DE2518347A1

DE2518347A1 - Einrichtung zur erzeugung von winkelschwingungen

Info

Publication number: DE2518347A1
Application number: DE19752518347
Authority: DE
Inventors: Roger Philip Edwin
Original assignee: UK Secretary of State for Industry
Current assignee: UK Secretary of State for Industry
Priority date: 1974-04-26
Filing date: 1975-04-25
Publication date: 1975-11-06
Also published as: GB1497399A; FR2268572A1

Description

PATB JfTAJtMTJLlLT DIPL. INQ. B. HOIiZEK ί*9 AUGSBURG

PHILIPPINE-WKLSKR-STKA88B U

M. 562

Augsburg, den 23. April 1975

The Secretary.of State for Industry in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, 1, Victoria Street, London, S.'W,I₀,

England

Einrichtung zur Erzeugung von Winkelschwingungen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von Winkelschwingungen, und zwar insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, um einen Spiegel gleichzeitig um zwei unter einem Winkel zueinander verlaufende Schwingungsachsen in Schwingungen zu versetzen, wobei die beiden Schwingungsachsen

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gewöhnlich einen rechten Winkel miteinander■bilden.

Für viele Zwecke, beispielsweise zur Zeichenerkennung, zum maschinellen Lesen von Dokumenten oder zur Mochleistungsablenkung, wie sie beispielsweise für große Sichtanzeigen erforderlich ist, ist es wünschenswert, einen Laserstrahl oder ein anderes enges Strahlenbündel über einen verhältnismäßig großen Flächenbereich abzulenken. Dies kann dadurch erfolgen, daß der Strahl von einem Spiegel reflektiert wird, welcher um zwei im wesentlichen unter einem rechten Winkel zueinander verlaufende Achsen schv/ingen kann_o Die Schwxngungs frequenz um die eine Achse ist dabei b'eträchtlicri höher als die Schwxngungsfrequenz um die andere Achse, so daß eine Ablenkung mit einer beträchtlichen Anzahl von Zeilen erzeugt wird.

Mechanische Mittel zur Erregung von Schwingungen eines Spiegels sind gewöhnlich langsam und geräuschvolle

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung z.ur Erzeugung von Winkelschwingungen anzugeben, mit welcher ein Spiegel und folglich ein Laserstrahl mindestens mit niedrigen Tonfrequenzen in Schwingungen versetzt werden kann. Die Einrichtung soll kompakt sein,

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einen ruhigen Betrieb ermöglichen und einen geringen Leistungsbedarf aufweisen.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Einrichtung durch ein Schwingelement, welches gleichzeitig um zwei unter einem Winkel zueinander verlaufende Schwingungsachsen in Schwingungen versetzbar ist, und durch jeweils einer der beiden Schwingungsachsen zugeordnete piezoelektrische Schwinger gekennzeichnet, die jeweils mit Abstand von dem Schwingelement angeordnet sind und jeweils ein fest eingespanntes Ende und ein freischwingendes Ende aufweisen, vielen letzteres über ein im wesentlichen entlang der jeweils zugehörigen Schwingungsachse verlaufendes Verbindungselement mit dem Schwingelement verbunden ist, derart, daß beim Anlegen von viechselspannungen an die piezoelektrischen Schwinger deren freischwingende Enden das Schwingelement um die beiden Schwingungsachsen schwingen.

Vorzugsweise sind jeder der beiden Schwingungsachsen z:=iei piezoelektrische Schwinger zugeordnet, die mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind, wobei sich das Schwingelement zwischen ihnen befindet.

Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Schwinger über

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ein, ein Universalgelenk aufweisendes Verbindungselement mit dem Schwingelement verbunden. Dieses Universalgelenk kann ein Zwischenstück aus Silikongummi sein, welches vorzugsweise an der Verbindungsstelle zwischen dem Verbindungselement und dem Schwingelement angeordnet ist.

Die Verbindungselemente können als Federstahlstreifen ausgebildet sein. Alternativ dazu können die Verbindungselemente als dünne Röhrchen mit etwa einem Millimeter Durchmesser ausgebildet sein.

Die piezoelektrischen Schwinger können entweder Biegeschwinger oder alternativ dazu Drehschwinger sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verlaufen die beiden Schwingungsachsen unter einem rechten Winkel zueinander, und bei einer Ausführungsform, bei welcher das Schwingelement ein Spiegel ist oder einen Spiegel aufweist, schneiden sich die beiden Schwingungsachsen vorzugsweise in der Ebene des Spiegels.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Gerät, welches mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Winkelschwingungen nach der Erfindung ausgestattet ist.

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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 . eine schematische Ansicht einer

Einrichtung nach der Erfindung, die zur Erzeugung von Winkelschwingungen eines Spiegels um zwei rechtwinkelig zueinander verlaufende Schwingungsachsen dient,

Fig. 2 eine Ansicht entlang der Linie II-II

. in Pig. I,

Pig. 3 eine Stirnansicht eines piezo

elektrischen Schwingers der in Pig, I gezeigten Anordnung,

Pig, 4 eine Teilansicht einer Ausführungs

form der Erfindung mit einer anderen Bauart eines piezoelektrischen Schwingers, und

Fig. 5 eine Draufsicht in Richtung des

Pfeiles V in Pig. 4.

