DE4136035C2 - Schwingspiegelvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwingspiegelvorrich­ tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wie beispielsweise in der JP-Patent-OS Nr. 58-184 080 offen­ bart ist, wurde herkömmlicherweise eine Schwingspiegelvor­ richtung zur Verwendung in einem Laserstrahlbetrieb im allge­ meinen so aufgebaut, daß sie einen Spiegel, eine mit dem Spiegel derart verbundene Drehachse, daß diese eine Schwing­ achse des Spiegels bestimmt, eine Basis- oder Tragkonstruk­ tion, die die Drehachse zum Oszillieren um die Schwingachse trägt, und eine Erregereinrichtung, welche an einem von der Schwingachse entfernten Teil des Spiegels angreift, umfaßt.

Bei der oben geschilderten herkömmlichen Konstruktion des Schwingspiegels werden auf die Drehwelle auf Grund der auf den Spiegel von der Erregereinrichtung aufgebrachten Erre­ gungskräfte seitliche Kräfte rechtwinklig zur Längsachse der Drehwelle zur Einwirkung gebracht, so daß die Drehwelle ex­ zentrische Kräfte auf ihre sie an der Tragkonstruktion halten­ den Lagerungen ausübt. Dadurch wird ein frühzeitiger Abrieb und Ausfall der Lagerungen hervorgerufen, was im verschiede­ nen Problemen und Schwierigkeiten resultiert, als da sind:
unkorrekte Axialität oder Ausrichtung der Laserstrahlen, Probleme im Aufrechterhalten einer hohen Schwingungsfrequenz, unerwünschte, ungünstige Vibrationen des Spiegels, hohe Ge­ räuschentwicklung und dergleichen mehr.

Die Druckschrift US 35 32 408 beschreibt eine Schwingspiegelvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, bei der der Spiegel auf einer Blattfeder abgestützt und durch eine Torsionsbeanspruchung der letzteren in eine oszillierende Drehbewegung versetzbar ist. Da die Anker dieser Vorrichtung an ihrem einen Ende mit dem Spiegel bzw. mit entsprechenden Trägerelementen fest verbunden sind, drehen sich die Anker nicht nur um die Achse der Blattfeder, sondern erfahren auch eine gewisse Längsbewegung entlang ihrer eigenen Achsen.

Aus der US 46 32 501 ist eine Schwingspiegelvorrichtung der obengenannten Art bekannt, die sich dadurch auszeichnet, daß der Spiegelträger an zwei einseitig im Gehäuse eingespannten Blattfedern befestigt ist. Bei dieser Vorrichtung wird die Auslenkung der Anker teilweise dadurch kompensiert, daß der Spiegelträger um eine von ihm entfernte Achse verschwenkbar ist.

Die US 49 43 147 beschreibt eine Schwingspiegelvorrichtung, bei der der Spiegelträger an zwei an einem Gehäuse angebrachten Trägerarmen drehbar gelagert ist. Die Trägerarme sind mit dem Gehäuse über Blattfedern verbunden, durch welche am Spiegel auftretende unerwünschte Vibrationen auf ein Minimum gebracht werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schwingspiegelvorrichtung zu schaffen, die eine kompakte Bauweise und eine hohe Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination der im Patentanspruch 1 definierten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Front- bzw. Seitenansicht einer Ausführungs­ form einer Schwingspiegelvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 und 4 eine Rückansicht bzw. eine Schnittdarstellung eines Erregerelements, das in die Schwingspiegelvor­ richtung von Fig. 1 und 2 eingegliedert ist, wobei eine Welle aus Gründen der Deutlichkeit halber weg­ gelassen wurde;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht einer bogenförmigen Blatt­ feder des Erregerelements;

Fig. 6 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Endabschnitts eines in Fig. 2 gezeigten Erregerelements;

Fig. 7 ein Schaltbild des elektrischen Kreises der Schwing­ spiegelvorrichtung nach den Fig. 1-6;

Fig. 8 ein Diagramm zur Beziehung zwischen der Erregungsfre­ quenz und der Schwingungsamplitude bei einer aktuel­ len Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schwing­ spiegelvorrichtung.

