DE2715908B1 - Device for scanning and / or for line offset in optoelectronic scanning devices - Google Patents
Device for scanning and / or for line offset in optoelectronic scanning devicesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Anregen eines SchwingspiegelsThe invention relates to a device for electromagnetic excitation of a vibrating mirror mit Hilfe eines in einem geschlossenen Regelkreis angeordneten Elektromotors und unter Verwendung eines Kreuzfedergelenkes.with the aid of an electric motor arranged in a closed control loop and using a cross spring joint.
Die DT-AS 20 56 449 zeigt und beschreibt eine gattungsgemäße Vorrichtung, die ebenso wie die optische Abtastvorrichtung gemäß der DT-OS 22 38 530 Bewegungen in einer Ebene auszuführen vermag. In beiden Fällen fehlt einmal die Möglichkeit der Verwendung eines offenen Regelkreises für dieThe DT-AS 20 56 449 shows and describes a generic device that, like the optical scanning device according to DT-OS 22 38 530 to perform movements in a plane able. In both cases there is no possibility of using an open control loop for the
ίο unmittelbare Motoransteuerung und zum anderen die Möglichkeit, mit ein und derselben Vorrichtung neben der Abtast- auch eine Zeilenversatzbewegung ausführen zu können. Darüber hinaus ist der Offenlegungsschrift kein Kreuzfedergelenk zu entnehmen, währendίο direct motor control and on the other hand the Possibility of executing a line offset movement in addition to the scanning movement with one and the same device. In addition, no cross-spring joint can be found in the laid-open specification, while ein solches bei der Auslegeschrift lediglich für Lagerungszwecke des Schwingspiegels vorgesehen istsuch is provided in the interpretation only for storage purposes of the oscillating mirror
Die Aufgabe der Erfindung wird — unter Umgehung der vorstehenden aufgezählten Mängel — in der Schaffung eines Schwingspiegelantriebs loser BauweiseThe object of the invention is - while circumventing the deficiencies listed above - in the Creation of an oscillating mirror drive with a loose design für vorzugsweise kleine Drehwege gesehen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der bewegliche Teil des Elektromotors den Schwingspiegel trägt, während der feststehende Teil auf der Rotationsachse des Elektromotors befestigt ist, und daßseen for preferably small turning paths. These The object is achieved according to the invention in that the movable part of the electric motor is the oscillating mirror carries, while the fixed part is fixed on the axis of rotation of the electric motor, and that beweglicher und feststehender Teil des Elektromotors über Kreuzfedergelenke miteinander verbunden sind. Dadurch können z. B. bürstenlose Drehmomentmotoren ohne die sonst üblichen Lagerschilde und Kugellager Verwendung finden. Da außerdem Antrieb undmovable and fixed part of the electric motor are connected to each other via cross spring joints. This allows z. B. find brushless torque motors without the usual end shields and ball bearings. Since, in addition, drive and Spiegel auf derselben Achse befestigt sind, lassen sich auf diese Weise einmal der Auslegung der Gelenke und zum anderen der Auslegung der Zeilenkippbewegung entsprechende, vergleichsweise kleine Drehwege erzielen, die größenordnungsmäßig kleiner als ± 1° betragen.Mirrors are mounted on the same axis, can be done in this way once the design of the joints and on the other hand, achieve comparatively small rotational paths corresponding to the design of the line tilt movement, which are of the order of magnitude less than ± 1 °.
Trotz dieser losen Bauweise wird so für die beweglichen Bauelemente und die wirksamen elektromagnetischen Kräfte eine zentrierende Wirkung bzw. eine definierte Nullage erreicht. Dies wiederum führt dazu, daß der magnetische Antrieb mit gleichbleibendem Luftspalt arbeitet, wobei sein Antriebsbereich in einem konstanten Drehmomentbereich liegt. Despite this loose construction, a centering effect or a defined zero position is achieved for the movable components and the effective electromagnetic forces. This in turn means that the magnetic drive works with a constant air gap , its drive range being in a constant torque range.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird ferner darin gesehen, daß der den Schwingspiegel antreibende Elektromotor mit einem einer vorgegebeAn advantageous development of the invention is also seen in the fact that the electric motor driving the oscillating mirror with one of a given nen Zeit-Weg- oder Zeit-Drehwinkel-Funktion propor tionalen Motorstrom ansteuerbar ist. Hiermit gelingt es, eine beliebige Ansteuerfunktion mit sinus-, sägezahn- oder rechteckförmiger Charakteristik innerhalb eines geschlossenen Regelkreises vorzugeben und dort auchnen time-distance or time-angle of rotation function propor tional motor current is controllable. This makes it possible to use any control function with sine, sawtooth or rectangular characteristics within a closed control loop and there too unter stabilen elektrischen Verhältnissen aufrechtzuerhalten.to be maintained under stable electrical conditions.
