DE3153253C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum wiederholten Auslenken eines Abtastlichtstrahls gemäß dem Ober­ begriff der Patentansprüche 1 und 15.
Es ist bekannt, einen Abtastlichtstrahl mittels eines optischen Systems über Markierungen zu führen und die so abgetasteten Markierungen auf ihre Bedeutung hin auszuwerten. Der Licht­ strahl, der beispielsweise von einer Laserlichtquelle erzeugt werden kann, wird dabei von einem kontinuierlich rotierenden Polygonspiegel ausgelenkt (vgl. DE-OS 28 38 243). Polygonspie­ gel sind verhältnismäßig teuer und kompliziert in der Herstel­ lung und nehmen zusammen mit dem sie antreibenden Motor einen erheblichen Raum in einem Abtastsystem ein, was insbesondere dann nachteilig ist, wenn die Einrichtung in einem Handabtaster eingebaut werden soll.
Die US-PS 39 52 217 befaßt sich mit einem Antriebsystem für einen verhältnismäßig massiven Spiegel, der an einem Raumschiff befestigt ist und hin- und hergedreht werden soll. Mit dem Spiegel ist ein Gegengewicht verbunden, das beim Drehen des Spiegels jeweils entgegengesetzt gedreht wird. Das Drehen des Spiegels und des Gegengewichts wird durch Blattfedern erzeugt, die beim Drehen gegen Anschläge anliegen, die in Grenzpositio­ nen angebracht sind. Eine Energiezufuhr bei Nachlassen dieser Drehschwingung erfolgt jeweils bei Bedarf mittels eines Motors. Die Gesamtanordnung läßt sich gegenüber der Abstützung mittels eines weiteren Motors verdrehen, wodurch das Abtastfeld verän­ derbar ist. Die Blattfedern haben den Nachteil, daß sie einer erhöhten Abnutzung unterliegen. Ferner dreht sich der Spiegel nach Beschleunigung aus der jeweiligen Grenzposition vollkommen frei zur gegenüberliegenden Grenzposition, so daß sich eine vollkommen unkontrollierte und nicht lineare Drehung ergibt. Die Mittenposition der Drehung ist nicht vorbestimmt.
Die FR-PS 8 29 726 befaßt sich mit einem Mischer, dessen Welle zwei Rotoren trägt, die über jeweils zugeordnete Statorpaare abwechselnd derart erregt werden, daß sich die Rotorwelle zwischen zwei winkelmäßig beabstandeten Positionen hin- und herdreht. Die Mittenposition spielt dabei keine Rolle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zum periodischen Auslenken eines Abtastlichtstrahls anzugeben, die äußerst einfach aufgebaut ist, auf engstem Raum untergebracht werden kann und eine hohe Sequenz erlaubt.
Eine diese Aufgabe lösende erfindungsgemäße Einrichtung und ein Verfahren zum wiederholten, insbesondere periodisch wiederhol­ ten Auslenken eines Abtastlichtstrahls ist in den Patenansprü­ chen 1 und 15 gekennzeichnet.
Die Erfindung verwendet lediglich einen ebenen Spiegel mit sehr geringen Abmessungen, der in Drehschwingungen versetzt wird.
Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Vertikalschnitt der Einrichtung des Ausfüh­ rungsbeispiels;
Fig. 2 eine schematisierte Draufsicht der Einrichtung nach Fig. 1 in Ruhestellung;
Fig. 3 eine Draufsicht ähnlich der der Fig. 2, wobei sich je­ doch der den Spiegel tragende Rotor in einer seiner Grenzauslenkungsstellungen befindet;
Fig. 4 eine Draufsicht ähnlich derjenigen der Fig. 3, bei der sich der Rotor in seiner anderen Grenzauslenkungs­ stellung befindet und
Fig. 5 eine gegengekoppelte Steuerschaltung zur Änderung der Drehgeschwindigkeit der mit dem Rotor verbundenen Ab­ triebswelle.
Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Einrichtung, die im wesentlichen als Abtastmotor 68 aus­ gebildet ist, der eine leichtgewichtige, Miniatur-Laserstrahl- Ablenkeinrichtung für die sehr schnelle Abtastung von Strichco­ desymbolen in einem Laserabtastsystem darstellt. Der Abtastmo­ tor 68 besitzt eine Welle 72, die in Lagern 108 geführt ist und einen Spiegel 76 trägt, der vom Abtastmotor 68 in Drehschwin­ gungen versetzt wird.
Der Abtastmotor 68 besitzt ein oberes becherförmiges Statorge­ häuse 110 und ein unteres becherförmiges Statorgehäuse 112. Die beiden Statorgehäuse nehmen Statorwicklungen 114 und 116 auf. Ein Permanentmagnet-Rotor 120 ist auf einem Lagerstift 118 ko­ axial zur Welle 72 gelagert. Der Rotor 120 ist von den Stator­ wicklungen 114, 116 umschlossen und mit der Welle 72 verbunden.
Das obere Statorgehäuse 110 trägt ein Polpaar mit Polen 122, 124, die räumlich um 180° gegeneinander versetzt sind. Das un­ tere Statorgehäuse 112 trägt ebenfalls ein Polpaar mit Polen 126, 128, die ebenfalls räumlich um 180° gegeneinander versetzt sind. Die oberen Pole 122, 124 sind gegenüber den unteren Polen 126, 128 um 90° versetzt. Der Permanentmagnetrotor 120 ist mit einer gleichen Anzahl von Polpaaren magnetisiert, d. h. er be­ sitzt wie jede Statorwicklung ein Polpaar.
Der Aufbau des Abtastmotors 68 entspricht einem vereinfachten Schrittschaltmotor, bei dem elektrische Impulse in diskrete me­ chanische Drehbewegungen umgewandelt werden, wenn sich die Po­ larität einer Statorwicklung ändert. Durch abwechselndes Erre­ gen und Entregen der beiden Statorwicklungen eines Schritt­ schaltmotors bewirkt die magnetische Wechselwirkung zwischen den Rotorpolen und den Statorpolen, daß sich der Rotor in dis­ kreten Winkelschritten über den ganzen Umfang von 360° bewegt.
Im Gegensatz zu einem Schrittschaltmotor ist bei der Einrich­ tung des Ausführungsbeispiels eine Motorsteuerschaltung 94 vor­ gesehen, über die die Welle 72 über den Rotor hin- und herge­ schwenkt wird. Zunächst erfolgt ein Auslenken in der einen Richtung über einen Winkel kleiner 360° und dann in der entge­ gengesetzten Richtung um ebenfalls einen Winkel kleiner 360°. Dieser Zyklus wiederholt sich mit hoher Geschwindigkeit. Beim Ausführungsbeispiel beträgt jeder Bogen normalerweise etwa 5° gegenüber der Vertikalen, obwohl auch andere Drehwinkel möglich sind. Die Drehschwingungen erfolgen vorzugsweise mit einer Fre­ quenz von etwa 100 Schwingungen pro Sekunde.
Die Motorsteuerschaltung 94 besitzt eine Bezugsspannungsschal­ tung 140 zum Anlegen einer im wesentlichen konstanten niedrigen Gleichspannung an eine der Statorwicklungen. Beispielsweise wird ein 12-Volt-Gleichspannungssignal über einen Leiter 132 an die Statorwicklung 114 angelegt. Die Motorsteuerschaltung 94 umfaßt ferner eine variable Spannungsquelle 142 zum Anlegen einer sich periodisch ändernden Spannung an die andere der Sta­ torwicklungen, etwa einer dreieckförmigen Spannung an die Sta­ torwicklung 116 über einen Leiter 134.
Wie die Fig. 2 bis 4 zeigen, bewirkt die konstante positive Gleichspannung an der Statorwicklung 114, daß die Statorpole 122 und 124 als Nord- bzw. Südpol magnetisiert werden. Gibt die variable Spannungsquelle 142 die Spannung Null an die Stator­ wicklung 116, dann richten sich die Permanentnord- und -südpole des Rotors (Fig. 2) gegenüber den Statorpolen 122 und 124 aus.
