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Dokumentenidentifikation DE69124839T2 04.09.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0459585
Titel Abtastvorrichtung mit einem drehbaren Spiegel sowie Antriebseinheit zum Gebrauch in der Abtastvorrichtung
Anmelder Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder van Rosmalen, Gerard Eduard, NL-5656 AA Eindhoven, NL
Vertreter Peters, C., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 22335 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69124839
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 29.05.1991
EP-Aktenzeichen 912012812
EP-Offenlegungsdatum 04.12.1991
EP date of grant 05.03.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.09.1997
IPC-Hauptklasse G11B 7/08
IPC-Nebenklasse G11B 7/085   G02B 26/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abtastvorrichtung mit einem drehbaren Spiegel zum Richten und Steuern eines Strahlungsbündels auf eine abzutastende Oberfläche und auf eine Antriebseinheit, die mit einem um eine Drehungsachse drehbar gelagerten, den Spiegel tragenden Läuferteil versehen ist, mit einem zylinderförmigen, insbesondere scheibenförmigen, wenigstens teilweise dauermagnetisierten Läuferkörper und einem unbeweglichen Ständerteil mit sich in dem Magnetfeld des Läuferkörpers erstreckenden Spulen zum Erzeugen auf den Läuferkörper angreifender, elektromagnetischer Antriebskräfte zum drehbaren Antreiben des Läuferteils.

Eine derartige Abtastvorrichtung ist aus JP-A 61-147218 bekannt. Die bekannte Abtastvorrichtung umfaßt einen bürstenlosen Elektromotor mit einem Ständer mit kernlosen flachen Spulen. Der Elektromotor hat einen Läufer mit zwei axial magnetisierten Dauermagneten und mit an dem Umfangsrand der Magneten befindlichen Spiegelsegmenten. Die bekannte Abtastvorrichtung umfaßt weiterhin ein zentral angeordnetes mechanisches Lager, insbesondere ein Luftlager, zur Lagerung des Läufers um die Drehungsachse. Das Lager hat zwischen Lagerflächen vorgesehene Räume, in denen mit Hilfe einer Pumpvorrichtung Preßluft eingebracht werden kann. Ein Nachteil der bekannten Abtastvorrichtung ist das Vorhandensein des Luftlagers, in dem sich bei hohen Drehzahlen des Läufers dersrtige Luftwirbelungen entwickeln können, daß ein unstabiler Lagerzustand entsteht. Für viele Anwendungsbereiche von Abtastvorrichtungen, bei denen Polygonspiegel verwendet werden, sind jedoch hohe Drehzahlen sowie stabile Lagerungen erforderlich. Ein weiterer Nachteil der bekannten Abtastvorrichtung ist, daß insbesondere durch Verschmutzung in dem Lager nach bestimmter Zeit Verschleiß des Lagers auftritt. Ein anderer Nachteil ist, daß Luftlager sich wegen der daran gestellten Genauigkeitsanforderungen nur schwer herstellen lassen und folglich relativ teuer sind.

Es ist nun u.a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Abtastvorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist.

Die erfindungsgemaße Abtastvorrichtung weist einen drehbaren Spiegel auf zum Richten eines Strahlungsbündels auf eine abzutastende Oberfläche, und eine Antriebseinheit mit einem den Spiegel tragenden Läuferteil, der derart aufgehängt ist, daß er um eine Drehungsachse drehen kann, wobei der Läuferteil einen wenigstens teilweise axial magnetisierten zylinderförmigen Läuferkörper aufweist, der ein Magnetfeld erzeugt, und einen unbeweglichen Ständerteil mit Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte, die auf den Läuferkörper wirken und Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte, die auf den Läuferkörper wirken, wobei die Spulen zum Erzeugen der elektromagnetischen Antriebskräfte und die Spulen zum Erzeugen der elektromagnetischen Lagerkräfte sich bis in das genannte Magnetfeld erstrecken, das in seiner Intensität und/oder Richtung längs einer Umfangsrichtung des Läuferkörpers variiert zum Zusammenarbeiten mit den Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte zum Drehen des Läuferteils gegenüber dem Ständerteil und mit den Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte zum Tragen des Läuferteils gegenüber dem Ständerteil.

Infolge des in der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung erzeugten elektromagnetischen Lagers dreht sich der den Spiegel tragenden Läuferteil bei erregten Spulen kontaktlos in dem Raum. Bei einer geeigneten Konfiguration der Spulen zum Erzeugen von elektromagnetischen Lagerkräften und bei geeigneten Erregungsströmen durch die Spulen zum Erzeugen von elektromagnetischen Lagerkräften ist eine stabile, eine feste Drehungsachse liefernde Lagerung erzielbar. Dadurch daß die Spulen zum Erzeugen von elektromagnetischen Lagerkräften erregt werden, bevor die Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte erregt werden, wird gewährlesitet, daß es beim in Drehung Versetzen des Läuferteils keinen mechanischen Kontakt zwischen dem Läuferteil und dem Ständerteil gibt. Das durch die Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte und durch den Läuferkörper gebildete elektromagnetische Lager ist störungsunempfindlich und wegen des einfachen Aufbaus leicht fertigbar. Der Dauermagnetläuferleit ist vorzugsweise scheibenförmig.

