DE3035314C2 - Piezoelektrische Lichtablenkvorrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Lichtablenkvorrichtung mit einem um zwei Schwingungsknoten schwingenden piezoelektrischen Biegeschwinger als Antrieb für einen Drehspiegel.

Bei einer bekannten Lichtablenkvorrichtung dieser Art ist ein Spiegel unmittelbar an einem Ende eines a·« zwei fest miteinander verbundenen piezoelektrischen Streifen bestehenden piezoelektrischen Organs angebracht. Das piezoelektrische Organ ist derart gelagert, daß das den Spiegel tragende Ende bei erregtem System eine Querschwingung ausführt, deren Amplitude annähernd gleich der Amplitude in einem Schwingungsbauch ist. Diese bekannte Lichtablenkvorrichtung ist in ihrer Anwendung durch eine große Erschütterungsempfindlichkeit beschränkt.

In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, zur Erzielung einer größeren Strahlablenkung den Spiegel über ein Scharnier am Gestell der Lichtablenkvorrichtung zu lagern und den piezokeramischen Aktuator als Hebel auf den Spiegel wirken zu lassen. Die Auslenkung hängt hierbei jedoch von Hebelkraft und Hebelarm ab. Um eine definierte Auslenkung des Spiegels zu erhalten, müssen Hebelkraft und Hebelarm genau aufeinander abgestimmt sein. Dieses Abstimmen von Hebelarm und Hebelkraft ist recht aufwendig und kompliziert.

Es ist auch bereits ein Strahlablenker beschrieben, bei dem zur Erhöhung der maximalen Strahlablenkung mehrere piezoelektrische Blöcke, von denen jeder eine reflektierende Oberfläche aufweist, auf gegenüberliegenden Seiten eines Trägergehäuses befestigt sind, leder Block ist mit einer Oberfläche, die der reflektierenden Oberfläche benachbart ist, am Trägergehäuse befestigt. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an jeden Block wird eine Scherspannung in diesem erzeugt, die eine Drehung seiner reflektierenden Oberfläche verursacht Beim Betrieb dieses Strahlablenker durchläuft der Strahl einen Zjckzackweg im Gehäuse, Die Strahlablenkung wird dadurch erreicht, daß die reflektierenden Flächen benachbarter Blöcke gegensinnig verdreht werden. Eine Erhöhung der maximalen Strahlablenkung kann nur durch Hinzufügen weiterer Blöcke erreicht werden. Diese bekannte Lichtablenkvorrichtung ist relativ aufwendig und kompliziert Ferner nimmt die Erschütterungsempfindlichkeit des Systems bei wachsendem Ablenkwinkel, bedingt durch dessen zunehmende Länge, zu.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Lichtablenkvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei einem einfachen und leicht herstellbaren Aufbau eine relativ große Strahlablenkung gewährleistet und weitgehend unempfindlich gegen Erschütterungen ist

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Biegeschwinger an einem Ende ortsfest angebracht ist und am anderen Ende durch einen Biegesteg verlängert ist der seinerseits mit größerer Amplitude um zwei Schwingungsknoten schwingt indem sein vom Biegeschwinger abgewandtes Ende mit dem Drehspiegel starr verbunden ist und dieser um eine Querachse beweglich gelagert ist

Aufgrund dieser Anordnung ist eine beträchtliche Vergrößerung der Schwingungsamplitude erreicht und eine weitgehende Erschütterungsunempfindlichkeit gewährleistet Bei dieser Anordnung ist der Hebelarm gleich Null, da der den Spiegel mit dem Biegeschwinger verbindende Biegesteg in die Drehachse des Spiegels mündet Die Amplitudentransformation wird hier durch die unterschiedlichen Massen des Biegeschwingers und Biegestegs, d. h. durch ein geringeres Trägheitsmoment des Biegestegs bewirkt.

