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Anordnung zur Erzeugung einer sägezahnförmigen mechanischen Schwingung
eines Bauteils und Verfahren zum Betrieb der Anordnung Die Erfindung betrifft eine
Anordnung zur Erzeugung einer sägezahnförmigen mechanischen Schwingung eines Bauteils,
insbesondere eines optischen Spiegels, das starr mit einer elektrischen Drehspule
verbunden ist, die in einem homogenen Magnetfeld angeordnet ist.
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Es ist bereits bekannt, eine optische Bildabtastung mit Hilfe eines
sogenannten Schwingspiegels vorzunehmen. Man bedient sich dabei eines vorzugsweise
ebenen, um eine Achse drehbaren Spiegels, der mechanisch in Schwingung versetzt
wird. Um eine möglichst sägezahnförmige Schwingungskurve zu erzielen, verwendet
man z. B. als Mechanik eine Kurvenscheibe, durch welche der Bzwegungsablauf des
Spiegels gesteuert wird. Aus der USA.-Patentschrift 2 320 380 ist ein starr
mit einer Drehspule gekoppelter Schwingspiegel bekannt, dessen Rücklauf durch mechanische
Mittel bewirkt wird. Solche bekannten Schwingspiegelanordnungen sind entweder infolge
der umfangreichen Mechanik verhältnismäßig verschleißanfällig und geräuschvoll,
oder aber sie erfordern zusätzliche Energie für die Rückstellkraft.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs
genannte Anordnung anzugeben, die eine verringerte Verschleißanfälligkeit besitzt,
geräuscharm ist, die einfach herzustellen ist und die sich besonders zur Verwendung
als Bildabtaster eignet.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Drehspule derart gelagert
ist, daß auf sie keine mechanischen Rückstellkräfte einwirken und daß an die Drehspule
eine alternierend die Polung und die Größe wechselnde elektrische Gleichspannung
angelegt ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein bevorzugtes Verfahren
zum Betrieb einer solchen An-,ordnung vorgeschlagen.
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Der wesentliche Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin,
daß nur sehr wenige mechanisch bewegte Teile erforderlich sind und daß in einfacher
Weise die Schwingungsdauer, die Schwingungsamplitude und die Schwingungsforin beeinflußbar
sind. Eine besondere Bedeutung kommt der Tatsache zu, daß die ' Drehspule
mit dem daran befestigten Bauteil, das bevorzugt ein Spiegel ist, derart gelagert
ist, daß keinerlei Rückstellkraft auf die Drehspule einwirkt. Das aus Drehspule
und Bauteil bestehende System besitzt also keine mechanisch- definierte Ruhelage.
Durch einen in der Drehspule fließenden Strom wird dieser eine Bewegung vermittelt,
die bei Voraussetzung eines honiogenen Magnetfeldes und einer konstant an der Spule
anliegenden Gleichspannung eine konstante Winkelgeschwindigkeit besitzt. Es stellt
sich nämlich ein Gleichgewichtszustand ein, der dadurch definiert ist, daß durch
die Bewegung in der Drehspule eine Gegenspannung induziert wird, die gleich der
an der Spule angelegten Gleichspannung ist. Dieser Effekt wird für die beschriebene
Anordnung ausgenutzt. Man erhält dadurch bei entsprechend angelegten Gleichspannungen
einen sägezahnförmi-gen Schwingungsablauf der Drehspule mit verhältnismäßig großen
linearen Bereichen.
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An Hand des in den F i g. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiels
wird die Erfindung nachfolgend näher erklärt.
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Die F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf die wesentlichen
Teile der beschrieben-en Anordnung. Diese besteht aus einem Dauermagnetkörper
1 und einem weichmagnetischen Kein 2. Zwischen dem weichinagnetischen Kein
2 und dem Dauermagnetkörper 1 befinden sich zwei Luftspalte, die Ausschnitte
eines Ringspaltes sind. In dies-en beiden, Luftspalten bewegt sich eine Drehspule
5, die mit Hilfe von Halteteilen 6 an einen Spiegel 3 starr
befestigt ist. Der Spiegel 3 ist um eine Achse 4, die gleichzeitig auch die
Drehachse für die Drehspule 5
ist, drehbar gelagert.
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Es wurde bereits eingangs darauf hingewiesen, daß das aus Drehspule
und Spiegel bestehende System keine mechanisch defmierte Ruhelage besitzt. Um eine
Bezugslage dieses drehbaren Systems festzusetzen, wird bei einer -ganz bestimmten
Lage des Systems ein elektrischer Impuls ausgelöst, der den Spannungsumschalter
betätigt.
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- Eine Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Kontaktgabe
ist in F i g. 2 dargestellt. Sie läßt sich
auf einfache Weise
mit dem Abtastspiegel kombinieren und arbeitet wegen des langen Lichtwegs sehr genau.
