DE4100358A1 - Schwingspiegelanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung kann in der Optik zum Umlenken von Lichtstrahlen genutzt werden. Anwendungsbeispiele könnten das Umlenken des Laserstrahles in einem optischen Drucker oder die Abtastung durch einen Scanner sein.

Die Spiegelanordnung soll einfach im Aufbau und funktionssicher sein.

In dem WP 2 62 926 wird eine elektrodynamische Spiegelablenkvor­ richtung dargestellt, die aus einem kreuzförmigen, diagonal polarisierten Magneten und einem ebenfalls diagonal polarisier­ ten Ringmagneten und einer Spiegelfläche besteht. Auf der Rück­ seite der Spiegelfläche sind zwei sich kreuzende Flachspulen, die auf Folien untergebracht sind, angeordnet.

Nachteilig bei der beschriebenen Erfindung ist, daß hier zwei separate Spulensysteme zur Erzielung einer Bewegung mit zwei Freiheitsgraden vorgesehen werden müssen und daß diese Flachspu­ len keine einfache ebene Gestalt haben.

Im EP 40 302 ist eine elektrostatische Schwingspiegelanordnung beschrieben. Der Schwingspiegel wurde hier aus einem Halbleiter­ material ätztechnisch hergestellt. Auf der Rückseite des Spie­ gels befinden sich auf jeder Spiegelhälfte eine Elektroden­ fläche. Auf dem Grundkörper befinden sich ebenfalls zwei Elek­ trodenflächen, die dem Schwenkspiegel gegenüber angeordnet sind. Die Elektrodenflächen des Schwenkspiegels und die des Grundkör­ pers werden mit Spannungen gleicher bzw. entgegengesetzter Pola­ rität beaufschlagt. Es entstehen zwischen den Flächen Anzie­ hungs- bzw. Abstoßungskräfte. Der Schwenkspiegel wird hierdurch in Schwingung gebracht. Nachteilig bei dieser elektrostatischen Schwingspiegelanordnung ist die Abhängigkeit der benötigten Energie vom Abstand des Schwingspiegels mit den Elektrodenflä­ chen und den Elektrodenflächen auf der Elektrodenplatte. Soll der Schwenkwinkel relativ groß gehalten werden, sind auch höhere Spannungen notwendig.

Die Aufgabe der Erfindung ist, mittels geringer Energie einen relativ großen Schwenkwinkel des Schwingspiegels zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schwingspiegelanordnung aus einem ätztechnisch hergestellten Halbleiterspiegel besteht, auf dessen Rückseite eine elektrische Spule integriert ist. Diese Spiegelanordnung befindet sich im konstanten Magnetfeld eines Dauermagnetsystems. Wird an die Spule eine Wechselspannung angelegt, so kommt es über die Tor­ sionsarme zur Schwingbewegung des Schwingspiegels.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß trotz geringen Energieeinsatzes ein relativ großer Schwenkwinkel des Schwingspiegels erreicht wird.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die dazu gehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine montierte Schwingspiegelanordnung nach dem Stand der Technik mit elektrostatischem Antrieb,

Fig. 2 die Schwingspiegelanordnung nach dem Stand der Technik entsprechend Fig. 1 in Explosionsdarstellung,

Fig. 3 eine Schwingspiegelanordnung mit integrierter Spule und Dauermagnet,

Fig. 4 eine Unteransicht des an Torsionsarmen aufgehängten Schwingspiegels mit der Spule,

Fig. 5 eine Unteransicht eines Schwingspiegels mit einer Spulenversion,

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Anordnung entsprechend Fig. 3 für einen elektromagnetischen Antrieb,

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine veränderte Schwingspiegel­ anordnung mit abgeänderten Dauermagneten für einen elektromagnetischen Antrieb,

Fig. 8 eine Unteransicht eines Schwingspiegels mit einer Spule für einen elektrodynamischen Antrieb,

Fig. 9 und 10 Magnetfeldversionen für den elektrodynamischen Schwingspiegelantrieb.

