzt ist: Solange sich das System nicht in Betrieb befindet, ist die Drehlage des Rotors ohne mechanischen Anschlag nicht definiert. Der Rotormagnet könnte also relativ zum Stator eine Drehlage einnehmen, die außerhalb des zulässigen Arbeitspunktes liegt. Wenn die Magnetpole des Rotors durch Verdrehen desselben darüber hinaus relativ zum Stator vertauscht werden, kann der gesamte Regelkreis gestört oder sogar außer Funktion gesetzt werden. Das System bzw. der Galvanometer-Scanner ist damit nicht mehr funktionsfähig.

Das Erkennen und Einnehmen eines korrekten Arbeitspunktes im Wege einer Signalauswertung der Lageerrfassungssensoren mit entsprechender Ansteuerung des Rotors ist sehr aufwendig und dementsprechend teuer. Demzufolge wird in der Praxis entweder der Arbeitspunkt mittels eines mechanischen Anschlags begrenzt, so daß sicher gestellt ist, daß die Rotorwelle sich nur innerhalb des durch die mechanischen Drehwinkelbegrenzer definierten Bereichs bewegen kann, oder die Rotorwelle wird mittels eines federnden Elements, wie beispielsweise einer Torsionsfeder, eines Torsionsstabs oder einer Blattfeder, in eine vordefinierte Ausgangslage gezwungen.

Mechanische Drehwinkelbegrenzer weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. Bei kleinen Abmessungen der Rotorwelle ist es technisch aufwendig und zum Teil unmög lich, die nötigen Vorrichtungen an der Achse anzubringen. Häufig werden Stifte quer durch die Rotorwelle eingesetzt, die in entsprechende Aussparungen, die beispielsweise im umgebenden Gehäuses angeordnet sind, eingreifen sollen. Es sind in der Praxis auch schmetterlingsförmige Elemente am Rotor bekannt geworden, die an entsprechende Begrenzer am Gehäuse anschlagen. All dies mechanischen Begrenzer haben den wesentlichen Nachteil gemein, daß diese zusätzlichen Bauteile die Masseträgheit der Rotorwelle erhöhen. Diese erheblich erhöhte Masseträgheit der Rotorwelle belastet nicht nur den elektro-magnetischen Antrieb, sondern sie führt auch dazu, daß die Ablenkeinheit immer dann erhebliche Schäden erleiden kann, wenn die Rotorachse im Betrieb mit maximaler Kraft auf den mechanischen Anschlag aufläuft, beispielsweise weil das System übersteuert wurde, so daß dann aufgrund der erheblichen Masseträgheit derart große Kräfte auf die Ablenkeinheit und insbesondere auf den Spiegel einwirken, daß irreparable Schäden auftreten können. Besonders gefährdet sind dabei beispielsweise die Verbindungsstellen zwischen Reflektor und Rotorwelle, Antriebsmagnet und Rotorwelle, Anschlagkomponenten und Rotorwelle, die dann ebenfalls hoch belastet werden und häufig brechen.

Auch die aus der Praxis bekannten Federelemente, die zum Aufzwingen einer vordefinierten Ausgangslage Verwendung finden, weisen erhebliche Nachteile auf. Federelemente, wie beispielsweise Torsionsstäbe oder Blattfedern, können durch äußere mechanische Einflüsse, wie beispielsweise Verdrehen des Rotors von Hand überspannt und damit zerstört werden. Die Befestigung des Federelements am Rotor ist insbesondere bei kleinen Abmessungen sehr problematisch und zum Teil nicht realisierbar. Damit wird insgesamt die Montage des Systems bzw. der Ablenkeinheit erheblich erschwert. Langzeiterfahrungen zeigen zudem, daß die Federelemente aufgrund der hohen Schwingungsfrequenzen bereits vorzeitig ermüden und ausgetauscht werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, unter Vermeidung der vorstehend diskutierten Nachteile, eine verbesserte Ablenkeinrichtung für einen Galvanome ter-Scanner vorzuschlagen, dessen Rotorwelle in Ruhelage eine definierte Vorzugsausganslage aufweist und dessen Aufbau keine mechanischen Drehwinkelbegrenzer enthält.

Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bekannte Ablenkeinrichtungen derart weiterzuentwickeln, daß die Rotorwelle durch Fremdeinwirkung beliebig verdrehbar ist, ohne daß dabei Schäden hervorgerufen werden können.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bekannte Ablenkeinrichtungen für Galvanometer-Scanner derart zu verbessern, daß der mögliche Drehwinkelbereich des Rotors weit über den bisher erreichten Wert hinausgeht.

