DE2523376C3 - Spiegelgalvanometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spiegelgalvanometer mit einem schwingenden Spiegel, der an einem Ende eines im Betrieb auf Biegung beanspruchten, flexiblen Glieds angebracht ist, mit einem Elektromagneten und einem Permanentmagneten, die in Abhängigkeit von Veränderungen der Stärke des Elektromagneten relativ zueinander bewegbar sind, wobei einer der beiden Magnete mit dem Spiegel starr verbunden ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Spiegelgalvanometer, das für eine Verwendung zum Einlesen und Herauslesen von Daten bei der Hochgeschwindigkeils-Datenverarbeitung vorgesehen ist.

Bei den Galvanometern, deren Anwendung die stärkste Verbreitung gefunden hat, handelt es sich nicht um solche der eingangs genannten Art, bei denen der Spiegel am einen Ende eines im Betrieb auf Biegung beanspruchten, flexiblen Gliedes angebracht ist, sondern um Galvanometer, bei denen der als beweglicher Anker dienende Bauteil in Ankerlagern drehbar gelagert ist. Derartige Galvanometer haben nur eine Lebensdauer von ungefähr einhundert Stunden bei Frequenzen von 700 bis 1500 Hz. Die Genauigkeit und der Wirkungsgrad solcher Galvanometer nimmt während der Betriebsdauer derselben laufend ab, bis ein Zustand erreicht ist, bei dem dauernde Nachjustierungen erforderlich sind, um einen Betrieb innerhalb bestimmter Toleranzgrenzen, die in bezug auf die Genauigkeit einzuhalten sind, zu ermöglichen. Dies ist einer der Gründe, warum für manche Zwecke anstelle derartiger Galvanometer Spiegclräder oder Prismenrüder zur Anwendung gebracht worden sind.

Es sind auch bereits Spiegelgalvanometer der eingangs genannten Art bekanntgeworden, vgl. US-PS 33 86 786, bei denen der Spiegel an einem im Betrieb auf Biegung beanspruchten, flexiblen Glied angebracht ist. Bei diesen bekannten Galvanometern sind zwar die Probleme vermieden, die sich bei der vorausgehend erwähnten Art von Galvanometern aufgrund des Lagerverschleißes ergeben. Dafür tritt jedoch der

ίο Nachteil auf, daß die Ablenkung nicht mit so hoher Genauigkeit erfolgt, daß diese bekannten Galvanometer für Zwecke der Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitungstechnik anwendbar wären.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Spiegelgalvanometer zu schaffen, das mit hoher Genauigkeit über lange Betriebszeiträume hinweg arbeitet.

Diese Aufgabe ist bei einem Spiegeigaivanometer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das flexible Glied eine Querschnittsfläche aufweist, die in einer Richtung eine weit größere Ausdehnung als in der zu dieser Richtung senkrecht verlaufenden Richtung aufweist, so daß das flexible Glied im wesentlichen nur in einer Richtung biegsam ist, und daß die kleinere Ausdehnung der Querschnittsfläche in einem die effektive Schwenkachse des Spiegels enthaltenden und im Bereich des Masseiuentrums des auslenkbaren Bauteils gelegenen Abschnitt eine Verjüngung besitzt. Durch diese Ausbildung des flexiblen Glieds wird erreicht, daß dieses in einer Richtung, nämlich in der Richtung der größeren Ausdehnung der Querschnittfläche desselben, sehr viel biegesteifer ist als in der Richtung der kleineren Ausdehunung der Querschnittsfläche, wo das flexible Glied noch die zusätzliche Verjüngung aufweist, die sich im Bereich der effektiven Biegung, d. h. im Bereich der sich hierbei ergebenden Schwenkachse, befindet. Die Ablenkung erfolgt somit mit äußerster Genauigkeit ausschließlich in einer einzigen Ebene, so daß höchsten Anfordcrun gen hinsichtlich der Positionierung des abgelenkten Lichtbündels Genüge getan werden kann. Dadurch, daß außerdem der verjüngte Abschnitt des flexiblen Glieds im Bereich des Massenzentrums des auslenkbarcn Bauteils gelegen ist, das Massenzentrum also mit der effektiven Schwenkachse im wesentlichen zusammenfällt, werden unerwünschte parasitäre Schwingungen im Bereich des flexiblen Glieds vermieden und damit die Genauigkeit der Strahlablenkung noch erhöht.