Die vorliegende Schwingspiegelanordnung kann zum zyklischen Ablenken eines einfallenden Lichtstrahles kleinen Querschnitts eingesetzt werden. Solche Forderungen entstehen beispielsweise bei technischen Aufgaben wie Abtasten eines Bildes durch einen Scanner oder beim zeilenweisen Belichten einer fotoempfindlichen Fläche durch einen optischen Druckkopf eines Laserdruckers. Übliche Ablenkfrequenzen liegen im Bereich von 10² bis 10⁴ Hz. Der Querschnitt des Lichtstrahls hat in der Ablenkebene Dimen­ sionen von max. einigen wenigen Millimetern. Der Lichtstrahl soll zyklisch in x-Richtung über eine Zeile konstanter Länge geführt werden. Zur technischen Realisierung wird dafür oft ein sich mit konstanter Geschwindigkeit drehender Polygonspiegel benutzt. Eine weitere technische Lösung, die erhebliche Platzer­ sparnis mit sich bringt, ist der Schwingspiegel. Eine Schwing­ spiegelfläche ist drehbar gelagert und vollführt eine schwingen­ de Bewegung. Hierfür ist ein Spiegelantrieb erforderlich.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Schwingspiegelanordnung nach dem Stand der Technik dargestellt, welche mit einem elektrostati­ schen Antrieb arbeitet. In diesem Darstellungsbeispiel besteht die Anordnung aus drei Teilen, welche ätztechnisch aus Silizium gefertigt sind. Die Elektrodenplatte 2 trägt zwei Elektrodenflä­ chen 4, die sich im Einbauzustand jeweils links und rechts der Drehachse des Spiegels 8 unter der Spiegelfläche 4 befinden, sowie Kontaktierungen 16 zur Spannungsführung. Das zweite Teil bildet die Spiegelplatte 5. Im Ausführungsbeispiel ist ein Rah­ men 6 vorgesehen, in dem sich ein von zwei Torsionsarmen 7 gehaltener Spiegel 8 befindet. Eine Deckelplatte 9 bildet den oberen schützenden Abschluß der Anordnung. Durch das gesteuerte Anlegen von Spannungen gleicher bzw. entgegengesetzter Polarität an die Elektrodenflächen 3 und die Spiegelflächen 4 kommt es zu wechselseitigen Abstoßungs- bzw. Anziehungskräften zwischen den Flächen, so daß die Spiegelfläche 4 ins Schwingen gebracht werden kann. Im Resonanzfall sind verhältnismäßig geringe Ener­ gien nötig.

In Abhängigkeit vom Plattenabstand wirken also zwischen den Elektrodenflächen 3 und den Spiegelhälften Kippkräfte. Während kleinere Abstände größere Auslenkkräfte bewirken, werden damit allerdings aufgrund des damit auch kleineren Bewegungsraumes die möglichen Schwenkwinkel verringert. Diese Tatsache begrenzt naturgemäß die Betriebsparameter des Schwingspiegels.