Vorstehende Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Ferner werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10 als auch in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Anspruchs 11.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine verbesserte Ablenkeinrichtung für einen Galvanometer-Scanner vor, mit einer in einer Lagereinrichtung drehbeweglich gelagerten Rotorwelle, an deren einem Ende ein Reflektor angeordnet ist, zur Ablenkung von Laserstrahlen. Dabei weist die Rotorwelle als Antriebsmagnet einen ersten magnetischen Abschnitt auf, der als Rotor dient und der zumindest teilweise von einem Stator mit zugehöriger Statorspule umschlossen ist, zum elektrischen Antreiben der Rotorwelle. Die Rotorwelle weist ferner einen zweiten magnetischen Abschnitt auf, der als Signalgeber für wenigstens einen im Bereich dieses zweiten, signalgebenden magnetischen Abschnitts benachbarten Magnetfeldsensor dient, zur Drehlageerfassung der Rotorwelle. Dabei ist erfindungsgemäß erstmals vorgesehen, daß im Bereich des als Rotor dienenden ersten magnetischen Abschnitts oder im Bereich des zweiten, signalgebenden magnetischen Abschnitts ein Magnet benachbart angeordnet ist, der mit diesem wechselwirkt, zur Aufprägung einer definierten Vorzugsausgangslage der Rotorwelle im Ruhezustand.

Die bekannten massiven Nachteile bei Verwendung mechanischer Drehwinkelbegrenzer oder bei Verwendung von Federelementen zum Aufzwingen einer Ausgangslage sind damit in vorteilhafter Weise gänzlich vermieden. Zudem vereinfacht sich die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung damit gegenüber den bekannten Ablenkeinrichtungen erheblich, so daß diese einfacher konstruiert, kostengünstiger hergestellt und zudem kleiner bauen kann.

Durch den Entfall mechanischer Begrenzer wird der nutzbare Bereich des Ablenkwinkels, der zur Ablenkung eines auf den Reflektor auftreffenden Laserstrahls zur Verfügung steht, wesentlich erweitert. Im Prinzip könnte der nutzbare Bereich damit auf 360° ausgedehnt werden, wobei man in der Praxis diesen möglichen Bereich von 360° in den selteneren Fällen ausnutzen wird und sich häufiger mit einem nutzbaren Bereich von 90° bis 180° zufrieden geben wird, da dieser immer noch wesentlich über den bisher erreichbaren Ablenkwinkeln von maximal 40° bis 50° liegt.

Durch den Entfall mechanischer Begrenzer besteht zudem keine Gefahr einer Schädigung der Rotorwelle oder anderer Bauteile der Ablenkeinrichtung, wenn versehentlich mechanische Kräfte von außen auf den Reflektor aufgeprägt werden, da sich die Rotorwelle ggf. ungehemmt um ihre eigene Achse drehen kann.

Des weiteren reduziert sich die Massenträgheit der Rotorwelle wesentlich durch den Entfall solcher mechanischen Begrenzer. Darüber hinaus verringert sich durch den Entfall der Begrenzer die Anzahl der bei einer nie gänzlich auszuschließenden Überlastung gefährdeten Bauteile, so daß sich die Betriebssicherheit der Ablenkeinrichtung deutlich erhöht und die Ausfallwahrscheinlichkeit wesentlich verringert.

Gleichzeitig steht jedoch durch die Verwendung magnetischer Sensoren zur Erfassung der Drehwinkellage der Rotorwelle eine von mechanischen Einflüssen unabhängige Sensorik zur Verfügung, so daß auch diesbezüglich beim Auftreten von außen einwirkender Kräfte keinerlei Schädigungen zu befürchten sind.

