DE3035315C2

DE3035315C2 - Piezoelektrische Lichtablenkvorrichtung

Info

Publication number: DE3035315C2
Application number: DE3035315A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 7809 Denzlingen Lauer; Dietmar 7801 Pfaffenweiler Pfefferle
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1980-09-18
Filing date: 1980-09-18
Publication date: 1984-07-12
Also published as: EP0048364A3; EP0048364A2; US4436364A; DE3035315A1; EP0048364B1

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Lichtablenkvorrichtung mit einem Spiegel, insbesondere einem Planspiegel, der von zwei piezoelektrischen, einseilig eingespannten Biegestreifen zu einer Drehschwingbewegung anregbar ist, wobei die piezoelektrischen Biegestreifen mit ihren von der Einspannseite abgewandten Enden einander mit Abstand gegenüberliegend in einer Ebene angeordnet und von einer Wechselspannung derart beaufschlagt sind, daß sie in Gegenphase schwingen, und der Spiegel parallel zu den beiden Biegestreifen im Bereich von deren freien Enden angeordnet und über je ein elastisches Glied mit den Enden der Biegestreifen verbunden ist.

Bei derartigen Lichtablenkvorrichtungen besteht stets die Gefahr, daß als Folge entweder von mechanischen Impulserregungen oder von Sprüngen in der elektrischen Generatorspannung mechanische Eigen schwingungen auftreten, die sich der gewollten quasistatischen Auslenkung überlagern.

Bei einer bekannten piezoelektrischen LichlablenkvoTichtung der eingangs genannten Art erfolgt die Erregung der pie/oeli.·!'mischen Biegesireifen ausschließlich durch eine vorgegebene Spannung einer Wcchselspannungsquclle. Die insbesondere bei mechanischen Impulserregungen oder bei Err'egerspannungssprüngen auftretenden unerwünschten Schwingungsmoden bzw. Eigenschwingungen werden bei dieser bekannten Anordnung weder erfaßt noch gedämpft.

Ferner ist bereits eine Lichtablenkvorrichtung beschrieben, bei der ein Drehspiegel am freien Ende eines fußseitig fest eingespannten und in Resonanz betriebenen Torsionsstabes angebracht ist, dessen Schwingungsamplitude durch einen induktiven Bewegungsauf- nehmer erfaßt wird. Die auf diese Weise ermittelte Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers bzw. des Drehspiegels wird mit einem Sollwert verglichen. Das sich ergebende Fehlersignal wird zur Regelung der Schwingungsamplitude des mechanischen

•i5 Schwingers ausgenutzt, wobei die Anordnung derart ausgelegt ist, daß die maximale Schwingungsamplitude bei vorgegebener Frequenz, nämlich der Resonanzfrequenz des Torsionsstabs, konstantgehalten wird.

Bei piezoelektrischen Biegeschwingern treten nun re-

lativ kleine Auslenkungen auf, so daß beispielsweise induktive, oder auch kapazitive Bewegungsaufnehmer unmittelbar in Spiegelnähe, d. h. im Bereich der größten Schwingungsamplitude, vorgesehen sein müßten. Am Biegeschwinger müßten hierzu zusätzliche Elemente, wie beispielsweise Magnete, angebracht werden. Dies wäre jedoch einerseits mit einem relativ großen Aufwand verbunden und würde andererseits zu einer erhöhten mechanischen Belastung des Schwingungssystems führen.

