DE2532925A1

DE2532925A1 - Torsionsstaboszillator

Info

Publication number: DE2532925A1
Application number: DE19752532925
Authority: DE
Inventors: John Charles Murray; Stanley Reich
Original assignee: Bulova Watch Co Inc
Current assignee: Bulova Watch Co Inc
Priority date: 1974-07-24
Filing date: 1975-07-23
Publication date: 1976-02-05
Also published as: CH587590A5; HK26078A; JPS556203B2; FR2280231A1; GB1488056A; JPS5140147A; NL7508854A; ES439746A1; CA1029435A; US3921045A

Description

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I EH MLLiH - MÜLLER - STEINMEISTER

D-aOOO München 22 D-48OO Bielefeld

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Case W-81

BULOVA WATCH COMPANY, INC

630 Fifth Avenue New York, N.Y. / USA

Torsionsstaboszillator

Die Erfindung betrifft einen Torsionsstaboszillator oder kurz "Torsionsoszillator", mit dem sich Vlbrationsschwingungen relativ hoher Amplitude erzeugen lassen und bezieht sich insbesondere auf einen Torsionsoszillator nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1, d.h. auf einen als optischen Abtaster verwendbaren Torsionsoszillator mit relativ großer mechanischer Bandbreite.

Es ist bereits eine ganze Anzahl optischer Vorrichtungen bekannt, die als Zerhacker, Abtaster, Ablenkeinrichtungen oder in anderer Weise zur Ablenkung oder Modulation von Licht oder anderer in Forir. eines Strahls vorliegender Energie verwendet werden. Solche optische Vorrichtungen werden beispielsweise in Massenspektrometer, Thermoumformer oder Bolometer, in Farbmeßgeräte oder

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Kolorimeter, Horizontanzeigeqeräte und verschiedene andere Instrumente eingebaut, bei denen Kern-, Röntgen- oder Laserstrahlen oder auch Strahlen im sichtbaren, Ultraviolett- oder Infrarotbereich verwendet oder analysiert werden. Seit einigen Jahren besteht auch ein Bedarf für ootische Abtaster, mit denen sich ein Lichtstrahl über eine Schranke oder Sperre oder eine ähnliche Markierungsvorrichtung mit binär codierter Markierung ablenken läßt, um Signalimpulse zu erzeugen, mit denen sich verschiedene rechnersteuerbare oder einen Rechner steuernde Funktionen durchführen lassen.

Bei bekannten optischen Vorrichtungen für diesen Zweck werden für gewöhnlich motorgetriebene Scheiben, Trommeln, Spiegel oder Prismen verwendet, die relativ schwierig zu justieren sind und/oder einen relativ hohen Energieverbrauch haben. Bekannt ist auch schon eine Vorrichtung mit einem elektromechanisch betätigbaren Anker, der in Edelsteinlagern dreh- oder schwenkbar gelagert ist und ein optisches Element trägt. Diese optischen Modulatoren sind bisher aber wenig leistungsfähig und zeigen ein unstabiles Betriebsverhalten, abgesehen von einer großen Anfälligkeit gegen Stöße oder anderweitige Erschütterungen.

Diese Nachteile bekannter mechanischer Oszillatoren vermeidet ein Resonanzoszillator mit einem Torsionsschwinger gemäß der US-PS 3 609 485. Dieser Torsionsoszillator besitzt einen aufrecht angeordneten und an seinem Fußende eingespannten Torsionsstab, der an einer nahe dem Fußpunkt liegenden Stelle elektromagnetisch erregt wird um ein an seinem freien Ende befestigtes optisches Element in hin- und hergehende Bewegung zu versetzen und zwar mit einer Bewegungsgeschwindigkeit, die durch die Resonanzfrequenz des Oszillators bestimmt ist.