Fig. 3 zeigt, daß beim Anlegen einer positiven Gleichspannung von der variablen Spannungsquelle 142 an die Statorwicklung 116 eine Erregung der Statorpolen 126 und 128 als Nord- bzw. Südpo­ le erfolgt, so daß sich der Rotor im Uhrzeigersinn um einen Winkelschritt entsprechend der positiven Gleichspannung dreht. Liegt andererseits eine negative Gleichspannung an der Stator­ wicklung 116, dann ergibt sich eine Konfiguration gemäß Fig. 4, wo die Statorpole 126 und 128 als Süd- bzw. Nordpole ausgebil­ det sind und der Rotor 120 sich im Gegenuhrzeigersinn um einen Winkelbetrag dreht, der dem Wert der negativen Gleichspannung an der Statorwicklung 116 entspricht.
Der Rotor 120 dreht entsprechend die Welle 72 und damit den auf dieser aufgesetzten Spiegel 76. Der Winkelausschlag der Drehbe­ wegung ist der Spannungsamplitude proportional. Die Bewegungs­ geschwindigkeit der Welle 72 entspricht der Änderungsgeschwin­ digkeit der periodischen Spannung von der variablen Spannungs­ quelle 142. Die Bewegungsrichtung, d. h. Uhrzeigersinn oder Ge­ genuhrzeigersinn, hängt von der positiven oder negativen Stei­ gung der periodischen Spannung ab. Die Drehschwingungsfrequenz ist proportional der Periodizität der periodischen Wellenform. Sie beträgt zwischen 5 Schwingungen pro Sekunde und vorzugswei­ se in der Größenordnung von 100 Schwingungen pro Sekunde.
Die Wellenform der periodischen Spannung kann eine beliebige, sich mit der Zeit ändernde Spannung sein, etwa eine Sägezahn­ spannung, eine Sinusspannung oder eine dreieckförmige Wechsel­ spannung. Für die periodischen Wellenformen ist die Drehge­ schwindigkeit der Welle 72 nicht linear, sondern hat vielmehr die Form einer Sinusschwingung mit sinkender Drehgeschwindig­ keit, wenn sich die Welle einer der Grenzdrehausschlagstellun­ gen der Fig. 3 und 4 nähert und einem Ansteigen der Drehge­ schwindigkeit in Richtung auf die in Fig. 2 dargestellte Mittel­ lage.
Für eine möglichst lineare Abtastung, d. h. eine lineare Be­ ziehung zwischen der Stellung der Welle 72 und der Amplitude der sich periodisch ändernden Spannung, kann die Amplitude der konstanten Gleichspannung an der Statorwicklung 114 an der Be­ zugsspannungsschaltung 140 auf einen bestimmten Wert voreinge­ stellt werden. Alle Schwingungskomponenten lassen sich durch eine Resonanzfrequenz kennzeichnen. Für den Abtastmotor 68 er­ gibt sich die Resonanzfrequenz u. a. aus der Masse der bewegten Teile und dem konstanten Magnetfeld, das durch die Statorwick­ lungen bestimmt ist. Folglich stellt man durch Änderung der Gleichspannung an der Statorwicklung 114 die Frequenz der Welle 72 auf einen gewünschten Wert ein.
Eine andere Möglichkeit, eine weitgehend lineare Abtastung zu erzielen, besteht in einer Gegenkopplung gemäß Fig. 5. Hierbei ist das eine Ende der Statorwicklung 116 über eine Leitung 148 mit dem invertierten Eingang eines Operationsverstärkers 144 sowie über einen Widerstand 146 mit Masse verbunden. Das andere Ende der Statorwicklung 116 liegt am Ausgang des Operationsver­ stärkers 144, während dessen nicht invertierender Eingang auf Bezugspotential gelegt ist.
