DE3128469A1

DE3128469A1 - Verfahren und vorrichtung zum abtasten von strahlungsenergie

Info

Publication number: DE3128469A1
Application number: DE19813128469
Authority: DE
Inventors: Rochus 6720 Speyer Hien; Horst 6900 Heidelberg Vierling; Wolfgang 6901 Dossenheim Weigel
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1981-07-18
Filing date: 1981-07-18
Publication date: 1983-02-03
Also published as: US4560869A; DE3128469C2

Description

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Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten von Strahlungsenergie

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtasten von Strahlungsenergie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein solches Verfahren ist Gegenstand der DE-AS 23 32 245, Das hierbei zur Anwendung gelangende Gerät erlaubt für die zweite Kipplagervorrichtung lediglich einen einzigen Kippv-organg zwischen zwei definierten Stellungen. Das abgetastete Feld ist daher so groß wie die Detektor-Einzelelemente samt ihrer gegenseitigen Abstände. Dies führt zu einer nicht immer ausreichenden Bildauflösung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei gattungsgemäßen Verfahren die Auflösung zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Die auf diese Weise zu erzielende höhere Auflösung läßt sich ohne besonderen Aufwand mit handelsüblichen Bauelementen erzielen. Darüberhinaus ist auch eine Umrüstung bereits vorhandener und mit nur einem Kippvorgang pro Detektorfeld arbei.te.nder Geräte mit vergleichsweise geringem Aufwand nachträglich noch möglich.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt 05

Fig. 1 einen Schnitt durch die Lager- und Antriebsteile des Abtastspiegels,

Fig. 2 den Antrieb der Kipplagervorrichtung in Form eines Elektromotors, der mit einer Fe

derkraft zusammenwirkt - in Pfeilrichtung von Fig. 1 gesehen,

Fig. 3 eine Schemaskizze der Vorrichtung gemäß Fig. 1 - in Draufsicht,

Fig. 4 eine Ansicht der Fig. 3 in nach oben geklappter Darstellung,

Fig. 5 eine Variante des Antriebs gemäß Fig. 1

und 2 mit jeweils zwei beiderseits der Kippachse angeordneten Elektromagneten nebst Ansteuerung,

Fig. 6 das Blockschaltbild einer Variante des

Antriebs gemäß Fig. 1 und 2 mit je

einem Elektromagnet beiderseits der Kippachse,

Fig. 7 eine Variante des Antriebs gemäß Fig. 1

und 2 mit Feder auf der einen und Elektromagnet mit gegenüberliegendem Dauermagnet auf der anderen Seite der Kippachse,

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Fig. 8 eine weitere Antriebsvari'ante gemäß Fig. 1 und 2, wobei auf der einen Seite die Rotationsbewegung des Motors in eine Linearbewegung umgesetzt wird

" und eine Feder- oder magnetische Kraft

auf der anderen Seite der Kippachse entgegenwirkt,

Fig. 9 die Unterteilung eines Kippvorgangs der Kipplagervorrichtung pro Gesamtfeld in mehrere - hier vier - Teilkippvor

gänge,

Fig. 10 das Kurvendiagramm des horizontal schwingenden Abtastspiegels und 15

Fig. 11 zwei Möglichkeiten der Aufeinanderfolge der vier Teilkippvorgänge - bezogen auf Fig. 9.

In Fig. 1 läßt sich der Abtastspiegel 1 - zum Zweck einer Horizontalabtastuhg nach IR-Strahlungsenergie um die Abtastachse 2 und zum anderen auch noch um die Kippachse 3 bewegen. Letztere bildet hierbei mit der Abtastachse einen in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil angedeuteten Winkel. Außerdem ist die mit der Bezugszahl 4 bezeichnete optische Achse dargestellt, gegenüber der der Abtastspiegel 1 etwa unter 45° angeordnet ist. Die Abtastachse 2 ist Teil des Abtastspiegeis, der außerdem an dem Kardanrahmen 5 befestigt ist und über den Motor 6 um die Abtastachse angetrieben wird. Mit 8 ist sodann das der Lagerung des Kardanrahmens 5 (mit 1,6) und des Antriebes 9 dienende Gehäuse bezeichnet. Mittels des Antriebs 9 verursacht die Welle 10 über das abgewinkelt am Kardanrahmen angeformte Teil 12 eine Kraft auf den Kardanrahmen 5, der daraufhin um die Kippachse 3 kippt.

