DE2656115A1

DE2656115A1 - Strahlsteuervorrichtung der spiegelbauart

Info

Publication number: DE2656115A1
Application number: DE19762656115
Authority: DE
Inventors: James Kelly Lee
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1975-12-11
Filing date: 1976-12-10
Publication date: 1977-06-16
Also published as: DE2656115C2; JPS5272241A; CA1078233A; JPS6041329B2; GB1544857A; FR2334971A1; US4025203A; FR2334971B1

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. 8000 MÜNCHEN 22

KARL H. WAGNER GEWÜRZMÜHLSRASSE

POSTFACH 246

10. Dezember 1976 76-H-1956

EASTMAN KODAK COMPANY, Rochester, N.Y. 14650, V.St.A.

Strahlsteuervorrichtunq der Spiegelbauart

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strahlsteuervorrichtung der Spiegelbauart mit virtueller Verschwenkung. Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf eine optische Strahlsteuervorrichtung hoher Leistungsfähigkeit, bei welcher ein Abtastspiegel zu einer Schwenkbewegung um eine Achse veranlaßt wird, und zwar durch eine signalgesteuerte Antriebsvorrichtung.

Strahlsteuervorrichtungen der Spiegelbauart sind bekannt, und zwar beispielsweise bei Vorrichtungen zur Informationsspeicherung und -wiedergewinnung.Es wurden bereits verschiedene Lager- und Antriebs-Anordnungen in Betracht gezogen, um die gewünschten Steuereigenschaften zu erreichen. In der US-PS 3 758 199 sind im einzelnen zwei wichtige Eigenschaften der Strahlsteuervorrichtungen diskutiert, nämlich die Geschwindigkeit (Bandbreite) und die Kapazität (Anzahl der auflösbaren Stellungen). Ein oftmals verwendeter Parameter zur Angabe der Gesamtleistungsfähigkeit ist das Produkt aus Geschwindigkeit und Kapazität.

Eine bekannte Möglichkeit zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Strahlsteuervorrichtungen besteht in der Verminderung der Trägheit der anzutreibenden Last (hauptsächlich des Spiegels und der Lagerung), auf welche Weise die maximale Spiegelablenkgeschwindigkeit erhöht wird. Beispiels-

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weise kann die Dicke (und somit auch die Masse) des Spiegels vermindert werden, wobei sich aber in der Praxis dafür Grenzen ergeben/ wenn die bauliche Integrität des Spiegels aufrechterhalten werden soll. Es ist auch möglich, die Spiegelgröße zur Verringerung der Spiegelmasse zu verkleinern, wobei aber die Verkleinerung der Reflexionsoberfläche den unerwünschten Effekt nach sich zieht, daß die Anzahl der auflösbaren Punkte vermindert wird. Dies liegt an Beugungswirkungen, welche die Auflöskraft des Abtastsystems begrenzen, wie dies beispielsweise auf Seite 55 der folgenden Literaturstelle erläutert ist: "Laser Applications" von Monte Ross, Academic Press, Inc., 1974.

In der US-PS 3 479 107 ist eine Befestigungs- oder Lageranordnung gezeigt, welche zwei Schwenklager ausgerichtet an entgegengesetzten Kanten eines Spiegels verwendet. Die Schwenkachse verläuft infolgedessen durch den Spiegel selbst. Dabei ist ein Rahmen um den Spiegel herum angeordnet, und zwar offensichtlich zur Erzeugung einer Halterung zur Vermeidung der direkten Verbindung der Schwenklager mit dem Spiegel. Obwohl eine derartige Anordnung für Anwendungsfälle unter erschwerten Bedingungen geeignet ist, so wird jedoch durch den Rahmen eine beträchtliche Masse hereingebracht. Darüber hinaus würde es sich als schwierig herausstellen, die beschriebenen Schwenklager in kleinen Größen herzustellen. Die US-PS 3 166 683 beschreibt eine Steuervorrichtung mit zwei Paaren von Antriebsvorrichtungen der Biegebauart, wobei jedes dieser Paare in der Form eines X ausgebildet ist. An den Spitzen der Biegepaare angeordnete V-förmige Bügel sind mit ihren Scheitelpunkten an der effektiven Schwenkachse der Antriebsvorrichtungen angeordnet. Durch die Befestigung des Steuerspiegels an einer Welle, die mit diesen Scheiteln verbunden ist, ist der Spiegel eng mit der Schwenkachse ausgerichtet, und es kann infolgedessen ein niedrigeres Niveau des Trägheitswiderstandes gegenüber Rotation oder Trägheitsmoment erreicht werden. Da jedoch die Rotationsmasse groß zusätzlich

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zum Spiegel ist, so ist das Trägheitsmoment nicht so gering, als dies zweckmäßig wäre.