Unter dem Begriff Piezoelektrizität oder piezoelektrischer Effekt ist allgemein die Entstehung von Elektrizität durch Unterdrucksetzen von Kristallen als auch das Auftreten einer Deformation von Kristallen beim Anlegen eines elektrischen Feldes zu verstehen (vgl.

beispielsweise Mayers Handbuch über die Technik, 2. neu bearbeitete Auflage, sowie Das Bertelsmann Lexikon, Band 8,1974).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besieht nun darin, eine Lichtablenkvorrichtung der eingangs ge- nannten Gattung zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und möglichst geringem elektronischem Aufwind auch über einen größeren Frequenzbereich der elektrischen Erregerspannung hinweg eine der Erregerspannung proportionale Drehschwingbewegung des Spiegels ge- währleistet und insbesondere auch bei Auftreten von mechanischen Impulserregungen oder Spannungssprüngen weitgehend frei von mechan^:schen Resonanzerscheinungen ist. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zur Gewinnung eines für die Drehschwingbewegung des Spiegels repräsentativen Rückkopplungssignals auf wenigstens einem der von der Wechselspannung mit einer von der mechanischen Eigenfrequenz im allgemeinen deutlich verschiedenen Grundfrequenz be- aufschlagten piezoelektrischen Biegestreifen eine die Ladungsänderungen des erregten Biegestreifens erfassende Rückkopplungselektrode angebracht ist und daß das an der Rückkopplungselektrode abgegriffene Riickkopplungssignal über einen das Amplitudenverhältnis

bo nicht ändernden Allpaß mit einer Gesamtverzögerung von einer halben Periodendauer der mechanischen Eigenschwingung des piezoelektrischen Biegestreifens auf den Hingang zurückgeführt ist.

Aufgrund dieser Ausbildung der Lichiublenku.rrich-

b^r) Hing ist die Drehschwingbewegung ties Spiegels im gesamten Frequenzbereich unterhalb der Resonanzfrequenz des einfachen mechanischen Schwinggebildes proportional zur angelegten elektrischen Spannung.

Durch das auf den Eingang zurückgeführte und um eine halbe Periodendauer der mechanischen Eigenschwingung des piezoelektrischen Biegestreifens verzögerte Rückkopplungssigna! werden die etwa bei einer sprungariigen Anregung, wie beispielsweise bei cechteckförmigem oder sägezahnförmigem Spannungsverlauf, oder bei mechanischen Impulserregungen auftretenden Eigenschwingungen unterdrückt. Es handelt sich hierbei trotz der Rückkopplung nicht um eine Regelung, sondern um eine besondere Steuerung des piezoelektrischen Aktuators. Mit der Zeitverzögerung über den für die Frequenzanteile des Signals eine konstante Dämpfung und eine frequenzproportionale Phase aufweisenden Allpasses wird die Spannung (beispielsweise Sägezahn, Dreieck oder Rechteck) am auszulenkenden Piezoelement über die Rückkopplungsanordnung derart modifiziert, daß bereits das Entstehen von Eigenschwingungen unterdrückt wird. Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, daß Eigenschwingungen, die bei einer einfachen Sprungerregun^ entstehen, durch einen treppenförmigen Sprung verhindert werden können. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch darin zu sehen, daß eine exakte Einstellung eines treppenförmigen Erregersignals entfällt und Toleranzen weitgehend eliminiert werden. Die Erregerspannung am Piezoelement ist zwar nicht exakt treppenförmig, doch der Effekt ist der gleiche. Ein beispielsweise sprungförmiges Erregersignal wird nämlich durch die angegebene Rückkopplung derart modifiziert, daß bereits das Entstehen von Eigenschwingungen unterdrückt wird.

Durch die Verwendung einer unmittelbar die Ladungsverschiebungen der angeregten Biegestreifen erfassenden Rückkopplungselektrode ist nur ein sehr geringer elektronischer Aufwand, und für die eigentliche Erfassung der Schwingungsamplitude praktisch kein mechanischer Aufwand erforderlich. Die Elektrode kann relativ klein ausgebildet sein und führt zu keinerlei mechanischen Belastung des Schwingungssystems, was bei den relativ kleinen Abmessungen der Anordnung von äußerst großem Vorteil ist. Abgesehen davon, daß die Rückkopplungselektrode zu keinerlei mechanischen Beeinflussung des Schwingers führt, sind die über diese Elektrode erhaltenen Rückkopplungssignale relativ groß. Bei dieser Lichtablenkvorrichtung werden die Biegeschwinger somit elektrisch angeregt und gleichzeitig die durch die elektrische Anregung erzeugten mechanischen Schwingungen über die dabei auftretenden Ladungsverschiebu.igen erfaßt und auf äußerst einfache Weise zur Steuerung der Biegeschwingungen ausgenutzt.