Die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung eignet sich insbesondere dazu, mit Hilfe eines Strahlungsbündels magnetische Aufzeichnungsspuren oder Aufzeichnungsstreifen auf einem länglichen Träger oder bandförmigen Träger abzutasten.

Es sei bemerkt, daß in JP-A 53-20938 eine Vorrichtung beschrieben wird, die eine Antriebseinheit und einen Spiegel aufweist. Die Antriebseinheit weist einen Ständer mit Spulen auf und einen Läufer, der aus einem Magneten besteht. Der Läufer ist auf einer drehbaren Achse befestigt, die den Spiegel trägt. Die Vorrichtung hat weiterhin eine Lagervorrichtung fur die Achse mit zwei radialen Luftlagern und einem axialen Magnetlager. Das Magnetlager besteht aus einem auf der drehbaren Achse befestigten Dauermagneten und aus einem ortsfesten Dauermagneten. Die Spulen dienen zum Erzeugen einer dehenden Feldes zum Drehen des Läufers.

Es sei weiterhin erwähnt, daß in EP-A 233 380 eine optische Anordnung beschrieben wird, die eine Objektivlinse und elektromagnetische Betätigungsmittel aufweist zum Korrigieren der Lage der Linse. Die Betätigungsmittel sind mit einem auf der Objektivlinse befestigten Dauermagneten sowie mit Spulen versehen, die in dem Magnetfeld des Magneten vorgesehen sind und zum Erzeugen einer Tragfeldes dienen zum Tragen der Objektivlinse. Ein Lagendetektionssystem regelt die Spulen in der Betriebslage der Vorrichtung um die Objektivlinse in einer Schwebelage zu halten.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung weist das Kennzeichen auf, daß die Abtastvorrichtung ein Lagen- und Orientierungsmeßsystem aufweist mit mindestens einem Detektor zum Messen der Lage und der Orientierung des Spiegels und zum Erzeugen von Signalen, wobei eine Matrixschaltung vorgesehen ist zum in Abhängigkeit der genannten Signale selektiven Ansteuern der Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte.

Mit Hilfe des genannten Meßsystems in Kombination mit der Matrixschaltung lassen sich die Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte derart ansteuern, daß es möglich ist, die Drehungsachse des Spiegels, in einem orthogonalen Achsensystem gesehen, dessen Ursprung sich in dem Spiegel befindet und wobei eine der Achsen, die Z-Achse, mit der Drehungsachse zusammenfällt, zu verlagern gemäß der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse und zu kippen um die X- Achse und die Y-Achse. Die restliche Bewegungsmöglichkeit nach einem sechsten Freiheitsgrad der Bewegung, nämlich eine Drehung um die Z-Achse, wird durch erregung der Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte erzielt. Das Lagen- und Orientierungsmeßsystem der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung kann, je nach dem, was erwünscht ist, zum Messen der Lage und der Orientierung des Spiegels gegenüber der abzutastenden Oberfläche eingerichtet sein, insbesondere von Aufzeichungsspuren oder -streifen, und/oder gegenüber dem Ständerteil der Abtastvorrichtung.Wenn das Meßsystem zum Messen der Lage und der Orientierung des Spiegels gegenüber der abzutastenden Oberfläche eingerichtet ist, können etwaige Abweichungen in der Lage der abzutastenden Oberfläche, beispielsweise infolge unzulänglichkeiten in der Lehkungskonstruktion des Trägers der abzutastenden Oberfläche automatisch ausgeglichen werden durch Kippung und/oder durch parallele Verschiebung der Drehungsachse. Durch eine ständige Messung der Orientierung des Läuferteils oder des Spiegels gegenüber dem Ständerteil lassen sich etwaige Abweichungen der Lage der Drehungsachse gegenüber einer vorher definierten Achse auf elektronischem Weg ausgleichen. Eine Kombination der genannten Messungen ist ebenfalls möglich. Das Lagen- und Orientierungsmeßsystem wird nachstehend auch kurz als Lagenmeßsystem bezeichnet.

Das genannte Meßsystem und die genannte Matrixschaltung bilden einen Teil eine elektronischen Regelschaltung der Abtastvorrichtung. Um das Entstehen etwaiger Unzulänglichkeiten des Regelsystems zu vermeiden ist es wichtig, Übersprechen innerhalb der Schaltungsanordnung möglichst zu vermeiden. Das Meßsystem ist dazu vorzugsweise mit einer Anzahl unabhängig oder nahezu unabhängig voneinander arbeitender Detektoren versehen zum Messen der Lage und der Orientierung des Spiegels und zum Erzeugen von Signalen. Die Anzahl Detektoren wird im Grunde durch die Anzahl gewünschter Korrekturmöglichkeiten in bezug auf die Lage und die Orientierung der Drehungsachse bestimmt und ist vorzugsweise fünf.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung weist das Kennzeichen auf, daß die Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte Segmentspulen sind und gemäß Paaren von Segmentspulen gegliedert sind, die in der Umfangsrichtung des Läuferkörpers gesehen, nebeneinander angeordnet sind, wobei die Paare von Segmentspulen je mindestens zwei, gemäß der Drehungsachse gesehen, hintereinander vorgesehene Segementspulen aufweisen.