Was das Verhältnis der einzelnen Zeitkonstanten anbetrifft, so ist es von Vorteil, wenn die Zeitkonstante der bewegten Bauelemente zusammen mit den derAs far as the ratio of the individual time constants is concerned, it is advantageous if the time constant of the moving components together with the Lagerung dienenden Kreuzfedergelenken gegenüber der Zeitkonstante des Bewegungsablaufs groß ist So beträgt die Zeitkonstante des Feder-Masse-Systems etwa 50 ms, während sich diejenige des Bewegungsablaufs auf etwa 3,5 ms beläuft.Storage serving cross spring joints opposite the time constant of the motion sequence is large This is the time constant of the spring-mass system about 50 ms, while that of the motion sequence amounts to about 3.5 ms.
Zweckmäßigerweise erfolgt hierbei die Auslegung des geschlossenen Regelkreises dergestalt daß er eine Einheit für die Wegfunktion (Sollfunktion) enthält an die sich — in Durchlaufrichtung der Signale — eine die Sollfunktion mit einer Istfunktion vergleichende weitereThe closed control loop is expediently designed in such a way that it has a The unit for the path function (setpoint function) contains - in the direction of flow of the signals - a Another comparing target function with an actual function Einheit anschließt wobei das Ergebnis über einen Nachfolgeverstärker den Motor steuert der über eine mechanische Achse mit einem Wegaufnehmer verbunden ist der seinerseits über einen weiteren VerstärkerUnit followed by the result via a The downstream amplifier controls the motor, which is connected to a displacement transducer via a mechanical axis, which in turn is connected to a further amplifier
die Istfunktion erzeugt. Dadurch erst wird eine korrekte Treppenfunktion unter sauberer Trennung der einzelnen Treppen möglich, wie sie für einen Kippspiegel der in Rede stehenden Art erforderlich ist. Mit anderen Worten: Mit einem solchen Regelkreis läßt sich der erwähnte Motor so ansteuern, daß er die vorgegebene Funktion — die im Prinzip jede beliebige Zeit-Weg-Funktion sein kann — auch tatsächlich exakt ausführt.the actual function is generated. Only then is a correct staircase function with a clean separation of the individual Stairs possible, as is required for a tilting mirror of the type in question. With others In other words: With such a control loop, the mentioned motor can be controlled in such a way that it does the specified Function - which in principle can be any time-distance function - actually performs exactly.
Grundsätzlich ist es ohne Belang, welcher Motorteil ruhend und welcher drehbeweglich ausgebildet ist. Lediglich wegen der Leitungen für die Energiezufuhr erschien es im anstehenden Zusammenhang günstiger, den mit Spulen bestückten »Rotor« feststehend und den den Spiegel tragenden »Stator« beweglich auszubilden. In konstruktiver Hinsicht ist es dabei vorteilhaft, wenn an beiden Seiten des feststehenden »Rotors« konzentrisch zur Rotationsachse je eine Halterung für die Kreuzfedergelenke vorgesehen und auf dem beweglichen »Stator« eine den Spiegel unter einer Neigung zur Rotationsachse tragende Spiegelhalterung befestigt ist.In principle, it is irrelevant which part of the motor is stationary and which is designed to be rotatable. Merely because of the lines for the energy supply, it seemed more favorable in the present context, the "rotor" equipped with coils to be fixed and the "stator" carrying the mirror to be movable. From a structural point of view, it is advantageous if the stationary "rotor" is concentric on both sides a bracket for the cross spring joints is provided for the axis of rotation and on the movable one "Stator" a mirror holder supporting the mirror at an incline to the axis of rotation is attached.