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In Fig. 2 ist der Antrieb 9 des abgewinkelten Teils 12, das zusammen mit dem Spiegel 1, der Abtastachse 2, dem Kardanrahmen 5 und dem Antrieb 6 die Kipplagervorrichtung bildet, nochmals für sich herausgezeichnet, und zwar in Blickrichtung von Pfeil 13 gem. Fig. 1. Dieser Antrieb 9 läßt sich in verschiedener Weise ausgestalten. Nachfolgend" seien fünf dieser Möglichkeiten aufgezeigt :

In den Fig. 3 und 4 ist - jeweils in verschiedener Ansicht - der Antrieb 9 in Form eines Elektromotors dargestellt. Derselbe ist hier ein linearer Schrittmotor, der den Abtastspiegel 1 samt Kardanrahmen 5 um die Kippachse 3 in definierten Schritten vor- und zurückbewegt.

Ein anderes Ausführungsbeispiel des Antriebs 9 zeigt Fig. 5. Hier wird über das abgewinkelte Teil 12 auf die Kipplagervorr. 1, 2, 5, 6, 12 mit Hilfe von auf beiden Seiten der Kippachse 3 angeordneten kombinierten Elektromagneten 9' bis 9 , die mit einer entsprechenden Ansteuerung versehen sind, eingewirkt. Im vorliegenden Beispiel sind die Magnete 9^M und 9¹¹¹ als Umkehrhubmagnete ausgebiltet. Die Kippbewegung wird wie folgt realisiert.

Kippstellung A: Magnet 9¹¹¹ positiv

Magnet 9^IV aktiv

Magnet 9 negativ

- Magnet 9¹ inaktiv

Kippstellung B: Magnet 9 aktiv

Magnet 9 negativ

Magnet 9^IV inaktiv

"- 10 -

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Kippstellung C: Magnet 9

Magnet 9 Magnet 9 Magnet 9

II III IV

Kippstellung D: Magnet 9

_ Magnet 9

Magnet 9

Kippstellung C: Magnet 9

Magnet 9 Magnet 9 Magnet 9

II III IV

Kippstellung B: Magnet 9

Magnet 9 Magnet 9 Magnet 9

Kippstellung A

II III IV

1 inaktiv

aktiv

inaktiv

aktiv

inaktiv

positiv negativ

negativ negativ

negativ positiv

Bei Positivschaltung von Magnet 9 wird Teil 21, welches z.B. mit einem axial magnetisierten Dauermagneten

25 ausgestattet ist, gegen die Fläche 26 gezogen. Damit befindet sich Teil 21 mit seinem Anschlagende in Stellung A. Durch Aktivierung von Magnet 9 wird Teil 12 gegen den Anschlag von Tei1 21 gezogen und befindet sich in Stellung A. Magnet 9 wird für die

30 nachfolgende Kippstellung negativ geschaltet, dadurch Teil 24, welches wie' Teil 21 aufgebaut ist, gegen die Fläche 28 gezogen, wobei es von Feder 25 unterstützt wird.. Damit befindet sich Teil 24 mit seinem Anschlagende in Stellung B.

"^:*""' "*:* ίΐ -"" "^:" Ma/Kr/521³¹²⁸^⁶⁹ Kippstellung B j

Teil 24 befindet sich in Stellung B, Magnet 9¹¹ bleibt negativ geschaltet.