Die ortsfest angeordneten Segmentspulen befinden sich in einem bestimmten Abstand von dem Läuferkörper und arbeiten über einen Luftspalt mit dem Läuferkörper magnetisch zusammen. Bei der selektiven Erregung der Segmentspulen können drei gemäß den drei Koordinationsachsen eines orthogonalen Achsensystems gerichtete Kräfte, sowie zwei um zwei der genannten Koordinatenachsen wirkende Kippmomente erzeugt werden. Die Segmentspulen, die im allgemeinen mehr oder weniger bananenförmig sind, lassen sich auf einfache Weise herstellen und beanspruchen relativ wenig Raum. Die Segmentspulen lassen sich als Spulen ausbilden mit nur einem gegenüber dem Läuferkörper liegenden, in der Umfangsrichtung des Läuferkörpers laufenden und mit dem Läuferkörper magnetisch zusammenarbeitenden aktiven Spulenteil und mit im wesentlichen weiter von dem Läuferkörper entfernt liegenden und zum Erzeugen elektromagnetischer Kräfte nicht wichtigen passiven Spulenteilen. Es sind auch Segmentspulen möglich mit zwei parallelen, in der Umfangsrichtung des Lauferkörpers sich erstrecckenden und gemäß der Drehungsachse gesehen, hintereinander liegenden aktiven Spulenteilen, die durch passive Spulenteile verbunden sind. Weiterhin sind Abwandlungen und Kombinationen von Segmentspulen möglich. Im allgemeinen wird dabei der Läuferkörper wenigstens teilweise axial magnetisiert sein, obschon ebenfalls geeignete Spulenkonfigurationen in Kombination mit einem wenigstens teilweise radial oder auf andere Art und Weise magnetisierten Ständerkörper möglich sind.

Eine aus Symmetrie- und Wirkungsgründen interessante Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung weist das Kennzeichen auf, daß die Anzahl Segmentspulenpaare mindestens vier beträgt.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung, wobei der Läuferkörper völlig frei in dem Raum sich drehen kann, ohne daß zusätzliche Lagermittel, wie Ständermagneten, erforderlich sind, weist das Kennzeichen auf, daß der Läuferteil der Antriebseinheit ausschließlich elektromagnetisch gelagert ist.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung, wobei der Läuferkörper wenigstens teilweise axial dauermagnetisch ist und wobei die Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte sich in einer quer zu der Drehungsachse des Läuferkörpers der Antriebseinheit orienterten Ebene befinden, weist das Kennzeichen auf, daß der Läuferkörper mit gegenüber den Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte und in einem radialen Abstand von dem Umfangsrand des Läuferkörpers befindlichen, in Tangentialrichtung begrenzten und sich in Axialrichtung erstreckenden, nicht-magnetischen Teilen oder magnetischen Teilen mit einer gegenüber dem restlichen Teil des Lauferkörpers entgegengesetzten Magnetisierungsrichtung versehen ist.

Der Läuferkörper dieser Abtastvorrichtung eignet sich ins besondere zur magnetischen Zusammenarbeit mit den Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte sowie mit den Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte. Dadurch, daß die nicht-magnetischen Teile oder die genannten magnetischen Teile sich nicht bis an den Umfangsrand des Läuferkörpers erstrecken, ist das Magnetfeld in einer Zone um den Umfangsrand des mechanisch starken Läuferkörpers herum weitgehend gleichmäßig. Ein Vorteil dabei ist, daß die Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte sich auch bei Drehung des Läuferteils in einem nahezu Dauermagnetfeld befinden, was die Lagereigenschaften fördert.

Eine auf einfache Weise verwirklichbare Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, daß die nicht-magnetischen Teile durch sich in dem Läuferkörper erstreckende, in regelmäßigen Abständen von einander befindliche Löcher gebildet werden. Die Löcher können je nach Wunsch, hindurchgehende oder Sacklöcher sein und lassen sich mit einem geeigneten Bohrwerkzeug während der Fertigung, vorzugsweise bevor de Läuferkörper magnetisiert wird, anbringen.

Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung, wobei der Läuferkörper wenigstens teilweise eine axiale Dauermagnetisierung aufweist und wobei die Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte sich in einer quer zu der Drehungsachse des Läuferteils der Antriebseinheit gerichteten Ebene befinden, weist das Kennzeigen auf, daß der Läuferkörper mit gegenüber den Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte befindlichen und an den Umfangsrand der Läuferkörpers grenzenden, in Tangentialrichtung begrenzten und sich in Axialrichtung in dem Läuferkörper erstreckenden nichtmagnetischen Teilen versehen ist. In dieser Ausführungsform, wobei der Läuferkörper während der Fertigung in nur einer Richtung magnetisiert zu werden braucht, befinden die Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte sich beim Drehen des Läuferteils in einem schwankenden Magnetfeld. Die auftretenden Schwankungen lassen sich aber elektronisch leicht ausgleichen.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung, wobei die Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte sich in einer quer zu der Drehungsachse des Läuferteils der Antriebseinheit ausgerichteten Ebene befinden, und wobei der Läuferkörper mit gegenüber den Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte befindlichen und an den Umfangsrand des Läuferkörpers grenzenden, in Tangentialrichtung begrenzten und sich in Axialrichtung in dem Läuferkörper erstreckenden ersten und zweiten magnetischen Teilen mit einer je entgegengesetzten Magnetisierungsrichtung versehen ist, wobei die ersten magnetischen Teile gemeinsam einen ersten Teil der Umfangslänge des Umfangsrandes und die zweiten magnetischen Teile gemeinsam einen zweiten Teil der Umfangslänge des Umfangsrandes des Läuferkörpers bilden, weist das Kennzeichen auf, daß der erste Teil der Umfangslänge dem zweiten Teil der Umfangslänge des Umfangsrandes des Läuferkörpers nicht entspricht.

