DE69225360T2 - Verbessertes Verfahren und Schaltung, um eine elektromechanische Vorrichtung schnell und mit grosser Genauigkeit anzutreiben - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf vier US-Paralellannneldungen. Die erste, US-A-5,066,962, wurde an denselben Abtretungsempfänger abgetreten wie diese Annneldung. Die zweite, Nr.723.290, wird gleichzeitig mit dieser Patentanmeldung unter dem Titel "Strahlabtast-Galvanometer mit federnd gelagertem Spiegel" eingereicht. Die dritte, Nr.723.368, wird gleichzeitig mit dieser Patentanmeldung unter dem Titel "Strahlabtast-Galvanometer mit trägheitsarmem Spiegel und Magnet" eingereicht. Die vierte, Nr.728.910, wird gleichzeitig mit dieser Patentanmeldung unter dem Titel "Magnetischer Positionssensor" eingereicht.
• Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Treiben einer elektromechanischen Vorrichtung, z.B. eines Galvanometers, das schnell und mit äußerster Präzision, aber sehr viel wirtschaftlicher und effizienter als bekannte Systeme arbeitet.
• US-A-4,791,591 beschreibt eine Vorrichtung zum Korrigieren von Abweichungen von einer konstanten Abtastgeschwindigkeit eines Galvanometers, bei der zur Verringerung der Abweichungen von einer gewunschten, konstanten Abtastgeschwindigkeit ein nicht lineares Steuersignal zum Treiben des Galvanometers in Vorwärtsrichtung verwendet wird.
• Die vorliegende Erfindung ist mit besonderem Nutzen in einem Thermodrucker der in US-A- 5,066,962 beschriebenen Art einsetzbar, darauf aber nicht beschränkt. Im Falle dieses Druckers wird ein Bild dadurch thermisch auf ein Empfangselement (z.B. einen Diafilm) gedruckt, daß ein Laserstrahl ein auf das Empfangselement aufgelegtes Farbstoffgeberelement überstreicht. Der Laserstrahl wird mittels dem zu druckenden Bild entsprechender Eingabedaten moduliert, und der Strahl wird mittels eines elektromechanischen Galvanometers zeilenweise über das Empfangselement geführt, wobei das Galvanometer einen Spiegel dreht, der den Laserstrahl linear ablenkt. Um eine ausreichend hohe Auflösung zu erreichen, wie sie bei Diafilmen erforderlich ist, damit das projizierte Bild die gewünschte Schärfe aufweist, wird der Laserstrahl durch ein F-θ-Objektiv in einer Punktgröße von nur sieben Mikrometer (um) auf das zu druckende Element fokussiert. Die Punkte werden mit einer Teilung von 7 um aufgezeichnet, so daß sich eine Druckauflösung von etwa 4000 Punkten pro Zoll ergibt. Um das optische Bild auf dem Diafilm so perfekt wie möglich zu erzeugen, müssen die Laser-"Punkte" mit äußerster Präzision (innerhalb eines Mikrometers) positioniert werden. Diese Präzision muß absolut eingehalten und über Millionen von Betriebszyklen hinweg wiederholt werden. Da jedoch das Bild auf dem Film durch wiederholtes, zeilenweises "Aufzeichnen" (nicht in einem Arbeitsgang) erzeugt wird, muß die Scanbewegung des Galvanometerspiegels sehr linear und schnell und ohne schädliche Vibrationen erfolgen, und während des erneuten Positionierens (d.h. Rückführens) des Galvanometers für die nächste zu überstreichende Zeile darf es nur eine minimale Leerlaufzeit geben. Diese Anforderungen schaffen nur schwer zu überwindende Zwänge für den Galvanometermechanismus, seine Funktionsweise und seine Steuerungs- und Treiber- Schaltung.
• Die vorstehend genannten US-Patentanmeldungen beschreiben einen stark verbesserten Galvanometermechanismus. Dieses verbesserte Galvanometer weist innerhalb einer stationären elektrischen Treiberspule, die zum Teil von einem Eisen-Polstück umgeben ist, einen Drehmagnetanker auf Ein trägheitsarmer Spiegel mit optisch ebener Reflexionsoberfläche ist starr an dem Anker befestigt und kann sich um einen gegebenen Betrag (z.B. 7,8 Grad) gegenüber einer mittleren oder Ruhestellung in Plus- und Minusrichtung drehen. Der Spiegel liegt in einem Winkel von 45 Grad im Laserstrahl eines Thermodruckers, und wenn der Spiegel von einem äußersten Winkel zum anderen bewegt wird, überstreicht der Strahl linear ein zu bedruckendes Empfangselement. Der Drehanker des Galvanometers und sein Spiegel sind präzise in einer einzigen oberen und unteren Feder-Schwenklagerung gelagert, die das bequeme Verschwenken um eine definierte Achse ermöglicht, jedoch Reibung vermeidet und unerwünschte Bewegungen und/oder Vibrationen entlang anderer Achsen oder in anderen Richtungen verhindert. Außerdem sorgt die Schwenklagerung für eine sehr präzise und vorbestimmte Federspannung, die das Galvanometer und seinen Spiegel in der Ruheposition in einer zentrierten oder Nullstellung hält. Die Erfindung gibt ein verbessertes Verfahren für das wiederholte Überstreichen einer Zeile durch ein Galvanometer und dessen abgelenkten Strahl und eine elektrische Schaltung dafür an. Die Erfindung ermöglicht eine wesentlich höhere Präzision und Linearität der Überstreichbewegung und die sehr schnelle und präzise Rückführung des Galvanometers und des Spiegels für die nächste Überstreichbewegung praktisch ohne alle unerwünschte Schwingungen und überschießende Bewegungen, wie sie bei bekannten Treiberanordnungen vorkommen. Die Erfindung ist nicht allein auf den in den vorstehenden US-Patentanmeldungen beschriebenen Galvanometermechanismus beschränkt.
