DE4334267C2 - Torsionsvibrator - Google Patents
TorsionsvibratorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Torsionsvibrator gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartiger Torsionsvibrator als Lichtablenkvorrichtung
wird beispielsweise
bei Abtastvorrichtungen in optischen Geräten,
wie einem elektrophotographischen Kopiergerät, einem Laserdrucker-
Bilderzeugungsgerät oder einer Strichcode-Lesevorrichtung,
verwendet.
Der Stand der Technik einer derartigen Vorrichtung
ist in den Fig. 8A und 8B gezeigt, die
der Lehre der US 4 317 611 entspricht.
In Fig. 8A ist mit der Bezugszahl 51 ein Vibrator bezeichnet,
der einstückig mit Spannbändern oder Haltestreifen 52a
sowie 52b und einem Ablenkspiegel 53, die beispielsweise
aus einer Siliziumplatte gefertigt sind, ausgebildet ist.
Der Ablenkspiegel 53 ist mit einem Vorsprung oder einer
Rippe 55 eines aus Glas gefertigten Substrats 54 in Anlage,
dessen beide Seiten mittels einer Vertiefung 56 durch
einen Spalt getrennt sind. Am Substrat 54 sind Elektroden
57a und 57b angeordnet. Wenn von einer äußeren Quelle eine
Spannung parallel an die eine der Elektroden und den Spiegel
53 angelegt wird, wird der Spiegel 53 durch eine elektrostatische
Anziehungskraft angezogen und geneigt. Ein auf
den Spiegel 53 gerichtetes Licht wird abgetastet, wie durch
den Pfeil in Fig. 1B angedeutet ist. Wenn der Spiegel 53
sich zur einen Seite um Φ neigt, wird folglich das Licht
mit 2Φ abgelenkt. Die Vorrichtung ist insofern mittels
weniger Teile konstruiert, so daß sie sehr kompakt ist.
Wenn bei der in den Fig. 8A und 8B gezeigten Vorrichtung
der Abstand zwischen den Elektroden vergrößert wird, um
den Spiegel-Ablenkungswinkel (den Licht-Abtastwinkel) zu
vergrößern, ist jedoch eine hohe Spannung notwendig, so daß
die Vorrichtung oft kaum verwendbar ist.
Insofern weist die Vorrichtung einen
Abtastwinkel mit normalerweise nur einem oder zwei Graden auf.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der US 4 317 611 zeigt
die Verwendung von zwei nebeneinander liegenden Ablenkspiegeln,
die gemeinsam zur Lichtführung eingesetzt werden.
Folglich wurde eine Bilderzeugungsvorrichtung, wie sie in
den Fig. 9A und 9B gezeigt ist, vorgeschlagen, die der
JP 63-82 165 A entsprechen. Die Fig. 9A zeigt ein Licht-
Ablenkelement 310 in der Draufsicht, die Fig. 9B ist
eine perspektivische Ansicht einer Licht-Ablenkvorrichtung
300 als Gesamtkonstruktion. Diese Licht-Ablenkvorrichtung
besitzt das Licht-Ablenkelement, das aus einem Galvanometerspiegel
besteht, welcher aus einem Ablenkspiegel 312
und einer Treiberspule 311 gefertigt ist. Das Licht-Ablenkelement
310 ist in einem äußeren Magnetfeld angeordnet,
welches durch ein Joch 328 und eine Spule 329 erzeugt
wird, und ein mit der Resonanzfrequenz des Licht-Ablenkelements
310 übereinstimmender Wechselstrom fließt in die
Spule 311, um eine Spiegelverlagerung zu erzielen, die
dem Strom proportional ist. Dieser Galvanometerspiegel
kann den Verlagerungswinkel im Ablenkspiegel 312 auf einfache
Weise vergrößern, indem der angelegte Strom erhöht
wird, was eine Vergrößerung des Lichtabtastwinkels erlaubt.