Obwohl also ein beträchtlicher Entwicklungsaufwand zur Verbesserung der Strahlsteuerungsvorrichtungs-Leistungsfähigkeit getrieben wurde, besteht noch immer das Bedürfnis, Speicher- und Entnahmevorrichtung anzugeben, welche eine höhere Informationskapazität handhaben, ohne dabei die Nachteile des Standes der Technik aufzuweisen.

Gemäß der Erfindung verwendet eine Strahlsteuervorrichtung der Spiegelbauart mindestens ein flexibles Spiegeltragglied, welches im ganzen die Form des großen griechischen Buchstaben "Lambda" besitzt. Jedes derartige Glied besitzt dabei ein Paar von flexiblen Schenkelabschnitten, die bezüglich einander unter einem Winkel angeordnet sind und an einem Verbindungsabschnitt abgestumpft sind. In den erfindungsgemäßen Strahlsteuervorrichtungen sind die divergierenden Enden der Schenkelabschnitte festgelegt, und der Abtastspiegel der Steuervorrichtung ist am Verbindungsabschnitt befestigt. Durch diese Anordnung ergibt sich eine "virtuelle Verschwenkung" am Schnitt der Schenkelabschnittsachsen (obwohl sich die Schenkelabschnitte selbst nicht schneiden) und das zur Ablenkung des Spiegels angelegte Antriebsdrehmoment hat im wesentlichen eine Drehbewegung um die virtuelle Schwenkachse zur Folge.. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung erreicht somit eine schwenkbare Spiegelanordnung, ohne zu Verbindungen der Bauart Zuflucht nehmen zu müssen, welche eine Relativbewegung (beispielsweise Gelenkverbindungen der Stiftbauart) erforderlich machen, wobei diese Verbindungen die Tendenz besitzen, Spiel und Lockerheit aufzuweisen.

Bei bevorzugten Ausgestaltungsformen der Erfindung ist der Spiegel derart angeordnet, daß die Schwenkachse durch den Schwerpunkt des Spiegels verläuft. Da die Schwenkachse eine

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virtuelle Achse ist_f ergibt sich keine körperliche Behinderung, wie beispielsweise bei einem Schwenkstift an der Schwenkachse, was das Durchbohren des Spiegels erfordern würde oder eine Kantenhalterung nötig machen könnte. Vielmehr kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Rückseite des Spiegels für Befestigungszwecke benutzt werden, obwohl die Schwenkachse zum Verlauf durch den Spiegel angeordnet ist.

Durch diese Anordnung des relativ schweren Spiegels wird eine minimale Trägheitslast auf die Spiegelantriebsvorrichtung ausgeübt, da die Lastmasse bestrebt ist, um die Schwenkachse herum angeordnet zu sein mit der Folge, daß eine vergrößerte Steuervorrichtungsleistungsfähigkeit möglich wird (d.h. eine niedrigere Trägheitslast gestattet im allgemeinen ein schnelleres Ansprechen und eine größere Bandbreite). In diesem Zusammenhang sei, wie oben erwähnt, bemerkt, daß für die meisten Arten der Hochleistungs-Strahlsteuervorrichtungen die Steuervorrichtungsgestalt in inhärenter Weise die Auswahl einer Spiegelablenkachse diktiert, die sich außerhalb des Spiegels befindet und die daher vom Schwerpunkt des Spiegels entfernt angeordnet ist.

In der Tat befindet sich für Steuervorrichtungen, wo der Spiegel quer an der Spitze einer als Spiegelantriebsvorrichtung dienenden Biegevorrichtung angeordnet ist, die effektive Achse für die Spiegelablenkung halbwegs unterhalb der Biegevorrichtung.

