DE19826935C2 - Optischer Durchlicht-Strahlablenker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Durchlicht-Strahlablenker, mit dem Licht durch ein elektromagnetisch angetriebenes Prisma abgelenkt wird.

Es sind bereits zwei Arten optischer Strahlablenker bekannt, bei denen ein das Licht ablenkender Spiegel in Wechselbewegung versetzt oder gedreht wird. Als typischer Strahlablenker wird ein Galvanospiegel eingesetzt, der hin und her be­ wegt wird. Eine weitere Möglichkeit ist ein polygonaler Spiegel, der in Drehbewe­ gung versetzt wird. Es ist bisher jedoch kein Durchlicht-Strahlablenker bekannt. Theoretisch kann ein Durchlicht-Strahlablenker beispielsweise durch ein keilför­ miges Prisma anstelle eines Galvanospiegels realisiert werden. Ein solcher Strahlablenker wurde jedoch nicht in die Praxis umgesetzt. Dies liegt daran, daß einerseits ein keilförmiges Prisma schwerer als ein ebener Spiegel ist und zum anderen die Position des Schwerpunkts des Prismas abhängig von seiner Form veränderlich ist, wodurch Schwingungen infolge mangelnden Gewichtsausgleichs auftreten und es schwierig ist, einen genauen und schnell bewegten optischen Strahlablenker zu verwirklichen.

Zum Stand der Technik wird ferner auf die DE 37 02 330 A1 und die US-A-4061415 verwiesen, in denen Durchlicht-Strahlablenker beschrieben sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Durchlicht-Strahlablenker anzugeben, der schnell und genau bewegt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem Strahlablenker nach der Erfindung liegt der Schwerpunkt des mit dem Prismenhalter gehaltenen keilförmigen Prismas auf der Hauptachse, um die der Prismenhalter rotiert, so daß keine Schwingung durch mangelnden Gewichtsaus­ gleich auftritt. Die durch den elektromagnetischen Antrieb erzeugte Rotationskraft kann somit effektiv genutzt werden, und es ist eine genaue und sehr schnelle Strahlablenkung möglich.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 die Vorderansicht eines Durchlicht-Strahlablenkers als Ausfüh­ rungsbeispiels,

Fig. 2 den Schnitt II-II aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt ähnlich Fig. 2 mit entferntem Gehäuse,

Fig. 4 die Vorderansicht eines in Fig. 1 gezeigten Prismas,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Prismas,

Fig. 6 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Elektromagnetan­ triebs für den Strahlablenker,

Fig. 7 eine perspektivische Explosionsdarstellung von Prismenhaltern in dem Antrieb nach Fig. 6,

Fig. 8 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Blattfederkörpers für die Prismenhalter,

Fig. 9 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Kopplung zum An­ schluß des Blattfederkörpers nach Fig. 8,

Fig. 10 eine Seitenansicht der Kopplung nach Fig. 9, und

Fig. 11 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 8 gezeigten Blattfeder­ körpers im zusammengesetzten Zustand.

In Fig. 1 bis 3 ist der grundsätzliche Aufbau eines Durchlicht-Strahlablenkers mit elektromagnetischem Antrieb dargestellt. Ein Joch 10 aus ferromagnetischem Material hat einen zylindrischen Teil 10C, in dem ein Prismenhalter 12 für ein Prisma 12B als Ablenkelement angeordnet ist.

Der Prismenhalter 12 ist elastisch gelagert und um eine Hauptachse Z drehbar. Zur Lagerung dient ein elastisches Element 22, das den zylindrischen Teil 10C und den Prismenhalter 12 verbindet. Das elastische Element 22 ist mit einer dicken, durchgezogenen Linie dargestellt. Es ist jedoch nicht auf eine besondere Form begrenzt, solange es die Aufgabe erfüllt, den Prismenhalter 12 um die Z- Achse drehbar zu halten.

Das mit dem zylindrischen Prismenhalter 12 gehaltene Prisma 12B ist nicht kreis­ rund, wie Fig. 1 zeigt. Es ergibt sich durch Abschneiden eines oberen Teils 12B' von dem kreisrunden Prisma längs einer Schneidlinie 12B", wie Fig. 4 und 5 zei­ gen. Somit wird der Schwerpunkt des (im Querschnitt) keilförmigen Prismas 12B zu einer Position X verlagert, die unter dem Schwerpunkt X' eines genau kreis­ runden Prismas 12B' liegt, wie Fig. 4 zeigt.