Darüber hinaus wird nicht nur die Masseträgheit durch den Entfall zusätzlicher mechanischer Begrenzer oder dergleichen auf ein Minimum reduziert, sondern auch das aus der Praxis bekannte und als nachteilig empfundene Auftreten von Unwuchten kann damit nicht mehr auftreten, so daß die Rotorwelle mit extrem hohen Frequenzen sehr schnell hin- und hergedreht werden kann. Somit wir in vorteilhafter Weise erstmals die seit langem allgemein geforderte, schnelle und zugleich sehr präzise Ablenkung der Laserstrahlen erzielbar. Gleichzeitig ist ohne Einschränkung der Ablenkgenauigkeit ein größtmöglicher Ablenkwinkel in vorteilhafter Weise möglich, so daß möglichst viele Einsatzzwecke denkbar sind. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Ablenkeinrichtung ist unempfindlich gegenüber jeglicher Fremdeinwirkung und er ist zudem, wie bereits betont, sehr einfach, so daß die Herstellungskosten selbst bei hoher Qualität äußerst gering gehalten werden können.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

So ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserstrahl-Ablenkeinrichtung vorgesehen, daß zwei vorzugsweise einander gegenüberliegende Magnetfeldsensoren Verwendung finden, zwischen denen der zweite, signalgebende magnetische Abschnitt der Rotorwelle verläuft. Damit stehen der Servoeinheit oder dergleichen Auswerfe- und Regeleinrichtungen zwei getrennt oder gemeinsam auswertbare Signale zur Verfügung, was die Genauigkeit als auch Schnelligkeit der Drehwinkellageerfassung erhöht. Ferner können mehrere Sensoren oder Differenzsensoren verschiedene Drifteffekte oder Meßtoleranzen minimieren.

Zudem kann die Auswertung der Signale vereinfacht werden, wenn die beiden Sensoren beispielsweise in einer gemeinsamen Ebene einander gegenüber liegen und die Rotorwelle in der Mitte zwischen diesen beiden Sensoren durchläuft, so daß die beiden Signale der beiden Sensoren gegeneinander aufgerechnet und lediglich die resultierende Differenz ausgewertet werden kann, was eine zusätzliche Erhöhung der Genauigkeit als auch der Geschwindigkeit der Lageerfassung mit sich bringt. Alternativ ist es denkbar, drei Sensoren jeweils in einem Winkelabstand von 120° oder gar vier Sensoren jeweils in einem Abstand von 90° voneinander um die Rotorwelle herum anzuordnen und deren Signale auszuwerten.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserstrahl-Ablenkeinrichtung ist vorgesehen, daß die Magnetfeldsensoren von einem Eisenrückschluß umfaßt sind. Mit dem Eisenrückschluß wird der Magnetfeldfluß, der vom zweiten, signalgebenden magnetischen Abschnitt bzw. vom Signalgebermagneten ausgeht und zwischen den Magnetfeldsensoren verläuft, in vorteilhafter Weise gebündelt und darüber hinaus auch ausgerichtet, so daß das auszuwertende Signal verstärkt bzw. die Amplitude des Signals erhöht bzw. der Signal-Rauschabstand verbessert wird, mithin die erzeugten und somit letztendlich erfaßbaren Drehlagesignale wesentlich exakter bzw. sauberer und damit von einer höheren Auswertequalität sind.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß mehrere signalgebendende magnetische Abschnitte auf der Rotorwelle verfügbar sind. Damit kann die Lageerfassung des Drehwinkels der Rotorwelle in vorteilhafter Weise weiter verbessert werden.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Laserstrahl-Ablenkeinrichtung werden Hal1-Sensoren als Magnetfeldsensoren vorgesehen. Diese bieten den Vorteil, daß damit besonders saubere lineare Signale erzeugt werden können, deren weitere Auswertung in der Servoelektronik besonders präzise durchgeführt werden kann, was zu einer besonders genauen Lageerfassung führt. Alternativ können auch andere lineare bzw, analoge Magnetsensoren, magnetoresistive Sensoren oder Feldplatten verwendet werden, welche ein Signal analog der Stärke oder der Richtung eines auf sie einwirkenden Magnetfeldes liefern.

Gemäß einer weiter verbesserten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Lagereinrichtung aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist, wie beispielsweise Eisen, Nickel oder dergleichen Werkstoffe. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf die aus dem Stand der Technik bekannte aufwendige Kompensation der Wechselwirkungen zwischen dem elektromagnetischen Antrieb und der magnetischen Lageerfassung verzichtet werden, ohne daß dabei von den Magnetfeldern des elektromagnetischen Antriebs irgendwelche Störungen auf die elektromagnetische Sensorik ausgehen könnten. Alternativ kann die Lagereinrichtung beispielsweise auch aus Aluminium hergestellt sein. Zur Abschirmung der Sensorik gegenüber dem elektromagnetischen Antrieb genügt dann ein dazwischen angeordneter, ferromagnetischer Blechstreifen.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird der Vorzugsausgangslagenmagnet als Permanentmagnet ausgebildet. Dies bietet in vorteilhafter Weise die kostengünstigste Alternative. Zudem wird die Polarisierung als auch Magnetisierung des Permanentmagneten durch den rotierenden Sensormagnet laufend aufgefrischt. Alternativ könnte der Vorzugsausgangslagenmagnet auch als Elektromagnet ausgebildet werden, was zwar höhere Kosten nach sich zieht, dafür den Vorteil bietet, daß der Vorzugsausgangslagenmagnet gezielt von der Regelelektronik angesprochen und damit nur bei Bedarf ein- und wieder ausgeschaltet werden kann.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind der oder die Magnetfeldsensoren) und der Vorzugsausgangslagenmagnet auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Damit wird in vorteilhafter Weise eine möglichst kompakte Bauform erreicht.