Da das Verhältnis des Verdreh- oder Schwingwinkels am freien Ende des Stabs in Bezug auf den Schwingwinkel im Antriebspunkt vom Abstand zwischen dem Antriebspunkt und dem freien Stabende relativ zum kürzeren Abstand zwischen dem Antriebspunkt und dem Fußpunkt des Stabs abhängt, wird die Auslenkung des optischen Elements am

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freien Stabende erheblich verstärkt.

hei dor Anordnung nach dem genannten US-Patent treten jedoch praktische Schwierigkeiten auf, wenn die Antriebsimpulse zur Betätigung den Stabs durch eine externe Leistungsquelle geliefert werden. Ist die Wiederholungsperiode, d.h. die Frequenz der das Antriebssignal liefernden Leistungsquelle sehr stabil und entsnricht der natürlichen oder Eigenfrequenz des Torsionsstabs, so ergibt sich eine normal große Schwingungsamplitude am freien Ende. Diese Schwingungsamplitude wird jedoch stark beeinflußt durch Änderungen der Umgebungstemperatur, die die Resonanzfrequenz des Stabs verändert.

Ein Torsionsstab ist ein mechanischer Resonator, dessen Eigenfrequenz bestimmt ist durch seine Abmessungen und den Young'sehen Elastizitätsmodul. Die mechanische Bandbreite oder Dämpfungskurve eines Torsionsstabs hängt ab vom Qualitätsfaktor, dem sogenannten η-Wert. Die Bandbreite ist umso schmäler oder die Resozanzkurve umso schärfer ansteigend und spitzer, je höher der O-Wert liegt. Dies bedeutet, daß ein Torsionsstaboszillator mit hohem Q-Wert mit gutem Wirkungsgrad auf solche Antriebsimpulse anspricht, deren Folge oder Frequenz genau der Eigenfrequenz des Stabs entspricht. Die Ansprechcharakteristik fällt jedoch scharf ab, wenn die Eigenfrequenz von der Frequenz der Antriebsimpulse abweicht oder wenn die Frequenz der Antriebsimpulse gegenüber der Eigenfrequenz des Oszillators unterschiedlich ist.

Besteht eine stabile Quelle für die Antriebsimpulse und treten Abweichungen der Eigenfrequenz des mechanischen Oszillators mit hohem Q-Wert von dem bestimmten Frequenzwert aufgrund von Temperaturänderungen auf, die die Abmessungen des Torsionsstabs beeinflussen, so fällt die Amplitude der Stabschwingungen ganz beträchtlich ab. Ist andererseits die Quelle der Antriebsimpulse nicht geregelt, so daß die Wiederholungsfolge der Impulse etwas von der zugeordneten Oszillatorfrequenz abweicht, so ergibt sich ebenfalls ein scharfer Abfall der Amplitude, der durch den Grad der Abweichung bestimmt ist.

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Da mithin der in der erwähnten US-PS beschriebene, hoch selektive Torsionsstaboszillator eine starke Winkelempfindlichkeit aufweist, wenn er durch eine externe Leistungsquelle gespeist ist, deren Frequenz beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen Abweichungen unterworfen ist, läßt sich ein solcher Oszillator nur in beschränktem Umfang mit gutem Wirkungsgrad betreiben.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen Torsionsstaboszillator zu schaffen, der bei verhältnismäßig niedrigem Q-Wert eine große mechanische Bandbreite aufweist, so daß die Frequenzabhängigkeit oder Frequenzselektivität des Oszillators in Bezug auf das Antriebssignal verkleinert ist und der Oszillator gleichwohl mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden kann, selbst wenn die Frequenz des Antriebssignals von der Eigenfrequenz des mechanischen Oszillators abweicht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser technischen Aufgabe ist durch de Merkmale des Patentanspruchs 1 angegeben, für die vorteilhafte Weiterbildungen in Unteransprüchen gekennzeichnet sind.