Die Schwingspiegelvorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt einen kreisförmigen Spiegel (Kreisspiegel) 10, um Lichtstrahlen, d. h. die Laserstrahlen, zu reflektieren, und dieser Spiegel 10 wird von einem Spiegelträger 12 in einem zentralen Teil der Frontseite (siehe Fig. 1) der Vorrichtung abgestützt. Der Spiegelträger 12 ist in der Frontansicht von Fig. 1 ein kreuz­ förmiges Bauteil , das ein Paar von vertikalen, den Spiegel 10 im Zusammenwirken mit Klemmstücken 14 sowie 16 haltenden Stützen und ein Paar von horizontal sich erstreckenden Armen, die von Lagereinrichtungen, auf die noch eingegangen werden wird, drehbar gelagert werden, aufweist.

Die einander entgegengesetzten Enden der horizontalen Arme tragen an ihren innenliegenden Hälften Kreuzfedern 18 und 20, die aus zwei im Querschnitt die Gestalt eines Kreuzes bildenden Blattfedern bestehen, und diese Federn sind um ihre mittigen Achsen elastisch verdrehbar. Die außenliegen­ den Hälften der Kreuzfedern 18 und 20 werden von einem Ge­ stell 22 gelagert, das in der Frontansicht von Fig. 1 im all­ gemeinen wie der Buchstabe "E" ausgestaltet ist. Dieses Ge­ stell 22 hat ein mittiges Armstück 22a, an welchem Platten 24 und 26 angebracht sind, die ihrerseits im Zusammenwirken mit Schellen 28 bzw. 30 die äußeren Hälften der Kreuzfedern 18 bzw. 20 lagern, welche so angeordnet sind, daß sie in axialer Richtung miteinander fluchten und eine Schwingachse 32 längs ihrer zentralen Achse bestimmen, um die der Spiegel 10, der im allgemeinen quer über sein Zentrum gelagert ist, schwingt. Auf diese Weise kann der Spiegel 10 um die Schwing­ achse 32 unter der elastischen, verdrehenden Verformung der Kreuzfedern 18 und 20 oszillieren. Der Spiegelträger 12, die Kreuzfedern 18 sowie 20, das Gestell 22, die Platten 24 sowie 26 und die Schellen 28 sowie 30 bilden eine Lager­ einrichtung, um den Spiegel 10 zu seinem Schwingen um die Schwingachse 32 zu lagern. Die Kombination von Kreuzfedern 18 sowie 20, Kopfteilen der Platten 24 sowie 26 und Schellen 28 sowie 30 kann durch irgendeine geeignete herkömmliche Ra­ diallagerkonstruktion ersetzt werden.

Im Spiegelträger 12 ist ein Kühlmittelkanal 34 ausgebildet, durch den ein von einem Zuleitungsschlauch 36 kommendes und von einem Ableitungsschlauch 38 abgeführtes Kühlmittel gelei­ tet wird, so daß der Spiegel somit in geeigneter Weise ge­ kühlt wird. Die beiden Schläuche 36 und 38 sind an die ent­ gegengesetzten Enden des Kühlmittelkanals 34 angeschlossen.

Hinter dem Spiegel 10 und dem Spiegelträger 12, die im Gestell 22 montiert sind, ist ein Paar von Erregerelementen 40 und 42 im Gestell angeordnet. Diese Erregerelemente 40 und 42 haben längs der Achsen 41U bzw. 41L Wellen 44U und 44L, welche mit einem freien Endstück der vertikalen Stütze des Spiegel­ trägers 12 verbunden sind, indem sie in einen rückwärtigen Teil, der zu dem das Klemmstück 14 oder 16 tragenden Teil der Stütze entgegengesetzt ist, eingeschraubt sind. Die Ach­ sen 41U und 41L verlaufen zueinander parallel und in gleichem Abstand zur Schwingachse 32, wie der Fig. 2 deutlich zu ent­ nehmen ist.