Die auf demselben Substrat wie der Ablenkspiegel 312
angeordnete Treiberspule 311 benötigt einen großen Strom,
was zu einer Verformung des
Spiegels aufgrund von Erwärmung führen kann, wodurch eine Verzerrung
am reflektierten optischen Bild hervorgerufen werden kann.
Es ist oft notwendig, einen aus Kupfer oder Silber gefertigten
Leiter an dem Bändchen 313 anzuordnen, das als eine Torsionsfeder
wirkt. Wenn sich die Umgebungstemperatur ändert,
ändert sich die Resonanzfrequenz und sie kann
wegen des Unterschiedes in den linearen Ausdehnungskoeffizienten
des Federelements sowie des elektrischen Leiters
unstabil werden.
Ein gattungsgemäßer Torsionsvibrator ist aus der US 36 66 974
bekannt. Dieser herkömmliche Torsionsvibrator weist einen ersten
Torsionsschwinger auf, welcher ein Plattenelement und eine erste
Feder aufweist und drehend in Schwingung versetzbar ist. Ferner
weist der herkömmliche Torsionsvibrator einen zweiten
Torsionsschwinger mit einer zweiten Feder auf, der drehend in
Schwingung versetzbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Torsionsvibrator
mit zwei drehend in Schwingung versetzbaren Torsionsschwingern, von denen einer ein Plattenelement aufweist, so weiterzubilden,
daß ein kostengünstiger, kompakter Torsionsvibrator mit einem
großen Auslenkwinkel geschaffen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen
Patentansprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird ein
zweiter Torsionsschwinger mit einem in Schwingung erregbaren
Teil sowie einer zweiten Torsionsfeder an der äußeren Seite
eines ersten Torsionsschwingers mit einem Paar von Torsionsfedern
sowie einem Plattenelement (oder einem Paar
von Torsionsfedern sowie einem Spiegel) ausgebildet, wobei
die zweite Torsionsfeder fest ist. Ferner wird eine
Resonanzfrequenz des ersten Torsionsschwingers höher als
diejenige des zweiten Torsionsschwingers festgesetzt, und
das in Schwingung erregbare Teil im zweiten Torsionsschwinger
wird durch eine eine elektromagnetische oder elektrostatische
Anziehungskraft erzeugende Einrichtung mit im wesentlichen
der ersten Resonanzfrequenz betrieben. Bei einer
derartigen Konstruktion erreicht der Winkelausschlag oder
die Winkelamplitude am zweiten Torsionsschwinger bei dessen
Resonanzfrequenz ein Maximum, wogegen bei einer höheren
Frequenz die Amplitude abnimmt, während die Treiberfrequenz
zunimmt.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist es möglich, die Amplitude
am zweiten Torsionsschwinger zu vermindern und die
Amplitude am ersten Torsionsschwinger zu vergrößern, indem
der zweite Torsionsschwinger mit der ersten Resonanzfrequenz
betrieben wird.
Die auf das in Schwingung erregbare Teil aufgebrachte Kraft
bildet ein Kräftepaar. Bei einer derartigen Konstruktion
kann die Amplitude auf der Seite des zweiten Torsionsschwingers,
die mit der Treibereinrichtung erzeugt wird,
klein sein, so daß der Abstand zwischen der Treibereinrichtung
und dem zweiten Torsionsschwinger kürzer festgesetzt
werden kann, was es möglich macht, einen großen Ablenk-
oder Abtastwinkel mit einer sehr kleinen Energie zu erhalten.
Da ferner eine Antriebseinrichtung, die das Plattenelement
oder den Ablenkspiegel nicht berührt, verwendet wird, ist
es möglich, weil eine auf Erwärmung zurückzuführende thermische
Verzerrung nicht vorliegt, stabile Arbeitsvorgänge
einschließlich einer Lichtabstrahlabtastung durchzuführen.