Entsprechend einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der Stator aus einer Vielzahl von dünnen Blechen gebildet, deren Kontur beispielsweise ausgestanzt oder mittels Laserstrahlschnitt hergestellt ist. Dies bietet den Vorteil einer bislang unbekannten Miniaturisierbarkeit auch bei kleinen Stückzahlen, die eine besonders klein bauenden Laserstrahl-Ablenkeinrichtung ermöglicht.

Ferner wird zur Lösung der gestellten Aufgaben vorgeschlagen, eine Drehlageerfassungseinrichtung zur Erfassung der Drehlage einer Rotorwelle einer Ablenkeinrichtung derart auszubilden, daß die den Reflektor tragende Rotorwelle einen Antriebs magneten aufweist, zum elektrisch drehenden Antreiben, und daß die Rotorwelle einen Signalgebermagneten aufweist, zum Erfassen der Drehlage der Rotorwelle, wobei erstmals vorgesehen ist, daß im Bereich des Antriebsmagneten oder im Bereich des Signalgebermagneten ein weiterer Magnet benachbart angeordnet ist, der mit einem der beiden vorgenannten Magneten wechselwirkt, zur Aufprägung einer definierten Vorzugsausgangslage der Rotorwelle im Ruhezustand derselben.

Ferner wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zur Erfassung der Drehwinkellage einer Rotorwelle einer Ablenkeinrichtung, insbesondere einer Ablenkeinrichtung für einen Galvanometer-Scanner, wie vorstehend diskutiert, vorgeschlagen. Dabei wird die Rotorwelle mittels eines Antriebsmagneten und eines diesen zumindest teilweise umschließenden Stators elektrisch drehend angetrieben. Ferner wird die Drehlage der Rotorwelle mittels eines Signalgebermagneten und eines benachbarten Magnetfeldsensors erfaßt. Dabei wird erstmals der Rotorwelle im Ruhezustand eine definierte Vorzugsausgangslage mittels eines weiteren Magneten, dem Bereich des Antriebsmagneten oder im Bereich des Signalgebers benachbart angeordnet ist und mit zumindest einem dieser beiden wechselwirkt, aufgeprägt.