• Die Erfindung richtet sich auf ein verbessertes Verfahren und eine elektrische Schaltung zum Treiben und Steuern einer elektromechanischen Vorrichtung, z.B. des vorstehend beschriebenen Galvanometers mit Strahlablenk-Spiegel eines Thermodruckers. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine hochpräzise lineare und wiederholbare Vorwärts-Überstreichbewegung der Vorrichtung erzielt. Dies wird erreicht durch die folgenden Schritte: Erzeugen einer Befehlswellenform in Form eines elektrischen Signals mit einem ersten (Vorwärtsscan-) Segment, während dessen die Amplitude der Wellenform präzise entsprechend vorbestimmten gespeicherten Werten von einem Anfangswert mit nahezu perfekter Präzision in Abhängigkeit von der Zeit bis zu einem Endwert ansteigt, wobei jedes dieser Vorwärtsscansegmente regelmäßig mit der extremen Präzision einer kristallgesteuerten Uhr wiederholt wird. Am Ende eines jeden Vorwärtsscansegments der Wellenform wird ein schnelles Rückführsegment der Wellenform erzeugt, bei dem die Amplitude des Wellenformsignals sehr schnell in Abhängigkeit von der Zeit vom Endwert des vorausgehenden Vorwärtsscansegements abfällt. Während eines weiteren Teils des Rückführsegments bleibt dann die Amplitude auf einem negativen Wert oder in der Nähe eines solchen Werts, um einen glatten und präzisen Übergang in den Anfangs-Amplitudenwert des nächsten Vorwärtsscansegments zu erreichen. Die so erzeugten Vorwärtsscan- und Rückführsegmente ergeben eine Befehlswellenform, die dazu verwendet wird, die Vorrichtung (z.B. das Galvanometer) mit hoher Präzision und Wiederholbarkeit in ihren Vorwätsscanbewegungen zu steuern und zu treiben. Wegen ihres besonderen, nicht linearen Rückführsegments sorgt die Befehlswellenform für das erforderliche schnelle Rücksetzen der Vorrichtung und verhindert gleichzeitig überschießende Bewegungen und schädliche Schwingungen im Rückführbereich der Bewegung der Vorrichtung. Diese Art der Rückführung sorgt für einen glatten, prazisen Ubergang der Bewegung der Vorrichtung in den nächsten Vorwärtsscanabschnitt der Bewegung der Vorrichtung, und dieser Ablauf setzt sich mit exakter Wiederholbarkeit fort.
• Unter einem anderen Aspekt betrachtet, richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zum wiederholten Treiben einer elektromechanischen Vorrichtung mittels eines Betriebszvklus, der einen in einer ersten Zeitperiode auftretenden Vorwärtsscanbereich und einen nachfolgenden, in einer zweiten Zeitperiode auftretenden Rückführbereich aufweist, wobei diese zweite Zeitperiode kürzer ist als die erste Zeitperiode. Das Verfahren besteht aus den Schritten des Erzeugens einer Befehlswellenform und einer Positionswellenform und des Anlegens der Befehls- und Positionswellenformen an einen Servoantrieb, der an seinem Ausgang eine Treibersignalwellenform erzeugt.
• Die Befehlswellenform ist gekennzeichnet durch ein Vorwärtsscansegment, das eine gewünschte Vorwärtsbewegung der Vorrichtung definiert, und ein Rückführsegment, das nicht linear und kürzer als das Vorwärtsscansegment ist. Die Positionswellenform gibt die Position der elektromechanischen Vorrichtung während eines Arbeitszyklus an. Außerdem umfaßt die Vorrichtung den Schritt des Anlegens einer Servoantriebssignalwellenform an den Eingang einer elektromechanischen Vorrichtung zur Steuerung der Position und Bewegung der elektromechanischen Vorrichtung derart, daß die elektromechanische Vorrichtung sich während des Vorwärtsscanbereichs des Arbeitszyklus in einer gewünschten, dem Vorwärtsscansegment der Befehlswellenform entsprechenden Weise und während des Rückführbereichs des Arbeitszyklus derart bewegt, daß die elektromechanische Vorrichtung sich zu einem Anfangs-Startpunkt des Vorwärtsscanabschnitts des Arbeitszyklus zurückbewegt, ohne daß dabei ein Überschießen und/oder Schwingungen am Beginn des Vorwärtsscanabschnitts des nächsten Arbeitszyklus entstehen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine sehr vielseitig einsetzbare und kosteneffektive elektrische Schaltung zum Erzeugen der Befehlswellenform mit ihren Vorwärtsscan- und Rückführsegmenten und zum Treiben der Vorrichtung mit der gewünschten Präzision und Genauigkeit angegeben. Diese Schaltung umfaßt Kristalluhr- und Zählereinrichtungen, einen digitalen Speicher zum Speichern der Amplituden in Abhängigkeit von den Zeiten der Vorwärts- und Rückführsegmente einer gewünschten Befehlswellenform in "Nachschlagetabellen", einen Digital/Analog-Wandler zum Umwandeln der diskreten Ausgaben des Speichers in eine analoge Befehlswellenform mit den gewünschten Vorwärtsscan- und Rückführsegmenten und Servoantriebsmittel zum Vergleichen der Befehlswellenform mit einem von der Vorrichtung gelieferten Positionssignal (d.h. einer Vorrichtungs-Positionswellenform) und zum elektrischen Treiben der Vorrichtung derart, daß diese eine fehlerfreie, präzise gesteuerte Vorwärtsscanbewegung in Übereinstimmung mit der Befehlswellenform vollführt und eine schnelle Rückführbewegung ohne Überschießen in der Position erzeugt wird. Dieses Schaltung ist höchst vielseitig, prazise in der Funktion und kosteneffektiv.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 Ein Diagramm eines erfindungsgemäßen Laserdruckersystems mit einer Vorrichtung (Galvanometer);
• Fig. 2 eine elektrische Befehlswellenform entsprechend einem Aspekt der Erfindung zur Steuerung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einem Vorwätsscansegment und einem Rückführsegment pro Arbeitszyklus;
• Fig. 3 eine Positionswellenform der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in ausgezogenen Linien mit Vorwärtsscan- und Rückführsegmenten eines erfindungsgemäßen Arbeitszyklus und ferner in gestrichelten Linien überschleßende Bewegungen und Schwingungen der Vorrichtung am Ende eines Rückführsegments und auch noch am Beginn des nächsten Vorwärtsscansegments, wie sie auftreten können, falls die Vorrichtung nicht zweckmäßig und nicht erfindungsgemäß getrieben wird; und
• Fig. 4 eine elektrische Schaltung gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zur Steuerung und zum Treiben einer elektromechanischen Vorrichtung in Form eines Blockschaltdiagramms.