Was den Antrieb des oben beschriebenen Spiegels anbetriefft, so kann es zweckmäßig sein, daß dieser Spiegel für einen Zeilenversatz in kontinuierlich aufeinanderfolgenden Schritten kippbar und für eine jeder Strahlenumlenkung vorausgehende Abtastung mit Hilfe eines zusätzlichen Antriebsmagneten in zur Kippbewegung senkrechter Richtung verschwenkbar ist Ein solchermaßen ausgebildeter Schwingspiegel läßt sich demnach für zweierlei Funktionen ausnützen.As far as the drive of the mirror described above is concerned, it can be useful that this Mirror tiltable for a line offset in continuously successive steps and for one each beam deflection preceding scanning with the help of an additional drive magnet in zur Tilting movement in the vertical direction can be pivoted. An oscillating mirror designed in this way can be therefore use themselves for two different functions.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht schließlich vor, daß für die Abtastung je nach Bedarf ein Schwingspiegel, eine Planplatte, ein Polygonrad oder ein Prisma verwendet wird. Letzteres bietet sich besonders im konvergenten Strahlengang und bei linearem Motor an.A further development of the invention finally provides that one for the scanning as required Oscillating mirror, a plane plate, a polygon wheel or a prism is used. The latter offers itself especially in the convergent beam path and with a linear motor.
Im Folgenden werden an Hand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile die gleichen Bezugszahlen aufweisen. Es zeigtIn the following, some exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing, the parts corresponding to one another in the individual figures have the same reference numbers. It shows
F i g. 1 eine komplette erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem einen Kippspiegel tragenden Elektromotor, F i g. 1 a complete device according to the invention with an electric motor carrying a tilting mirror,
F i g. 2 ein aus einem geschlossenen Regelkreis bestehendes Blockschaltbild,F i g. 2 a block diagram consisting of a closed control loop,
F i g. 3 einen angedeuteten Elektromotor gemäß F i g. 1 mit einer gegen den Kippspiegel ausgetauschten Planplatte,F i g. 3 an indicated electric motor according to FIG. 1 exchanged for one against the tilting mirror Flat plate,
F i g. 4 einen angedeuteten Elektromotor gemäß F i g. 1 mit einem gegen den Kippspiegel ausgetauschten Schwingspiegel,F i g. 4 an indicated electric motor according to FIG. 1 exchanged for one against the tilting mirror Oscillating mirror,
F i g. 5a die charakteristische Treppenfunktion des Kippspiegels,F i g. 5a the characteristic step function of the tilting mirror,
F i g. 5b eine beliebige Treppenfunktion des Kippspiegels, F i g. 5b any step function of the tilting mirror,
F i g. 6 ein eine lineare Abtastbewegung ausführendes Prisma undF i g. 6 a prism executing a linear scanning movement and
F i g. 7 einen Kippspiegel ähnlich demjenigen der F i g. 1 und 4, der zusätzlich zur Kippbewegung noch für eine senkrecht zu dieser verlaufende Abtastbewegung vorgesehen istF i g. 7 shows a tilting mirror similar to that of FIG. 1 and 4, which in addition to the tilting movement for a scanning movement perpendicular to this is provided
Wie vor allem F i g. 1 der dargestellten Ausführungsbeispiele zu entnehmen ist, besteht der Elektromotor 1 aus dem feststehenden »Rotor« 2 und dem beweglichen »Stator« 3. Der »Rotor« trägt die Spulen 4 und außerdem — konzentrisch zur Rotationsachse 5 des Motors — an jedem Ende eine Halterung 6 für die beiden Kreuzfedergelenke 7, die die Verbindung zum beweglichen »Stator« 3 bilden. Letzterer trägt einen Permanentmagnet 8, der mit Hilfe einiger Schraubverbindungen 9 ebenfalls konzentrisch zur Rotationsachse 5 verankert ist. Darüber hinaus ist an dem einen »Statorende« eine Spiegelhalterung 10 konzentrisch befestigt, die unter einer Neigung zur Rotationsachse — im vorliegenden Fall sind es 45° — den Kippspiegel 11 trägt. Der Kippspiegel