Die vorliegende Erfindung sieht insbesondere eine Strahlsteuervorrichtung vor, welche einen Spiegel, einen Träger für den Spiegel und eine Vorrichtung zur Bewegung des Spiegels derart aufweist, daß ein Punkt auf dem Spiegel sich nur in einer vorbestimmten Ebene bewegt, wobei sich die erfindungsgemäße Vorrichtung kennzeichnet durch mindestens ein flexibles Tragglied mit einem Paar von flexiblen Schenkeln, die an einem Ende voneinander mit Abstand angeordnet sind und sich

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von diesem Ende aus zu einem Scheitel erstrecken, und wobei ein Verbindungsabschnitt die Schenkel zwischen dem Scheitel und den mit Abstand angeordneten Enden stumpf abtrennt und von den Schenkeln getragen wird, und wobei der Spiegel schließlich auf dem Verbindungsabschnitt befestigt ist und eine Antriebsvorrichtung derart mit dem Tragglied oder Träger gekuppelt ist, daß das Drehmoment zur Verdrehung des Spiegels um den erwähnten Scheitel übertragen wird, wobei das eine Ende der flexiblen Schenkel bezüglich der Antriebsvorrichtung festgelegt ist.

Zur Erzeugung einer außerordentlich stabilen Schwenkachse für den Spiegel verwendet ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei "Lambda-Träger", die an entgegengesetzten Enden des Spiegels angeordnet sind. Die Lambda-Träger sind ausgerichtet, um eine gemeinsame Schwenkachse zu besitzen, wobei der Schwerpunkt oder das schwere Zentrum des Spiegels auf dieser Achse angeordnet ist. Diese Anordnung, die etwas wie ein Sägebock aussieht, wobei ein Spiegel auf der Querstange angeordnet ist, bietet eine größere Schwenkachsenstabilität dadurch, daß Tragkräfte an jedem Ende des Spiegels vorgesehen sind, wobei diese Konstruktion ferner die Verwendung schlanker hochflexibler Schenkelabschnitte gestattet, ohne daß eine unerwünscht große Empfindlichkeit gegenüber seitlichem Schwanken auftritt.

Ein weiteres zweckmäßiges Merkmal der erfindungsgemäßen Strahlsteuervorrichtung besteht in ihrer Brauchbarkeit zur Erzeugung eines großen Strahlablenkbereichs. Bei der bevorzugten Antriebsvorrichtung-Schwenkanordnung ergibt sich eine Hebelwirkung, welche die Antriebsbewegung in eine Spiegelverdrehung umformt, und der Abstand zwischen der Schwenkachse und der Wirkungslinie für die Antriebsvorrichtungskraft kann derart eingestellt werden, daß man einen gewünschten Winkelablenkbereich erhält. Mit der derzeit bevorzugten unten beschriebenen Ausbildungsform der Erfindung wurden optische Ab-

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lenkbereiche von ungefähr 20° mit einer Bandbreite von 1 KHz erreicht.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines flexiblen Tragglieds;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Strahlsteuervorrichtung mit einem flexiblen Tragglied;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Strahlsteuervorrichtung mit zwei flexiblen Traggliedern;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer derzeit bevorzugten Ausführung der Erfindung;

Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4.

Fig. 1 zeigt ein flexibles Tragglied 10 zur Verwendung in einer Strahlsteuervorrichtung und besitzt zwei flexible Schenkel 12 und 14, die aufeinanderzu geneigt sind, und zwar vorzugsweise unter einem Winkele*, von 45 gegenüber der Horizontalen. Bevor die konvergierenden Enden der Schenkel einen Scheitel erreichen, sind sie durch einen Verbindungsabschnitt 16 (stumpfartig) abgeschnitten. Ansätze 18 und 20 an den divergierenden Enden der Schenkel 12 bzw. 14 sind befestigt und geben dem Tragglied 10 ein Maß an Starrheit, um einer Translationsbewegung Widerstand entgegenzusetzen. Bei dieser Anordnung zeigt das Tragglied 10 eine Tendenz, sich um

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den Schnitt der longitudinalen Schenkelachsen herum zu verschwenken (der Schnitt ist mit "virtuelle Schwenkachse" in Fig. 1 bezeichnet), wenn ein Drehmoment auf das Tragglied ausgeübt wird. Ein geringer Widerstand gegenüber der Verschwenkung um die virtuelle Schwenkachse wird bei derartigen Gliedern durch die Verwendung langer schlanker Schenkel aus einem flexiblen Material, wie beispielsweise Federstahl, erreicht.

In Fig. 2 ist eine Strahlsteuervorrichtung 22 dargestellt, die ein einziges flexibles Tragglied 10 der oben beschriebenen Art verwendet. Ein'Spiegel 24 ist am Verbindungsabschnitt 16 des Gliedes 10 durch Mittel, die ein Abstandsstück 28 aufweisen, befestigt. Vorzugsweise ist der Spiegel durch einen Kleber am Abstandsstück 28 befestigt, welches seinerseits mit dem Verbindungsabschnitt 16 des Gliedes 10 verbunden ist.