Die vorstehend diskutierte Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
l ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laserstrahl-Ablenkeinrichtung in einem schematisch vereinfachten Längsschnitt;
2 einen schematisch vereinfachten Querschnitt durch den in 1 gezeigten elektromagnetischen Antrieb der Rotorwelle, wobei die Magnetisierungsrichtung bzw. Polung des Antriebsmagneten in der Teilansicht gemäß 2a) in einem Betriebszustand, gemäß 2b) in einem um 90° gedrehten Zustand und gemäß 2c) im Zustand einer gewünschten Vorzugsausgangslage gezeigt ist; und
3 einen schematisch vereinfachten Querschnitt durch den in 1 gezeigten Sensorikbereich zur Drehlageerfassung, wobei die Magnetisierungsrichtung bzw. Polung des Signalgebermagneten in der Teilansicht gemäß 3a) in einem Betriebszustand, gemäß 3b) im Ruhezustand ohne Vorzugslagenmagnet und gemäß 3c) im Ruhezustand in einer gewünschten Vorzugsausgangslage mit aktivem Vorzugslagenmagnet gezeigt ist.
In 1 ist in einem schematisch vereinfachten Längsschnitt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserstrahl-Ablenkeinrichtung 1 dargestellt. Die Ablenkeinrichtung 1 für einen Galvanometer-Scanner weist eine in einer Lagereinrichtung bzw, in einem Gehäuse 2 in Lagern 4 und 6 drehbeweglich gelagerte Rotorwelle 8 auf. Die Rotorwelle 8 weist an deren einem, in 1 linken Ende 10, einen dort angeordneten Reflektor 12 auf. Der Reflektor 12 ist als Laserspiegel ausgeführt. Der Reflektor 12 ist bevorzugt mit dessen Längsachse koaxial zur Längsachse der Rotorwelle 8 ausgerichtet.
Die Rotorwelle 8 weist einen ersten magnetischen Abschnitt 14 auf, der als Antriebsmagnet 16 ausgebildet ist. In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Antriebsmagnet 16 zylindrisch ausgebildet und im Bereich zwischen den Lagern 4 und 6 der Lagereinrichtung 2 angeordnet. Dieser als Rotor fungierende Antriebsmagnet 16 ist zumindest teilweise von einem Stator 18 umschlossen, wobei der Stator 18 eine zugehörige Statorspule 20 aufweist. Antriebsmagnet 16, Stator 18 und Statorspule 20 ergeben einen elektromagnetischen Antrieb 21 der Rotorwelle 8.
Die Rotorwelle 8 ragt bei der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform nach rechts über das Lager 6 hinaus in einen zweiten Bereich der Lagereinrichtung 2 bzw. des Gehäuses hinein. Die Rotorwelle 8 weist in deren rechten Endabschnitt 22 einen zweiten magnetischen Abschnitt 24 auf, der als Signalgebermagnet 26 für einen benachbarten Magnetfeldsensor 28 dient. Unterhalb der Rotorwelle 8 ist im Bereich deren Endabschnitts 22 eine Leiterplatte bzw. Platine 29 vorgesehen, die einen Magne ten 30 trägt. Der Magnet 30 wirkt in der hier dargestellten Ausführungsform auf den zweiten, signalgebenden magnetischen Abschnitt 24 ein und zwingt damit im Ruhezustand der Rotorwelle 8 derselbigen eine Vorzugsausgangslage auf.
Alternativ ist es ebenso möglich den Magneten 30 im Bereich des ersten magnetischen Abschnitts 14 bzw. in der Nähe des Antriebsmagneten 16 vorzusehen, so daß der Magnet 30 dann mit dem Antriebsmagnet 16 in Wechselwirkung treten und der Rotorwelle 8 eine Vorzugsausgangslage aufprägen kann.
Ein Eisenrückschluß 32 umfaßt den Magnetfeldsensor 28 teilweise und bündelt die vom zweiten, signalgebenden magnetischen Abschnitt 24 austretenden Magnetfeldlinien.
Der Signalgebermagnet 26, der bzw. die Magnetfeldsensoren) 28 und der Vorzugsausgangslagenmagnet 30 sind Bestandteile einer Drehlageerfassungseinrichtung 34 zur Erfassung der Drehlage der Rotorwelle 8.
Die in 1 gezeigte beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserstrahl-Ablenkeinrichtung ist in 2 und 3 weiter verdeutlicht.
In 2 ist der elektromagnetische Antrieb 21 der Rotorwelle 8 in schematisch vereinfachtem Querschnitt näher dargestellt, wobei die Magnetisierungsrichtung bzw. Polung des Antriebsmagneten in der Teilansicht gemäß 2a) in einem Betriebszustand, gemäß 2b) in einem hierzu um 90° gedrehten Zustand und gemäß 2c) im Zustand einer Vorzugsausgangslage gezeigt ist.