• In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Laserdrucksystem 10 schematisch dargestellt. Das System 10 besteht aus einem Laser mit zugehörigen Daten und einer logischen Steuerung 12, von dem ein modulierter Lichtstrahl (Lichtstrahl) 14 (durch parallele gestrichelte Linien dargestellt) ausgeht. Der Strahl 12 trifft auf einen reflektierenden Spiegel 16 auf, dessen genaue Winkelposition von einer Vorrichtung 18 gesteuert wird, bei der es sich vorteilhafterweise um ein Galvanometer der in den vorstehend genannten US-Patentanmeldungen beschriebenen Art handelt. Nachdem der Lichtstrahl 14 vom Spiegel 16 reflektiert wurde, passiert er ein "F-θ"-Objektiv 20, das den Strahl 14 auf einen sehr kleinen Punkt 22 fokussiert, der auf einem zu bedruckenden Druckelement (Empfangselement) 24 (z.B. einem zur Verwendung in einem Projektor bestimmten Diafilm) abgebildet wird. Dieses Element 24 wird unter dem Lichtpunkt 22 von einem Positioniermechanismus 26 gehalten und präzise positioniert. Der fokussierte Lichtpunkt 22, der vielleicht nur etwa 7 um breit ist, wird linear über das Druckelement 24 geführt (durch den Doppelpfeil 27 dargestellt), wenn der Spiegel 16 der Vorrichtung von einer Minusposition (-) in eine Plusposition (+) um seine Achse gedreht wird. Die Daten in Form von auf dem Druckelement 24 zu druckenden Punkten werden dem Laser 12 von einer Zentralprozessoreinheit (CPU) 30 aus zugeführt und modulieren den Lichtstrahl 14 während seiner linearen und synchronen Scanbewegung über das Druckelement 24. Die CPU 30 ist mit dem Positioniermechanismus 26 verbunden und steuert diesen.
• Die hier in einer Ruhe- oder Mittelposition dargestellte Vorrichtung 18 kann sich von einer Ruhe- oder Mittelstellung aus um einen bestimmten Winkelbetrag, z. B. ± 7,8º, in Plus- bzw. Minusrichtung drehen. Mit dem Verschwenken von einer negativen in eine positive Position lenkt der Spiegel 16 den Lichtstrahl 14 und seinen fokussierten Punkt 22 ab. Soll mit hoher Auflösung (z.B. 4000 Punkten pro Zoll oder mehr) gedruckt werden, muß die Bewegung oder das Uberstreichen des Punktes 22 über das Druckelement 24 extrem linear, sehr schnell und außergewöhnlich präzise erfolgen. Wenn z.B. ein Lichtpunkt 22 mit einer Druckauflösung von 4000 Punkten pro Zoll abgebildet wird, muß die Positionsgenauigkeit des Punkts auf dem Druckelement 24 innerhalb eines um oder darunter liegen. Dies wiederum bedeutet, daß der reflektierende Spiegel 16 noch genauer, mit hoher Geschwindigkeit und ohne jede Abweichung und wiederholt Millionen Male unverändert gesteuert werden muß. Außerdem muß der Spiegel 16 bei jedem Arbeitszyklus mit noch höherer Geschwindigkeit zurückgestellt werden, und bei dieser Rückstellung für den nächsten Arbeitszyklus darf der Spiegel 16 nicht einmal geringfügig uber seine nächste Startposition hinausschießen. Und es dürfen auch keine unerwünschten Schwingungen am Beginn und in der Anfangsphase des nächsten Zyklus auftreten. Während der Rückführung wird der Laserstrahl 14 abgeschaltet und zu Beginn des nächsten Zyklus wieder eingeschaltet. Die Erfindung stellt eine äußerst effektive und verbesserte Möglichkeit für die Steuerung dieser Überstreich- und Rückführbewegungen eines Arbeitszyklus bereit.