Die Schneidlinie 12B" ist so bestimmt, daß der Schwerpunkt X auf der Haupt­ achse Z liegt. Diese Hauptachse Z verläuft in Fig. 1 von rechts nach links, und der Schwerpunkt X des Prismas 12B liegt auf der Hauptachse Z (Fig. 4) in einer Schnittebene, in der die Hauptachse Z als Punkt und das Prisma 12B als keilför­ miger Körper erscheint. Die Schneidlinie 12B" des Prismas 12B liegt parallel zur Hauptachse Z.

Der Prismenhalter 12 hat an seinem Umfang zwei voneinander unabhängige gleichartige Wicklungen 12C und 12D. Sie sind beiderseits einer Ebene senk­ recht zur Wicklungsachse, in der die Z-Achse liegt, symmetrisch angeordnet.

Das Joch 10 trägt an der Innenseite seines zylindrischen Teils 10C ein Paar ge­ teilte Permanentmagnete (vordere und hintere Permanentmagnete) 18 und 20, die jeweils aus einem Paar halbkreisförmiger Magnetsegmente bestehen. Die vorderen und hinteren Permanentmagnete 18 und 20 sind beiderseits der Ebene senkrecht zur Wicklungsachse angeordnet, die auch die Z-Achse enthält, was der Anordnung der Wicklungen 12C und 12D entspricht. Die Magnetsegmente 18 ei­ nes Paars haben jeweils einander entgegengesetzte Polarität. Eines der Magnet­ segmente 18, 20 hat den Südpol am Innenumfang und den Nordpol am Außenum­ fang. Das andere Magnetsegment 18, 20 hat den Nordpol am Innenumfang und den Südpol am Außenumfang. Die Polaritäten der vorderen und der hinteren Permanentmagnetsegmente 18, 20, die beiderseits der Ebene senkrecht zur Wicklungsachse liegen, die auch die Z-Achse enthält, sind einander entgegen­ gesetzt.

Mit dieser Polaritätsverteilung werden die Wicklungen 12C und 12D mit einander entgegengesetzten Strömen gespeist, um den Prismenhalter 12 um die Z-Achse vorwärts oder rückwärts zu drehen. Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Stromrichtungen in den Wicklungen 12C und 12D und die in dem Prismenhalter 12 erzeugte Dreh­ kraft F für die in Fig. 2 dargestellten Polaritäten der Permanentmagnete 18 und 20. Fließt der Strom in den Wicklungen 12C und 12D entgegengesetzt zu der in Fig. 3 gezeigten Richtung, so ist die Richtung der Drehkraft F in dem Prismenhal­ ter 12 der in Fig. 3 gezeigten entgegengesetzt. Durch die Drehkraft F wird der Prismenhalter 12 um die Hauptachse Z gedreht, so daß auf das Prisma 12B fal­ lendes Licht L entsprechend dem Drehwinkel des Prismenhalters 12 abgelenkt wird, wie es durch einen Pfeil W in Fig. 2 gezeigt ist. Da der Schwerpunkt X des Prismas 12B auf der Hauptachse Z liegt, wird durch das Drehen des Prismenhal­ ters 12 kein Energieverlust verursacht. Bezüglich des Drehzentrums tritt kein Un­ gleichgewicht auf, das eine Schwingung verursachen könnte. Der Prismenhalter 12 kann also genau und mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden.

Außerdem kann bei Stromfluß durch die Wicklungen 12C und 12D in entgegen­ gesetzten Richtungen die gegenseitige Induktivitätswirkung der Spulen verringert werden. Da die Polaritäten der Permanentmagnete 18 und 20 einander entge­ gengesetzt sind, tritt in den Magnetkreisen mit den Permanentmagneten 18 und 20 und dem Joch 10 keine Sättigung auf, wenn die Ströme in den Wicklungen 12C und 12D zueinander entgegengesetzt gerichtet sind. Somit kann das Joch 10 (zylindrischer Teil 10C) dünner ausgeführt sein.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Fig. 6 bis 11 in mehr Einzelheiten beschrieben.

Das Joch 10 hat eine Basis 10A und einen damit einstückigen aufrechten Rah­ menteil 10B. Das Joch 10 dient als Halterung in einem optischen System. Das Rahmenteil 10B ist ringförmig und hat eine kreisrunde Öffnung 10C. Der Pris­ menhalter 12 hat die Form eines kurzen Zylinders und ist in der kreisrunden Öff­ nung 10C des ringförmigen Rahmenteils 10B (d. h. in dem zylindrischen Teil) an­ geordnet und am Rahmenteil 10B mit dem elastischen Element 22 gelagert.