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In Pig. 1 bezeichnet das Bezugs zeiche n 10 einen leichten kreisrunden Spiegel der gleichen grundsätzlichen Ausführungsform, wie sie gewöhnlich beispielsweise bei Spiegelgalvanometern benutzt wird. Die Bezugsziffern 12, 14, 16 und 18 bezeichnen vier leichte Verbindungselemente, die zweckmäßig als Federstahlstreifen ausgebildet sind. Diese Verbindungselemente sind jeweils mit ihrem inneren Ende am Spiegel 10 befestigt, und zwar an jeweils um versetzten Stellen am Umfang des Spiegels» Die äußeren Enden der Verbindungselemente sind mit den freien Enden von piezoelektrischen Biegeschwingern befestigt, die mit 20, 22, 24 und 26 bezeichnet sind. Derartige piezoelektrische Schwinger sind im Handel gewöhnlich als "Multimorphe" bekannt. Das fest eingespannte Ende jedes piezoelektrischen Schwingers ist starr an einem gemeinsamen Anschlag befestigt, der allgemein mit 28 bezeichnet ist. Dieser Anschlag dient als Rahmen für die Einrichtung und weist gemäß der Darstellung zweckmäßigerweise eine Ringform auf. Dieser Anschlag stellt auch einen geeigneten Haltekörper für elektrische Anschlüsse dar. Eine zweckmäßige Größe ist ein Durchmesser von etwa 100 mm.

Die piezoelektrischen Schwinger besitzen die elektromechanische Eigenschaft, daß ein über der Dicke des Schwingers angelegtes elektrisches Feld eine Ausbiegung

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des Schwingers in Richtung des angelegten Feldes bewirkt, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Gemäß Fig. 3 wird aus einer Wechselspannungsquelle 30 über Elektroden 31 und 31A eine Wechselspannung an den piezoelektrischen Schwinger angelegt.

Die Siegerichtung hängt von der Polarität des angelegten Feldes ab. Es seien nun die beiden Schwinger 22 und 26 betrachtet. Diese beiden Schwinger sind so gut wie möglich hinsichtlich ihrer elektromechanischen Eigenschaften aufeinander abgestimmt, und beiden Schwingern wird die gleiche Spannung zugeführt, so daß ihre freien Enden sich jeweils um eine Strecke d (Fig. 2 und 3), jedoch in entgegengesetzer Richtung ausbiegen. Dies ist in Fig» 2 durch die Pfeile 32 und 34 angedeutet, über die Verbindungselemente 14 und 18 wird diese Ausbiegung auf dem Radius R auf den Spiegel 10 übertragen, so daß der Spiegel die gestrichelt eingezeichnete Lage 1OA einnimmt. In dieser Lage bildet der Spiegel einen Winkel θ = d/R mit Bezug auf seine nicht ausgelenkte Stellung. Zwischen der an die piezoelektrischen Schwinger angelegten Spannung und dem Drehwinkel des Spiegels um die Schwingungsachse 36 besteht ein im wesentlichen linearer Zusammenhang. Ist die an die Schwinger 22 und 26 angelegte Spannung eine Wechselspannung, so ergibt sich eine schwingende Auslenkung des Spiegels, wie durch die Doppelpfeile 40 angedeutet ist.

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In gleicher Weise kann der Spiegel durch Anlegen einer Wechselspannung an die piezoelektrischen Schwinger 20 und 24, die ebenfalls hinsichtlich ihrer elektromechanischen Eigenschaften einander angepaßt sind, gleichzeitig um die zweite Schwingungsachse 38 herum in Schwingungen versetzt werden. Dies ist durch den Doppelpfeil 42 angedeutet. Die beiden Schwingungsachsen J>6 und 38 schneiden sich in der Hauptebene des Spiegels. Die Resonanzfrequenz einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von Winkelschwingungen liegt, vorzugsweise im Bereich von einigen hundert Hertz, wobei Betriebsspannungen im Bereich von 5 V bis 10 V erforderlich sind. Außerhalb der Resonanzfrequenz sind Erregerspannungen bis zu 200 V erforderlich und ergeben Spiegelschwingungen mit einer Winkel amplitude bis zu etwa +^ 25 Mi Hi radiant.