Magnet 9 wird aktiviert und dadurch Teil 12 gegen

den Anschlag von 24 gezogen. Teil 12 befindet sich in Stellung B.

Magnet 9 wird für die nachfolgende Kippstellung negativ geschaltet. Teil 21 wird dadurch gegen die Fläche

29 gezogen und dabei durch die Feder 22 unterstützt. Teil 21 befindet sich in Stellung C.

Kippstellung C

Durch Aktivierung von Magnet 9 wird Teil 12 gegen den Anschlag von Teil 21 gezogen und befindet sich damit

in Stellung C. ^!

Magnet 9 wird positiv geschaltet. Teil 24 wird gegen j

die Fläche 27 gezogen. Teil 24 mit seinem Anschlagende '

befindet sich in Stellung D. '

Kippstellung D ^!

Teil 24 befindet sich bereits in Stellung D. Magnet 9 bleibt positiv. Magnet 9 wird aktiviert und Teil 12 gegen den Anschlag von Teil 24 gezogen. Teil 12 befindet sich in Stellung D.
Magnet 9ⁱⁿ
Stellung C.

Magnet 9 verbleibt negativ, somit Teil 21 in

Kippstellung C ι

Teil 21 befindet sich bereits in Stellung C, Magnet 9¹ ist negativ. Magnet 9 wird aktiviert. Teil 12 wird auf Anschlag von Teil 21 gezogen und befindet sich in Stellung C. Magnet 9 wird negativ geschaltet, dadurch Teil 24 in Stellung B gebracht^

Kippstellung B

Teil 24 befindet sich in Stellung B, Magnet 9¹¹ bleibt negativ. Magnet 9 wird aktiviert und Teil 12 in Stellung B gezogen. Magnet 9 wird positiv geschaltet und Teil 21 in Stellung A gebracht.

Wieder ein anderes Ausführungsbeispiel des Antriebs ist aus Fig. 6 ersichtlich, wo auf beiden Seiten der Kippachse 3 jeweils ein entsprechend angesteuerter, die Kippbewegung bewirkender Elektromagnet angeordnet ist. Der Positionsaufnehmer 14 detektiert die Kippstellung und wandelt diese Information in ein elektrisches Signal um. Dieses Signal wird in dem Verstärker 15 verstärkt und in der Vergleicherstufe 16 mit der Sollvorgabeeinheit 17 (Kippstellungsvorgabe), die mit dem Abtastspiegel in Verbindung steht, verglichen. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Vergleicherstufe werden mittels der Ansteuerschaltung die beiden Elektromagnete angesteuert. Die Sollvorgäbe, das heißt die Kippstellung, wird immer nur im Abtastumkehrpunkt "geändert.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Antriebs 9 geht aus Fig. 7 hervor, wo die Kippbewegung durch einen Elektromagnet, z.B. 9¹, auf der einen Seite der Kippachse erzeugt wird, der gegen die auf der anderen Seite der Kippachse angebrachte Feder 13 drückt. Die Feder drückt ihrerseits auf das abgewinkelte Teil 12 in -Richtung Elektromagnet. Durch Steuerung der Erregerspannung wird das Teil 12 mittels des an ihm befestigten Dauermagneten 19 definiert in die entsprechende Kippstellung gebracht.

Ein letztes Ausführungsbeispiel des Antriebs 9 ist in Fig. 8 gezeichnet» wo die Kippbewegung dadurch zustande kommt, daß die Rotationsbewegung des mit einem Entkoder (Schrittgeber) versehenen Motors 9 über den z.B. in Form eines Getriebes 20 mit Spindel 21 ausgebildeten Umsetzer 20, 21 in eine Linearbewegung transformiert wird. Letztere wirkt einseitig auf das Teil 12 der Kipplagervorrichtung ein. Als konstante Gegenkraft kann die Feder 13 oder der Elektromagnet mit dem Dauermagnet 19 Verwendung finden, die hier durch einen Pfeil symbolisiert sind. Die elektrische Ansteuerung trägt die Bezugszahl 18.