Die obige Aufgabe sowie Merkmale und
Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden, auf
die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung deutlich.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform
gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 3 gezeigten Vibrator;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des
Prinzips dieser Erfindung;
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer zweiten
Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform als ein Beispiel eines Vibrators
mit drei Freiheitsgraden;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsfom gemäß
der Erfindung, bei der ein elektrostatisches Kräftepaar
zur Anwendung gelangt;
Fig. 7A eine perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform
gemäß der Erfindung, wobei ein elektromagnetisches
Kräftepaar zur Anwendung kommt;
Fig. 7B eine Querschnittsdarstellung der in Fig. 9A gezeigten
fünften Ausführungsform;
Fig. 8A eine perspektivische Darstellung eines Beispiels
eines Vibrators nach dem einleitend abgehandelten Stand der Technik;
Fig. 8B eine Querschnittsdarstellung des Vibrators der
Fig. 8A;
Fig. 9A eine Ansicht eines Beispiels eines Licht-Ablenkelements
nach dem einleitend abgehandelten Stand der Technik;
Fig. 9B eine perspektivische Ansicht der gesamten Konstruktion
einer Licht-Ablenkvorrichtung nach dem einleitend abgehandelten Stand
der Technik.
Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Vibrator 1 mit zwei Freiheitsgraden
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist aus einem magnetischen Material gefertigt
und umfaßt einen ersten Torsionsschwinger 2 mit einem Plattenelement
21 sowie einem Paar von ersten Torsionsfedern
22, einen zweiten Torsionsschwinger 3 mit einem äußeren
Rahmen 31 sowie einem Paar von zweiten Torsionsfedern 32
und Befestigungsglieder 4. Die ersten Torsionsfedern 22
und die zweiten Torsionsfedern 32 fluchten längs der Mittelachse
des Plattenelements 21.
Wenn das Plattenelement 21 durch einen Ablenkspiegel ersetzt
oder ein Ablenkspiegel an dem Plattenelement 21 angebracht
wird, kann eine Licht-Ablenkvorrichtung erlangt
werden. Die Ausführungsformen werden im folgenden in
erster Linie unter Bezugnahme auf Beispiele eines Licht-
Ablenkelements erläutert.
Das Plattenelement 21, das einen Ablenkspiegel bildet, und
der äußere Rahmen 31 sind so konstruiert, daß sie sich um die
erste sowie zweite Torsionsfeder 22 und 32 drehen.
Zwei elektromagnetische Treibereinrichtungen, von denen
die eine ein erstes Joch 61 sowie eine erste Spule 71 und
die andere ein zweites Joch 62 sowie eine zweite Spule 72
besitzt, sind mit einem geringen Abstand zwischen diesen
Treibereinrichtungen und dem äußeren Rahmen 31 in der Nähe
dieses äußeren Rahmens sowie an der rechten und linken Seite
der ersten bzw. zweiten Torsionsfeder 22 und 32 angeordnet.
Da der äußere Rahmen 31 ansprechend auf die Treibereinrichtungen
wirkt, wird er im folgenden als in Schwingung
versetzbares Teil bezeichnet. Die Befestigungsglieder 4
sind durch Halteplatten 8 fest an einem Substrat 5 gehalten.
Wenn bei einer derartigen Ausgestaltung ein Stom in die
Spulen 71 und 72 geführt wird, wird ein magnetischer Fluß
von der einen der Spulen 71 und 72 zu der anderen der Spulen
71 und 72 über den äußeren Rahmen 31 erzeugt, so daß
eine Kraft hervorgerufen wird, um den äußeren, aus magnetischem
Material gefertigten Rahmen 31 in die Nähe der Joche
61 und 62 zu ziehen. Durch Zufuhr eines Stroms abwechselnd
zu den Spulen 71 und 72 können sich deshalb jeweils die Torsionsschwinger 2
und 3 um die Drehachsen der ersten und zweiten Torsionsfedern
22 und 32 drehen.