lenkt den in F i g. 1 in Pfeilrichtung 31 auftreffenden Strahl um, so daß er inAs especially F i g. 1 of the exemplary embodiments shown, there is an electric motor 1 from the fixed “rotor” 2 and the moving “stator” 3. The “rotor” carries the coils 4 and also - concentric to the axis of rotation 5 of the motor - at each end a bracket 6 for the two cross spring joints 7, which form the connection to the movable "stator" 3. The latter wears one Permanent magnet 8, which with the help of some screw connections 9 is also concentric to the axis of rotation 5 is anchored. In addition, a mirror holder 10 is concentric at one “stator end” attached, the tilting mirror 11 at an inclination to the axis of rotation - in the present case it is 45 ° wearing. The tilting mirror directs the in F i g. 1 in the direction of arrow 31 impinging beam so that it is in
to Pfeilrichtung 30 auf die allerdings nicht dargestellte Detektorzeile reflektiert Die Pfeilrichtung 30 stellt dabei gleichzeitig die Projektion der Kippebene des Spiegels 11 dar. Mit 12 ist der Netzanschluß und mit 13/14 der Wegaufnehmer, z. B. ein kapazitiver Wegaufnehmer, bezeichnet, dessen Teil 13 feststehend und dessen Teil 14 beweglich ausgebildet ist In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch die umgekehrte Version mit einem im herkömmlichen Sinn feststehenden »Stator« und einem beweglichen »Rotor« denkbar.Direction of arrow 30 is reflected onto the detector line, which is not shown, however. The direction of arrow 30 represents at the same time represents the projection of the tilting plane of the mirror 11. With 12 is the power supply and with 13/14 the displacement transducer, e.g. B. a capacitive displacement transducer, whose part 13 is fixed and the part 14 of which is designed to be movable. In another exemplary embodiment, not shown, is also the reverse version with a "stator" fixed in the traditional sense and a movable one "Rotor" conceivable.
F i g. 2 zeigt einen geschlossenen Regelkreis, bei dem in die Einheit 15 die Sollfunktion, die im vorliegenden Falle die Wegfunktion ist, eingegeben wird. In Durchlaufrichtung des Signals folgt die Einheit 16 in der die Wegfunktion korrigiert wird, so daß am zugehörigen Ausgang 17 die für den Elektromotor 1 erforderliche Ansteuerfunktion verfügbar ist, die sodann in dem Nachfolgeverstärker 18 nur noch verstärkt wird Der an Masse 19 geschlossene Motor ist über die mechanische Achse 20 mit dem Wegaufnehmer 13, 14 verbunden, dreht dessen Teil 14 und erzeugt so die Istfunktion. Letztere wird lediglich noch über den Verstärker 21 geführt, um anschließend zu der erwähnten Korrektur bereitzustehen. Wären diese und die aus der Einheit 15 kommende Funktion gleich groß, würde durch Subtraktion am Ausgang 17 der Betrag »Null« stehen. In der Praxis besteht zwischen Soll- und Istfunktion eine geringe Differenz, je nach Regelverstärkung ζ B. 1 %, die ausreicht, nach entsprechender Verstärkung den Motor zu steuern.F i g. 2 shows a closed loop control system in which the setpoint function, which in the present case is the path function, is entered into the unit 15. In The direction of passage of the signal is followed by the unit 16 in which the path function is corrected so that the associated Output 17, the control function required for the electric motor 1 is available, which is then in the Follow-up amplifier 18 is only amplified. The motor, which is closed to ground 19, is via the mechanical Axis 20 connected to displacement transducer 13, 14, rotates part 14 thereof and thus generates the actual function. The latter is only passed through the amplifier 21 in order to then proceed to the mentioned correction to be ready. If this and the function coming from the unit 15 were of the same size, subtraction would be used the amount "zero" is at output 17. In practice there is one between the target and the actual function small difference, depending on the control gain ζ B. 1%, which is sufficient after the corresponding gain Control engine.