Eine rechteckige Abdeckung 14 kann an der Vorderseite des Jochs 10 befestigt werden. Die Abdeckung 14 hat in der Mitte eine kreisrunde Öffnung 14A. Ein Permanentmagnethalter 16 kann an der Rückseite des Jochs 10 befestigt werden. Der Halter 16 hat einen Halterkörper 16A in Form eines kurzen Zylinders und zwei Halteflansche 16B, die radial von ihm abstehen. Ein Paar geteilter Magnet­ segmente 18 und 20, die beiderseits einer Ebene, die die Z-Achse enthält und senkrecht zur Wicklungsachse der Wicklungen 12C und 12D liegt, sind in dem Halterkörper 16A angeordnet. Die Polaritätsverteilung der Permanentmagnete 18 und 20 entspricht der in Fig. 2 gezeigten. In Fig. 6 ist nur ein Permanentma­ gnetsegment 20 zu erkennen.

Die Befestigungsflansche 16B verbinden den Permanentmagnethalter 16 mit dem Rahmenteil 10B des Jochs 10. Nach Montage des Magnethalters 16 ist der Halterkörper 16A in der kreisrunden Öffnung 10B des Jochs 10 angeordnet und umgibt die Permanentmagnete 18 und 20, die jeweils aus einem Paar Magnet­ segmente bestehen. Die Abdeckung 14 und der Halter 16 bestehen vorzugsweise aus demselben Material wie das Joch 10.

Wie Fig. 7 zeigt, hat der Prismenhalter 12 ein Halteelement 12A in Form eines kurzen Zylinders und ein darin angeordnetes Prisma 12B.

Das Halteelement 12A besteht aus einem mittleren polygonalen Flanschteil 12A1 und Ringen 12A2 und 12A3, die von den beiden Seiten des mittleren Flanschteils 12A1 abstehen. Der Prismenhalter 12 enthält auch die an den Ringen 12A2 und 12A3 des Halters 12A befestigten Wicklungen 12C und 12D. Diese dienen zu­ sammen mit den Permanentmagneten 18 und 20 als Antrieb für den Prismenhal­ ter 12 und können jeweils unabhängig voneinander bestromt werden. Sie sind ringförmig gewickelt. In den Figuren sind die Anschlußleitungen für die Wicklun­ gen 12C und 12D nicht dargestellt.

Der Prismenhalter 12 hat auch Kupplungen 12E, die an den diametral einander gegenüberliegenden Seiten des mittleren Flanschteils 12A1 des Halteelementes 12A vorgesehen sind. In Fig. 7 ist nur eine Kupplung 12E dargestellt. Diese hat einen Befestigungsteil 12E1, der an dem mittleren Flanschteil 12A1 befestigt ist, und einen lösbaren Kupplungsteil 12E2, der an dem Kupplungsteil 12E1 lösbar befestigt ist.

Ein Blattfederkörper 22 ist mit jeder Kupplung 12E verbunden. Er besteht aus vier Blattfederelementen 22A. Wie Fig. 8 zeigt, hat eine H-förmige Platte einen Schlitz 24, der sie in zwei gleiche Hälften 22A teilt, welche an ihrem einen Ende mitein­ ander verbunden sind, so daß dadurch zwei Blattfederelemente 22A gebildet sind. Zwei H-förmige Platten sind so zusammengesetzt, daß sie in orthogonalen Ebenen liegen und die Schlitze ineinander geschoben sind. Der so zusammenge­ setzte Blattfederkörper 22 hat gemäß Fig. 7 vier Blattfederelemente 22A, die unter gleichen Winkeln von 90° bezüglich der Längsachse der Schlitze 24 angeordnet sind.

Wie Fig. 7 zeigt, ist eine zweite Kupplung 26 an dem dem Prismenhalter 12 ab­ gewandten Ende der ersten Kupplung 12E angeordnet. Die zweite Kupplung 26 besteht aus einem Befestigungsteil 261, das an dem Rahmenteil 10B des Jochs 10 befestigt ist, und einem lösbaren Kupplungsteil 262, das an dem Befestigungs­ teil 261 lösbar befestigt ist. Die zweite Kupplung 26 stimmt weitgehend mit der ersten Kupplung 12E überein, wobei aber der Befestigungsteil 261 einstückig mit einem Montageblock 28 verbunden ist, der eine Durchgangsöffnung hat.