Die Fig. 3 zeigt das prinzipielle Modell dieses Vibrators,
der zwei Freiheitsgrade hat.
In Fig. 3 ist der erste Torsionsschwinger 2 durch eine
gestrichelte Linie dargestellt, und das Modell besitzt
einen Vibrator mit einem Trägheitsmoment I₁, eine Feder
mit einer Torsionsfederkonstanten C₁ und eine Dämpfung D.
Der zweite Torsionsschwinger
3 wird durch das gezeigte Modell substituiert, das
einen Vibrator mit einem Trägheitsmoment I₂ und einer Feder
mit einer Torsionsfederkonstanten C₂ besitzt. Da die
Dämpfung, die den zweiten Torsionsschwinger beeinflußt,
recht klein ist, wird sie hier vernachlässigt.
Die Amplitude (x) des zweiten Torsionsschwingers 3, an dem
eine harmonische Schwingungskraft Fej ω t aufgebracht wird,
und eine Verlagerung (y) des ersten Torsionsschwingers 2,
werden durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt,
wobei ω eine Schwingungswinkelfrequenz ist.
|x| = F · {(C₁ - I₁ω²)² + (Dω)²}1/2/|Δ(ω)| (1)
y = F · {C₁² + (Dω)²}1/2/|Δ(ω)| (2)
|Δ(ω)| = [{(C₁ - I₂ω²) (C₁ - I₁ω²) -I₁C₁ω²}² + (Dω)² {C₂ - (I₁ + I₂) ω²}²]1/2 (3)
Wenn angenommen wird, daß die Dämpfung, die den ersten
Torsionsschwinger beeinflußt, so klein wie die Dämpfung
im zweiten Torsionsschwinger ist und vernachlässigt
werden kann, ist die Amplitude (x) für den zweiten Torsionsschwinger
durch die folgende Gleichung, wenn D=0
ist, gegeben:
|x| = F|C₁ - I₁ω²|/|(C₂ - I₂ω²) (C₁ - I₁ω²) - I₁C₁ω²| (4)
Wenn der zweite Torsionsschwinger mit der Resonanzfrequenz
des ersten Torsionsschwingers f=2πω=2π (C₁/I₁)1/2,
also der Eigenfrequenz betrieben bzw. erregt wird, dann ist
|x| = 0.
Andererseits ist die Amplitude (y) des ersten Torsionsschwingers
durch die folgende Gleichung gegeben:
|y| = F|C₁|/|(C₂ - I₂ω²) (C₁ - I₁ω²) - I₁C₁ω²| = F/|C₁|.
Auf diese Weise kann die Amplitude (y), die der Antriebskraft
F proportional ist, erhalten werden.
Bei dieser Ausführungsform wird die Resonanzfrequenz des
ersten Torsionsschwingers 2 viel höher festgesetzt als
die Resonanzfrequenz des zweiten Torsionsschwingers 3.
Als Ergebnis ist es möglich, die Amplitude des zweiten
Torsionsschwingers 3, selbst wenn der Schwinger mit
einer Frequenz betrieben wird, die geringfügig von der
Resonanzfrequenz des ersten Torsionsschwingers 2 abweichend
ist, zu unterdrücken. Als Ergebnis kann die Amplitude des
Plattenelements (Ablenkspiegels) 21 vergrößert werden,
selbst wenn der Abstand zwischen dem zweiten Torsionsschwinger
3 und den Jochen 61 sowie 62 klein ist. Das
heißt mit anderen Worten, daß die Antriebskraft für den
Treiberstrom, weil der Spaltabstand klein ist, vergrößert
werden kann, wodurch eine große Amplitude für ein großes
Plattenelement (einen großen Ablenkspiegel) mit einer
kleinen Antriebsenergie gewährleistet wird.
Die Fig. 4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung
eine zweite Ausführungsform.