Es ist zwar aus der DE-PS I 66 608 bei Resonanz-Frc-

quenzmessern bereits an sich bekannt, die flexiblen Zungen der skalenartig abgestimmten Zungenkämmc mit bereichsweisen Verjüngungen zu verschen. Dabei dienen die Verjüngungen — in anderen Fällen benutzt man anstelle von Verjüngungen auch Ausnehmungen in Form von Durchbrüchen oder Bohrungen — lediglich dazu, die flexiblen Zungen auf eine gewünschte Resonanzfrequenz abzustimmen. Auf Genauigkeit bei der Auslenkung der Zungen oder darauf, daß die Zungen nur in einer genau dcfinier'en Ebene schwingen, kommt es dabei überhaupt nicht an. Die bei Resonanzzungen an sich bekannten Verjüngungen sind auch nicht im Bereich des Massenzentrums des schwingenden Bauteils gelegen, wie dies beim Anmcldungsgcgcnstund der Fall ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. I einen vergrößert gezeichneten Querschnitt durch ein eine Ankcr-Spiegel-Einhcit bildendes Bauteil

eines Galvanometers gemäß einem Ausführungsbeispjel der Erfindung;

F i g, 2 eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels;

Fig.3 einen abgebrochen gezeichneten Teilquerschnitt durch den Polbereich eines Galvanometers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel und

F i g.4 eine Diagrammdarstellung, in der die optische Ablenkung eines Glavanometers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Funktion der Frquenz der Treiberspannung dargestellt ist

In Fig. 1 ist ein als Ganzes mit 12 bezeichnetes Bauteil gezeigt, das einen Spiegel 13, ein flexibles Glied 14 sowie eine Einrichtung zum Erzeugen eines veränderbaren magnetischen Feldes aufweist. Diese Einrichtung zum Erzeugen des veränderbaren magnetischen Feldes weist Eisenkerne 15 und eine den Eisenkerneri 15 zugeordnete Spule 18 auf. Mittels eines Klebstoffes 16, beispielsweise eines Epoxydharzes, sind der Spiegel 13 und die Eisenkerne 15 mit dem freien Ende des flexiblen Glieds 14 verbundtn. Mit seinem anderen Ende 19 ist das flexible Glied 14 in eip~m als Halterung dienenden Block 22 aus einem elektrisch isolierenden und magnetisch neutralen Werkstoff, beispielsweise aus Kunststoff, befestigt. Wenn ein elektromagnetisch neutraler Halterungsblock, beispielsweise ein Kunststoffblock, hierbei Verwendung findet, dann erfolgt die Ablenkung des flexiblen Glieds 14 genau in Abhängigkeit von wahlweisen Änderungen des Stromflusses durch die Spule 18. Wie es in Kig. 1 gezeigt ist, ist die Spule 18 bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als ununterbrochene Drahtwicklung ausgeführt, die um das Bauteil 12 herumgewunden ist. Die Spule 18 ist mit Anschlußleitungen versehen, die nicht gezeigt sind und über die die Spule mit einer ebenfalls nicht dargestellten, steuerbaren Stromquelle verbindbar ist. Wie zu ersehen ist, sind auch die einzelnen Windungen der Spule 18 aus Gründen der Übersichtlichkeit der Zeichnung nicht dargestellt. Das flexible Glied 14 weist eine effektive Drehachse auf, die mit 26 bezeichnet ist, im wesentlichen senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft und im wesentlichen im Massenzentrum des Bauteils 12 verläuft. Da das flexible Glied sich nicht nur an einer genau definierten Stelle biegt, wird hier der Ausdruck »effektive Drehachse« verwendet, um die zentrale Stelle zu bezeichnen, um die die Ausbiegung sozusagen stattfindet. Wenn hier also von »Drehachse« die Rede ist, so soll darunter die »effektive Drehachse« verstanden werden.

Ein Abschnitt 21 des Pcxiblen Glieds 14, der im wesentlichen zwischen dem eingespannten Ende 19 und dem freien Ende gelegen is·, weist eine verkleinerte Querschnittsfläche auf, um durch diese Verjüngung eine größere Empfindlichkeit in Bezug auf die Ausbiegung odrr Auslenkung zu erreichen. Es sei bemerkt, daß dieser verjüngte Abschnitt 21 sich in dem Bereich der Drehachse 26 und über den Bereich derselben hinaus erstreckt, also ebenfalls im Bereich des Massenzentrums des Bauteils 12 gelegen ist. Das Bauteil 12 biegt sich in den durch einen Doppclpfeil A angegebenen Richtungen um die Drehachse 26. In der senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Richtung findet keine Bewegung des Bauteils 12 statt. Somit kann der Spiegel 13 aus seiner zentralen Ruhelage in beiden Richtungen bis etwa 7° ausgclcnkt werden. Wenn die Auslenkung größer als etwa 7° ist, verkürzt sich die Lebensdauer des flexiblen Glieds 14. Vorzugsweise beträgt die Auslenkung in beiden Richtungen ungefähr 3° bis 5".