Im Gegensatz zu dem aus JP-A 61-147218 bekannten axial magnetisierten Läuferkörper hat der Läuferkörper in der letztgenannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung eine, längs des Umfangsrandes des Läuferkörpers gesehen, mittlere magnetische Feldstärke, die einen von Null abweichenden Wert hat, wodurch der Läuferkörper in der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung effektiv mit den Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte sowie effektiv mit den Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte zusammenarbeiten kann.

Aus fertigungstechnischen Gründen, sowie wegen der mechanischen Stärke empfiehlt es sich, den Läuferkörper aus einem einzigen Materialteil herzustellen. Die sist insbesondere von Bedeutung, wenn sehr hohe Drehzahlen des Spiegels beabsichtigt werden.

Eine Ausführungsform, wobei eine möglichst geringe Anzahl Spulen beabsichtigt ist, weist das Kennzeichen auf, daß wenigstens eine Anzahl der vorhandenen Spulen als Kombinationsspulen ausgebildet sind, die als Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte sowie als Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte wirksam sind. In dieser Ausführungsform kann als Läuferkörper ein axial magnetisierter zylinderförmiger Körper eines ellipsenförmigen oder ähnlichen Querschnitts verwendet werden.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung weist das Kennzeichen auf, daß es eine evakuierte Kammer gibt, in der sich wenigstens der Spiegel und der den Spiegel tragende Lauferteil der Antriebseinheit befinden. In dieser Ausführungsform werden die bereits genannten Vorteile der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung optimal benutzt. Dadurch, daß der Lauferteil sich in der evakuierten Kammer befindet, lassen sich hohe Drehzahlen des Spiegels erzielen, wobei insbesondere an einen Polygonspiegel gedacht wird. Wegen des in der Kammer herrschenden Unterdrucks werden Störgeräusche, Erosion und Verschmutzung der Antriebseinheit vermieden. In der mit der evakuierten Kammer versehenen Abtastvorrichtung ist außerdem der Energieverlust besonders gering, und zwar durch die Tatsache, daß es überhaupt keine mechanische Reibung und kaum Luftwiderstand gibt.

Es sei bemerkt, daß es an sich aus GB-A 2.023.964 bekannt ist, einen drehbaren Spiegel, eine Lagerung für den Spiegel und einen Motor zum Antreiben des Spiegels in dem geschlossenen evakuierten Raum unterzubringen. Über die Lagerung und den Motor werden in dem genannten britischen Patentdokument jedoch keine Einzelheiten erwähnt.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Antriebseinheit, geeignet zum Gebrauch in der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung, wobei diese Antriebseinheit konstruiert ist, wie in den Patentansprüchen 14 und 15 definiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil der mit einem Spiegel versehenen erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung eines Teils der Abtastvorrichtung und der darin vorhandenen Antriebseinheit nach Fig. 1,

Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung des Läuferkörpers der Antriebseinheit der Abtastvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 5 eine in der Abtastvorrichtung nach Fig. 1 zu verwendende Schaltungsanordnung,

Fig. 6 eine schaubildliche Darstellung einer ersten Abwandlung des in Fig. 4 dargestellten Läuferkörpers,

Fig. 7 eine zweite Abwandlung des Läuferkörpers,

Fig. 8 eine dritte Abwandlung,

Fig. 9a und 9b eine vierte Abwandlung, und

Fig. 10 ein Lagenmeßsystem zum im Betrieb Stabilisieren des drehbaren Spiegels.

Die in der Fig. 1, 2 und 3 dargestellte erfindungsgemäße Abtastvorrichtung umfaßt ein Gehäuse 1, das eine geschlossene, evakuierte Kammer 3 bildet, in der beispielsweise ein Druck von 10³ Pa herrscht. In dem Gehäuse befindet sich eine aus einem Ständerteil 5 und einem Läuferteil 7 gebildete elektrische Antriebseinheit. Der Ständerteil 5, der auf der Innenseite des Gehäuses 1 befestigt ist, oder damit ein Ganzes bildet, ist mit zwei Gruppen von Spulen versehen, bezeichnet durch 9 bzw. 11. Der Läuferteil 7 ist mit einem dauermagnetischen Lauferkörper 13 und einem damit verbundenen Polygonspiegel 15 versehen. Der Läuferkörper 13 ist als flacher zylinderförmiger axial dauermagnetisierter Magnet ausgebildet, in dem gemäß einem regelmäßigen Muster drei sich axial erstreckende Löcher vorgesehen sind (siehe auch Fig. 4). Der Läuferkörper 13 ist zusammen mit dem Spiegel 15 um eine Drehungsachse 19 drehbar, wobei der Polygonspiegel 15 zum Ausrichten und Steuern eines von einer Strahlungsquelle herrührenden Strahlungsbündels zu einer optisch abzutasuenden Oberfläche beispielsweise eines streifen- oder Bandförmigen Trägers. Zur Verwirklichung einer hohen Abtastgeschwindigkeit (beispielsweise 60 m/s) bei einer niedrigen Trägerlaufzeit (beispielsweise 0,6 cm/s) ist eine sehr hohe Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels erforderlich (beispielsweise 180.10³ U/min). Die Abtastvorrichtung nach der Erfindung eignet sich dazu, daß der Polygonspiegel mit einer derartigen Geschwindigkeit sich dreht.