Ein für einen Handabtaster geeigneter Abtastmotor 68 wiegt etwa 30 bis 35 g und hat ein Volumen von weniger als etwa 2,5 cm3. Der Abtastmotor hat eine lange Lebensdauer in der Größenordnung von 10 000 Stunden.
In der Motorsteuerschaltung 94 kann auch eine Schließspannung erzeugt werden, welche die Welle 72 in eine Schließstellung dreht, in welcher der Spiegel 76 den Laserstrahl derart reflek­ tiert, daß das gewünschte Abtastfeld nicht mehr getroffen wird. In Fig. 3 ist die Schließstellung für den Rotor 120′ darge­ stellt. Die große Amplitude der Auslenkspannung bewirkt eine Verstellung der Welle 72 um einen größeren Winkelbetrag als er zum Erreichen der normalen Auslenkgrenzstellung erforderlich ist, die mit durchgezogenen Linien dargestellt ist.

Claims (25)

1. Einrichtung zum wiederholten Auslenken eines Abtastlicht­ strahls mittels einer durch einen elektrischen Motor in Drehschwingungen versetzten lichtreflektierenden Vorrichtung, die an der Rotor­ welle des Motors befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Stator (110, 112, 114, 116) und am Rotor (120) des Ab­ tastmotors (68) Magnetfelder erzeugbar sid, mit denen sich in einer Mittenposition der lichtreflektierenden Vorrichtug (76) das Magnetfeld des Rotors mit dem Magnetfeld des Stators aus­ richtet und daß eine Motorsteuerschaltung vorgesehen ist, durch die der Rotor (120) elektromagnetisch aus der Mittenposition wiederholt in die eine und in die andere Umfangsrichtung über einen Bogen von weniger als 360° drehbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator zwei Statorwicklungen (114, 116) aufweist und der Rotor (120) aus magnetisierbarem Material besteht und daß die Motorsteuerschaltung (94) eine erste Quelle (140) für ein im wesentlichen konstantes elektrisches Signal aufweist, das an die eine Statorwicklung (114) zur Erzeugung eines ersten Ma­ gnetfeldes angelegt wird, und daß der Rotor (120) ein zweites Magnetfeld erzeugt, das mit dem ersten Magnetfeld zusammen­ wirkt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (120) ein Permanentmagnet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerschaltung (94) eine zweite Quelle (142) zum Anlegen eines periodischen elektrischen Signals mit zeitvariab­ ler Amplitude an die andere Statorwicklung (116) aufweist, wo­ bei der Rotor (120) derart angetrieben wird, daß die lichtre­ flektierende Vorrichtung (76) in Abtastposition ausgelenkt wird, deren Winkelabstand von der Mittenposition eine Funktion der Amplitude des periodischen elektrischen Signals ist, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die eine Funktion der Ände­ rungsgeschwindigkeit des periodischen Signals ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerschaltung (94) eine Rückkopplung (148, 144) aufweist, die mit der anderen Statorwicklung (116) zum Drehen der lichtreflektierenden Vorrichtung (76) mit einer gleichför­ migen linearen Geschwindigkeit aufweist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische elektrische Signal Abschnitte mit positiver und negativer Steigung aufweist und die lichtreflektierende Vorrichtung (76) abhängig von der Richtung der Steigung in der einen oder anderen Umfangsrichtung gedreht wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische elektrische Signal eine Dreiecks-Signalform besitzt.
8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerschaltung (94) ein drittes Magnetfeld einer ersten Polarität erzeugt, das mit dem zweiten Magnetfeld des Rotors (120) zusammenwirkt, um letzteren in der einen Umfangs­ richtung zu drehen, sowie von entgegengesetzter Polarität, um im Zusammenwirken mit dem zweiten Magnetfeld den Rotor (120) in der entgegengesetzten Umfangsrichtung zu drehen.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Motorsteuerschaltung (94) die lichtreflektierende Vorrichtung (76) in Drehschwingungen versetzt wird, die winkel­ mäßig gegenüber der Mittenposition um größenordnungsgemäßig 5° versetzt sind.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Motorsteuerschaltung (94) die lichtreflektierende Vorrichtung (76) mit einer Frequenz in der Größenordnung von 100 Schwingungen pro Sekunden in Drehschwindungen versetzt wird.