Die Konstruktion der Erregerelemente wird unter Bezugnahme auf vor allem die Fig. 3 und 4 anhand des oberen Erregerele­ ments 40 erläutert. Dieses Element 40 umfaßt ein becherför­ miges Gehäuse 48U aus einem magnetischen Material, in dem ein am Boden des Gehäuses 48U befestigter Magnet 50U aufgenommen ist. Die offene Stirnseite des Gehäuses 48U wird von einer Stirnplatte 52U aus magnetischem Material ab­ geschlossen. Diese Stirnplatte 52U wird am Gehäuse 48U durch Schraubenbolzen 51U gehalten und hat eine mittige Öff­ nung, durch welche sich unter Belassen eines ringförmigen Zwischenraumes ein freier Endabschnitt des Magneten 50U er­ streckt.

An der Stirnplatte 52U wird über Maschinenschrauben 53U ein Tragring 54U gehalten. Drei bogenförmige Blattfedern 56U, die in einem Kreis angeordnet sind, ein ringförmiger Abstands­ halter 58U und drei bogenförmige Blattfedern 60U, die eben­ falls in einem Kreis angeordnet sind, liegen in axialer Dich­ tung übereinander und sind am Tragring 54U durch drei Schrau­ ben 59U gehalten, von denen jede durch ein zentrales Teil einer jeden bogenförmigen Blattfeder 56U sowie 60U und den ringförmigen Abstandshalter 58U verläuft, um diese Bauteile untereinander fest zu verbinden und diesen ringförmigen Bau­ satz in Ausrichtung auf die Achse 41U zu montieren.

Jede der bogenförmigen Blattfedern 56U und 60U weist die in Fig. 5 für die Blattfeder 60U gezeigte Konstruktion auf, d. h., sie hat in einem mittigen Bereich des die konkave Ge­ stalt bestimmenden inneren Abschnitts einen Vorsprung 60Ua und zwischen dem inneren konkaven Abschnitt sowie dem äußeren konvex gestalteten Abschnitt eine diese Teile trennende bogenförmige Schlitzöffnung 60Ub, die sich über eine erhebliche Länge der Blattfeder erstreckt und um eine mittige Öffnung 60Uc, die der Aufnahme der Schraube 59U dient, herumgeht.

Von den bogenförmigen Blattfedern 56U und 60U wird im Zusam­ menwirken mit Ringgliedern 64U und 66U ein Pendelglied 62U getragen, das mit den inneren Vorsprüngen, wie den Vorsprün­ gen 60Ua in den Blattfedern 60U, in Anlage ist. Im einzelnen hat das Pendelglied 62U eine zylindrische, äußere Schulter­ fläche, die den bogenförmigen Innenkanten der inneren Vor­ sprünge entspricht. Ein Ringschulterabschnitt liegt an den inneren Vorsprüngen der bogenförmigen Blattfedern 56U an, die zwischen diesem Ringschulterabschnitt und der einen axia­ len Stirnfläche des um die zylindrische Außenfläche des Pen­ delgliedes herum angebrachten Ringgliedes 64U eingeklemmt sind. Die inneren Vorsprünge 60Ua der bogenförmigen Blattfe­ dern 60U werden zwischen der anderen Stirnfläche des Ringglie­ des 64U und dem um die zylindrische Außenfläche des Pendel­ gliedes herum angebrachten Ringglied 66U eingeklemmt. Das Ringglied 64U hat dieselbe axiale Länge wie der ringförmige Abstandshalter 58U. Somit ist das Pendelglied 62U in oszillie­ render Weise mit Bezug zu der stationären Traganordnung, die das Gehäuse 48U, den Tragring 54U und den ringförmigen Abstandshalter 58U umfaßt, längs der Achse 41U unter elasti­ scher Lagerung durch die bogenförmigen Blattfedern 56U und 60U hin- und herbewegbar.