Die Spulen 9 des Ständerteils 5 sind Spulen zum Erzeugen auf den Läuferkörper 13 angreifender elektromagnetischer Antriebskräfte und werden elektronisch kommutiert. Die Spulen 9 sind als flache ringförmige Spulen ausgebildet, die sich in einer senkrecht zu der Drehungsachse 19 stehenden Ebene befinden. Die dargestellte Abtastvorrichtung hat vier Spulen 9, die bei Erregung mit dem Läuferkörper 13 zum drehenden Antreiben des Läuferteils 7 zusammenarbeiten. Die Spulen 11 dienen zum Erzeugen auf den Läuferkörper 13 angreifender elektromagnetischer Lagerkräfte zur elektromagnetischen Lagerung des Läuferteils 7 gegenüber dem Ständerteil 5. Die Spulen 11 sind als Segmentspulen, insbesondere als bananenförmig gekrümmte Segmentspulen ausgebildet und sind gemäß vier Spulensätzen zu je zwei Spulen gegliedert. In der Umfangsrichtung A des Läuferkörpers 17 gesehen, sind die Sätze nebeneinander in regelmäßiger Weise angeordnet, wobei in den Sätzen die Spulen längs der Drehungsachse gesehen hintereinander vorgesehen sind. Die Spulen 11 zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte befinden sich in dem Magnetfeld des Läuferkörpers 13 und können bei einer geeigneten Ansteuerung derartige elektromagnetische Lagerkräfte auf den Läuferkörper 13 ausüben, daß der Läuferteil 7 frei schwebend in der Kammer 3 gelagert ist. Der auf diese Weise frei schwebende Läuferteil 7 kann bei Erregung der Spulen 9 zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte in Drehung um die Drehungsachse 19 versetzt und darin gehalten werden, ohne daß mit dem Ständerteil 5 mechanischen Kontakt gemacht wird. Damit in nicht erregtem Zustand der Spulen der Läuferkörper 13 und der Polygonspiegel 15 in einer mehr oder weniger zentrierten Lage gehalten wird, kann in dem Gehäuse ein mit großem Spielraum in einer Öffnung 8 des Läuferteils 7 steckender Zentrierstift 10 vorgesehen sein. Zum Ausgleichen der auf den Läuferteil angreifenden Schwerkraft kann die Vorrichtung mit einem Dauermagneten versehen sein.

Zur Gewährleistung einer stabilen Lagerung, sowie zum Schaffen der Möglichkeit, die Drehungsachse etwas zu verlagern und/oder zu kippen, umfaßt die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung ein Lagen- und Orientierungsmeßsystem, kurz als Lagenmeßsystem bezeichnet, und eine Matrixschaltung zum selektiven Ansteuern der Spulen zum Erzeugen auf den Läuferkörper angreifender elektromagnetischer Lagerkräfte.

In Fig. 3 ist ein orthogonales Achsensystem X, Y, Z dargestellt, desseb Ursprung 0 in dem Massenmittelpunkt des Polyginspiegels 15 liegend gedacht werden muß, so daß die Z-Achse mit der Drehungsachse 19 zusammenfällt. Die sechs theoretisch möglichen unabhängigen Freiheitsgrade der Bewegung des Läuferteils 7 und folglich des Spiegels 15 bestehen aus geradlinigen Verlagerungen gemäß der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse, sowie aus Drehungen oder Kippungen um diese Achsen. In Bezug auf die Spulen 11 der elektromagnetischen Lagerung sind die Verlagerungen längs der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse und die Kippungen um die X-Achse und die Y-Achse des Spiegels 15 von Bedeutung. Die Drehung um die Z-Achse ist von Bedeutung in bezug auf die Spulen 9 für den Dehantrieb. Die von einem Lagenmeßsystem 2 (Fig. 5) herrührenden Signale beziehen sich auf die Verlagerungen längs der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse und die Kippungen um die X-Achse und Y-Achse und werden in Fig. 5 durch sx, sy, sz, sα, sβ bezeichnet. Die Signale werden über Verstärker 23 und Leitungsnetzwerke 25 einer Matrixschaltung 27 zugeführt, in der die Signale in geeignete Steuersignale umgesetzt werden. Über acht Stromquellen 29 werden die acht Spulen 11 zum Erzeugen auf den Läuferkörper 13 angreifender elektromagnetischer Lagerkräfte erregt.