• Die mit einer (nicht dargestellten) elektrischen Treiberspule ausgestattete Vorrichtung 18 ist mit ihrer Spule über eine Stromleitung 31 mit einem Ausgang eines Servoantriebsmotors 32 der dem Fachmann bekannten Art verbunden. Außerdem umfaßt die Vorrichtung 18 ein (nicht dargestelltes) Positions-Detektorelement, das ein Signal erzeugt, das mit hoher Präzision der momentanen Position der Vorrichtung 18 in Abhängigkeit von der Zeit entspricht. Dieses Positions-Detektorelement und die Spule der Vorrichtung sind im einzelnen in der vorstehend genannten US-Patentanmeldung mit dem Titel "Strahlabtast-Galvanometer mit magnetischem Winkelpositions-Sensor" beschrieben. Dieses vom Detektorelement der Vorrichtung 18 gelieferte elektrische Signal, im folgenden "Vorrichtungs-Positionswellenform" 60 genannt, wird über eine Signalleitung 33 in den Eingang des Servoantriebsmotors 32 eingekoppelt. Ein zweiter Eingang des Servoantriebsmotors 32 ist über eine Signalleitung 34 mit einer Zeitsteuerschaltung 35 verbunden. Im Betrieb legt die Schaltung 35 ein elektrisches Ausgangssignal, im folgenden "Befehlswellenform" 40 genannt, an eine Leitung 34 an. Die Befehlswellenform 40, die im folgenden noch im einzelnen beschrieben wird, dient erfindungsgemäß dazu, die gewünschte Scanbewegung 18 zu bewirken. Jeder vollständige Zyklus einer Befehlswellenform 40 ist in ein Vorwärtsscansegment und ein Rückführsegment unterteilt. Aufgrund seiner Nachführaktion legt der Servoantrieb 32 über eine Stromleitung 31 Strom an die Spule der Vorrichtung 18 an, so daß die tatsächliche Bewegung der Vorrichtung 18 (d.h. ihre vorstehend beschriebene Bewegung von Negativ nach Positiv) während jedes Vorwärtsscansegments eines Arbeitszyklus präzise dem Vorwärtsscansegment der Befehlswellenform 40 entspricht, und dies auch bei allen weiteren Arbeitszyklen. Wie im folgenden noch im einzelnen erläutert wird, weist das von der Schaltung 35 erzeugte Rückführsegment der Befehlswellenform 40 eine ganz spezielle Form auf, so daß die Schaltung 35 in der Lage ist, die Vorrichtung 18 in Rückführrichtung mit hoher Geschwindigkeit zuruckzustellen, und zwar im wesentlichen ohne Überschießen oder Schwingungen, um mit genau wiederholbarer Präzision Zyklus für Zyklus jeweils mit einem weiteren Vorwährtsscansegment zu beginnen. Die Schaltung 35, der von der CPU 30 über mehrere Signalwege mit Leitungen 36a, 36b und 36c verschiedene Synchronisations- und Steuersignale zugeführt werden, wird im Zusammenhang mit Fig. 4 noch genauer beschrieben.
• In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Befehlswellenform 40 (z.B. das von der Schaltung 35 an die Leitung 34 angelegte elektrische Signal) grafisch dargestellt. Die Koordinaten der Wellenform 40 sind dabei hinsichtlich Amplitude und Zeit normiert, da die Erfindung nicht auf eine bestimmte Wertegruppe beschränkt ist. Ein kompletter Arbeitszyklus 42 der Befehlswellenform 40 weist eine Zeitdauer von vier horizontalen Einheiten und eine maximale Amplitude zwischen ihrem negativsten und ihrem positivsten Wert von mehr als drei Einheiten auf, bei annähernd gleichem Ausschlag von einer mit 44 bezeichneten "Nullinie" aus nach oben und unten. Jeder Zyklus 42 ist unterteilt in ein Vorwärtsscansegment 46 und ein Rückführsegment 48. Wie beispielhaft dargestellt ist, hat das Rückführsegment 48 eine Dauer von nur etwa 15% des Gesamtzyklus. Während der Rückführung wird der Laserstrahl 14 kurzzeitig abgeschaltet, und die Vorrichtung 18 mit ihrem Spiegel 16 (siehe Fig. 1) wird schnell in ihre Ausgangsposition zurückgestellt.
• Am Beginn eines Vorwärtsscansegments 46, der mit dem Beginn eines Zyklus 42 zusammenfällt, befindet sich die Befehlswellenform 40 auf einem negativen Wert (mit einem Punkt 50 bezeichnet) und steigt in Abhängigkeit von der Zeit präzise linear auf einen mit einem Punkt 52 bezeichneten positiven Wert an. Die Punkte 50 und 52 sind durch einen geraden Linienabschnitt 54 verbunden, dessen Dauer mit etwa 85% eines kompletten Zyklus 42 dargestellt ist. Der Mittelpunkt des geraden Abschnitts 54, der in der Zeichnung mit einem Punkt 56 bezeichnet ist, repräsentiert den Wert Null, der einer mittleren oder Ruhestellung der Vorrichtung 18 (siehe Fig. 1) entspricht. Während des geradlinigen Vorwärtsscanabschnitts 54 der Befehlswellenform 40 überstreicht der Lichtpunkt 22 (siehe Fig. 1) wie vorstehend beschrieben prazise und linear das Druckelement 24.