Bei dieser Ausführungsform sind auf entgegengesetzten
Seiten des äußeren Rahmens (des in Schwingung erregbaren
Teils) 31 feste Elektroden 91 und 92 angeordnet. Während
der äußere Rahmen 31 über das Befestigungsglied 4 geerdet
ist, wird abwechselnd eine Spannung an die feste Elektrode
91 oder 92 mittels eines Schalters SW gelegt, so daß
die zwischen den beiden Elektroden erzeugte elektrostatische
Kraft v erwendet wird. Bei dieser Ausführungsform wird
der zwei Freiheitsgrade besitzende Vibrator drehend in
derselben Weise wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 und
Fig. 2 im wesentlichen bei der Resonanzfrequenz des ersten
Torsionsschwingers in Schwingungen versetzt.
Die elektrostatische Kraft F kann ausgedrückt werden als:
F = ε · ε₀ · F · U/d²,
worin d ein Spaltabstand, F die Elektrodenfläche, U die
angelegte Spannung, ε die spezifische Dielektrizitätskonstante
und ε₀ das Dielektrizitätskonstantenvakuum
sind.
Das bedeutet, daß eine sehr kleine Spannung ausreichend
ist, um eine große Kraft zu erhalten, wenn ein kleiner
Spaltwert festgesetzt werden kann. Das heißt mit anderen
Worten, daß durch die Verwendung eines oben beschriebenen
Torsionsschwingers eine große Schwingungsamplitude des
Plattenelements (des Ablenkspiegels) mit einer niedrigen
Spannung verwirklicht werden kann. Zusätzlich bietet ein
derartiges elektrostatisches Antriebssystem den Vorteil,
daß eine kompaktere Konstruktion wegen weniger Teilen als
bei einem elektromagnetischen Antriebssystem, das eine
Mehrzahl von Jochen und Spulen hat, erleichtert wird, weil
es ausreichend ist, lediglich die festen Elektroden in
dem elektrostatischen Antriebssystem anzuordnen.
Bei den obigen Ausführungsformen können die Freiheitsgrade
drei oder mehr sein.
Die Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Vibrators mit
drei Freiheitsgraden.
Ein in Schwingung erregbares Teil 41 in Fig. 5 entspricht dem
in Fig. 2 gezeigten äußeren Rahmen 31. Da alle anderen Bauteile
zu denjenigen der Fig. 2 identisch sind, werden deren
Erläuterungen hier weggelassen. Mit dem derart konstruierten
Vibrator ist es möglich, ein relativ großes Plattenelement
oder relativ großen Ablenkspiegel zu fertigen, selbst
wenn die Abmessung der äußeren Gestalt kleiner gemacht
wird.
Weil die Ausführungsformen der Fig. 1 und Fig. 4 eine in
einer Richtung wirkende Antriebskraft verwenden, kann des
weiteren eine am Vibrator aufgebrachte große Kraft eine
Biegeschwingung in den lagernden Teilen erzeugen, wodurch
ein Wackeln oder Flattern des Abtastlichts in anderen Richtungen
als der geforderten Richtung hervorgerufen wird.
Da zusätzlich die Kraft zum Quadrat des festgesetzten
Spaltabstandes umgekehrt proportional ist, kann die Erzeugung
einer übermäßigen Kraft dazu führen, daß bewegbare
Teile am festen Bauteil haften bleiben,
wodurch sie außer Funktion geraten.