An einem inneren Endabschnitt des Pendelgliedes 62U ist eine zylindrische Magnetspule 68U angebracht, die in dem zwischen der mittigen Öffnung der Stirnplatte 52U und dem freien End­ abschnitt des Magneten 50U belassenen Ringraum so angeordnet ist, daß sie mit den gegenüberliegenden Teilen geringfügig außer Berührung ist. Wenn ein Wechselstrom durch die Magnet­ spule 68U geschickt wird, wird auf die Magnetspule eine ent­ sprechende axiale Kraft ausgeübt, so daß dadurch das Pendel­ glied 62U dementsprechend zum Oszillieren gebracht wird.

Im Bodenstück des becherförmigen Gehäuses 48U, im Magnet 50U sowie im Pendelglied 62U sind jeweils Durchgangsbohrungen 49U bzw. 51Ua bzw. 63U ausgebildet, die miteinander längs der Achse 41U fluchten, um eine in ihnen hin- und herbewegbare Welle 44U aufzunehmen. Die Bohrung 63U im Pendelglied 62U wird von einem Muffenteil 70U mit einem Flansch bestimmt, wobei das Muffenteil in einer zugeordneten, im Pendelglied 62U ausgear­ beiteten Bohrung mit Hilfe von Schrauben 71U (s. Fig. 3) gehal­ ten ist. Das eine Ende der Welle 44U ist in der Bohrung 63U aufge­ nommen und hier durch eine Mutter 72U (siehe Fig. 2) befestigt. In der Bohrung 51Ua des Magneten 50U ist an dessen freiem Endabschnitt eine Flanschhülse 74U angeordnet, die ein Gegen­ lager zum Abstützen einer Schraubendruckfeder 76U, welche das Pendelglied 62U vom Magneten 50U weg belastet, bildet.

Wie in Fig. 6 im einzelnen gezeigt ist, ist eine Buchse 78U mit ihrem Außengewinde in die mit einem Innengewinde verse­ hene Bohrung 49U im Boden des Gehäuseteils 48U eingebaut und hier durch eine Kontermutter 80U gesichert. Das andere Ende der Welle 44U ist mit einem Gewindeabschnitt in eine an einem Endstück des Spiegelträgers 12 ausgebildete Gewindebohrung 12a eingeschraubt und hier durch eine Mutter 82U festgelegt, die auch dazu dient, ein Federgegenlager 84U festzuhalten, an dem eine Schraubendruckfeder 86U angreift, die das End­ stück des Spiegelträgers 12 vom Boden des Gehäuses 48U weg drückt.

Das untere Erregerelement 42 hat denselben Aufbau wie das Erregerelement 40, und in Fig. 2 sind die den Teilen des Erregerelements 40 entsprechenden Teile mit "L" neben der Bezugszahl bezeichnet.

Die Magnetspulen 68U und 68L in den Erregerelementen 40 und 42 werden durch die Schaltungsanordnung von Fig. 7 elek­ trisch betrieben. Die Magnetspulen 68U, 68L sind in Reihe und mit Bezug zu ihrer Ausrichtung zueinander entgegengesetzt geschaltet. Sie können jedoch auch parallelgeschaltet sein unter der Voraussetzung, daß sie mit wechselweise entgegen­ gesetzten Polaritäten erregt werden. Den Magnetspulen 68U und 68L wird ein Wechselstrom von einer Energiequelle 90 mit einer durch einen Oszillator 92 geregelten Frequenz zugeführt.

Gemäß Fig. 2 ist an der Stirnplatte 52U ein Amplitudenfühler 94 angebracht, um die Amplitude der oszillierenden Teile zu erfassen und an einem (nicht gezeigten) Sichtgerät dar­ zustellen.