Allen Ausführungsbeispielen ist gemein, daß mit ihnen die jeweils während einer Totzeit in der Abtastbewegung des Spiegels 1 erfolgende Kippbewegung gesteuert wird. Der Antrieb 9 ist dabei so ausgelegt, daß das während eines Kippvorganges abgetastete Feld kleiner ist als das Gesamtfeld aller in vertikaler Richtung mit gleichgroßen Abständen aneinandergereihten IR-Detektor-Einzelelemente 22 (Fig. 9).

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Auf diese Weise werden zum einmaligen Abtasten eines Gesamtfeldes mehrere Kippvorgänge benötigt. In vorstehenden Beispielen wird e i η Gesamtfeld mit jeweils vier Kippbewegungen in vertikaler Richtung einem sog. 4-fachen Zeilenversatz - abgetastet, wobei dieses Feld etwas größer ist als alle Einzelelemente und ihre gegenseitigen Abstände zusammengenommen. Bei anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist es selbstverständlich möglich, den Kippvorgang für das einmalige Abtasten eines Gesamtfeldes in weniger oder auch mehrere Zeilenversätze zu unterteilen, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde. Die Häufigkeit der Unterteilung ist ein Kompromis zwischen der erforderlichen Auflösegenauigkeit auf der einen und der Wirtschaftlichkeit einer solchen Vorrichtung auf der anderen Seite.

In den Fig. 9 bis 11 ist die Zerlegung eines Kippvorgangs in vier Abschnitte verdeutlicht. In Fig.

schwingt der Abtastspiegel 1 mit Dreieckfunktion im Azimut, während Fig. 11 in Verbindung mit Fig. 9 gesehen zwei Möglichkeiten der Zerlegung eines Kippvorgangs in vier Teilkippvorgänge darstellt, die während der Totzeit der horizontalen bzw. azimutalen Abtastbewegung des Spiegels alternierend beiderseits des IR-Detektors erfolgen. In der oberen Kurve von Fig. ist die Schrittfolge - bezogen auf Fig. 9 - 1, 3, 2, 4, während sie in der unteren Kurve 1, 2, 3, 4 lautet. Entsprechend wird im letzteren (unteren) Fall aus der Anfangsstellung heraus um eine volle Elementenhöhe nach abwärts, sodann auf der anderen Feldseite um halbe Elementenhöhe nach aufwärts und abschließend - wieder auf der Ausgangsseite um eine Elementenhöhe nach aufwärts gekippt. Im anderen (oberen) Fall wird aus der Anfangsstellung heraus zunächst um halbe Elementenhöhe

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nach abwärts, sodann auf der anderen Feldseite nochmals um halbe Elementenhöhe nach abwärts und abschließend - wieder auf der Ausgangsseite um 1 1/2 Elementenhöhen nach aufwärts gekippt.

Im einzelnen bedeutet dies: Wenn s4ch der Abtastspiegel 1 in Stellung von Fig. 9a (Schritt 1) befindet, daß sich die in den Zeilen a enthaltene Information unter den Einzelelementen 22 befindet und man die in den Zeilen a' enthaltene Information während des ersten Spiegel-Durchlaufs nicht erhält.

Befindet sich der Abtastspiegel 1 in Stellung von Fig. 9b (Schritt 2)_y liegt die in den Zeilen a¹ enthaltene Information - nach Kippen des Spiegels während der Totzeit um die Kippachse 3 um den Betrag einer Elementenbreite - unter den Einzelelementen 22. Die Zeilen a liegen jetzt zwischen den Einzelelementen.