Wie Fig. 9 zeigt, besteht der Befestigungsteil 261 aus einer kurzen, rohrförmigen Achse 26A, die von dem Montageblock 28 absteht und vier Vorsprünge 26B in Achsrichtung hat. Die vier Vorsprünge 26B haben untereinander gleiche Winkel­ abstände von 90° um die Längsachse der rohrförmigen Achse 26A. Jeder Vor­ sprung 26B hat einen segmentartigen Querschnitt. Der Achsteil 26A hat an sei­ nem Umfang zwei einander diametral gegenüberliegende Abflachungen 26C. In Fig. 9 ist nur eine Abflachung 26C zu erkennen.

Der lösbare Kupplungsteil 262 hat die Form einer kurzen, rohrförmigen Achse 26D, deren Durchmesser größer als derjenige der Achse 26A ist, so daß der Achsteil 26D locker in den Achsteil 26D einschiebbar ist. Der Achsteil 26D hat vier Vorsprünge 26E in Achsrichtung. Diese haben in Umfangsrichtung einen ge­ genseitigen Winkelabstand von 90°. Jeder Vorsprung 26E hat einen segmentarti­ gen Querschnitt, wie Fig. 9 zeigt. Der Achsteil 26D hat an seinem Umfang zwei Paare Abflachungen 26F und 26G, die einander diametral gegenüberliegen. Nur eine Abflachung 26F und eine Abflachung 26 G sind in Fig. 9 zu erkennen.

Wie Fig. 10 zeigt, haben die Abflachungen 26F und 26G jeweils Gewindebohrun­ gen 26H und 26I. Jedes Paar Gewindebohrungen 26H bzw. 26I ist bezüglich der Längsachse des Achsteils 26D versetzt. Bei dem in Fig. 9 und 10 gezeigten Aus­ führungsbeispiel ist die Gewindebohrung 26H in der Abflachung 26F (Fig. 9) im Gegenuhrzeigersinn versetzt, von der Seite der Vorsprünge 26E her gesehen. Ähnlich ist die Gewindebohrung 26H in der anderen Abflachung 26F, die der zu­ vor genannten Abflachung 26F diametral gegenüberliegt, gleichfalls im Gegen­ uhrzeigersinn versetzt. Dasselbe gilt für die Gewindebohrung 26I in den Ab­ flachungen 26G.

Wenn zwei Madenschrauben 30 (Fig. 9) in die Gewindebohrungen 26H nach dem Verbinden des lösbaren Kupplungsteils 262 mit dem Befestigungsteil 261 durch Ineinandergreifen der Vorsprünge 26B und 26E (Fig. 10) eingeschraubt werden, so trifft ihr vorderes Ende auf die Abflachungen 26C des Befestigungsteils 261. Ein weiteres Festziehen der Schrauben 30 übt eine Drehkraft auf den Befesti­ gungskupplungsteil 261 und den lösbaren Kupplungsteil 262 in zueinander ent­ gegengesetzten Richtungen aus, so daß die Eingriffsflächen der benachbarten Vorsprünge 26B und 26E gegeneinander gedrückt werden. Wenn die Schrauben festgezogen werden, während die Enden der Federelemente 22A des Blattfeder­ körpers 22 zwischen benachbarten Vorsprüngen 26B und 26E gehalten werden, wird der Federkörper 22 an der Kupplung 26 befestigt.

Die Struktur der Kupplung 26 stimmt mit derjenigen der Kupplung 12E überein, und somit wird der Blattfederkörper 22 an der Kupplung 12E in ähnlicher Weise wie an der Kupplung 26 befestigt.

Fig. 6 zeigt die Anordnung des Prismenhalters 12, in dem die Blattfederkörper 22 mit ihrem einen Ende an den beiden Kupplungen 12E und mit ihrem anderen En­ de an den beiden Kupplungen 26 befestigt sind. Bolzen 32 werden in die Durch­ gangsbohrungen der Montageblöcke 28 der Befestigungsteile 262 der Kupplun­ gen 26 eingesetzt und in einander diametral gegenüberliegende Gewindebohrungen 10D des Rahmenteils 10B des Jochs 10 eingeschraubt. Wie Fig. 6 zeigt, sind die Gewindebohrungen 10D in Vertiefungen des Rahmenteils 10B angeordnet, so daß die Montageblöcke 28 bei Befestigung mit den Bolzen 32 in diesen Vertie­ fungen aufgenommen sind.