Zweckmäßigerweise ist die Rückkopplungselektrode itn mittleren Teil des Biegestreifens vorgesehen. Die Rückkopplungselektrode ist somit im Bereich einer solchen Stelle auf dem piezoelektrischen Biegestreifen angebracht, an der bei einer auftretenden mechanischen Eigenschwingung im allgemeinen die größte Ladungsänderung stattfindet. Es sind somit gewissermaßen Aufnehmerelement und abgestimmter Bandpaß bereits durch den mechanischen Aufbau realisiert, so daß Schaltungsaufwand eingespart und die Zuverlässigkeit der Vorrichtung erhöht wird. Die Phasenverschiebung beträgt an dieser Stelle im wesentlichen 90°, so daß das Rückkopplunj;ssignal im Allpaß eine zusätzliche Verzögerung von in) wesentlichen dem gleichen Betrag erfahren muß. so daß das auf den Eingang zurückgeführte und zur Erregerspannung addierte Rückkopplungssignal an diesem Eingang eine Verzögerungszeil aufweist.

die halb so groß wie die Periodendauer der mechanischen Eigenschwingung ist. Zwischen die Rückkopplungseiektrode und den Allpaß kann zweckmäßigerweise ein Ladungsverstärker geschaltet sein.

Bei der erfindungsgemäßen Lichtablenkvorrichtüng werdfcti im Vergleich zu Vorrichtungen mit mechanischer Bedärnpfuhg erheblich kürzere Anstiegszeiten erreicht. Die Toleranzcmpfindlichkeil der Anordnung ist relativ gering.

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

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht einer efiindungsgemäßen piezoelektrischen Lichtablenkvorrichtung,

F i g. 2 eine Draufsicht des Gegenstandes der F i g. 1 und

■ F i g. 3 eine bevorzugte Schaltungsanordnung zum Betreiben der Lichtablenkvorrichtung nach den Fig. 1, 2.

Nach den Fig. 1, 2 sind in zwei im Abstand gegenüber angeordneten gestelifesten Blöcken 20 zwei piezokeramische bzw. piezoelektrische Biegestreifen 11, 12 so eingespannt, daß sie in einer Ebene liegen und mit ihren freien Stirnseiten 15 in einem geringfügigen Abstand χ einander gegenüberliegen. Nach F i g. 2 haben die beiden Biegestreifen 11, 12 im wesentlichen Rechteckform, wobei die einander gegenüberliegenden Stirnseiten 15 in dem Abstand Af parallel zueinander verlaufen. Aus den von den freien Stirnseiten 15 abgewandten Flächen der Blöcke 20 stehen Erdanschlußelektroden 21 der Biegestreifen 11,12 vor.

Wesentlich ist, daß die beiden Biegestreifen 11, 12 gegensinnig polarisiert in die Blöcke 20 eingespannt sind, was durch gegenläufige Pfeile in F i g. 1 angedeutet ist.

An den gegenüberliegenden freien Stirnseiten 15 der Biegestreifen 11,12 sind im rechten Winkel kurze biegsame Kunststoffstege 14 befestigt, welche einen oberhalb des Spaltes zwischen den beiden Biegestreifen 11, 12 im Abstand angeordneten Spiegel 13 tragen. Die oberen Enden der Kunststoffstege 14 sind mit der Unterseite des symmetrisch darauf angeordneten Spiegels 13 fest verbunden.
Über an der Ober- und Unterseite der Biegestreifen 11, 12 angeordnete Elektroden ?2 wird die die beiden Biegestreifen 11,12 zu einer gegenphasigen Schwingbewegung anregende Spannung U zugeführt. Die Mittelschicht ist über die Erdanschlußelektroden 21 an Erde gelegt.