Bei der eben beschriebenen besonderen Ausführungsform sind die Verbindungselemente als Pederstahlstreifen ausgebildet. Es können stattdessen auch starre Verbindungselemente, beispielsweise dünne Röhrchen mit einem Durchmesser von etwa 1 mm, verwendet werden, vorausgesetzt, daß mindestens ein Ende jedes Verbindungselements über ein geeignetes Universalgelenk mit dem Spiegel oder dem piezoelektrischen Schwinger verbunden ist, so daß die um die eine Schwingungsachse auftretenden Dreh- und Biegeschwingungen aufgenommen

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werden können, welche aufgrund der Schwingung des Spiegels um die jeweils andere Schwingungsachse erzeugt werden. Ein derartiges Universalgelenk kann durch ein kurzes Zwischenstück 44 aus Silikongummi gebildet sein, welches das betreffende Verbindungselement mit dem Spiegel 10 verbindet. Alternativ dazu kann das Universalgelenk zwischen den Verbindungselementen und dem jeweils zugehörigen freien Ende des betreffenden piezoelektrischen Schwingers angeordnet sein.

Als Alternative zu den piezoelektrischen Biegeschwingern können auch piezoelektrische Drehschwinger Anwendung finden, wie in den Fig. 4 und 5, in welchen aus Gründen der Einfachheit nur die Anordnung einer Schwingungsachse dargestellt ist, bei 46 und 48 angedeutet ist. Die Vollinien in Fig, 5 zeigen den nichtausgelenkten Zustand, während die gestrichelten Linien den ausgelenkten Zustand der Anordnung zeigen. Bei

starren Verb in dungs element en sind wiederum Unive rs alge lenke erforderlich, welche bei dieser Ausführungsform jedoch eher Biegungen als Verdrehungen aufnehmen müssen. Die piezoelektrischen Drehschwinger 46 und 48 werden so betrieben, daß ihre freien Enden sich gleichsinnig verdrehen.

Es kann in manchen Fällen wünschenswert sein, für jede

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Schwingungsachse nur einen piezoelektrischen Schwinger zu verwenden.. In Fig. 1 würde beispielsweise bei der horizontalen Achse nur der Schwinger 22 angeordnet sein, und das äußere Ende des Verbindungselemente 18 wäre unmittelbar mit dem gemeinsamen Anschlag 28 verbunden. Bei der vertikalen Achse wäre nur der piezoelektrische Schwinger 20 vorgesehen. Bei einer gegebenen Auslenkung eines piezoelektrischen Schwingers wäre dann die Auslenkung des Spiegels im Vergleich zur dargestellten Anordnung verringert. Gleiches gilt in diesem Zusammenhang für die in den Fig, 4 und tj dargestellte Ausführungsform,

Die Erfindung ist vorstehend im Hinblick auf einen in Schwingungen zu versetzenden Spiegel beschrieben worden. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen zur Schwingungserzeugung jedes anderen kleinen Körpers um zwei rechtwinklig zueinander verlaufende Achsen geeignet. Es ist nicht notwendig, daß die Schwingungsachsen rechtwinklig zueinander verlaufen, jedoch wird die Arbeitsweise der Anordnung zunehmend schlechter, je näher die beiden Schwingungsachsen sich jenseits des ⁱl5⁰-Winkels einander annähern.

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Claims

Patentansprüche

Einrichtung zur Erzeugung von Winkelschwingungen, gekennzeichnet durch ein Schwingelement (10), welches gleichzeitig um zwei unter einem Winkel zueinander verlaufende Schwingungsachsen (36, 38) in Schwingungen versetzbar ist, und durch jeweils einer der beiden Schwingungsachsen zugeordnete piezoelektrische Schwinger (20, 22, 24, 26; 46, 48). die jeweils mit Abstand von dem Schwingelement angeordnet sind und jeweils ein fest eingespanntes Ende und ein frei schwingendes Ende aufweisen, welch letzteres über ein im wesentlichen entlang der jeweils zugehörigen Schwingungsachse verlaufendes Verbindungselement (12, 14, 16, 18) mit dem Schwingelement verbunden ist, derart, daß beim Anlegen von Wechselspannungen an die piezoelektrischen Schwinger deren frei schwingende Enden das Schwingelement um die beiden Schwingungsachsen herum schwingen.

2, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Schwingungsachsen (36, 38) zwei beiderseits des Schwingelements (10) angeordnete piezoelektrische Schwinger (20 und 2 4, 22 und 26; 46 und 48) zugeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die piezoelektrischen Schwinger (20, 22, 24, 26; 46, 48) mit dem Schwingelement (10) jeweils durch ein, ein Universalgelenk (44) aufweisendes Verbindungselement (12, 14, 16, 18) verbunden sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Universalgelenk (44) ein Zwischenstück aus Silikongummi ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Universalgelenk (44) an der Verbindungsstelle zwischen dem Verbindungselement (12, 14, 16, 18) und dem Schwingelement (10) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (12, 14, 16, 18) als Pederstahlstreifen ausgebildet sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (12, 14, 16, 18) jeweils als Röhrchen mit kleinem Durchmesser ausgebildet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,dadurch

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gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schwinger (20, 22, 24, 26) Biege s cn winger sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schwinger (46, 48) Drehschwinger sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwingungsachsen (36, 38) rechtwinklig zueinander verlaufen.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingelement (10) mindestens teilweise ein Spiegel ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Schwingungsachsen (36, 38) im wesentlichen in der Hauptebene des Spiegels schneiden_e

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