Der Oszillator kann mit einer Signalquelle betrieben werden, die keinen besonderen Präzisionsanforderungen unterliegt. Er zeichnet sich dadurch aus, daß die Amplitude der mechanischen Schwingungen in etwa gleicher Höhe aufrechterhalten bleibt, unabhängig von irgendwelchen Abweichungen der Frequenz des Antriebssignals von dem zugeordneten Wert. Liegt andererseits eine hochstabile Signalquelle vor, weicht jedoch die Eigenresonanzfrequenz des Oszillators vom zugeordneten Nennwert ab, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen, so gilt auch für diesen Fall, daß die Amplitude der mechanischen Schwingungen aufrechterhalten bleibt. Der Torsionsstaboszillator mit niedrigem Q-Wert ermöglicht also einen zuverlässigen Betriebseinsatz, auch unter Bedingungen, bei denen ein Oszillator mit hohem Q-Wert ausfallen würde.

Der Stab wird durch einen Motor in Torsionsschwingungen versetzt, der einen Anker aufweist, der an einem nahe der Einspannstelle, also der Basis des Stabs liegenden Punkt mit dem Stab verbunden ist und mit einem Elektromagneten zusammenwirkt. Der

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Motor wird durch einen Antriebssignalgenerator erregt, dessen Frequenz im wesentlichen der Eigenfrequenz des Oszillators entsoricht. Um den Oszillator zu dämpfen, ist der Stab so dimensioniert, daß der oberhalb des Ankerbefestigungspunkt liegende Abschnitt eine Federkonstante besitzt, die annähernd derjenigen des unterhalb dieses Punkts liegenden Abschnitts entspricht. Um die mechanische Schwingungsamplitude zu stabilisieren, ist in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, ein Steueroder Regelsignal von dem Stab selbst als Funktion der Schwingungsamplitude abzuleiten, das dem Signalgenerator zugeführt wird und diesen hinsichtlich der Amplitude des abgegebenen Antriebssignals regelt.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Perspektivansicht eines Torsionsoszillators mit erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 2 eine Teilschnittansicht des Oszillators; Fig. 3 die Seitenansicht des Oszillators;

Fig. 4 die schematische Anordnung der magnetischen beziehungsweise elektrischen Kreise für den Oszillator;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Verstärkungswirkung der Schwingbewegung des Torsionsstabs;

Fig. 6 eine schematische Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Dämpfungswirkung auf den Torsionsstab und

Fig. 7 das elektische Äquivalenz-Schaltbild zur Verdeutlichung der Dämpfungswirkung auf den Stab.

Zunächst sei der Aufbau des Oszillators beschrieben:

Die Zeichnungen und insbesondere die Figuren 1 bis 4 zeigen einen Torsionsstaboszillator, der als optischer Zerhacker dienen soll, um einen Energiestrahl zu modulieren, in Impulse umzuwan-

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dein, abzutasten, abzulenken oder anderweitig zu steuern, der auf ein durch den Oszillator in Schwingung versetztes optisches Element auftrifft.

Der Oszillator weist einen nach oben ragenden Torsionsstab 1O auf, dessen unteres Ende in einer metallischen Grundplatte 11 verankert ist, die ihrerseits auf einer isolierenden Halteplatte 12 ruht. An den Längsseiten der Grundplatte 11 ist ein Paar von aufrechtstehenden Rahmenelementen 13 und 14 befestigt, die aus einem Material mit weichmagnetischen Eigenschaften,beispielsweise aus Eisen,bestehen. Die Enden dieser Elemente sind mit nach innen gebogenen Ansätzen 13A, 13B, 14A und 14B versehen, die als Polschuhe dienen und magnetische Luftspalte festlegen. In Figur ist nur ein solcher Luftspalt 15 gezeigt, während der andere Luftspalt 16 in Figur 3 zu sehen ist.