Eine vierte Ausführungsform, die eine derartige Möglichkeit ausschließt,
ist in Fig. 6 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform
sind zwei Sätze von Elektroden 91 sowie 92 und Elektroden
93 sowie 94 in einer Weise angeordnet, daß sie den Front-
und Rückflächen des äußeren Rahmens 31 gegenüberliegen und
vom äußeren Rahmen 31 (vom in Schwingung erregbaren Teil) im
Vibrator 1 mit zwei Freiheitsgraden gleich beabstandet
sind. Eine Spannung wird abwechseln an die Elektroden
auf der rechten und linken Seite in einer solchen Weise
gelegt, daß die Spannung an den Elektroden auf der Front-
und Rückfläche mit umgekehrter Phase aufgebracht
wird, so daß die durch dieses Anlegen der Spannung
erzeugte elektrostatische Kraft als eine Antriebskraft
verwendet wird.
Da die bei dieser vierten Ausführungsform erzeugte elektrostatische
Kraft bezüglich der zweiten Torsionsfeder in dem Vibrator
mit zwei Freiheitsgraden als dessen Mitte ein Kräftepaar
erzeugt, ist eine niedrige Spannung ausreichend, um
die gleiche Amplitude zu erlangen, und wirkt keine andere
Kraft als die Drehkraft auf die Feder, wodurch sich ein stabiler
Lichtabtastvorgang ergibt.
Die Fig. 7A und 7B zeigen eine fünfte Ausführungsform
in einer perspektivischen bzw. geschnittenen Darstellung.
Bei dieser Ausführungsform wird ein Vibrator 10 mit zwei
Freiheitsgraden in der Weise gefertigt, daß der erste Torsionsschwinger
15 aus Silizium, der mittels einer Mikrobearbeitungstechnik
beispielsweise unter Anwendung von Photolithographie
hergestellt wird, mit einem metallischen
zweiten Torsionsschwinger 16 verklebt wird. Die Bezugszahl
11 bezeichnet ein Plattenelement (einen Ablenkspiegel), während
die Bezugszahlen 12A und 12B erste Torsionsfedern bezeichnen.
Ein äußerer Rahmen (ein in Schwingung erregbares
Teil) ist mit 13 bezeichnet, und zweite Torsionsfedern
sind mit 14A sowie 14B bezeichnet.
Ein erster Permanentmagnet 41A und ein zweiter Permanentmagnet
41B sind mit dem äußeren Rahmen (dem in Schwingung
erregbaren Teil) 13 an dessen rechter sowie linker Seite verklebt,
eine erste Spule 25A und eine zweite Spule 25B sind
an einem Substrat 20 befestigt sowie in der Nähe der Magnete
41A und 41B angeordnet, und zwei Ströme, die in
entgegengesetzten Richtungen fließen, werden den Spulen
25A und 25B zugeführt. Die daraus resultierende elektromagnetische
Kraft wird nutzbar gemacht. Bei dieser Ausführungsform
werden die Richtungen der magnetischen Flüsse in den
Magneten 41A und 41B gleichgerichtet festgesetzt, und die
Ströme, die zueinander entgegengesetzte Richtungen haben,
werden den Spulen 25A sowie 25B zugeführt, so daß die erzeugte
Kraft zu einem Kräftepaar wird, wodurch sich dieselbe Wirkung
wie im Fall der Fig. 6 ergeben. Auch wenn die Magnetfelder
in den angeklebten Permanentmagneten in den entgegengesetzten
Richtungen verlaufen und die Richtungen der
Ströme, die durch die Spulen fließen, einander gleich sind,
bietet diese Anordnung die gleiche Wirkung.
Gemäß den Ausführungsformen werden ein erster Torsionsschwinger,
der ein Plattenelement oder einen Ablenkspiegel besitzt,
und ein Paar von ersten Torsionsfedern mit einem zweiten
Torsionsschwinger, der ein in Schwingung erregbares Teil sowie
eine zweite Torsionsfeder hat, verbunden, um einen Vibrator
mit zwei Freiheitsgraden zu bilden, und es wird eine
Antriebskraft eines Kräftepaars auf das in Schwingung
erregbare Teil des zweiten Torsionsschwingers aufgebracht, um den
Vibrator mit der Resonanzfrequenz des ersten Torsionsschwingers
zu betreiben, so daß die Amplitude des zweiten Torsionsschwingers
viel kleiner als diejenige des ersten Torsionsschwingers
gemacht werden kann.