Wenn im Betrieb ein (nicht gezeigter) Netzschalter geschlos­ sen wird, so wird ein Wechselstrom mit einer im Oszillator 92 festgesetzten Frequenz von der Energiequelle 90 den Ma­ gnetspulen 68U und 68L zugeführt, die dadurch in alternie­ render Weise mit wechselseitig entgegengesetzten Polaritäten magnetisiert werden.

In Übereinstimmung mit diesen abwechselnden und wechselweise entgegengesetzten Magnetisierungsvorgängen der Magnetspulen 68U und 68L werden die Wellen 44U und 44L der Erregerelemente 40 und 42 entgegengesetzt in - bei Betrachtung von Fig. 2 - linken sowie rechten Richtungen bewegt, so daß der Spiegel 10 um die Schwingachse 32 unter Lagerung durch den Spiegelträ­ ger 12, der an den Kreuzfedern 18 und 20 schwenkt, zum Oszil­ lieren gebracht wird.

Es ist erwünscht, daß die Resonanzfrequenz der gesamten Schwingmasse so geregelt wird, daß sie mit der Antriebsfre­ quenz der Erregerelemente übereinstimmt, indem die Trägheits­ massen des Spiegels 10, des Spiegelträgers 12, der Pendelglie­ der 62U sowie 62L, der Magnetspulen 68U sowie 68L, der Wel­ len 44U sowie 44L usw. justiert werden und/oder die Federkräf­ te der Schraubenfedern 76U, 76L, 86U sowie 86L durch Verstel­ len der Buchsen 78U sowie 78L eingestellt werden.

Die Fig. 8 zeigt ein Diagramm zur Beziehung zwischen der Amplitude und Frequenz im Betrieb einer Schwingspiegelvor­ richtung nach den Fig. 1-7, wobei die Resonanzfrequenz der gesamten Schwingmasse auf 200 Hz eingeregelt war. Die Schwingungsamplitude wurde durch den Amplitudenfühler 94 erfaßt. Es ist zu erkennen, daß die Schwingspiegelvorrich­ tung eine relativ scharfe Resonanzcharakteristik bei 200 Hz der Antriebsfrequenz zeigt.

Da auf den den Spiegel 10 haltenden Spiegelträger 12 ständig erregende Kräfte von einem Paar von Erregerelementen 40 und 42 als ein Kräftepaar einwirken, um den Spiegelträger um die mittige Achse der Kreuzfedern 18 und 20, welche mit der Schwingachse 32 zusammenfällt, zu drehen, wird keine nennens­ werte Seitenkraft auf die Kreuzfedern 18 und 20 mit Ausnahme der auf dem Gewicht des Spiegelträgers sowie des Spiegels beruhenden konstanten Vertikalkraft ausgeübt. Deshalb wird die Haltbarkeit und Standzeit der Kreuzfedern 18 sowie 20 wesentlich gesteigert. Dieselbe Verbesserung in der Stand­ zeit der Schwenklagerung wird bei anderen herkömmlichen Arten von Schwenklagerungen, wie verschiedenen üblichen Radialla­ gern mit inneren und äußeren Laufringen, zu erzielen sein, wenn sie anstelle der Kreuzfedern 18 und 20 zur Anwendung kommen. Da ferner die Erregungsenergie nicht in einem nutz­ losen Seitwärtsbelasten des Spiegels sowie Spiegelträgers bei einem Oszillieren des Spiegels um seine Schwingachse ver­ braucht wird, wird der Wirkungsgrad im Energieverbrauch ver­ bessert, was mit einer entsprechenden Reduzierung von Vibra­ tionen und Geräuschen verbunden ist.