Gemäß einer einfachen A;isfühn.,ig kann der Spiegel mittels einer Querachse ortsfest drehbar bzw. in Stegrichtung etwas nachgiebig gelagert sein. Vorzugsweise ist jedoch zur Bildung der Querachse das vom Biegeschwinger abgewandte Ende des Biegesteges mit einer in Schwingungsebene senkrecht abstehenden, biegsamen Stütze starr verbunden, die ihrerseits um diese Verbindungsstelle einerseits und um ihre ortsfeste Verbindung andererseits als Schwingungsknoten beweglich ist. Im Prinzip besteht diese Anordnung aus einem Biegeschwinger mit drei Schwingungsbäuchen, der mit seinen beiden Enden am Gestell gelagert ist und zwischen diesen beiden Enden zwei Schwingungsknoten aufweist. Der Spiegel ist direkt auf dem Schwingungsknoten mit der größten Winkelgeschwindigkeit angebracht. Die Amplitudentransformation wird durch unterschiedliche Massen bzw. Trägheitsmomente erreicht. Dadurch, daß der Biegesteg und die biegsame Stütze im einen Schwingungsknoten und Spiegelort senkrecht zueinander stehen, werden unerwünschte Schwingmoden wie Nicken oder Schaukeln unterdrückt.

Von Vorteil ist ferner, wenn das andere, mit dem Biegesteg in Verbindung stehende Ende des Biegeschwingers durch eine weitere derartige, biegsame Stütze zwecks Festlegung des Schwingung£knotens gehalten ist. Durch diese gelenkige, ebenfalls verlust- und trägheitsarme dritte Lagerung in dem mittleren Knotenpunkt wird die Erschütterungsunempfindlichkeit weiter verbessert.

Zur Verringerung des Trägheitsmoments und somit zur Verbesserung der erwünschten Amplitudentransformation ist der Biegesteg vorzugsweise halb so breit wie der Biegeschwinger ausgebildet

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise s anhand der Zeichnung beschrieben in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen piezokeramischen Lichtablenkvorrichtung,

F i g. 2 eine schematische Seitenansicht analog Fi g. 1 zur Veranschaulichung der Schwingungsmoden,

F i g. 3 eine Draufsicht des Gegenstandes der F i g. 1 und

Fig.4 eine einfachp Schaltungsanordnung zum Betreiben der piezokeramischen Lichtablenkvorrichtung nach den F i g. 1 bis 3.

Nach F i g. 1 ist ein piezokeramischer bzw. piezoelektrischer Biegeschwinger 11 einseitig um eine Querachse A (senkrecht auf der Zeichnungsebene stehend) schwingbar in einem gestellfesten Block 20 gelagert

Das von der Einspannstelle im Bleck 20 abgewandte Ende 15 des Biegeschwingers 11 ist starr mit einem T-förmigen Biegesteg 12 verbunden, dessen Längssteg etwa nur halb so breit wie der Biegeschwinger 11 ausgebildet ist Der Biegeschwinger 11 und der Biegesteg 12 besitzen im wesentlichen gleiche Länge und können jeweils als λ/2-Streifen aufgefaßt werden, wobei die Länge λ/2 jeweils von Schwingungsknoten zu Schwingungsknoten gemessen ist und die Schwingungsknoten auch außerhalb des Biegeschwingers bzw. des Biegestegs liegen können.

Das von dem Ende 15 des Biegeschwingers 11 abgewandte Ende des Biegesteges 12 ist fest mit dem um tine Querachse C schwingbaren Drehspiegel 13 verbunden, von dem senkrecht nach unten eine biegsame Stütze 14 abzweigt, die mit ihrem vom Drehspiegel 13 abgewandten Ende am Gestell befestigt ist und wiederum als λ/2-Steg bzw. λ/2-Streifen angesehen werden kann.

Da der Drehspiegel 13 so über zwei senkrecht zueinander stehende Biegeelemente 11, 12 bzw. 14 abgestützt ist, ist eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen Erschütterungen gewährleistet. Um diese Erschütterungsfreiheit noch weiter zu verbessern, kann weiter eine strichpunktiert angedeutete gelenkige, verlust- und trägheitsarme dritte Lagerung im Knotenpunkt B vorgesehen sein, die wiederum beispielsweise eine weitere biegsame Stütze 23 ist.