Der Stator 18 umschließt den Antriebsmagneten 16 der Rotorwelle 8 fast vollständig. Der Stator 18 weist eine Statorspule 20 auf, die den der Rotorwelle 8 benachbarten Schenkel 36 des Stators 18 umfaßt. Der mit Bezugszeichen 38 versehene Doppelpfeil symbolisiert die Polarisierung bzw. Magnetisierungsrichtung des Rotors in verschiedenen, beispielhaften Betriebs- oder Ruhezuständen.
In 3 ist in einem schematisch vereinfachten Querschnitt der Lageerfassungsbereich der in 1 im Längsschnitt gezeigten Laserstrahl-Ablenkeinrichtung näher dargestellt. Dabei ist die Magnetisierungsrichtung bzw. Polung des Signalgebermagneten 26 in der Teilansicht gemäß 3a) in einem Betriebszustand, gemäß 3b) im Ruhezustand ohne Vorzugslagenmagnet und gemäß 3c) im Ruhezustand mit aktivem Vorzugslagenmagnet 30 gezeigt. Die Polarisierung bzw. Magnetisierungsrichtung des Signalgebermagneten 26 wird hierbei wiederum von einem mit dem Bezugszeichen 40 versehenen Doppelpfeil symbolisiert.
Ohne Vorgabe bzw. Aufzwingen einer Vorzugsausgangslage richtet sich der Antriebsmagnet 16 der Rotorwelle 8 in Ruhe nach dem Stator 18 aus, so daß dann bei einer erneuten Inbetriebnahme bzw. Ansprache des Antriebsmagneten 16 durch entsprechende Steuersignale zum Auslenken der Rotorwelle 8 diese ausgehend von der in 2b) gezeigten Lage entweder nach rechts oder nach links Losdrehen bzw. Umkippen kann, so daß dann kein klar definierter Betriebszustand vorhersagbar und damit vorher bestimmbar ist.
Die Ausrichtung der Rotorwelle 8 in eine bevorzugte Ausgangslage in Ruhe mit Hilfe des aktiven Vorzugsausgangslagenmagnets 30 verhindert, daß die Rotorwelle 8 die in 2b) verdeutliche Ruhestellung im Stillstand einnehmen kann, so daß bei einem erneuten Start der Rotorwelle 8 diese bereits eine klar vordefinierte Ausgangsdrehlage aufweist und ein im voraus nicht bestimmbares Umkippen der Rotorwelle 8 in die eine oder andere Drehrichtung ausgeschlossen ist.
Grundsätzlich ist für die Drehlageerfassung mittels Magnetfeldsensoren) 28 keine Begrenzung des maximalen Drehwinkels der Rotorwelle 8 von 360° erforderlich, da die Magnetfeldsensoren 28 die komplette Rotordrehung von 360° erfassen können. Die Ausführung des elektromagnetischen Antriebs 21 als zweipoliger Motor hat die Eigenart, daß im geschlossenen Regelkreis zwei unterschiedliche Grundpositionen bzw. Rotornullstellungen, jeweils um 180° verdreht, vom Motor eingenommen werden kön nen. Damit beim Einschalten bzw. in Betrieb nehmen der Ablenkungseinrichtung 1 die gewünschte Rotornullstellung vorliegt, wird dem Rotor bzw. der Rotorwelle 8 mit dem Magneten 30 eine Vorzugsausgangslage aufgezwungen, wobei der Magnet 30 hierfür beispielsweise auf den Signalgebermagneten 26 oder alternativ auch auf den Antriebsmagneten 16 einwirkt.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform einer Drehlageerfassungseinrichtung 34 sind zwei Magnetfeldsensoren 28 um den als Signalgebermagneten 26 ausgebildeten zweiten magnetischen Abschnitt 24 der Rotorwelle 8 herum angeordnet. Die beiden Magnetfeldsensoren 28 sind auf der Leiterplatte 29 montiert und stehen einander derart gegenüber bzw. sind in einem Winkelbereich von 180° voneinander derart beabstandet, daß die Rotorwelle 8 bzw. deren Signalgeber 26 zwischen den beiden Magnetfeldsensoren 28 zu liegen kommt. Die beiden Magnetfeldsensoren 28 sind von einem Eisenrückschluß 32 umfaßt. Unterhalb der Rotorwelle 8 bzw. des Signalgebers 26 ist ein Permanentmagnet 30 auf der Leiterplatte 29 montiert, vermittels dem die Rotorwelle 8 im Ruhezustand in eine Vorzugsausgangslage gezwungen werden kann.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform vertiefend diskutiert.