In den F i g. 3 und 4 ist jeweils der in F i g. 1 dargestellte Kippspiegel 11 gegen ein der Strahlenabtastung dienendes Element ausgetauscht In F i g. 3 ist es die Planplatte 22 durch welche der abgetastete Strahl 30' hindurchtritt und in Fig.4 der Schwingspiegel 23 mit jeweils zugehöriger Halterung. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, andere Abtastelemente, wie z. B. das in F i g. 6 angedeutete Abtastprisma 24 oder ein allerdings nicht dargestelltes Polygonrad zu verwenden.In the F i g. 3 and 4 is the one in FIG. 1 shown tilting mirror 11 against a beam scanning serving element replaced in FIG. 3 it is the plane plate 22 through which the scanned beam 30 'and in FIG. 4 the oscillating mirror 23 with the respective holder. In principle, however, it is also possible to use other scanning elements, such as, for. B. that in Fig. 6 indicated scanning prism 24 or a polygon wheel, however, not shown to use.
so Die gestrichelte Linie in Fig.6 deutet die linare Bewegung des Prismas und die sich dabei ändernden Wegverhältnisse der im konvergenten Strahlengang der Eingangsoptik 25 verlaufenden Strahlengangs 26 an, dessen Wellenlänge immer konstant bleibt. Die Ansteuerung erfolgt in allen diesen Fällen — wenn man von der Treppenform der Ansteuerfunktion absieht — auf dieselbe Art und Weise.so the dashed line in Fig.6 indicates the linear Movement of the prism and the changing path conditions in the convergent beam path of the Input optics 25 extending beam path 26, the wavelength of which always remains constant. the Control takes place in all of these cases - if one disregards the staircase shape of the control function - the same way.
Der F i g. 7 ist schließlich noch ein Spiegel 23 zu entnehmen, der sowohl eine Strahlenumlenkung bzw. eine Zeilenkippbewegung als auch eine Abtastbewegung auszuführen in der Lage ist Die Zeilenkippbewegung wird — wie vorstehend beschrieben — durch den Motor 1 erzeugt, der die durch den Pfeil 27 angedeutete Drehbewegung ausführt. Der Spiegel geht dabei von der mit ausgezogener Linie gezeichneten Position aus. Er lenkt — ebenso wie unter F i g. 1 beschrieben — den in Pfeilrichtung 31 auf treffenden Strahl in die Pfeilrichtung 30 um, wobei letztere gleichzeitig wieder dieThe F i g. Finally, a mirror 23 can be seen in FIG. a line toggle movement as well as a scanning movement is able to execute the line toggle movement is - as described above - generated by the motor 1, which is indicated by the arrow 27 Rotary movement executes. The mirror is based on the position shown with a solid line. He steers - just like under Fig. 1 described - the beam impinging in the direction of the arrow 31 in the direction of the arrow 30 um, the latter at the same time being the
Projektion der Kippebene des Spiegels darstellt. Die eigentliche Kippbewegung des Spiegels ist in dieser Ansicht nicht zu sehen.Represents projection of the tilt plane of the mirror. The actual tilting movement of the mirror is in this View not to be seen.
Der Antriebsmagnet 28 bewirkt die in zur Kippbewegung senkrechter Ebene verlaufende Abtastbewegung. Er enthält einen in der Zeichnung allerdings nicht berücksichtigten Wegaufnehmer. Auch hier geht der Spiegel 23 von seiner mit ausgezogener Linie gezeichneten Ausgangsposition aus. Die EndlagenThe drive magnet 28 effects the scanning movement running in a plane perpendicular to the tilting movement. It contains a displacement transducer that is not included in the drawing. Here too it works Mirror 23 from its starting position drawn with a solid line. The end positions seiner Auslenkung sind mit strichpunktierten Linien angedeutet, denen auch die strichpunktierten Pfeile 29 entsprechen. Letztere symbolisieren nur den reflektierten Strahl beim Abtastvorgang, während der mit ausgezogener Linie gezeichnete Pfeil 30 sowohl die Reflexion des Strahls in der Ausgangslage des Abtastvorgangs als auch die Reflexion bei der Zeilenkippbewegung aufzeigtits deflection are indicated by dash-dotted lines, which are also indicated by dash-dotted arrows 29 correspond. The latter only symbolize the reflected beam during the scanning process, during the with Solid line arrow 30 shows both the reflection of the beam in the starting position of the Shows the scanning process as well as the reflection during the line tilt movement
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