Durch die Größenbemessung des Abstandsstücks 28 derart, daß der Schwerpunkt nahe der virtuellen Schwenkachse des Gliedes 10 angeordnet ist, wie dies erfindungsgemäß bevorzugt wird, wird das Trägheitsmoment des Spiegels minimiert. Dies ist deshalb der Fall, weil die Lastmasse, die hauptsächlich die Masse des Spiegels ist, veranlaßt wird, mehr um die Schwenkachse herum konzentriert zu sein. Wenn die Masse des Abstandsstücks 28 signifikant ist, dann ist es der Schwerpunkt der Zusammensetzung aus Abstandsstück und Spiegel, der auf der virtuellen Schwenkachse angeordnet sein sollte, um das Trägheitsmoment zu minimieren. Die oben erwähnte Tatsache, daß es sich um eine virtuelle Schwenkachse handelt, gestattet, daß die Rückseite des Spiegels zu Befestigungszwecken verwendet werden kann, wobei noch immer der erfindungsgemäße Verlauf der Schwenkachse durch den Spiegel gestattet ist. Man erkennt, daß bei den beschriebenen Trägern keine körperliche Versperrung (wie beispielsweise durch einen Angelstift) längs

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der Schwenkachse auftritt.

Eine Antriebsvorrichtung ist zum Anlegen eines Drehmoments zur Drehung des Spiegels angekuppelt. Vorzugsweise wird eine Antriebsvorrichtung der Biegebauart verwendet» und die Kupplung wird mittels einer flexiblen Angel (Scharnier) 32 erreicht, die die Antriebsvorrichtung 30 mit dem Abstandsstück 28 verbindet.

Fig. 3 zeigt eine besonders stabile Spiegeltraganordnung unter Verwendung von zwei flexiblen Traggliedern 10' und 10", die voneinander mit Abstand angeordnet sind und die gleiche virtuelle Schwenkachse besitzen. Eine Abstandsstange 40 erstreckt sich zwischen den Gliedern 10' und 10" und trägt einen Spiegel 42. Die Dicke der Abstandsstange 40 ist derart ausgewählt, daß der Schwerpunkt für die Zusammensetzung aus Abstandsstange und Spiegel an der gemeinsamen virtuellen Schwenkachse der Tragglieder 10' und 10" liegt. Zum Antrieb des Spiegels zur Ablenkung einfallender Lichtstrahlen ist eine Antriebsvorrichtung 44 mit der Abstandsstange 40 durch ein Antriebsgelenk wie beispielsweise eine flexible Angel 46 gekuppelt.

In Fig. 4 ist eine bevorzugte Anordnung zur Ankupplung des Drehmoments an die Strahlsteuervorrichtungen der unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Art dargestellt, und zwar unter Verwendung von einem oder mehreren flexiblen Metallantriebsgliedern 50, die an der Spiegelseite der Abstandsstange 40 (im einzelnen in Fig. 5 gezeigt) befestigt sind. Bei dieser Anordnung können die Antriebsglieder 50 eine Wirkungslinie senkrecht zu den Verbindungsabschnitten der Glieder 10' und 10" besitzen, während sie im wesentlichen tangential zu Kreisen verläuft, die auf der virtuellen Schwenkachse zentriert sind. Die Bedeutung dieser Ausrichtung besteht darin,

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daß die gesamte Antriebskraft zur gewünschten Drehbewegung beiträgt. Anders ausgedrückt, ergibt sich für eine Wirkungslinie tangential zu einem auf der virtuellen Schwenkachse zentrierten Kreis keine Kraftkomponente in der Richtung der Schwenkachse. Eine Kraft in dieser Richtung ist unzweckmäßig, weil sie zur Translationsbewegung der Schwenkachse beiträgt.

Es sei bemerkt, daß durch die beschriebenen Antriebsanordnungen eine Hebelwirkung erzeugt wird, um eine Translations-Antriebsvorrichtungsbewegung in eine Rotations-Spiegelablenkung umzuwandeln. Durch Einstellung des Abstandes zwischen der Wirkuhgslinie der Antriebskraft und der virtuellen Schwenkachse kann der Winkelbereich der Steuervorrichtungsablenkung in entsprechender Weise eingestellt werden. Durch die derzeit bevorzugte Ausbildung unter Verwendung einer bimorphen Biegeantriebsvorrichtung wurden optische Ablenkungen über einen Bereich von 20° erreicht.