Im Biegestreifen 11 ist seitlich eine Rückkopplungselektrode 16 angeordnet, zwischen der und der einen Erdanschlußelektrode 21 eine Rückkopplungsspannung Uro abgenommen werden kann.
Nach Fig.3 wird von einem Funktionsgenerator 23 eine elektrische Spannung erzeugt, welche über ein Summierungsglied 24 und einen Verstärkerteil 17 zwischen die Elektroden 22 der Biegestreifen 11, 12 und Erde gelegt ist. Der Spannungsverlauf kann sägezahnförmig sein. Wegen der Rückkopplung muß auch die Resonanzfrequenz enthalten sein. Die von der Rückkopplungselektrode 16 abgenommene Rückkopplungsspannung Urii wird einem Ladungsverstärker 18 zugeführt, an den ein Allpaß 19 angeschlossen ist. Im Summierungsglied 24 wird das verzögerte Rückkopplungssignal zur Ausgangsspannung des Funktionsgenerators addiert.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:

Durch das Anlegen der Spannung U an die Biegestreifen 11, 12 werden diese zu einer gegenphasigen Schwingbewegung angeregt, welche eine dementsprechende Schwingbewegung des Spiegels 13 um eine auf der Ebene der F i g. 1 senkrecht stehende Achse hervorruft.

Eine Auslenkung des piezokeramischen Biegestreifens 11 bewirkt eine Ladungsänderung an der Rückkopplungselektrode 16. Diese wird über den Ladungsverstärker 18 verstärkt. Die Spannung am Ausgang des Ladungsverstärkers 18 ist ein Abbild der Drehschwingbewegung des Spiegels 13, und zwar verschoben um eine Laufzeit r. Die Funktion des nachgeschalteten Allpasses 19 besteht darin, das rückgekoppelte Signal zu verzögern. Das verzögerte Rückkopplungssignal wird zur Eingangsspannup.g des Funktionsgenerators 23 in dem Summierglied 24 addiert. Die Gesamtvcrzögerungszeit soll halb so groß sein wie die Periodendauer der mechanischen Eigenschwingung. Dadurch wird erreicht, daß eine z. B. durch eine Sprungfunktion erregte Eigenschwingung nach der Zeit 772 sich selbst löscht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

25

30

35

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrische Lichtablenkvorrichtung mit einem Spiegel, insbesondere einem Planspiegel, der von zwei piezoelektrischen, einseitig eingespannten Biegestreifen zu einer Drehschwingbewegung anregbar ist, wobei die piezoelektrischen Biegestreifen mit ihren von der Einspannseite abgewandten Enden einander mit Abstand gegenüberliegend in einer Ebene angeordnet und von einer Wechselspannung derart beaufschlagt sind, daß sie in Gegenphase schwingen, und der Spiegel parallel zu den beiden Biegesireifen im Bereich von deren freien Enden angeordnet und über je ein elastisches Glied mit den Enden der Biegestreifen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung eines für die Drehschwingbewegung des Spiegels (13) repräsentativen Rückkopplungssignals (Urü) auf wenigstens einem der von der Wechselspannung mit einer von der mechanischen Eigenfrequenz im allgemeinen deutlich verschiedenen Grundfrequenz beaufschlagten piezoelektrischen Biegestreifen (11,12) eine die Ladungsänderungen des erregten Biegestreifens (11, 12) erfassende Rückkopplungselektrode (16) angebracht ist und daß das an der Rückkopplungselektrode abgegriffene Rückkopplungssignal über einen das Amplitudenverhältnis nicht ändernden Allpaß (19) mit einer Gesamtverzögerung von einer halben Periodendauer der mechanischen Eigenschwingung des piezoelektrischen Biegestreifens auf den Eingang zurückgeführt ist.

2. Piezoelektrische Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungselektrode (16) im mittleren Teil des Biegestreifens(ll, 12) vorgesehen ist.

3. Piezoelektrische Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Rückkopplungs^lektrode (16) und den Allpaß (19) ein Ladungsverstärker (18) geschaltet ist.