Das Meßsystem 21 ist mit fünf nahezu unabhängig voneinander arbeitenden Detektoren versehen, damit jedes Lagensignal sx, sy, sz, sα, sβ nur einem Freiheitsgrad der Bewegung des Spiegels 15 entspricht. Die auf diese Weise gemeinten fünf Freiheitsgrade der Bewegung bestehen aus geradlinien Bewegungen gemäß den drei Achsen (X-Achse, Y-Achse und Z-Achse), sowie aus Kippungen um die X-Achse und die Y-Achse des in Fig. 3 dargestellten orthogonalen Achsensystem. Die genannte Matrixschaltung 27 ist derart ausgebildet, daß die derselben zugeführten Signale derart weitergeleitet werden, daß der elektrische Strom durch die Segmentspulen 11 zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte im wesentlichen eine Korrekturbewegung des Spiegels 15 herbeiführt gemäß dem betreffenden Freiheitsgrad der Bewegung, ohne daß dadurch eine wesentliche Verlagerung oder Kippung des Spiegels nach einem der übrrigen Freiheitsgrade der Bewegung verursacht wird.

Der in Fig. 6 dargestellte Läuferkörper 113 ist eine Abwandlung des in Fig. 4 dargestellten Läuferkörpers 13. Der Läuferkörper 113 ist scheibenförmig und, ebenso wie der Läuferkörper 13, vorzugsweise aus einem hochwertigen Dauermagnetmaterial, wie Neodimium-Eisen-Bor oder Samarium-Kobalt, hergestellt. Der Läuferkörper 113 ist axial magnetisiert, wobei es beispielsweise drei magnetische Teile 117 gibt mit einer gegenüber dem restlichen Teil des Läuferkörpers entgegengesetzten Magnetisierungsrichtung. Die magnetischen Teile erstrecken sich in axialer Richtung über mindestens einen Teil der Länge 1 des Läuferkörpers 113 und können einen kreisrunden oder vieleckigen Querschnitt aufweisen. Die magnetischen Teile 117 befinden sich in einem gegenüber der zentralen Achse 119 des Lauferkörpers 113 konzentrischen ringförmigen Zone und sind untereinander regelmäßig gegliedert.

Der in Fig. 7 dargestellte Läuferkörper 213 ist axial magnetisiert und mit nicht-magnetischen Teilen 217 versehen. Die nicht-magnetischen Teile 217 sind durch an dem Umfangsrand 220 vorgesehene, in Tangentialrichtung begrenzte und sich in axialer Richtung erstreckende Schlitze gebildet. Die Schlitze können ggf. mit einem nicht-magnetischen Material gefüllt sein.

In Fig. 8 ist eine andere Abwandlung des Läuferkörpers 13 dargestellt. Dieser Läuferkörper, bezeichnet durch 313, ist axial magnetisiert und mit ersten und zweiten magnetischen Teilen 317a bzw. 317b versehen, die gegenüber einander entgegengesetzt magnetisiert sind. Die ersten und zweiten magnetischen Teile bilden gemeinsam den Umfangsrand 320 des Läuferkörpers 313, wobei die Aufteilung in erste magnetische Teile 317a und zweite magnetische Teile 317b derart ist, daß derjenige Teil des Umfangsrandes, in der Umfangsrichtung des Läuferkörpers gesehen, der durch die ersten magnetischen Teile gebildet ist, nicht demjenigen Teil entspricht, der durch die zweiten magnetischen Teile gebildet ist.

Der in den Fig. 9a und 9b dargestellte Läuferkörper 413 ist insbesondere geeignet zum Gebrauch in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung, wobei Kombinationsspulen vorhanden sind, d.h. Spulen, die als Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte sowie als Spulen zu Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte wirksam sein können. Der Läuferkörper 413, der um eine Drehungsachse 419 drehbar ist, ist als scheibenförmiger Magnet ausgebildet mit einem quer auf der Drehungsachse stehenden ellipsenförmigen Querschnitt. Der Läuferkörper 413 kann auf ähnliche Weise wie die Läuferkörper, wie diese in den Fig. 4 und 6 dargestellt sind, mit nicht-magnetischen Teilen oder abweichend magnetischen Teilen versehen sein.

In Fig. 10 ist eine Ausführungsform dargestellt, in der das bereits genannte Meßsystem mit der Lagendetektionsanordnung zum Stabilisieren des sich drehenden Polygonspiegels 15 angewandt ist. Die Anordnung umfaßt einen Halbleiterlaser 530 zum Erzeugen des Strahlungsbündels und einen halbdürchlässigen Spiegel 550 zum Ablenken des Strahlungsbündels zum Polygonspiegel 15 und eine Kollimatorlinse 595. Eine Linse 538 zum Fokussieren des Strahlungsbündels auf eine gekrümmte Spiegelfläche 524 auf dem Polygonspiegel 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem halbdürchlässigen Spiegel 550 und dem Spiegel 15 angebracht. Die Linse 538 hat einen flachen zentralen Teil 539, wobei diese Fläche und eine entsprechende Fläche 539a in der anderen brechenden Oberfläche der Linse einen kleinen Winkel miteinander einschließen, so daß dieser Teil als optischer Keil wirksam ist. Die Linse 538 fokussiert die Strahlung, die auf die angrenzende brechende Oberfläche trifft, zu einem Punkt, der mit der Mitte der konvexen Spiegelfläche 524 zusammentrifft. Diese Strahlung wird durch die Spiegelfläches524 zurückgeworfen und über die Linse 538, die Kollimierungslinse 595 und die planparallele Platte 551 auf das Detektionssystem 540 fokussiert. Auf dem Detektionssystem 540 wird ein Strahlungsflecken 534 gebildet, dessen lage und Form Information erteilen über die Lage der Spiegelfläche 524 und folglich des Polygonspiegels 15.