Befindet sich der Abtastspiegel 1 in Stellung von Fig. 9c (Schritt 3), so ist der Spiegel nach dem Rücklauf - während der Totzeit - um Kippachse 3 um die Hälfte einer Einzelelementbreite nach oben gekippt. Dadurch liegt die Information der Zeilen a und a' jetzt zur Hälfte auf den jeweiligen Einzelelementen.

Befindet sich der Abtastspiegel 1 schließlich in Stellung von Fig. 9d (Schritt 4), so ist der Spiegel nach dem zweiten Durchlauf - während der Totzeit - wieder um eine halbe Einzelelementbreite nach oben gekippt. Auch hier liegt die Information der Zeilen a und a¹ zur Hälfte auf den jeweiligen Einzelelementen, jedoch auf deren oberer Hälfte.

Leerseite

Claims

Ma/Kr/521

ELTRO GMBH GESELLSCHAFT FÜR STRAHLUNGSTECHNIK 6900 Heidelberg, Kurpfalzring 106

Patentansprüche

Verfahren zum Abtasten von Strahlungsenergie mit Hilfe eines IR-Abtastspiegels, dessen Vorderseite Strahlungsenergie auf einen aus einem linearen Feld von Einzelelementen zusammengesetzten IR-Detektor wirft, der nach optoelektronischer Umwandlung entsprechende elektrische Signale abgibt, ferner mit Hilfe einer die Strahlungsenergie über den IR-Detektor lenkenden beweglichen Spiegelhalterung, die eine erste Kipplagervorrichtung für eine horizontale Abtastbewegung zum Halten des Abtastspiegels in einer vertikalen Ebene und eine zweite Kipplagervorrichtung für eine vertikale Bewegung zum Halten des Abtastspiegels in einem Winkel zur ersten Kipplagervorrichtung aufweist sowie mit Hilfe eines den Ab-

Ί5 tastspiegel um die erste Kipplagervorrichtung schwingenden ersten Antriebs und eines ihn um die zweite Kipplagervorrichtung in derjenigen Zeitperiode kippenden zweiten Antriebs, in der sich der Abtastspiegel auf einer der beiden Seiten des IR-Detektors, also in einer Totzeit bezüglich der horizontalen Abtastbewegung_>befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kipplagervorrichtung (1, 2, 5, 6, 12) - während der Totzeit der ho-.rizontalen Abtastbewegung - über das in vertikaler Richtung mit gegenseitigem Abstand voneinander angeordnete Feld von Detektor-Einzelelementen (22)

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so bewegt wird, daß das bei dieser Kippbewegung abgetastete Feld kleiner ist als das Gesamtfeld der Detektor-Einzelelemente und ihrer Abstände.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld von η Detek- ~ tor-Einzelelementen (22) mit n-1 Abständen gleicher Größe mit jeweils zwei beiderseits des Feldes erfolgenden Kippbewegungen abgetastet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kenn nzeichnet, daß in der ersten Totzeit aus der Anfangsstellung dieser Feldseite um eine Elementenhöhe abwärts, sodann in der zweiten Totzeit auf der anderen Feldseite um halbe Elementenhöhe aufwärts und abschließend in der dritten, sich wiederum auf der Ausgangsseite ergebenden Totzeit um eine Elementenhöhe nach aufwärts gekippt wird (Fig. 9 u. 11b).

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Totzeit aus der Anfangsstellung dieser Feldseite um halbe Elementenhöhe nach abwärts, sodann in der zweiten ■ Totzeit auf der anderen Feldseite nochmals um halbe Elementenhöhe nach abwärts und abschließend in der dritten, sich wiederum auf der Ausgangsseite ergebenden Totzeit um 1 1/2 Elementenhöhen nach aufwärts gekippt wird (Fig. S:«u 11a).

5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche

1 bis 4, d adurch gekennzeich-n e t , daß die Kippbewegung über einen linearen Schrittmotor erzeugt wird (Fig. 3 u. 4).

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ι Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippbewegung über je ein beiderseits der Kippachse (3) angeordnetes, ansteuerbares Elektromai
(Fig. 5).