Zwischen den Rahmenelementen 13 und 14 und im Bereich der Luftspalte stehend ist ein Paar von permanentmagnetischen Platten 17 und 18 eingepaßt, deren Enden mit den Rahmenelementen in Kontakt stehen, so daß die Ansätze 13A bzw. 13B und 14A bzw. 14B in der in Figur 4 angedeuteten Weise polarisiert werden. D.h. die Ansätze 13A bzw. 13B werden zu einem Süd- bzw. die Ansätze 14A und 14B zu einem Nordpol, so daß sich die Magnetflußlinien über die Luftspalte 15 bzw. 16 erstrecken.

Quer zum Stab 10 und dazu symmetrisch ist ein Weicheisen-Antriebsanker 19 (Figuren 2 und 5) vorhanden, dessen einander gegenüberliegende Enden in den Luftspalten 15 bzw. 16 zu stehen kommen. Der Anker ist an einem Punkt befestigt, der in der Nähe des Fußpunkts des Stabs liegt. Am Stabkopf 1OA, d.h. am freien Enc'e des Stabs 10 ist ein zweiter kürzerer Anker 20 in ähnlicher Weise gehaltert, der auf die gleiche Vertikalebene ausgerichtet ist wie der untere Anker.

Über der Stabspitze 1OA ist ein Reflektionsspiegel 21 befestigt, der bei Torsionsschwingbewegungen des Stabs 10 um die Längsachse des Stabs hin- und hergedreht wird, so daß ein auf ihn auftreffender Licht- oder anderer Energiestrahl in einer Geschwindigkeit

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periodisch abgelenkt wird, die durch die Resonanzkennwerte des Oszillators bestimmt ist. Der Spiegel bewirkt also eine Ablenkung, Tastung oder Zerhackung des auftreffenden Strahls. Die Beschaffenheit des optischen Elements bildet im vorliegenden Zusammenhang keinen Teil der Erfindung.

Ein Ende des Ankers 19 ist durch eine erste feststehende Antriebsspule 22 umschlossen, die mit den Ansätzen 13A und 14A verklebt oder auf andere Weise festverbunden ist. Das andere Ende des Ankers 19 umgibt eine zweite Antriebsspule 23, die in analoger Weise an den Ansätzen 13B und 14B befestigt ist. An einer Rückwand 24 (Figur 1) ist nahe dem oberen Ende ein Abtast-Elektromagnet 25 befestigt. Dieser Elektromagnet wirkt mit einem Ende des oberen Ankers 20 zusammen und besteht aus einer einen magnetischen Kern umschließenden Spule. Vibriert der Anker 20, so wird im Elektromagneten 25 eine Spannung induziert. Der Antriebsanker 19 bildet zusammen mit den Antriebsspulen 22 und 23 den Motor des Oszillators.

Nachfolgend wird die Betriebsweise des Oszillators erläutert:

Anhand der Figur 4 läßt sich die Arbeitsweise des Oszillators am besten darstellen. Wie schematisch dargestellt, sind die Antriebsspulen 22 und 2 3 des Motors an einen externen Speisegenerator 26 angeschlossen, der ein Antriebssignal liefert, dessen Frequenz im wesentlichen der Eigenfrequenz des Oszillators entspricht.

Beim Gegenstand des oben erwähnten US-Patents ist der Speisegenerator als elektronischer Verstärker aufgebaut, dessen Eingang mit der Abtastspule 25 verbunden ist, v/ährend der Ausgang an die Antriebsspulen 22 und 23 angeschlossen ist, so daß sich eine positive Rückkopplung oder regenerative Schaltung ergibt, die eine Leistung abgibt, deren Frequenz durch die mechanische Resonanzfrequenz des Torsionsoszillators bestimmt ist.

/ndert sich die mechanische Resonanzfrequenz des Oszillators, so

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ändert sich auch die durch die regenerative Schaltung erzeugte Leistung und mithin läßt sich die Schwingungsamplitude aufrechterhalten .