Zusammen mit der Erfindung können verschiedene Arten von Antriebsvorrichtungen verwendet werden, und zwar einschließlich magnetostriktiver Antriebsvorrichtungen und Antriebsvorrichtungen der Extender-Bauart. Es kann ebenfalls eine Vielzahl flexibler Materialien Verwendung finden, um die flexiblen Tragglieder herzustellen, wobei diese Glieder nicht als ein Stück hergestellt zu sein brauchen.

Zusammenfassend kann man sagen, daß durch die erfindungsgemäßge Anordnung eine "virtuelle Verschwenkung" an der Schenkelabschnittachse auftritt (obwohl sich die Schenkel selbst nicht schneiden), wobei angelegte zur Ablenkung des Spiegels dienende Drehmomentkomponenten eine Verdrehung des Spiegels um die virtuelle Schwenkachse hervorrufen. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Schwerpunkt des Spiegels auf der virtuellen Schwenkachse angeordnet, wodurch der Trägheitswiderstand gegenüber der Verdrehung reduziert und die

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Ansteuervorrichtungs-Leistungsfähigkeit verbessert wird. Die Erfindung löst also das beim Stand der Technik vorhandene Problem von Strahlsteuervorrichtungen dadurch, daß der Spiegel an einem Punkt verdreht wird, der nahe dem Schwerpunkt liegt, ohne daß die effektive Masse des Spiegels durch die Verwendung von Spezialträgern ansteigt.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1 .) Strahlsteuervorrichtung mit einem Spiegel, einem Träger für den Spiegel und einer Vorrichtung zur Bewegung des Spiegels derart, daß ein Punkt auf dem Spiegel sich nur in einer vorbestimmten Ebene bewegt, gekennzeichnet durch mindestens ein flexibles Tragglied (10, 10', 10") mit einem Paar von flexiblen Schenkeln (12, 14), die voneinander an einem Ende mit Abstand angeordnet sind und sich von diesem Ende aus zu einem Scheitel hin erstrecken, wobei ein Verbindungsabschnitt (16) die Schenkel zwischen dem Scheitel und den mit Abstand angeordneten Enden abschneidet und von den Schenkeln getragen ist, wobei der Spiegel (42) auf dem Verbindungsabschnitt (16) befestigt ist, und eine Antriebsvorrichtung (44) mit dem Tragglied derart gekuppelt ist, um ein Drehmoment zur Drehung des Spiegels (42) um den Scheitel herum zu übertragen, während das erwähnte eine Ende der flexiblen Schenkel bezüglich der Antriebsvorrichtung (44) befestigt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstandsstück (28) den Spiegel (42) vom Verbindungsabschnitt (16) um einen Betrag trennt, der derart vorgewählt ist, daß der Schwerpunkt des Spiegels im wesentlichen auf dem Scheitel angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei flexible Tragglieder (10¹, 10"), die an entgegengesetzt liegenden Seiten des Spiegels (42) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel eine Abstandsstange (40) aufweisen, die am Spiegel (42) befestigt und an den Verbindungsabschnitten der zwei Spiegelhalterungen angeordnet ist.

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ORIGINAL INSPECTED

-χ*
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebsvorrichtung (44) der Biegebauart mit der Abstandsstange (40) durch ein Antriebsgelenk (50) verbunden ist, welches rechtwinklig zur Ebene des Spiegels angeordnet und benachbart zum Spiegel gelenkverbunden ist (Fig. 4, 5).
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Befestigungsmittel Mittel zur Abstandsanordnung des Spiegels gegenüber dem Verbindungsabschnitt aufweisen, und zwar mit einem derart vorgewählten Abstand, daß der Schwerpunkt der Kombination aus Spiegel und Abstandsmitteln nahe dem Scheitel liegt, wodurch der Trägheitswiderstand gegenüber der Verdrehung um den Scheitel vermindert wird.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere flexible Metallantriebsverbindungen (50) an der Spiegelseite der Abstandsstange (40) (vgl. Fig. 5) befestigt sind und eine Wirkungslinie senkrecht zu den Verbindungsabschnitten der Glieder (10', 10") aufweisen, während sie im wesentlichen tangential zu Kreisen verlaufen, die auf der virtuellen Schwenkachse ihre Mitte besitzen.

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