Somit wird der Prismenhalter 12 durch den Rahmenteil 10B des Jochs 10 über die beiden zusammengesetzten Blattfederkörper 22 gehalten. In diesem Zustand wird der Prismenhalter 12 sehr leicht um die Längsachse der Blattfederkupplungen 12E und 26, d. h. um die Längsachse der Blattfederkörper 22, gedreht. In dem in Fig. 11 gezeigten dreidimensionalen Koordinatensystem, dessen Ursprung in der Mitte des Blattfederkörpers 22 liegt, wobei ein Paar Blattfederelemente 22A in ei­ ner X-Z-Ebene und das andere Paar Blattfederelemente 22A in einer Y-Z-Ebene liegt, ist die Nachgiebigkeit α um die X-Achse weitgehend gleichartig wie die Nachgiebigkeit β um die Y-Achse und wesentlich größer als die Nachgiebigkeit γ um die Z-Achse. Bei dem zusammengesetzten Blattfederkörper 22 ist also die Federung um die Z-Achse am geringsten.

Wenn die Wicklungen 12C und 12D des Prismenhalters 12 in dem Magnetfeld der beiden Paare geteilter Permanentmagnetsegmente 18 und 20 bestromt wer­ den, erfährt der Prismenhalter 12 eine Drehkraft um die Z-Achse entsprechend der Linke-Hand-Regel. Die Drehrichtung hängt von der Stromrichtung ab. Somit ist die Z-Achse die Drehachse des Prismenhalters 12, d. h. die Hauptachse.

Bei dem in vorstehend beschriebener Weise ausgebildeten zusammengesetzten Blattfederkörper 22 ist die Nachgiebigkeit nur um die Hauptachse (Z-Achse) des Prismenhalters 12 am geringsten, und wenn eine externe Kraft wie eine externe Schwingung auf den optischen Strahlablenker während des Antriebs des Pris­ menhalters 12 ausgeübt wird, kann der Prismenhalter stabil nur um die Haupt­ achse (Z-Achse) rotieren.

Da der Schwerpunkt X des Prismas 12B (d. h. der Schwerpunkt des Prismenhal­ ters 12) auf der Hauptachse (Z-Achse) liegt, kann das Einkoppeln von Schwin­ gungen am Prismenhalter 12 effektiv verhindert werden.

Claims (3)

1. Optischer Durchlicht-Strahlablenker mit einem an einem Joch (10) um eine Hauptachse (Z) über ein elastisches Element (22) drehbaren Prismenhalter (12), einem in einer Ebene senkrecht zur Hauptachse (Z) keilförmigen Pris­ ma (12B) an dem Prismenhalter (12) zum Übertragen und Reflektieren von Licht, mit an dem Prismenhalter (12) und dem Joch (10) vorgesehenen Wicklungen (12C, D) und Permanentmagneten (18, 20) zum Erzeugen einer Drehbewegung des Prismenhalters (12) um die Hauptachse (Z) durch elektromagnetische Kraftwirkung, und mit einer an dem dickeren Teil des Prismas (12B) durch Materialentfernung derart erzeugten Form, daß der Schwerpunkt (X) des Prismas (12B) auf der Hauptachse (Z) liegt.

2. Strahlablenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pris­ menhalter (12) in der Vorderansicht zylindrisch ist, und daß das daran gehaltene Prisma (12B) in der Vorderansicht durch Entfernen eines Teils einer Kreisform unrund ist.

3. Strahlablenker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Prismenhalter (12) zwei voneinander unabhängige Wicklungen (12C, D) beiderseits einer die Hauptachse (Z) enthaltenden und zur Wicklungs­ achse senkrechten Ebene angeordnet sind, daß das Joch (10) vordere und hintere Permanentmagnete (18, 20) trägt, die jeweils ein Paar geteilter Segmente entsprechend einem Wicklungspaar haben, daß die Permanent­ magnete (18, 20) beiderseits der genannten Ebene angeordnet sind, und daß die Polaritäten der Permanentmagnetsegmente derart einander entge­ gengesetzt sind, daß zum Antrieb des Prismenhalters (12) der elektrische Strom in dem Wicklungspaar in zueinander entgegengesetzten Richtungen fließt.