Für viele praktische Anwendungsfälle jedoch ist diese erwähnte Rückkopplungsanordnung nicht geeignet, beispielsweise wenn der Torsionsstaboszillator als Abtaster betrieben wird, dem ein Rechnersystem zugeordnet ist, bei dem einzelne Funktionen durch einen Taktimpulsgenerator gesteuert sind, der Impulse in einer ganz bestimmten Wiederholungsfolge abgibt. Der Abtaster soll dabei zur Ablenkung eines Lichtstrahls so arbeiten, daß binärcodierte Markierungen und Impulsfolgen entstehen, die als Rechnereingangssignale lesbar sind. Um den Betrieb des Abtasters mit dem Rechner zu synchronisieren, ist es in diesem Fall erforderlich, den Abtaster extern durch ein Antriebssignal zu betätigen, das durch einen unter Steuerung des Taktimpulsgenerators stehenden Generator geliefert wird. Damit entstehen leicht die eingangs erwähnten Probleme, da ein vergleichsweise großer Unterschied zwischen der Betriebsfrequenz des Oszillators und der Frequenz des Antriebssignals auftreten kann. Das Antriebssignal kann in der Praxis als Sinus- oder Rechteckwelle oder auch in pulsierender Form vorliegen.

Bevor erläutert wird, wie sich diese Schwierigkeiten durch eine geeignete Erniedrigung des Q-Werts des Torsionsoszillators vermeiden lassen, sei zunächst dargestellt, wie das Antriebssignal den Oszillator betätigt: Aus Figur 4 ist ersichtlich , daß die durch die Ansätze13A und 14A bzw. 13B und 14B gebildeten magnetischen Polstücke durch die Permanentmagnete 17 und 18 so polarisiert sind, daß die Ansätze 13A und 13B beide Südpole sind, während sich für die Ansätze 14A und 14B beidesmal Nordpole ergeben.

Wird angenommen, daß ein den Spulen 22 und 23 zugeführter Antriebsimpuls im Betrachtungsmoment positiv ansteigt, so wird der Motoranker 19 so-polarisiert, daß das im Luftspalt 15 liegende Ende Süd und das andere im Luftspalt 16 stehende Ende Nord wird. Damit wird das im Luftspalt 15 stehende Ankerende zur Nordseite

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angezogen, während das gegenüberliegende Ankerende im Luftspalt 16 zur Südseite gezogen wird und mithin ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment am Ankerpunkt auf den Torsionsstab 10 entsteht. Geht der Antriebsimpuls dagegen ins Negative, so wirkt die resultierende Kraft im Gegenuhrzeigersinn. In jedem Fall jedoch unterliegt der Stab einer Torsionskraft.

Die Eigenresonanzfrequenz der Oszillators ist bestimmt durch die Momente des Motorankers 19,des Ankers 20 und des Reflektors 21, sowie durch die physikalischen Parameter und den Young'sehen Elastizitätsmodul des Torsionsstabs 10.

Um den Temperatureinfluß auf die Stababmessungen zu verkleinern, kann der Stab aus einer Legierung hergestellt werden, deren Elastizität und Körperabmessungen bei Temperaturänderungen innerhalb eines vergleichsweise weiten Bereichs im wesentlichen unbeeinflußt bleiben. Wegen der großen Steifheit vieler Metalle mit

Null-Temperaturkoeffizient jedoch kann es erforderlich sein, Legierungen wie Beryllium-Kupfer zu verwenden, die eine größere Temperaturempfindlichkeit aufweisen. In diesem Fall wird die Betriebsfrequenz des Oszillators unvermeidbarerweise durch Temperaturänderungen beeinflußt.

Die Torsionsbewegung des Stabs auf seine Resonanzfrequenz bewirkt, daß der Anker 20 mit gleicher Geschwindigkeit schwingt, so daß in der Abtastspule 25 eine Signalspannung induziert wird. Die Frequenz dieser Spannung hängt von der Vibrationsfrequenz des Stabs ab und die Amplitude ist proportional zur Amplitude der Spiegelablenkung. In der Praxis läßt sich dieses Signal auch über ein Paar von Abtastspulen gewinnen, die an gegenüberliegenden Seiten des Ankers 20 angeordnet und in Reihe geschaltet sind. Diese Signalspannung läßt sich durch ein Meßgerät 27 (Figur 4) anzeigen und als Steuersignal verwenden, das über eine elektronische Regelvorrichtung 28 den Betrieb des externen Generators 26 bestimmt.