Entsprechend dem Erfindungsgedanken soll dieser Nachteil durch eine Anordnung, die mit gesteuerten Magnetkräften arbeitet, vermieden werden. Die Fig. 3 zeigt eine Gesamtansicht einer solchen Anordnung, welche Dauermagneten enthält. Die gleiche Anordnung ist in einer Schnittdarstellung in Fig. 6 dargestellt. Hier sind die Feldlinien der Magnetfelder 11 eingezeichnet, die durch die Dauermagnete gebildet werden. Es sind zwei separate bipolare Dauermagnete vorgesehen, die Magnetfelder erzeugen, welche jeweils eine Spiegelhälfte links und rechts von der Drehachse senkrecht durchsetzen. In der Fig. 4 ist eine Unteran­ sicht des an zwei Torsionsarmen 7 aufgehängten Spiegels 8 zu sehen. Die Unterseite trägt zwei, hier in Reihe geschaltete elektrische Spulen 12 als strukturierte Beschichtungen, die jeweils auf einer Spiegelseite angeordnet sind. Die Stromzufüh­ rung erfolgt auf Leiterbahnen 13, die sich entlang der Torsions­ arme 7 erstrecken. Da in diesem Ausführungsbeispiel die beiden Spulenteile einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen, bilden sie beim Stromdurchfluß entgegengesetzt gerichtete Mag­ netfelder 11 aus. In der Wechselwirkung mit den in der Fig. 6 dargestellten gleichgerichteten Magnetfeldern 11 der Dauermag­ nete ergibt sich auf der einen Spiegelseite eine abstoßende und der anderen eine anziehende Kraft. Die Wirkung ist eine Schwenk­ bewegung des Spiegels. Wird eine Wechselspannung an die Spule 12 gelegt, dann schwingt der Spiegel mit deren Frequenz. Wird die Resonanzfrequenz der Eigenschwingung des Spiegels gewählt, dann ist der Auslenkungseffekt der Schwingspiegelanordnung am größ­ ten. Es ist selbstverständlich, daß bei der Ausführung der Strukturierung der Spiegelunterseite an Leiterbahnkreuzungen entsprechende Isolierschichten 14 vorgesehen sind. Eine weitere Version der Spulenanordnung auf der Unterseite des Schwingspie­ gels ist in Fig. 5 dargestellt. Die Fig. 7 soll eine Ausführung des Dauermagnetsystems 10 demonstrieren, in der der Luftspalt zur Erzielung einen eines wirksameren magnetischen Feldes ver­ kleinert wurde, ohne den Schwenkbereich des schwingenden Spie­ gels einzuschränken. Hierzu werden die Polflächen 15, die den Spulen 12 des Spiegels 8 gegenüberstehen, im Winkel des Maximal­ ausschlages des Schwingspiegels angeordnet.

Die Fig. 8 bis 10 demonstrieren eine Variante der Schwingspie­ gelanordnung, die mit dem elektrodynamischen Effekt betrieben wird. Hier ist es notwendig, die Anordnung von Leiterbahnen 13 (Stromrichtung), Magnetfeld und Bewegungsrichtung so zu arran­ gieren, daß sich jeweils rechte Winkel ergeben. Wie die Unteran­ sicht auf dem Spiegel von Fig. 8 zeigt, ist hier die Spule 12 so angeordnet, daß die Stromrichtung aller Spulenanteile auf je­ weils einer Spiegelhälfte gleich - im Vergleich zur anderen Spiegelhälfte jedoch entgegengesetzt ist. Wird nun die Richtung der die Spule mit einer Hauptkomponente durchsetzenden magneti­ schen Felder auf beiden Spulenseiten gleichgehalten, entstehen Rotationskräfte, die beim Wechselstrombetrieb der Spule den Spiegel in Schwingung bringen.

Claims (6)

1. Schwingspiegelanordnung, deren Spiegelfläche so aus dem Aus­ gangsmaterial herausgearbeitet ist, daß sie in der Schwing­ achse mittels zweier Torsionsarme mit dem Ausgangsmaterial verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, daß auf der Rückseite der Spiegelfläche (4) eine elektrische Spule (12) integriert ist, und die Spiegelfläche (4) zu einem Dauermagnetsystem (10) so angeordnet ist, daß sich die Spiegelfläche (4) stän­ dig in dem konstanten Magnetfeld (11) des Dauermagnetsystems (4) befindet.

2. Schwingspiegelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet da­ durch, daß auf der Rückseite der Spiegelfläche (4) zwei in Reihe geschaltete Spulen (12) integriert sind.

3. Schwingspiegelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet da­ durch, daß auf der Rückseite der Spiegelfläche (4) vier zusammengeschaltete Spulen (12) integriert sind.

4. Schwingspiegelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet da­ durch, daß auf der Rückseite der Spiegelfläche (4) eine elektrische Spule (12) so integriert ist, daß die Stromrich­ tung in den Spulenwindungen jeder Spiegelhälfte gleich und zur anderen Spiegelhälfte entgegengesetzt ist.

5. Schwingspiegelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet da­ durch, daß die Polfläche (15), die der Spiegelfläche (4) gegenüber liegt, einen Winkel aufweist, der dem maximalen Schwenkwinkel des Schwenkspiegels entspricht.

6. Schwingspiegelanordnung nach Anspruch 1-5, gekennzeichnet dadurch, daß das Ausgangsmaterial ein Halbleitermaterial ist.