Die in den Fig. 1 und 3 gezeigte Biegeschwingungsanordnung kann aufgrund entsprechender Längen- und Materialwahl für den Biegeschwinger 11, den Biegesteg 12 und die biegsame Stütze 14 gemäß den in Pig,2 angedeuteten Schwingungsmoden schwingen. Danach weist das aus den Elementen 11,12 und 14 bestehende Btegungsschwingungssystem insgesamt vier Schwingungsknoten A, B, C und D auf. Der Drehspiegel 13 führt dabei die am Schwingungsknoten bzw, der Querachse Cauftretende Drehschwingung aus.

Zur Anregung der aus Fig,2 ersichtlichen Biegeschwingungen ist in der Mitte des Biegeschwingers bzw. -Streifens 11 seitlich eine Rückkopplungselektrode 16 angeordnet Die zwischen der Rückkopplungselektrode und der Masseelelctrode 21 abgegriffene Rückkopplungsspannung Urü ist im allgemeinen gegenüber der zwischen der Massenelektrode 21 und Biegestreifenelektroden 22 angelegten Frequenzgeneratorspannung t/phasenverschoben. Auch treten Resonanzüberhöhungen bei unerwünschten höherfrequenten Schwingmoden auf. Eine einwandfreie Unterdrückung der unerwünschter. Schwingmoden erfolgt deshalb mittels eines Bandpasses 18 zweiter Ordnung, 7 Τ>. eines Resonanzkreises geringer Güte, dessen Mittenfrequenz auf die mechanische Resonanzfrequenz ausgelegt ist und dem die Rückkopplungsspannung Um zugeführt ist Ein Tiefpaß wäre auch möglich.

Wep^n der im Resonanzfall viel größeren Phasensteilheit des piezoelektrischer. Übertragers UrJU gegenüber der Phasensteilheit des Eingangsfilters können Fertigungstoleranzen aufgefangen werden, so daß kein Abgleich erfolgen muß. Die vom piezokeramischen Biegeschwinger 11 herrührende Phasenverschiebung zwischen der Frequenzgeneratorspannung U und der Rückkopplungsspannung Ur₀ kann vor dem Eingang eines den Biegeschwinger 11 speisenden Verstärkers 17 mittels eines Phasenschiebers 19 korrigiert werden, der beispielsweise durch ein RC-Glied gebildet werden kann. Auf diese Weise kann ohne weiteres die Phasenbedingung der Schleifenverstärkung für das Anschwingen des Oszillatorkreises erfüllt werden. Die Amplitudenbedirigung läßt sich mit der Wahl der Verstärkung der nachfolgenden Verstärkerstuie und dem Überschwingungsverhältnis des Ausgangsübertragers in weiten Grenzen einstellen, so daß die Schwingungen auch bei Alterungs- und Temperatureffekten, die mit der Anwendung von Piezokeramik meistens verbunden sind, nicht abreißen können.

Wegen der festen Einspannung oder Anbringung des Biegeschwingers bzw. der biegsamen Stützen und des Biegestegs beträgt deren Länge nicht exakt sondern nur im wesentlichen λ/2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Lichtablenkvorrichtung mit einem um zwei Schwingungsknoten schwingenden piezoelektrischen Biegeschwinger als Antrieb für einen Drehspiegel, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeschwinger (11) an einem Ende ortsfest angebracht ist und am anderen Ende durch einen Biegesteg (12) verlängert ist, der seinerseits mit größerer Amplitude um zwei Schwingungsknoten schwingt, indem sein vom Biegeschwinger (11) abgewandtes Ende mit dem Drehspiegel (13) starr verbunden und dieser um eine Querachse (C) beweglich gelagert ist

2. Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch 1, da- \z durch gekennzeichnet, daß das vom Biegeschwinger (11) abgewandte Ende des Biegesteges (12) zur Bildung der Querachse (C) mit einer in Schwingungsebene senkrecht abstehenden, biegsamen Stütze (14) starr verbunden ist, die ihrerseits um diese Verbindungsteile einerseits und um ihre ortsfeste Verbindung andererseits als Schwingungsknotcn beweglich ist

3. Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Biegeschwingers (11) durch eine weitere derartige, biegsame Stütze (23) zwecks Festlegung des Schwingungsknotens ^gehalten ist

4. Lichtablenkvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegesteg (12) zur Verringerung des Trägheitsmoments hu'b so breit wie der Biegeschwinger (11) ausgebildet ist