11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Magnetfelds des Stators (110, 112, 114, 116) einstellbar ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des an eine der Statorwicklungen (114) ange­ legten, im wesentlichen konstanten elektrischen Signals ein­ stellbar ist.
13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerschaltung (94) die lichtreflektierende Vor­ richtung (76) in Winkelposition auslenkt, die außerhalb des eigentlichen Abtastfeldes liegen, derart, daß die Abtastung des Abtastfeldes linearisiert wird.
14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Vorrichtung ein planer Spiegel (76) ist.
15. Verfahren zum wiederholten Auslenken eines Abtastlicht­ strahls mittels einer durch einen elektrischen Motor in Drehschwingungen versetzten lichtreflektierenden Vorrichtung, die an der Rotor­ welle des Motors befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Stator und am Rotor magnetische Felder angelegt werden, die den Rotor und damit die lichtreflektierende Vorrichtung auf eine Mittenposition ausrichten und daß durch ein weiteres elektromagnetisches Feld der Rotor abwechselnd in der einen und anderen Umfangsrichtung über einen Winkel kleiner 360° in Abtastposition gedreht wird, die von der Mittenposition einen vorgegebenen Winkelabstand besitzen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen konstantes elektrisches Signal an eine Statorwicklung zur Erzeugung eines ersten Ma­ gnetfeldes angelegt und der Rotor zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds magnetisiert wird, das mit dem ersten Magnetfeld zusammenwirkt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des weiteren elektromagnetischen Feldes ein periodisches elektrisches Signal mit zeitvariabler Amplitude an eine andere Statorwick­ lung zum Drehen der Welle und der daran angebrachten lichtre­ flektierenden Vorrichtung angelegt wird, um Positionen abzuta­ sten, deren Winkelabstand von der Mittenposition eine Funktion der Amplitude des periodischen Signals ist, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die eine Funktion der Änderungsgeschwindigkeit des periodischen Signals ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Signal Abschnitte mit positiver und negati­ ver Steigung besitzt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Magnetfeld einer Po­ larität zum Zusammenwirken mit dem zweiten Magnetfeld des Ro­ tors für eine Bewegung desselben in der einen Drehrichtung und von entgegengesetzter Polarität im Zusammenwirken mit dem zweiten Magnetfeld des Rotors zur Bewegung desselben in der entgegengesetzten Drehrichtung angelegt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschwingungen der Welle und der daran angebrachten lichtreflektierenden Vorrichtung durch­ geführt werden, um Positionen abzutasten, die winkelmäßig von der Mittenposition in der Größenordnung von 5° versetzt sind.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschwingungen der Welle und der daran angebrachten lichtreflektierenden Vorrichtung mit einer Frequenz durchgeführt werden, die in der Größenordnung von 100 Schwingungen pro Sekunde liegt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Magnetfeldes des Stators einstellbar ist.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Stärke des Magnetfelds durch Ändern der Amplitude des an die eine Statorwicklung des Stators angeleg­ ten, im wesentlichen konstanten elektrischen Signals erfolgt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehen des Rotors mit einer gleichförmigen linearen Geschwindigkeit durchgeführt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle und die daran angebrachte lichtreflektierende Vorrichtung derart gedreht werden, daß Positionen abgetastet werden, die winkelmäßig soweit entfernt sind, daß das Licht über ein vergrößertes Abtastfeld ausgelenkt wird, daß größer ist als das zur Abtastung erforderliche Abtastfeld, so daß die Welle und die daran angebrachte lichtreflektierende Vorrichtung über das zur Abtastung erforderliche Abtastfeld im wesentlichen linear angetrieben wird.
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