Zur Erfassung der Winkelposition der Rotorwelle können eine oder mehrere Magnetfeldsensoren 28 Verwendung finden, die ein Signal proportional zur Strecke oder Richtung eines auf sie einwirkenden Magnetfeldes liefern. Hierfür ist ein zweiter magnetischer Abschnitt 24 auf der Rotorwelle 8 vorgesehen, der als Signalgebermagnet 26 dient. Dieser Signalgebermagnet 26 ist in der Weise angebracht, daß eine Drehung der Rotorwelle 8 eine proportionale Änderung des Magnetfeldes durch die Sensoren bewirkt. Damit liefert die Signalauswertung der Magnetfeldsensoren 28 ein Signal analog zur Winkelposition der Rotorwelle 8. Signalgebermagnet 26 und Magnetfeldsensoren 28 sind durch eine magnetische Abschirmung von der Statorspule 20 des Antriebs 21 getrennt, um störende Magnetfelder von der Sensorik femzuhalten.
Die Abschirmung besteht beispielsweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff und kann im einfachsten Fall ein Gehäuseteil des Galvanometer-Scanners bzw. der Ablenkeinrichtung selbst sein. Dadurch kann auf eine aufwendige Kompensationsvorrichtung vollständig verzichtet werden.
Der verwendete Signalgebermagnet 26 benötigt keine großen Abmessungen, wodurch an der Rotorwelle 8 kein nachweisbares Massenträgheitsmoment erzeugt wird. Vorteilhaft ist bei der Verwendung einer magnetischen Positionserfassung die Möglichkeit der Erfassung von 360° Rotorwellendrehung und der Einsatz von nur wenigen, platzsparenden Bauteilen.
Da die Sensorik theoretisch eine Erfassung von 360° ermöglicht, kann auf eine zusätzliche Drehwinkelbegrenzung verzichtet werden, da zudem sicher gestellt ist, daß die Rotorwelle 8 beim Inbetriebnehmen aus ihrer Ruhelage heraus eine definierte Vorzugsausgangslage einnimmt. Hierfür wird in synergetischer Weise der für die Sensorik ohnehin vorhandene Signalgebermagnet 26 herangezogen. Damit erhält der Signalgebermagnet 26 eine doppelte Funktion und auch eine doppelte Nutzung. Neben dem Signalgebermagneten 26 wird ein Permanentmagnet 30 benachbart zur Rotorwelle 8 beispielsweise an einem Abschnitt des Gehäuses der Ablenkeinrichtung 34, an der Lagereinrichtung 2 oder an einer darin angeordneten Leiterplatine 29 derart angebracht, daß sich die Pole beider Magnete maximal anziehend gegenüberstehen, wenn die Rotorwelle 8 in der Mitte bzw. in der Nullposition des Arbeitsbereichs angelangt ist.
Das resultierende Magnetfeld zwischen beiden Magneten kann im Gegensatz zu den Magnetfeldern des Antriebs und der Sensorik schwach gehalten werden und übt daher auch keinen störenden Einfluß auf die Sensorik aus. Die Stärke der wirkenden Magnetkraft wird einfach durch den Abstand des festen Magneten vom Signalgebermagneten bestimmt. Die dabei wirkende Kraft muß lediglich so hoch sein, daß der Rotor im inaktiven Zustand eine Vorzugsausgangslage zum Arbeitspunkt ausgerichtet einnimmt. Nach einem Verdrehen des Rotors durch Fremdeinwirkung nimmt die Rotorwelle dadurch immer eine Position innerhalb eines 180° Sektors ein, in welchem sich auch der Arbeitspunkt befindet. Somit ersetzt die magnetisch definierte Vorzugsausgangslage der Rotorwelle mechanische oder federnde Elemente und arbeitet berührungslos.
Die vorliegende Erfindung schlägt damit erstmals eine Laserstrahl-Ablenkeinrichtung mit einem im Gehäuse drehbeweglich gelagerten Rotor vor, der am Ende der Rotorwelle einen Reflektor aufweist, welcher zur Ablenkung der Laserstrahlen dient. Die Rotorwelle verfügt über einen Antriebsmagneten, der als Rotor dient und von einem Stator mit zugehöriger Statorspule zumindest teilweise umschlossen ist, so daß die Rotorwelle elektromagnetisch angetrieben werden kann. Ferner verfügt die Rotorwelle über einen zweiten magnetischen Abschnitt, der als Signalgeber für wenigstens einen in diesem Bereich benachbarten Magnetfeldsensor dient, zur Lageerfassung der Rotorwelle. Dabei ist erstmals im Bereich des Rotors oder im Bereich des Signalgebers ein Magnet benachbart angeordnet, der mit diesem Wechsel wirkt, zur Aufprägung einer definierten Vorzugsausgangslage der Rotorwelle im Ruhezustand. Des weiteren gibt die vorliegende Erfindung erstmals eine Drehlageerfassungseinrichtung sowie ein Verfahren hierfür an.