Elektromagnete-Paar (9¹ bis 9 ■) erzeugt wird

7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 b i s 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kippbewegung über je einen beiderseits der Kippachse (3) angeordneten, ansteuerbaren Elektromagnet (9^V; 9^VI) erzeugt wird (Fig. 6).

8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1bis4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippbewegung über eine vorgespannte Feder (13) auf der einen Seite und einen Elektromag-

net (9 ) mit einem ihm gegenüberliegend am Teil (12) befestigten Dauermagnet (19) auf der andersen Seite erzeugt wird (Fig. 7).

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche und unter Verwendung einer mittels eines Antriebs (6) um eine erste vertikale Achse (2) schwenkbaren ersten Kipplagervorrichtung und einer mittels eines weiteren Antriebs (9) um eine - mit der vertikalen Achse einen Winkel bildenden - zweite Achse (3) kippbaren zweiten Kipplagervorrichtung, wobei die zweite Kipplagervorrichtung im wesentlichen aus einem Kardanrahmen (5), einem daran angeformten, abgewinkelten Teil (12), dem in dem Rahmen über die erste Achse (2) gelagerten Abtastspiegel (1), dessen Antrieb (6)

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und der Halterung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Antrieb (9) für die um die Kippachse (3) bewegbare zweite Kipplagervorrichtung (1, 2, 5, 6, 12) sich aus beiderseits des abgewinkelten Teils (12) angeordneten und auf dieses wechselseitig oder sich ergänzend einwirkenden motorischen, (elektro)magnetischen oder auf_der einen Seite aus motorischen oder (elektromagnetischen und auf der anderen Seite aus federnden mechanischen Mitteln (9 bis 9^VI1, 13, 19 bis 21) zusammensetzt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiderseits des abgewinkelten Teils (12) angeordneten magnetischen Mittel aus jeweils zwei miteinander funktionell kombinierten ansteiuerbaren Elektromagneten (9¹ bis 9 ) besteht, von denen die beiden außen liegenden Elektromagnete (9¹¹; 9¹¹¹J als Umkehrhubmagnete ausgebildet sind (Fig. 5).

11. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 9, geke η η z e i c h η e t durch je einen beiderseits des abgewinkelten Teils (12) angeordneten ansteuerbaren Elektromotor (9 ; 9 ) sowie folgende, sich der Reihe nach anschließende und herden Motoren gemeinsame Baugruppen, wie einen die Kippstellung detektierenden und diese Information in elektrische Signale umwandelnden Positionsaufnehmer (14), einen die elektrischen Signale verstärkenden Verstärker (15) und einen diese Signale mit Signalen einer mit dem Abtastspiegel (1) verbundenen Sollvorgabeeinheit (17) vergleichenden Vergleichsstufe (16), deren Ausgangssignale über eine Ansteuerschaltung (18) die beiden Motoren ansteuern (Fig. 6.) ι

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12. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9,! dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb auf der einen Seite des abgewinkelten Teils (12) aus einer vorgespannten Feder (13) besteht, der auf der anderen Seite ein Elektromagnet (9') gegenüberliegt, der durch Steuerung seiner Erregerspannung mit einem auf dem abgewinkelten Teil ihm gegenüberliegend befestigten Dauermagnet (19) zusammenwirkt (Fig. 7).

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb auf der einen Seite des abgewinkelten Teils (12) aus einem mit einem Entkoder versehenen Motor (9 ) besteht, dessen Rotationsbewegung über einen sich aus Getriebe (20) und Spindel (21) zusammensetzenden Umsetzer (20, 21) linearisiert auf die eine Seite des abgewinkelten Teils einwirkt, der auf der anderen Seite eine konstante Gegenkraft in Form der Feder (13) oder eines mit einem Dauer-' magneten (19) kombinierten Elektromagneten (9¹) entgegenwirkt (Fig. 8).