Claims (9)

1. Schwingspiegelvorrichtung mit einem Spiegel (10), einem den Spiegel zum Drehen um eine Schwingachse (32) lagernden Spiegelträger (12), einem Paar von Erregerelementen (40, 42), die in bezug auf die Schwingachse an von dieser entfernt einander gegenüberliegenden Bereichen des Spiegelträgers angeordnet sind, und die jeweils einen Magneten und eine Magnetspule umfassen, wobei durch Antreiben der Magnetspule mit einem Wechselstrom eine Relativbewegung zwischen der Magnetspule und dem Magneten hervorgerufen wird, gekennzeichnet durch
ein im wesentlichen becherförmiges magnetisches Gehäuse (48U), wobei
der im Gehäuse angeordnete Magnet (50U), der an seinem ersten, dem Spiegelträger benachbarten axialen Ende an einem Bodenabschnitt des Gehäuses angebracht ist und dessen zweites axiales Ende von einem offenen Endabschnitt des Gehäuses umgeben ist, so daß dazwischen ein ringförmiger, von magnetischen Kraftlinien radial durchsetzter Zwischenraum verbleibt, in dem die Magnetspule (68U) angeordnet ist, und
das jeweilige Gehäuse (48U) mit dem Magneten (50U) eine mittige Durchgangsbohrung (51Ua) aufweist und der entsprechende Bereich des Spiegelträgers (12) mittels einer durch die Durchgangsbohrung verlaufenden Welle (44U) mit der Magnetspule (68) wirkverbunden ist, wobei die Magnetspule über eine Traganordnung (54U, 58U, 60U, 62U) federnd für eine axiale Hin- und Herbewegung im ringförmigen Zwischenraum gelagert ist.

2. Schwingspiegelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Traganordnung (54U, 58U, 60U, 62U) zum Tragen der Solenoidspule ein Pendelglied (62U) und das Pendelglied auf das Gehäuse (48U) elastisch abstützende Blattfedern (56U, 60U) aufweist, wobei die Welle (44U) unmittelbar mit dem Pendelglied verbunden ist.

3. Schwingspiegelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Welle (44U) einen Gewindeabschnitt aufweist, der in eine im entsprechenden Bereich des Spiegelträgers (12) ausgebildete Gewindebohrung (12a) eingeschraubt ist.

4. Schwingspiegelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Pendelglied (62U) verbundene Ende der Welle (44U) in einer entsprechenden Öffnung (63U) des Pendelgliedes aufgenommen und daran durch eine Befestigungseinrichtung (72U) axial befestigt ist.

5. Schwingspiegelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (56U, 60U) bogenförmig und in einem Kreis angeordnet sind, und von denen jede einen innenliegenden, konkaven Abschnitt sowie einen außenliegenden, konvexen Abschnitt hat, die durch einen bogenförmigen Schlitz (60b) voneinander getrennt sind, wobei der innenliegende, konkave Abschnitt an dem Pendelglied (62U) und der außenliegende konvexe Abschnitt an dem Gehäuse (48U) befestigt sind.

6. Schwingspiegelvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Traganordnung zwei Lagen von bogenförmigen Blattfedern (56U, 60U), die jeweils in einem Kreis angeordnet und durch einen zwischengefügten Abstandshalter (58U) voneinander getrennt sind, umfaßt.

7. Schwingspiegelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerelemente (40, 42) jeweils eine erste, zwischen dem zweiten Ende des Magneten (50U) sowie dem Pendelglied (62U) angeordnete Schraubendruckfeder (76U) und eine zweite, zwischen dem Boden des becherförmigen Gehäuses (48U) sowie dem Spiegel (10) angeordnete Schraubendruckfeder (86U) aufweisen.

8. Schwingspiegelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelträger ein kreuzförmiger Träger (12) mit zwei ersten, den Spiegel (10) tragenden Schenkeln und zwei zweiten, zu den ersten Schenkeln rechtwinkligen Armen, die die ersten Schenkel drehbar in einem Gestell (22) lagern, ist.

9. Schwingspiegelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der kreuzförmige Träger (12) über ein Paar von Kreuzfedern (18, 20), die längs ihren Achsen die Schwingachse (32) für den Spiegel (10) bestimmen, drehbar gelagert ist.