• Nachdem die Befehlswellenform 40 ihren obersten Wert 52 am Ende des Vorwärtsscansegments 46 erreicht hat, beginnt das Rückführsegment 48 der Wellenform 40. Während des Rückführsegments 48 folgt die Wellenform gemäß der Erfindung einem stark nichtlinearen Abschnitt (mit 58 bezeichnet). Im nichtlinearen Abschnitt 58 fällt die Amplitude zunächst rasch vom oberen Punkt 52 aus ab und folgt dann mit einem niedrigeren Wert einem glatten und im wesentlichen horizontalen Abschnitt bis zu einem Punkt 50, an dem der nächste Befehlswellenform-Zyklus 42 beginnt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung weist der nichtlineare Abschnitt 58 einen im wesentlichen "L-förmigen" Verlauf auf, wobei die Dauer des unteren Bereichs 59 im wesentlichen der Dauer des Rückführsegments 48 entspricht. Dabei ist jedoch zu beachten, daß der zu Beginn des unteren Bereichs 59 des nicht linearen Abschnitts 58 dargestellte Eckpunkt oder Übergang von der Vertikalen zur Horizontalen wie dargestellt etwas abgerundet verläuft. Wie im folgenden noch erläutert wird, können das lineare Vorwärtsscansegment 46 und das Rückführsegment 48 in einfacher Weise im Verhältnis zueinander verändert werden, und die tatsächliche Zeitdauer der beiden Segmente kann jeweils unabhängig voneinander nach Bedarf eingestellt werden. Wenn es z.B. zweckmäßig erscheint, die Überstreichgeschwindigkeit der Vorrichtung 18 zu erhöhen, kann die Zeitdauer eines Zyklus 42 der Befehlswellenform 40 entsprechend verringert werden, ohne daß dadurch die Präzision und Genauigkeit des Systems insgesamt wesentlich beeinträchtigt werden. Tatsächlich ist es möglich, die Überstreichgeschwindigkeit der Vorrichtung 18 aufgrund dieses Aspekts der Erfindung auf mehr als das Dreifache zu erhöhen, z.B. von einer Frequenz der Zyklen 42 von 20 Hz auf über 70 Hz. Das Rückführsegment 48 kann eine Länge von nur etwa 2 Millisekunden aufweisen, ohne daß dadurch die Vorwärtsscan-Präzision der Vorrichtung 18 insgesamt beeinträchtigt wird. Vorzugsweise sollte das Rückführsegment eine Dauer unter etwa 7 Millisekunden auvweisen. Wichtig ist jedoch, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 noch erläutert wird, daß der nichtlineare Rückführabschnitt 58 des Rückführsegments 48 nicht einfach als gerade Linie zwischen dem oberen Amplitudenpunkt 52 und dem unteren Amplitudenpunkt 50 verläuft.
• In Fig. 3 ist eine Positionswellenform 60 der Vorrichtung 18 (und ihres Spiegels 16) gemäß Fig. 1 in vollen Linien dargestellt. Die Wellenform 60, die entsprechend Fig. 2 mit normierten Koordinaten dargestellt ist, wird von dem (nicht dargestellten) Positions-Detektorelement der Vorrichtung 18 (gemäß Fig. 1) erzeugt und über die in Fig. 1 dargestellte Leitung 33 an den Servoantrieb 32 gemäß Fig. 1 angelegt. Die Wellenform 60 gibt die Position des Spiegels 16 in Abhängigkeit von der Zeit an. Die Positions-Wellenform 60 der Vorrichtung gemäß Fig. 3 hat einen mit 62 bezeichneten kompletten Funktionszyklus, der in ein Vorwärtsscansegment 64 und ein Rückführsegment 66 unterteilt ist, die beide in voll ausgezogenen Linien dargestellt sind. Das Vorwärtsscansegment 64 am Ahfang eines Zyklus 62 beginnt an einem negativen Amplitudenpunkt 68 und verläuft gleichmäßig entlang eines geradlinigen Abschnitts 70 zu einem positiven Amplitudenpunkt 72. Ein mit 74 bezeichneter Mittelpunkt des geradlinigen Abschnitts 70 entspricht einer mittleren oder Ruheposition der Vorrichtung 18 gemäß Fig. 1, und die horizontale "Nullinie" 44 in Fig. 3 entspricht jener in Fig. 2. Hier in Fig. 3 ist ersichtlich, daß die tatsächliche Position der Vorrichtung 18 während der Vorwärtsbewegung (und ihres fokussierte Lichtpunkts 22) einer exakt linearen Funktion von Amplitude und Zeit entspricht. Tatsächlich fällt die jeweilige Position der Vorrichtung bezuglich Amplitude und Zeit auf dem geradlinigen (linearen) Abschnitt 70 präzise mit der gewünschten Position bezuglich Amplitude und Zeit zusammen, die jeweils im Verlauf des geradlinigen Abschnitts 54 des Vorwärtsscansegments 46 der Befehlswellenform 40 gemäß Fig. 2 "befohlen" wird. Anders ausgedruckt: Der geradlinige Abschnitt 70 der Positionswellenform 60 der Vorrichtung gemäß Fig. 3 kann als im wesentlichen "kongruent" mit dem geradlinigen Abschnitt 54 der Befehlswellenform 40 gemäß Fig. 2 gedacht werden. Durch diese Funktionsweise wird die jeweilige Position des Lichtpunkts 22 während seines linearen Überstreichens des Druckelements 44 prazise gesteuert und überwacht, woraus eine hochpräzise, schnelle und exakt wiederholbare Vorwärtsscanbewegung des Lichtpunkts resultiert.
• Wenn die Postionswellenform 60 der Vorrichtung den am Ende eines Vorwärtsscansegements 64 liegenden positiven Amplitudenpunkt 72 erreicht, beginnt ein Rückführsegment 66 der Wellenform 60, das entlang eines rasch fallenden, sanft gebogenen, in vollen Linien ausgezogenen Abschnitts 76 bis zum Beginn des nächsten Vorwärtsscansegments 64 an einem negativen Amplitudenpunkt 68 verläuft. Wichtig ist, daß der gebogene Abschnitt 76 am Ende eines Rückführsegments 66 der Bewegung der Vorrichtung sanft in das nächste Vorwärtsscansegment 64 übergeht, ohne wesentliches Überschießen und wesentliche Schwingungen in das nächste Vorwärtssegment hinein. Der nächste Bewegungszyklus der Vorrichtung beginnt dann am negativen Amplitudenpunkt 60 und verläuft präzise entlang des nächsten geradlinigen Abschnitts 70 des Vorwärtsscansegments 64. Zu beachten ist dabei, daß die Form des Befehls- Rückführabschnitts 58 (in Fig. 2) von jener des Positions-Rückführabschnitts 76 der Vorrichtung gemäß Fig. 3 im wesentlichen abweicht. Jede bestehende Abweichung zwischen dem Befehls-Rückführabschnitt 58 und dem Positions-Rückführabschnitt 76 resultiert aus der hohen Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung 18 während der Rückführbewegung angetrieben wird, und dem stark verstärkten Trägheitseffekt der Vorrichtung. Außerdem gibt es praktische Grenzen für den elektrischen Spitzenstrom, der momentan an die Vorrichtung 18 angelegt werden kann. Wichtig ist jedoch, wie bereits erwähnt, daß die Bewegung der Vorrichtung in der Nähe des Endes des Rückführabschnitts 76 gemäß Fig. 3 glatt und ohne wesentliches Überschießen oder größere Schwingungen am negativen Punkt 68 in den nächsten linearen Vorwärtsscanabschnitt übergeht.