Das parallele Strahlungsbündel, die auf den flachen zentralen Teil 539 der Linse 538 trifft, wird nicht auf die kugelförmige Spiegelfläche 524 fokussiert, trifft aber auf eine Spiegelfläche 525 des Polygonspiegels 15 um dieselbe herum. Diese Strrahlung wird danach reflektiert, wobei die Richtung der reflektierten Strahlung von der Ausrichtung der flachen Spigelfläche 525 und folglich von dem Polygonspiegel 15 abhängig ist. Das reflektierte Bündel geht abermals durch die Linsen 538 und 595 und den halbdurchlässigen Spiegel 550 und bildet einen Strahlungsfiecken 534a auf dem strahlungsempfindlichen Detektionssystem 540. Die Lage dieses Fleckens 534a bezeichnet eine Kippung der Spiegelfläche 525 und daher die Orientierung des Polygonspiegels 15.

Das strahlungsempfindliche Detektionssystem 540 umfaßt zwei Quadrantendetektoren 545 und 546, die je aus vier Detektoren, insbesondere strahlungsempfindliche Dioden bestehen können, mit denen die Lage sowie die Form der gebildeten Strahlungsflecken 534 und 534a bestimmt werden. Aus der Lage und der Form der Strahlungsflecken läßt sich die Lage und die Orientierung der Spiegelfläche 524 und damit des Polygonspiegels 15 bestimmen.

Fig. 10 zeigt ebenfalls einen Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Polygonspiegel 15, der um die Achse 19 drehbar ist, enthält eine Anzahl Fezetten, in der Figur als Flächen 512 angegeben, die einen Winkel von 45º mit der Drehungsachse 19 einschließen. Ein Strahlungsbündel 570, der von einer Strahlungsquelle 571 herrührt, trifft auf die Spiegelflächen 512 des Polygonspiegels 15 und wird dadurch abgelenkt, je nach der Lage des Polygonspiegels. Das Strahlungsbündel wird über eine Optik 573, beispielsweise eine f-8 Linse, zu einem Abtastflecken 575 auf einer abzutastenden Fläche 574 fokussiert. Diese Fläche bildet beispielsweise einen Teil eines optischen Aufzeichnungsträgers, der mit Hilfe des Abtastbündels 570 eingeschrieben, oder ausgelesen wird. Der Aufzeichnungsträger ist beispielsweise ein scheibenförmiger oder Bandförmiger Aufzeichnungsträger, der mit einer Vielzahl paralleler kürzeren Spuren oder Streifen beschrieben wird. Die Richtung der Spuren oder Streifen wird dabei durch die kombinierte Verlagerung des Aufzeichungsträgers 574 gegenüber der Abtastvorrichtung und der Bewegung des Abtastfleckens 575 durch die Drehung des Polygons. Damit auf diese Weise schnell genug Information auf den Aufzeichnungsträger eingeschrieben oder aus demselben ausgelesen werden kann, beispielsweise für ein HDTV- Programm (Hochauflösungsfernsehen) soll der Polygonspiegel 15 mit einer Drehzahl von einigen Tausen Umdrehungen in der Sekunde drehen. Um dies zu erreichen ist der Polygonspiegel, wie bereits oben beschrieben, auf einem Dauermagnet- Läuferkörper befestigt, in Fig. 5 durch X13 bezeichnet, der durch eine geeignete Anzahl Spulen 9 und 11 gelagert und angetrieben wird.

Die Strahlungsflecken 534 und 534a, die über die Fläche 25 und die kugelförmige Spiegelfläche 524 auf dem Detektionssystem 540 gebildet werden, werden durch die Detektoren in elektrische Signale umgewandelt, die Information erteilen über die Lage und die Orientierung des Polygons. Die Signale werden in einer Verarbeitungseinheit 582 analysiert, die daraufhin Ausgangssignale 583 liefert, die den Spulen 11 zugeführt werden zum Beeinflußen der von den Spulen erzeugten Magnetfelder, damit die Lage und die Orientierung des sich drehenden Polygonspiegels konstant gehalten wird. Die Verarbeitungseinheit 582 kann die bereits genannten Verstätrker 23, Netzwerke 25, Matrixschaltung 37 und Stromquellen umfassen.

Für eine eingehende Beschreibung einer Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Lage und der Orientierung eines Gegenstandes, insbesondere eines drehbaren Polygonspiegels, sei auf die gleichzeitig mit dieser Patentanmeldung von der Anmelderin eingereichte niederländische Patentanmeldung (PHN 13.344; durch Bezeichnung als hierin aufgenommen betrachtet) verwiesen. Es sei bemerkt, daß die erfindung sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung beispielsweise mit mehr oder weniger als vier Segmentspulensätzen versehen sein zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte. Auch können die Sätze je eine von zwei abweichende Anzahl Segmentspulen umfaßen. Außerdem sind Segmentspulen einer anderen als der dargestellten Form möglich.