Die Regelvorrichtung 28 spricht auf das Steuersignal von der

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Abtastspule 25 an und variiert die Amplitude des Generator-Ausgangssignals so, daß eine konstante Oszillator-Signalamplitude aufrechterhalten bleibt. In der Regelvorrichtung wird also die Steuersignalspannung der Spule 2 5 gegen einen Einstellpunkt oder eine Bezugsspannung verglichen, um ein Fehlersignal zu gewinnen, das vom Grad und der Richtung der Abweichung der Oszillatorampiitude von einem Bezugspegel abhängt. Das Fehlersignal wird dem Generator so zugeführt, daß sich eine Null-Tendenz für das Fehlersignal selbst ergibt und dadurch der gewünschte Amplitudenpegel aufrechterhalten wird.

Es ist in diesem Zusammenhang ohne Bedeutung, daß zwei Antriebsspulen vorgesehen sind. Für eine billigere Ausführungsform des Oszillators kann auch ein einziger Anker 19 mit einer einzigen Antriebsspule an einem Ende und einer Abtastspule am anderen Ende vorgesehen sein. Diese Ausführungsform ist hinsichtlich des Wirkungsgrads nicht so gut wie die oben beschriebene. Sie kann jedoch für einige Anwendungsfälle ausreichend sein.

Verstärkung der Schwingbewegung des Torsionsstabs:

Um eine große Schwingungsamplitude für den Spiegel zu erhalten, ist ersichtlicherweise eine große Torsionsschwingung des freien Stabendes erforderlich. Würde die Antriebskraft über den Anker im Bereich des freien Stabendes angreifen, so wäre ein relativ großer Luftspalt erforderlich^ um die Bewegung des Ankers zu ermöglichen. Bei einem großen Luftspalt jedoch ergibt sich keine hohe Magnetflußdichte, so daß eine solche Anordnung ineffektiv wäre oder überhaupt nicht funktionieren könnte.

Bei der konstruktiven Anordnung gemäß der Erfindung greift der Anker 19 in der Nähe des Fußpunkts der Torsionsstabs an, wobei mit relativ schmalen Luftspalten gearbeitet werden kann, so daß sich eine hohe Magnetflußdichte erzielen läßt. Die Verschiebung des Antriebsankers ist relativ klein, jedoch ist andererseits die Schwingbewegung des freien Stabendes ziemlich groß, da sich aufgrund des Aufbaus eine mechanische Verstärkung ergibt.

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Wie sich aus der Skizze der Figur 5 ersehen läßt, entspricht der Wert d dem kurzen Abstand zwischen dem Befestigungspunkt des Antriehsankers 19 und dem Fußpunkt des Stabs, während der Wert D den langen Abstand zv/ischen dem Ankerangriffspunkt und dem freien Ctabende 1OA anzeigt. Mit dem Winkel 0 ist der Schwingungswinkel des Stabs am Ankerangriffspunkt und mit dem Winkel θ der Schwingwinkel am freien Stabende bezeichnet. Da die Beziehung 0/Θ = D/d gilt, ist ersichtlich, daß der Winkel θ im Verqleich zum Winkel 0 umso größer wird, je größer der Unterschied zwischen d und D ist. Wird der Anker 19 nahe dem Stabfußpunkt angeordnet, so wird es möglich, den Torsionsstab mit relativ kleiner Schwingbewegung anzutreiben und gleichwohl einen großen Schwingwinkel für den am freien Stabende befestigten Spiegel zu erhalten.