1: Laserstrahl-Ablenkeinrichtung
2: Lagereinrichtung bzw. Teil des Gehäuses
4: Lager
6: Lager
8: Rotorwelle
10: linkes Ende der Rotorwelle
12: Reflektor
14: erster magnetischer Abschnitt
16: Antriebsmagnet
18: Stator
20: Statorspule
21: elektromagnetischer Antrieb der Rotorwelle
22: rechter Endabschnitt der Rotorwelle
24: zweiter magnetischer Abschnitt
26: Signalgebermagnet
28: Magnetfeldsensor
29: Leiterplatine
30: weiterer Magnet (Vorzugsausgangslagenpermanentmagnet)
32: Eisenrückschluß
34: Drehlageerfassungseinrichtung
36: Schenkel
38: Doppelpfeil symbolisiert Polarisierung des Rotors
40: Doppelpfeil symbolisiert Polarisierung des Signalgebermagneten

Claims

Ablenkeinrichtung (1) für einen Galvanometer-Scanner mit einer in einer Lagereinrichtung (2) drehbeweglich gelagerten Rotorwelle (8) an deren einem Ende (10) ein Reflektor (12) angeordnet ist, zur Ablenkung von Laserstrahlen, wobei die Rotorwelle (8) als Antriebsmagnet (16) einen ersten magnetischen Abschnitt (14) aufweist, der als Rotor dient und der zumindest teilweise von einem Stator (18) mit zugehörige Statorspule (20) umschlossen ist, zum elektrischen Antreiben der Rotorwelle (8), wobei die Rotorwelle (8) einen zweiten magnetischen Abschnitt (24) aufweist, der als Signalgeber (26) für wenigstens einen im Bereich dieses zweiten, signalgebenden magnetischen Abschnitts (24) benachbarten Magnetfeldsensor (26) dient, zur Drehlageerfassung der Rotorwelle (8), dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des als Rotor dienenden ersten magnetischen Abschnitts (14) oder im Bereich des zweiten, signalgebenden magnetischen Abschnitts (24) ein Magnet (30) benachbart angeordnet ist, der mit einem dieser beiden magnetischen Abschnitte (14, 24) wechselwirkt, zur Aufprägung einer definierten Vorzugsausgangslage der Rotorwelle (8) im Ruhezustand.
Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei, vorzugsweise einander gegenüber liegende, Magnetfeldsensoren (26) vorgesehen sind, zwischen denen der zweite, signalgebende magnetische Abschnitt (24) der Rotorwelle (8) verläuft.
Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetfeldsensoren (26) von einem Eisenrückschluß (32) umfaßt sind.
Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere signalgebende magnetische Abschnitte auf der Rotorwelle (8) vorgesehen ist.
Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfeldsensor (26) ein Hall-Sensor vorgesehen ist.
Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinrichtung (2) aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist.
Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorzugsausgangslagen-Magnet (30) ein Permanentmagnet vorgesehen ist.
Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Magnetfeldsensoren) (26) und der Vorzugsausgangslagen-Magnet (30) auf einer Leiterplatte (28) angeordnet sind.
Laserstrahl-Ablenkeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (18) aus einer Vielzahl von dünnen Blechen gebildet ist.
Drehlageerfassungseinrichtung (34) zur Erfassung der Drehlage einer Rotorwelle (8) einer Ablenkeinrichtung (1), insbesondere einer Ablenkeinrichtung (1) für einen Galvanometer-Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die den Reflektor (12) tragende Rotorwelle (8) einen Antriebsmagneten (16) aufweist, zum elektrisch drehenden Antreiben, und wobei die Rotorwelle (8) einen Signalgebermagneten (26) aufweist, zum Erfassen der Drehlage der Rotorwelle (8), dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Antriebsmagneten (16) oder im Bereich des Signalgebermagneten (26) ein weiterer Magnet (30) benachbart angeordnet ist, der mit diesem wechselwirkt, zur Aufprägung einer definierten Vorzugsausgangslage der Rotorwelle (8) in deren Ruhezustand.
Verfahren zur Erfassung der Drehlage einer Rotorwelle (8) einer Ablenkeinrichtung (1), insbesondere einer Ablenkeinrichtung (1) für einen Galvanometer-Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Rotorwelle (8) mittels eines Antriebsmagneten (16) und eines diesen zumindest teilweise umschließenden Stators (18) elektrisch drehend angetrieben wird, wobei die Drehlage der Rotorwelle (8) mittels eines Signalgebermagneten (26) und eines benachbarten Magnetfeldsensors (26) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorwelle (8) im Ruhezustand eine definierte Vorzugsausgangslage mittels eines weiteren Magneten (30), der im Bereich des Antriebsmagnets (16) oder im Bereich des Signalgebermagneten (26) benachbart angeordnet ist und mit diesem wechselwirkt, aufgeprägt wird.