• Wenn der nichtlineare Rückführabschnitt 58 der Befehlswellenform 40 gemäß Fig. 2 nicht richtig verläuft, d.h. wenn z.B. der Rückführabschnitt 58 als gerade Linie vom oberen Punkt 52 zum unteren Punkt 50 verlaufen würde, würde dies zu unerwünschtem Überschießen und schädlichen Schwingungen der von der Befehlswellenform 40 gesteuerten tatsächlichen Bewegung der Vorrichtung 18 führen. Ein unerwünschter Zustand wie dieser ist aber der Vorwärtsscan-Präzision des Lichtpunkts 22 abträglich.
• In Fig. 3 gibt eine mit 78 bezeichnete gestrichelte Positionskurve die tatsächliche Bewegung der Vorrichtung wieder, wenn diese während des Rückführsegments 66 mit einer nicht erfindungsgemäßen Befehlswellenform (z.B. mit einem geradlinigen Rückführverlauf zwischen den Punkten 52 und 50 in Fig. 2) angetrieben wird. Dies führt zu beträchtlichem negativem Überschießen bis zu einem Punkt 79, der weit unterhalb des gewünschten Start-Punkts 68 des nächsten Vorwätsscansegments 64 liegt. Die unerwünschte Bewegung der Vorrichtung 18 entlang der gestrichelt dargestellten Kurve 78 setzt sich weit in das nächste Vorwärtsscansegment 64 hinein fort, wobei wesentliche Abweichungen oder Schwingungen zunächst nach unten und dann nach oben über den gewünschten geradlinigen Verlauf 70 hinaus auftreten. Wenn das Rückführsegment 66 in seiner absoluten Dauer etwas verlängert wird (z.B. von etwa 2 Millisekunden auf etwa 7 Millisekunden), verringert sich natürlich das Ausmaß des unerwünschten Überschießens der Vorrichtung 18 (z.B. auf den Punkt 78 in Fig. 3) ein wenig, bleibt aber innnner noch unakzeptabel. Der durch die gestrichelt dargestellte Kurve 78 wiedergegebene, die Präzision zerstörende Zustand wird durch die Erfindung jedoch verhindert. Die durch die voll ausgezogene Linie des Rückführabschnitts 76 und des Vorwärtsscanabschnitts 70 in Fig. 3 dargestellte gewünschte Bewegung der Vorrichtung 18 und die durch die gestrichelt dargestellte Kurve 78 wiedergegebene unerwünschte Bewegung der Vorrichtung 18 basieren auf Oszillographen-Aufzeichnungen der Bewegung der Vorrichtung 18 bei gleichen Rückführzeiten und bei Verwendung derselben Vorrichtung 18 und derselben elektrischen Schaltungen, jedoch mit den vorstehend beschriebenen Unterschieden zwischen den Rückführsegmenten der Befehswellenform 40.
• In Fig. 4 ist innerhalb des durch gestrichelte Linien dargestellten Quadrats eine bevorzugte Ausführungsform der Zeitsteuer- und Steuerschaltung 35 gemäß Fig. 1 dargestellt. Diese Schaltung 35 steuert über ihre Ausgangssignalleitung 34 den Servorantrieb 32, und die Schaltung 35 und der Servorantrieb 32 zusammen steuern über die Leitung 31 die an die Vorrichtung 18 angelegte Leistung (siehe auch Fig. 1). Die Schaltung 35 umfaßt einen Kristall-Oszillator 80, einen Scan-Teiler 82, einen Pixel-Teiler 84, einen Scan-Signalspeicher 86, einen Pixel- Singalspeicher 88, einen Scan-Zähler 90, einen Pixel-Scansynchronisator 91, einen "Nachschlagetabellen"-Speicher 92, einen Digital/Analog-Wandler 94, ein erstes Tiefpaßfilter 92, einen ersten Linearverstärker 96, ein zweites Tiefpaßfilter 97, einen zweiten Linearverstärker 98 und einen Ausgangssignalanschluß 99. Diese Schaltungselemente 35 sind miteinander verbunden und arbeiten wie folgt: In der oberen linken Ecke der Fig. 4 ist zu erkennen, daß die prazise Taktung der Schaltung 35 von einem Kristall-Oszillator 80 geliefert wird, der z.B. mit etwa 3,6 MHz arbeitet und dessen Ausgabe links an den Scan-Teiler 82 und rechts an den Pixel-Teiler 84 angelegt wird. Der Betrag, um den der Scan-Teiler 82 die Frequenz des Oszillators 80 teilt oder verringert, wird mittels eines Scan-Signalspeichers 86 auf einen gewünschten Wert eingestellt, wobei dieser Signalspeicher seinerseits durch ein Signal der CPU 30 gesteuert wird, das ihm über die Singalleitung 36a gemäß Fig. 1 zugeführt wird. Nach erfolgtem Einstellen des Scan-Signalspeichers 86 erzeugt der Scan-Teiler 82 für jede vorbestimmte Anzahl von Schwingungen des Oszillators 80 einen Zähltakt oder ein digitales Signal. Desgleichen wird der Pixel-Teiler 84 durch den Pixel-Singalspeicher 88, der seinerseits von der CPU 30 über die Signalleitung 36b gesteuert wird, auf eine entsprechende Teiler-Zahl eingestellt. Der Scan-Takt und der Pixel-Takt können somit unabhängig voneinander auf die gewünschten Werte eingestellt werden, wobei beide durch denselben Taktgeber 80 getrieben werden.