Wird der Torsionsstab auf einem höheren Eigenfrequenzwert erregt, so ergeben sich ersichtlicherweise höhere Betriebsfreguenzen. Bei Resonanzbedingungen höherer Ordnung ergibt sich beispielsweise im Mittenbereich des Stabs ein Schwingungsknoten und der Abtastanker arbeitet dann nicht in Phase mit dem Antriebsanker. Typische Verschiebungswerte für den Spiegel liegen bei 10° von Spitze zu Spitze bei 2 000 Hz und bei 3° bei 10 000 Hz.

Die Dämpfung:

Wie bereits erwähnt, ist es erwünscht, den Q-Wert des Torsionsoszillators zu vermindern, um die mechanische Bandbreite des Oszillators zu verbreitern, womit sich eine geringere Frequenzselektivität ergibt. Diese gewünschte Verminderung des Q-Werts wird durch Dämpfung des Torsionsstabs 10 erreicht. Diese Dämpfung ist in Figur 6 veranschaulicht. Sie wird dadurch erreicht, daß die wirksame Kopplung zwischen dem sich verjüngenden Abschnitt 10X des Stabs oberhalb des Befestigungspunkts des Ankers und dem im Durchmesser gleichbleibenden Abschnitt 1OY zwischen diesem Ankerangriffspunkt und dem Fußpunkt des Stabs vergrößert wird. Diese Erhöhung der Kopplung wird in einer Weise erreicht, die in vorteilhafter Weise auf die anderen Parameter des Oszillators

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- 12 abgestimmt ist.

Aufgrund dieser Kopplung wird ein Teil der am freien Ende des Stabs.an dem der Spiegel oder das Lastelement befestigt sind, über den Punkt P auf den mit dem Stab verbundenen Motor übertragen, wo über den Absorptionseffekt des magnetischen Felds eine Dämpfung bewirkt wird. Der quantitative Wert der Dämpfung ist eine Funktion des Kopplungsgrads, der Stärke des Magnetfelds und der Geometrie des Luftspalts.

Der Einfluß dieser Kopplung auf die Dämpfung läßt sich am besten durch Betrachtung eines elektrischen Ersatzschaltbilds für den Torsionsstab und seine mit Masse behaftete Belastung, also den Spiegel darstellen. Ein solches Ersatzschaltbild mit zwei geschlossenen elektrischen Schleifen zeigt die Figur 7. Für eine Grundschwingung läßt sich die resultierende Lastträgheit des Stabs durch eine äquivalente Induktivität LM und eine dazu parallel liegende Kapazität CT darstellen, die die Federkonstante des sich verjüngenden Stababschnitts 1OX representiert. Die anderen und höher frequenten Betriebszustände werden durch eine der Trägheit des Antriebsankers äquivalente Induktivität LA sowie durch eine Kapazität CST wiedergegeben, die der Federkonstante des geradlinigen, also nichtkonischen Stababschnitts 1OY entspricht.

Das Hooke'sche Gesetz lehrt u.a. daß die Spannung in einem Torsionsstab oder in irgend einer anderen Feder direkt proportional ist zur aufgewendeten, die Verschiebung verursachenden Kraft (vorausgesetzt daß die Elastizitätsgrenze des Torsionsstabs oder allgemein der Feder nicht überschritten wurde). Der Proportionalitätsfaktor zwischen der Verschiebung und der Spannung wird als Federkonstante bezeichnet. Der Kopplungsgrad zwischen den Abschnitten 1OX und 1OY des Torsionsstabs 10 ist durch das Verhältnis ihrer Federkonstanten bestimmt. Eine maximale Kopplung ergibt sich, wenn die Federkonstanten gleich sind.