Als Lichtquelle für den Fotokontakt dient ein Spalt 26, der von einer Glühlampe
21 beleuchtet wird. Dieser Spalt wird durch den Hohlspiegel 22 abgebildet, wobei
die Strahlen zweimal an der Oberfläche des Schwingspiegels reffektiert werden. In,
einer ganz bestimmten Stellung des Spiegels fällt das Bild des beleuchteten Spaltes
26 durch den zweiten Spalt 27
auf das lichtempfindliche Element
23 und betätigt dadurch einen elektrischen Kontakt.
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An Hand der in den F i g. 3 bis 5 gezeigten Diagramme
wird nachfolgend die, Funktionsweise des Erfind'ungsgegenstandes beschrieben. Die
horizontale Achse ist jeweils die Zeitachse
wobei r eine als Zeiteinheit gewählte Zeitkonstante ist, die für das
' betregende System eigentümlich ist.
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In F i g. 3 ist über dieser Zeitachse die auf das lichtempfindliche
Element 23 fallende Lichtmenge als Ordinate aufgetragen.
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In F i g. 4 Ut über der Zeitachse als Abs-zissie die' an der
Drehspule anliegende Gleichspannung U" als Ordinate aufgetragen.
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In F i g. 5 ist über der Zeitachse die Winkelstellung des Spiegels
aufgetragen, wobei A eine Konstante des Systems ist.
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Der Zeitmaßstab in F i g. 3 bis 5 beginnt in dem Augenblick,
in dem das schwingende System beim Rücklauf den Kontakt auslöst. Dadurch wird an
die Drehspule die sogenannte Vorwärtsspannung U, angelegt. Diese bremst das System
ab und beschleunigt es in Vorwärtsrichtung. Beim Durchgang durch die Bezugslage
wird-wieder ein Kontakt ausgelöst, der aber diesmal keinen Einfluß auf,das System
hat. Nach einer einstellbaren Zeit (im Bild
wird die Spannung umgepolt, und es wird eine Rücklaufspannung U2 angelegt,
deren absoluter Wert beispielsweise fünfmal so groß ist wie der Absolutwert von
Ul. Davon ausgehend, daß die Spannung U:, positiv ist, ist die Spannung
U, negativ. Diese erhöhte Rücklaufspannung bewirkt wieder eine Umkehrung
der Bewegung der Drehspule - und einen beschleunigten Rücklauf des mit der
Spule starr verbundenen Spiegels. BeimDurchlauf des Systems durch dieBezugslage
wird wieder ein Kontakt ausgelöst, der wieder die Vorwärtsspannung U, einschaltet.
Als Folge davon wird die Drehrichtung des Spiegels wieder geändert, und der Vorgang
beginnt von neuem.
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Da unter der Voraussetzung des Vorliegens eines konstanten Magnetfeldes
die Winkelgeschwindigkeit der Drelispule proportional der an der Drehspule angelegten
Spannung ist, kann die Winkelgeschwindigkeit in beide Richtungen in weiten Grenzen
durch die Wahl der angelegten Spannung variiert werden. Zur Erzielungeiner sägezahnförmigen
Schwingbewegung wird man also, wie in der Figur dargestellt, für den Rücklauf des
Spiegels eine negative Spannung anlegen, deren absoluter Wert höher ist als der
Spannungswert für den Vorlauf. Selbstverständlich ist dann die Zeitdauer der anliegenden
Rücklaufspannung kürzer als die Zeitdauer der anliegenden Vorlaufspannung. Die.
Schwingungskarve des Spiegels nach F i-g. 5
besitzt keine exakte Sägezahnform,
sondern die Umkehrpunkte des Spiegels sind- verschliffen. Dies liegt in der Masseträgheit
des Schwingsystems begründet. Da man aber bei dererfindungsgemäßen Anordnung
die Masseträgheit -sehr klein halten kann', können diese unerwünschten Erscheinungen
in den Umkehrpunkten verhältnismäßig klein gehalten werden, so daß sie weitgehend
vernachlässigt werden können. Wie aus der F i g. 5 zu ersehen ist, ergibt
sich während des Vorlaufs eine Kurvenform, deren größter Teil geradlinig und somit
linear verläuft.
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Da zur Erzielung einer Sägezahnkurve, eine erhöhte Rücklaufspannung
angelegt wird, ergibt sich auch in dem Umkehrpunkt vom Vorlauf zum Rücklauf eine
wesentlich geringere Auswirkung der Masseträghei#t des Schwipgsystems im Vergleich
zum Umk#lizpunkt vom Rücklauf -zum Vorlauf. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
kann die Auswirkung der, Masseträgheit an dem Umkehrpunkt vom Rücklauf zum Vorlauf
dadurch verringert worden, daß bei Umpolung der Spannung von der Rücklaufspannung
-auf die Vorlaufspannung anfänglich eine erhöhte Vorlaufspannung an die Drehspule
angelegt wird, die sich dann abklingend auf den Wert der vorgesehenen Vorlaufspannung
U:, reduziert. Durch den bei der Umpolung angelegten kurzzeitig erhöhten Stromstoß
wird die Drehbewegung des Spiegels beschleunigt umgekehrt.