Wie es Fig,2 zeigt, kann der in Fig, I dargestellte Bauteil 12 in einem Galvanometergehäuse normaler Bauart angeurdnet werden. Ein solches, in F i g. 2 als Ganzes mit 28 bezeichnetes, Galvanometergehäuse weist einen Befestigungszapfen 29 auf, der an einer Grundplatte 30 befestigt ist Die Grundplatte 30 trägt einen Grundkörper 31 aus Weicheisen sowie Magnete 32 und 33 sowie Polschuhe 34 und 35. Zwischen den Magneten 32 und 33 ist ein Kunststoffblock 36 angeordnet, der mit einem Schlitz versehen ist, in dem das Ende 19 des flexiblen Glieds 14 in bekannter Weise fest angebracht ist In Fig.2 ist der Spiegel 13 in einer solchen Lage gezeigt, bei der die winkelmäßige Auslenkung (bei einem Bauteil 12 der in Fig. 1 gezeigten Art) in einer horizontalen Ebene erfolgt Das Galvanometer kann jedoch auch so angebracht werden, daß der Spiegel 13 in solcher Lage ist daß die Auslenkung in einer vertikalen oder jeder anderen gewünschten Ebene erfolgL

F i g. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des als Anker-Spiegel-Einheit dienenden Bauteils IZ Es findet ein Block 22 aus Kunststoff Verwendung, da Kunststoff keine elektrischen oder magnetischen Eigenschaften aufweist, die unerwünschte Veränderungen in dem erzeugten variablen und in dem permanenten Magnetfeld hervorrufen könnten.

Das flexible Glied 14 ist vorzugsweise aus Federstahl, kann jedoch auch aus rostfreiem Stahl, Beryllium, Federmessing, federndem Bronzematerial oder dergleichen gefertigt sein. Federstahl ist, da bei diesem eine Ätzung hoher Güte möglich ist und äußerste Ermüdungsfestigkeit gegeben ist, vorzuziehen, obwohl Federstahl nicht so korrosiunsbeständig ist wie einige andere Metalle. Beim Ausführungsbeispiel besteht das flexible Glied 14 aus einem Federstahl in einer Stärke von nur 0,2 bis 0,38 mm, wenn man von dem durch Ätzen verjüngten Abschnitt 21 absieht. Die Breite des flexiblen Glieds 14, in Fig. 1 und 3 senkrecht zur Zeichenebene gemessen, beträgt ungefähr 13 cm, kann jedoch in einem Bereich von 0,6 cm bis 1,6 cm frei gewählt werden oder auch größer oder kleiner sein je nach dem Gewicht des Spiegels 13, der Spule 18 und der Eisenkerne 15 und je nach der gewünschten Betriebsfrequenz. Die Stärke sollte ausreichend bemessen werden, um das Gewicht des Bauteils 12 während der oszillierenden Bewegung tragen zu können. Durch Versuche läßt sich die geeignete Größe für aus bestimmten Konbinalionen von Einzelteilen bestehende Bauteile 12 ermitteln. Der Spiegel 13 kann einen Durchmesser von ungefähr 0,5 cm und eine Stärke von ungefähr 0,38 mm aufweisen und kann durch einen Epoxidharz-Klebstoff an dem freien Ende des flexiblen Glieds 14 befestigt sein. Die Eisenkerne können ebenfalls durch einen Epoxydharz-KlebsiciY Tiit dem freien Ende des flexiblen Glieds 14 verbunden sein, wobei sie etwas hinterhalb des Spiegels 13 angeordnet sein können, um zu erreichen, daß das Massenzentrum des Bauteils 12 im wesentlichen mit der effektiven Drehachse 26 des flexiblen Glieds 14 zusammenfällt. Die Eisenkerne 15 sind aus Weicheisen mit einer Länge von 2,9 bis 2,5 mm und sind mit ungefähr 40 Windungen lackierten Kupferdrahts von 0,08 mm Durchmesser bewickelt. Die Eisenkerne. 15und die Spule 18 bilden einen Anker 23, dessen äußere Oberfläche nur einen so großen Spielraum relativ zu konkaven Randbereichen 38 der Polschuhe 34, 35 aufzuweisen braucht, wie es für die freie Bewegbarkeit des Ankers erforderlich ist. Die konkaven Randbereiche 38 nehmen den Anker 23 zwischen sich auf und sind