Werden diese Federkonstanten, deren elektrisches Analogon jeweils einem Kondensator entspricht, hinsichtlich ihres Werts einander

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angenähert, so wird der Kopplungsgrad zwischen dem die Last darstellenden Spiegel und dem Antriebsanker erhöht. Diese Erhöhung des Kopplungsgrads für irgendeine gegebene Stabfrequenz wird durch eine Erhöhung der Steife des verjüngten Abschnitts erreicht, d.h. insbesondere durch Verminderung der Neigung oder Verjüngung dieses Abschnitts und durch Verminderung der Durchmessers des gradlinigen, also unverjüngten Abschnitts 1OY. Die Verhältnisse lassen sich aus der folgenden Beziehung übersehen:

In dieser Gleichung sind mit

w die resultierende Frequenz, W₁ die Winkelfrequenz des verjüngten Abschnitts, w„ die Winkelfrequenz des geradlinigen unverjüngten

Abschnitts,
w die verkoppelte Winkelfrequenz

bezeichnet. Erhöht sich der Kopplungsgrad, so wird mehr Energie von der Spiegellast durch den Motor absorbiert, so daß sich der Q-Wert des Oszillators erniedrigt und die mechanische Bandbreite erhöht. Die durch die magnetische Vorspannung entwickelte Kraft wird optimiert, um einen maximalen Dämpfungseffekt zu erzielen. Dies wird vor allem durch geeignete Auswahl des Arbeitspunkts des magnetischen Kreises derart erreicht, daß dieser auf dem Punkt des Energiemaximums der Vorspannungsmagnete arbeitet.

Obgleich die Erfindung anhand eines als optischer Abtaster arbeitenden Oszillators beschrieben wurde, bei dem ein optisches Element einer Vibrationswirkung hoher Amplitude und konstanter Frequenz unterworfen ist, ist in Verbindung mit den oben gegebenen Erläuterungen ersichtlich, daß sich die Erfindung auch für zahlreiche andere Anwendungsfälle eignet.

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Claims

Patentansprüche

ζ Λ J Torsionsstaboszillator, der durch ein von einem externen Generator geliefertes periodisches Signal erregbar ist, mit einem fußpunktseitig eingespannten aufrechten Torsionsstab, dessen Eigenfrequenz änderbar ist, mit einem am freien Stabende befestigten, mitschwingenden optischen Element und mit einem die Stabschwingung aufrechterhaltenden Antriebsmotor mit einem Elektromagneten, der über einen zugeordneten und mit dem Stab an einer nahe dem Stabfußpunkt liegenden Stelle verbundenen Anker ein Drehmoment auf den Stab ausübt und diesen in Abhängigkeit von dem periodischen Signal zu Eigenfrequenz-Schwingungen erregt, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung einer Kopplung zwischen dem unterhalb und dem oberhalb der Verbindungsstelle des Ankers (19) liegenden Abschnitt (1OY bzw. 10X) des Stabs (10) sowie zur Dämpfung des Oszillators und seiner mechanischen Bandbreite der untere Abschnitt (10Y) nahezu die gleiche Federkonstante aufweist wie der obere Abschnitt (tOX) , wodurch sich unabhängig von irgendeiner Abweichung der Frequenz des Erregersignals von der Stab-Eigenfrequenz oder der Stab-Eigenfrequenz von der Frequenz des Erregersignals ein Oszillatorbetrieb mit gutem Wirkungsgrad aufrechterhalten läßt.
2. Torsionsstaboszillator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß der obere Stababschnitt (10X) konisch verjüngt und der untere Stababschnitt (10Y) mit gleichem Mantellinienabstand über seine Länge ausgebildet ist.
3. Torsionsstaboszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nahe dem freien Ende des Stabs (10) ein Anker (20) befestigt ist, der zur Erzeugung eines die Schwingungsamplitude des optischen Elements angebe nden Steuersignals mit einer Abtastspule (25) zusammenwirkt.

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4. Torsionsstaboszillator nach Anspruch 3, dadurc h gekennzeichnet , daß das Erregersignal durch einen externen Generator (26) erzeugbar ist, dessen Amplitude durch das Steuersignal bestimmt ist.
5. Torsionsstaboszillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung besteht.

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