• Ein vom Scan-Teiler 82 geliefertes Ausgangssignal wird einem Eingang des Scan-Zählers 90 zugeführt, der entsprechend jedem vom Teiler 82 erhaltenen synchronen Zeitsignal eine Ausgabe erzeugt, in dem dargestellten Beispiel eine 12-Bit-Binärzahl. Bei Verwendung von nur 12 Bits kann der Zähler 90 bis zu 4.096 Signale zählen, bevor er den Zählvorgang erneut beginnt. Dabei ist jedoch darauf hinzuweisen, daß der Scan-Zähler 90 tatsächlich auch eine 16-Bit-Ziffer erzeugen kann. Bei Verwendung aller 16 Bits wäre der Zähler in der Lage, bis zur Wiederholung des Zählvorganges bis zu 65.536 Zeitsignale zu zählen. Eine Ausgabe des Scan-Zählers 90 wird der Pixel-Scansynchronisiereinheit 91 zugeführt, die auch den Pixelteiler 84 steuert, so daß das "Pixel-Taktsignal" mit einem vom Scan-Zähler 90 gelieferten Scan-"Zeilenstart"-Signal synchronisiert ist. Diese "Pixeltakt"- und "Zeilenstart"-Singnale werden an eine Laserdatensteuerung 12 (Fig. 1) angelegt, um deren Funktion mit jener der in Fig. 4 dargestellten Schaltung 35 zu synchronisieren.
• Die binären Zählsignale (dargestellt in 12 Bits) des Scan-Zählers 90 repräsentieren einen digitalisierten Zeitintervall-Zählwert und werden parallel an einen Speicher 92 angelegt, der vorteilhafterweise als elektronisch programmierbarer Festspeicher (EPROM) ausgebildet ist. Ein 16-Bit-EPROM dieser Art mit 64 K kostet z.B. nur etwa $ 5 und ist daher für den erfindungsgemäßen Einsatz zur Taktung und Steuerung der Schaltung 35 höchst kosteneffektiv. Wie jetzt gleich erläutert wird, stellt der Speicher 92 ein sehr vielseitiges, höchst präzises und kosteneffektives Mittel dar, eine Befehlswellenform 40 (Fig. 2) mit hoher Präzision und Auflösung zu erzeugen, die ein lineares Vorwärtsscansegment 46 mit der gewünschten Amplitude und Zeitdauer und ein sehr viel schnelleres Rückführsegment 48 mit einem völlig unterschiedlichen, nichtlinearen (z.B. "L-förmigen") Abschnitt 58 aufweist.
• Während der Speicher 92 durch die ihm vom Scan-Zähler 90 zugeführten (durch den Taktgeber 80 synchronisierte Zeitintervalle darstellenden Binärzahlen) hindurchzählt, erzeugt der Speicher 92 an seinen Ausgängen eine 12-Bit-Binärzahl, deren Wert bei jedem gegebenen Zeitintervall oder Zählwert von den Speicherständen bestimmt wird, die bereits digital im Speicher 92 gespeichert sind. Diese Speicherstände dienen somit als "Nachschlagetabellen", in die die gewünschten Amplitudenwerte einer Befehlswellenform 40 in Form binärer Bits eingeschrieben sind und bei Abruf durch Eingabe eines gegebenen Eingabe-Bitwerts in den Speicher 92 an einem Ausgang bereitgestellt werden. Die gewünschten Speicherwerte werden bei von der Schaltung 35 getrenntem Speicher 92 durch Singale, die von einem (nicht dargestellten) EPROM-Programmierer angelegt werden, zuvor in den Speicher 92 geladen. Die vom Speicher 92 ausgegebenen Zahlen werden parallel (12 Bits sind dargestellt, wenn jedoch eine höhere Auflösung benötigt wird, stehen auch 16 Bits zur Verfügung) an Eingange eines Digital/Analog-Wandlers (D/A) 94 angelegt, der die vom Speicher 92 gelieferten binären Werte in ein kontinuierliches analoges Signal umwandelt. Ein Ausgangssignal des D/A-Wandlers 94 wird der Reihe nach an das erste Tiefpaßfilter (LP) 95, den ersten linearen Verstärker 96, das zweite LP-Filter 97 und den zweiten linearen Verstärker 98 angelegt, die alle in Serie geschaltet sind. Durch das Zusammenwirken dieser Filter und Verstärker wird am Ausgangsanschluß 99 die Befehlswellenform 40 im wesentlichen in der in Fig. 3 dargestellten Form erzeugt, die jetzt frei ist von digitalem Schaltrauschen. Die Befehlswellenform 40 kann am Mittelpunkt 56 ihres linearen Scanabschnitts 54 kurzzeitig angehalten werden, wenn dies zum Laden eines anderen Druckelements 24 oder zum Zurucksetzen des Postioniermechanismus 26 gemäß Fig. 1 erforderlich ist. Dieses Anhalten wird durch ein (nicht dargestelltes) "Deaktivier"-Signal bewirkt, das von der CPU 30 über eine Signalleitung 36c (siehe Fig. 1) an die in Fig. 4 dargestellte Schaltung 35 und deren Speicher 92 angelegt wird.