kreisbogenförmig, wobei der Durchmesser in der Größenordnung von 2,5 bis 3.0 mm liegt. Der Block 22 aus Kunststoff hat einen Abstand von etwa 0.38 mm von den Polschuhen 34,35. Die Drehachse 26 des Bauteils 12 liegt innerhalb eines Abschnitts 21 des flexiblen Glieds 14, der in parallel zur Zeichnungsebene (Fig.3) verlaufenden Richtung auf eine Stärke in der Größenordnung von 0,25 mm verjüngt ist. Diese Verjüngung ist vorzugsweise dadurch hervorgerufen worden, daß im Bereich des Abschnitts 21, also im Bereich der effektiven Drehachse 26 des flexiblen Glieds 14. ein Ätzvorgang durchgeführt wurde. Der durch Ätzen erzeugte Biegebereich des flexiblen Glieds 14, d. h. der verjüngte Abschnitt 21. ist ungefähr 0.76 bis 1.3 mm lang. Das in Fig. 3 gezeigte Galvanometer kann dadurch gedämpft werden, daß man in dem Raum zwischen dem Kunststoffblock 36 und den Magneten 32, 33 und/oder rings um die Spule 18 ein Dämpfungsmittel anordnet.

Die Kriterien für das Versagen von federnden, flexiblen Gliedern sind in der Fachwelt bekannt. Wenn beispielsweise eine Feder eintausendma! mit dem Doppelten ihrer normalen Biegegeschwindigkeit gebogen werden kann (ohne zu brechen), dann steht ein Versagen der Feder nicht mehr in einem direkten Zusammenhang mit der normalen Beanspruchung im Normalbetrieb. Die hier aufgezeigten flexiblen Glieder wurden in Versuchen erprobt, ohne daß ein einziges

to Versagen bei mehreren Millionen von Arbeitszyklen beim Doppelten der normalen Ablenkgeschwindigkeit mit und ohne Dämpfung aufgetreten wäre.

Die bevorzugte Auslenkung des Spiegels 13 beträgt bei den in den F i g. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ±3° bis ±5°. Eine solche Auslenkung ist für das Anwendungsgebiet »Hochgesehwindigkeits-Lescn-Schreiben von Daten« ausreichend. Die hier aufgezeigte Konstruktion des Galvanometers läßt jedoch auch ohne

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Verdünnungsmittel, beispielsweise mit ungefähr 50 bis 75% Trichlor-Trifluoräthan (bei diesem Verdünnungsmittel handelt es sich um Freon 113, eingetragenes Warenzeichen der Firma E. I. Dupon de Nemours & Co).

Die in Fig.4 dargestellten Kurven /eigen die optische Ablenkung, die mit einem Galvanometer der hier beschriebenen Art mit oder ohne Dämpfung erhalten wird. Beim ungedämpften Galvanometer sind zwei Resonanzfrequenzen ausgeprägt. Die erste Resonanzfrequenz beträgt etwa 1.18 kHz und ist die stärkere Resonanz mit dem höheren Maximum, das mit B bezeichnet ist. Diese erste Resonanz ist die der Rückstellkraft des flexiblen Glieds 14 zuzuschreibende Basis-Resonanzfrequenz. Das kleinere zweite, in F i g. 4 mit C bezeichnete Maximum, zeigt, daß eine scharf abgegrenzte, sekundäre Resonanz als kleines Vielfaches der Basis-Resonanzfrequenz auftritt. Unerwünschte höhcrfrequente. sekundäre Resonanzen ergeben sich durch die Verschiebung der Drehachse aus dem Bereich des Massenzentrums des Bauteils 12 heraus. Es ist zu ersehen, daß das oben beschriebene Galvanometer eine leicht induktive Charakteristik und eine einzige starke Resonanz aufweist.