Anspruch[de]

1. Abtastvorrichtung mit einem drehbaren Spiegel (15) zum Richten eines Strahlungsbündels auf eine abzutastende Oberfläche und mit einer Antriebseinheit, die mit einem um eine Drehungsachse (19) drehbar gelagerten, den Spiegel tragenden Läuferteil (7), mit einem zylinderförmigen, insbesondere scheibenförmigen, wenigstens teilweise dauermagnetisierten ein Magnetfeld erzeugenden Läuferkörper und mit einem unbeweglichen Ständerteil (5) versehen ist, mit sich in dem Magnetfeld des Läuferkörpers erstreckenden Spulen (9) zum Erzeugen auf den Läuferkörper angreifender, elektromagnetischer Antriebskräfte zum drehbaren Antreiben des Läuferteils und mit Spulen zum Erzeugen auf den Lauferkörper angreifender elektromagnetischer Lagerkräfte, wobei das genannte Magnetfeld in dessen Intensität und/oder Richtung längs einer Umfangsrichtung des Läuferkörpers variieren zum Zusammenarbeiten mit den Spulen (9) zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte zum in Drehung Versetzen des Läuferteils gegenüber dem Ständerteil und mit Spulen (11) zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräftezum Tragen des Läuferteils gegenüber dem Ständerteil.

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkörper (13) scheibenförmig ist.

3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung ein Lagen- und Orientierungsmeßsystem (21) aufweist mit wenigstens einem Detektor zum Messen der Lage und der Orientierung des Spiegels (15) und zum Erzeugen von Signalen, wobei eine Matrixschaltung (27) vorgesehen ist zum in Abhängigkeit der genannten Signale selektiven Ansteuern der Spulen (11) zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte.

4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (11) zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte Segmentspulen sind und gemäß Paaren von Segmentspulen gegliedert sind, die in der Umfangsrichtung des Läuferkörpers (13) gesehen, nebeneinander angeordnet sind, wobei die Paare von Segmentspulen je mindestens zwei, gemäß der Drehungsachse gesehen, hintereinander vorgesehene Segementspulen aufweisen.

5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl Sätze von Segmentspulen wenigstens vier beträgt.

6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferteil (7) der Antriebseinheit ausschließlich elektromegnetisch gelagert wird.

7. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (9) zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte in einer Ebene vorgesehen sind, die quer zu der Drehungsachse (19, 119) des Läufeerteils (7) der Antriebseinheit gerichtet ist.

8. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkörper (13, 113), der eine axiale Dauermagnetisierung aufweist, in regelmäßigen Abständen voneinander liegende nicht-magneitische Teile aufweist, oder magnetische Teile mit einer Magnetisierungsrichtung, die der des restlichen Teils des Läuferkörpers entgegengesetzt und/oder von anderer Größe ist, wobei diese Teile gegenüber den Spulen zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskrädfte vorgesehen sind.

9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-magnetischen Teile durch sich in dem Läuferkörper erstreckende, in regelmäßigen Abständen voneinander befindliche Löcher (17, 117) oder Schlitze gebildet werden, die sich axial in dem Läuferkörper (13, 113) erstrecken.

10. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkörper einen ellipsenförmigen Querschnitt hat.

11. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkörper aus einem einzigen Materialteil hergestellt ist.

12. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Anzahl der Spulen als Kombinationsspulen ausgebildet sind, die als Spulen (9) zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte sowie als Spulen (11) zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte wirksam sind.

13. Abtastvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine evakuierte Kammer (3) vorgesehen ist, in der sich wenigstens der drehbare Spiegel (15) und der den Spiegel tragende Läuferteil (7) der Antriebseinheit befinden.

14. Antriebseinheit zum Gebrauch in einer Abtastvorrichtung mit einem drehbaren Spiegel, wobei die Antriebseinheit einen Läuferteil (7) aufweist, der derart gelagert ist, daß er um eine Drehungsachse (19) drehbar ist, wobei dieser Läuferteil einen wenigstens axial magnetisierten zylinderförmigen Läuferkörper aufweist, der ein Magnetfeld erzeugt und einen ortsfesten Ständerteil (5), der Spulen (9) aufweist zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte, die auf den Läuferkörper einwirken zum elektromagnetischen Antreiben des drehbaren Läuferteils, wobei die Spulen sich in das Magnetfeld des Läuferkörpers hinein erstrecken und und wobei der genannte Ständerteil Spulen (11) aufweist zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte, die auf den Läuferkörper einwirken zum elektromagnetischen Lagern des Läuferkörperteils gegenüber dem Ständerteil, wobei diese Spulen in dem Magnetfeld des Dauermahnet-Läuferteils vorgesehen sind, wobei dieses Magnetfeld in dessen Intensität und/oder Richtung schwankt längs einer Umlaufrichtung des Läuferteils zum Zusammenarbeiten mit den Spulen (9) zum Erzeugen elektromagnetischer Antriebskräfte zum in Drehung Versetzten des Läuferteils und mit Spulen (11) zum Erzeugen elektromagnetischer Lagerkräfte zum Lagern des Läuferteils.

15. Antriebseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der dauermagnetische Läuferteil (13) scheibenförmig ist.







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