• In Fig. 4 ist ferner zu erkennen, daß die Befehlswellenform 40 am Anschluß 99 über die Leitung 34 an einen Eingang des Servoantriebs 32 angelegt wird, dessen Ausgang der Spule der Vorrichtung 18 über die Stromleitung 31 (siehe auch Fig. 1) elektrischen Antriebsstrom zuführt. Von der Vorrichtung 18 wird über eine Leitung 33 ein elektrisches Signal der Vorrichtung 18, das deren jeweilige Position im Verlauf der Zeit anzeigt (d.h. die Positionswellenform 60 der Vorrichtung gemäß Fig. 3), zu einem anderen Eingang des Servoantriebs 32 zurückgeführt. Durch dieses Zurückführen durch den Servoantrieb 32 während der Zuführung von Strom zur Vorrichtung 18 werden momentane Unterschiede zwischen der Positionswellenform 60 der Vorrichtung und der Befehlswellenform 40 erfaßt und korrigiert. Der Servoantrieb 32 ist daher in der Lage, im wesentlichen alle Abweichungen zwischen der Postitionswellenform 60 der Vorrichtung und der Befehlswellenform 40 im Verlauf ihrer linearen Vorwärtsscansegmente auszuschalten und die die Präzision zerstörenden Auswirkungen von Abweichungen der Wellenformen in ihren Rückführsegmenten zu minimieren und zu verhindern, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 erläutert wurde.
• Wie bereits erwähnt, verfügt der in Fig. 4 dargestellte Speicher 92 bei Verwendung von nur 12 Bits für die Ausgabe an den D/A-Wandler 94 über 4.096 Zeitintervalle je Zyklus. Ebenso hat er bis zu 4.096 Amplitudenwerte. Dies macht es möglich, der Befehlswellenform 40 eine sehr hohe Auflösung zu geben. Bei Verwendung aller möglichen 16 Bits des Speichers 92 kann jedoch eine noch vielfach höhere Auflösung erreicht werden. Außerdem kann die Betriebsgeschwindigkeit der Vorrichtung innerhalb eines weiten Bereichs in einfacher Weise programmiert werden, ohne dadurch die Präzision und Genauigkeit zu beeinträchtigen. Somit stellt die Schaltung 35 ein vielfältig einsetzbares, leicht einstellbares, höchst präzises und kosteneffektives Mittel zur Zeitsteuerung und zum Treiben der Vorrichtung 18 dar.
• Es versteht sich, daß die hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens und der Schaltung nur der Verdeutlichung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung dienen sollen Z.B. können einzelne Komponenten der Schaltung 35 geändert und die genauen Verläufe der Segmente der dargestellten Befehlsform 40 verändert werden. Außerdem ist die Erfindung nicht auf das in Fig. 1 dargestellte Laserdrucksystem und auch nicht auf eine bestimmte Vorrichtung (Galvanometer) 18 beschränkt.

Claims (5)

1.Verfahren zum wiederholten Treiben einer Vorrichtung (18) in einer Vorwärtsscan- oder Überstreichrichtung und dann in einer Rückstreich- bzw. Rückführrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Erzeugen sukzessiver Zyklen einer Befehlswellenform mit einem Vorwärtsscansegment mit einer gewünschten Dauer und sich verändernder Amplitude in einer ersten Richtung und mit einem Rückführsegment, das durch das wesentliche Merkmal beschrieben ist, daß es einen nichtlinearen Teil besitzt, der zunächst rasch seine Amplitude verändert in einer zweiten Richtung am Ende des Vorwärtsscansegmentes und dann eine weitere Amplitude erreicht, um sanft bzw. glatt in den Beginn des nächsten Vorwärtsscansegmentes zu laufen;

Anlegen der Befehlswellenform an einen ersten Eingang eines Servoantriebs (32) dessen Ausgang die Vorrichtung (18) in sowohl dem Vorwärtsscansegment als auch dem Rückführsegment der Befehlswellenform treibt;

Anlegen einer Positionswellenform, die durch die Vorrichtung (18) erzeugt wird an einen zweiten Eingang des Servotreibers (32);

Vergleichen der Positionswellenform mit der Befehlswellenform in dem Servotreiber (32) und Treiben der Vorrichtung (18) in dem Vorwärtsscansegment, so daß die tatsächliche Vorrichtungsbewegung genau mit dem Vorwärtsscansegment der Befehlswellenform zusammenpaßt;

und Treiben der Vorrichtung (18) während des Rückführsegments der Befehlswellenform zum Zutücksetzen der Vorrichtung (18) mit einer hohen Geschwindigkeit mit im wesentlichen keinem Überschießen und Oszillationen zu einer exakten Position am Beginn eines weiteren Vorwärtsscansegmentes, und so weiter, wobei der nichtlineare Rückführteil der Befehlswellenform im wesentlichen "L-förmig" ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorwärtsscan segment sehr linear ist und ungefähr 85% eines Zyklus einnimmt, und das Rückführsegment ungefähr 15% einnimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebszyklen einstellbar sind, da sie eine Frequenz in dem Bereich von ungefähr 20 Hz bis 70 Hz besitzen; und

wobei das Rückführsegment eine im allgemeinen "L-förmige" Kurve besitzt mit einer niedrigeren Zone, wobei die Dauer der niedrigeren Zone ungefähr gleich der Dauer des Rückführsegmentes ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Vorwärtsscannwellenform gekennzeichnet ist durch ein stark lineares Vorwärtsscansegment mit vorbestimmter Dauer und gleichförmig ansteigender Amplitude von einem negativen Punkt zu einem positiven Punkt in einer ersten Zeitperiode.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rückführsegment weniger als ungefähr 7 Millisekunden beträgt bzw. einnimmt.