Das flexible Glied 14 biegt sich um die in F i g. 1 und 3 angedeutete effektive Drehachse 26. Bei dem hier beschriebenen Galvanometer hat das flexible Glied in seinem zentralen Teil in der Nähe der effektiven Drehachse einen Abschnitt verringerte! Dicke oder verringerter Querschnittsfläche. Dies dient der Verringerung der Steifigkeit, die sich mit der dritten Potenz der Maierialstä'V.e ändert. Die Verjüngung oder Verringerung der Querschnittsfläche kann durch Ätzen erzeugt werden. Wird die Biegung des flexiblen Glieds auf einen Maximalwert von etwa ±7° relativ zur Nullage oder zur Normallage beschränkt, dann tritt im wesentlichen keinerlei Materialermüdung auf. Die Art und Weise, in der der verjüngte Abschnitt 21 durch Ätzen oder andere Verfahren im einzelnen hergestellt werden kann, ist dem Fachmann geläufig und braucht daher hier nicht näher erläutert zu werden.

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bevorzugten Ausführungsbeispiel sind unerwünschte Formen von Streuvibrationen längs der Längenausdehnung des flexiblen Glieds 14 vermieden. Dies wird dadurch erreicht, daß das Massenzentnim des Bauteils 12 in der beschriebenen Lagebezichung zu der effektiven Drehachse 26 steht. Es ist natürlich wichtig, daß der Spiegel 13 fest an dem flexiblen Glied 14 angebracht ist, damit der Spiegel 13 keine andere Bewegt! :j ausführen kann als das flexible Glied 14 und der Anker 23.

Für die Auswahl der Abmessungen des Spiegels gibt es einen Bestwert. Die Größe hängt natürlich von der Form ab. die der Spiegel bei dem betreffenden Anwendungsfall hat. von dem Biegemoment, das auf das Bauteil 12 einwirkt, und von den Trägheitsmomenten des Bauteils 12 und des Spiegels 13. Das Trägheitsmoment des Spiegels 13 sollte zwischen etwa 02 und 0.333 des Trägheitsmoments des Bauteils 12 betragen, um bei den Abtast- oder Ablenkvorgängen eine Höchstzahl auflösbarer Punkte zu bekommen.

Mit Vorteil findet ein Spiegel Verwendung, der an seiner reflektierenden Oberfläche plan und an seiner Rückseite konvex ist, wobei die Randbereiche des Spiegels sehr dünn sind. Auch ist es vorteilhaft, wenn der Spiegel senkrecht zur Biegung breit, jedoch längs der

•15 Biegeachse äußerst schmal ist. Beide vorgenannten Ausführungsformen erbringen eine größere optische Breite bei gegebener Auslenkung und gegebenem Trägheitsmoment. Es wird daher eine größere Anzahl auflösbarer Punkte bei derartigen Spiegeln erhalten verglichen mit einem einfachen, scheibenförmigen biplanen Spiegel.

Bei äußerst kleinen Ankern kann der Eisenkern in Wegfall kommen, und die Spule kann um das flexible Glied herumgewickelt sein. Hierbei kann ein Klebstofl oder polymerer Kunststoff dazu dienen, um die Spulenanordnung zu versteifen. Die hierbei auftretende durch das Fehlen des ferromagnetischen Werkstoffs verursachte Verringerung des Biegemoments wird durch die hierbei gegebene Verringerung des Trägheitsmoments kompensiert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Spiegelgalvanometer mit einem schwingenden Spiegel, der an einem Ende eines im Betrieb auf Biegung beanspruchten, flexiblen Glieds angebracht ist, mit einem Elektromagneten und einem Permanentmagneten, die in Abhängigkeit von Veränderungen der Stärke des Elektromagneten relativ zueinander bewegbar sind, wobei einer der beiden Magnete mit dem Spiegel starr verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Glied (14) eine Querschnittsfläche aufweist, die in einer Richtung eine weit größere Ausdehnung als in der zu dieser Richtung senkrecht verlaufenden Richtung aufweist, so daß das flexible Glied (14) im wesentlichen nur in einer Richtung biegsam ist, und daß die kleinere Ausdehnung der Querschnittsfläche in einem die effektive Schwenkachse (26) des Spiegels (13) enthaltenden und im Bereich des Massenzentrums des auslenkbaren Bauteils (12) gelegenen Abschnitt (21) eine Verjüngung besitzt.

2. Spiegeigaivanometer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der mit dem Spiegel (13) gekoppelte, einen der Magneten (15,18) aufweisende Bauteil (12,23) zumindest teilweise von einem Dämpfungsmittel für die Dämpfung der Bewegung dieses Bauteils (12,23} umgeben ist

3. Spiegelgalvanometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel einen klebrig nachgiebigen Stoff enthält.

4. Spiegelgalvanometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichne:, daß als klebrig nachgiebiger Stoff eine verdünnte Lösung .aus Silicongummi vorgesehen ist.