Für die Antriebseinrichtung ist erforderlich, daß sie
einen kleinen Spalt zwischen der Antriebseinrichtung und
dem Vibrator gleich einer elektromagnetischen oder elektrostatischen
Antriebseinrichtung hat, welche eine Antriebskraft
erzeugt, indem der Vibrator in Gegenüberlage zu Jochen oder
festen Elektroden angeordnet wird. Im Gegensatz hierzu
kann gemäß den Ausführungsbeispielen die Amplitude des Plattenelements
oder des Ablenkspiegels vergrößert werden. Demzufolge
wird ein erhaltener großer
Abtastwinkel bei einem Licht-Ablenkelement bewirkt.
Bei einer Vorrichtung, die ein Kräftepaar verwendet, wird
keine andere Kraft als die Drehkraft auf das tragende oder
lagernde Teil aufgebracht, so daß die Biegeverformung in
den Federn eliminiert wird. Das bedeutet, daß im Lichtabtastvorgang
nur ein geringes Wackeln oder Schwanken vorhanden
ist, so daß eine stabile Abtastung verwirklicht wird.
Wenn in den Vibratoren des elektromagnetischen Systems ein
magnetisches Material verwendet wird, so ist es darüber
hinaus nicht erforderlich, am Vibrator eine Spule und
einen Zuleitungsdraht auszubilden. Folglich wird ein
stabiler Lichtstrahl-Abtastvorgang ohne irgendeine thermische
Verformung des Spiegels ermöglicht, die durch den Spulen zugeführten
elektrischen Strom hervorgerufen wird.
Ferner ist es in dem elektrostatischen System ausreichend,
lediglich feste Elektroden in Gegenüberlage zu den Vibratoren
anzuordnen, so daß die Anzahl der verwendeten Teile
vermindert werden kann, wodurch die Vorrichtung kompakter
herzustellen ist. Weil auch in diesem System die Vibratoren,
solange sie aus einem elektrisch leitfähigen Material
gefertigt sind, verwendet werden können, wird ein erweiterter
Bereich einer Materialauswahl möglich gemacht.
Gemäß den Ausführungsformen wird ein zeiter Torsionsschwinger
mit einem äußeren Rahmen und einer zweiten Torsionsfeder
an der äußeren Seite eines ersten Torsionsschwingers
mit einem Paar von Torsionsfedern sowie einem Plattenelement
(Ablenkspiegel) ausgebildet, wobei der zweite Torsionsschwinger
durch ein Befestigungsglied festgelegt
wird. Die Resonanzfrequenz für den ersten Torsionsschwinger
wird höher als diejenige für den zweiten Torsionsschwinger
festgesetzt. Der äußere Rahmen des zweiten Torsionsschwingers
wird im wesentlichen mit der Resonanzfrequenz
des ersten Torsionsschwingers durch eine elektromagnetische
oder elektrostatische Kraft betrieben. Als Ergebnis
ist es möglich, einen stabilen und großen Abtastwinkel
unter Verwendung von lediglich einer kleinen Antriebskraft
zu erhalten.
Claims (10)
1. Torsionsvibrator mit mindestens zwei Freiheitsgraden mit
einem ersten Torsionsschwinger (2; 15), der ein
Plattenelement (21; 11) und eine erste Feder (22; 12A, 12B)
aufweist und drehend in Schwingung versetzbar ist, und einem
zweiten Torsionsschwinger (3; 16), der eine zweite Feder (32;
14A, 14B) aufweist und drehend in Schwingung versetzbar ist,
wobei ein in Schwingung erregbares Teil (31; 41; 13) des zweiten
Torsionsschwingers (3; 16) mit dem ersten Torsionsschwinger
über die erste Feder (22; 12A, 12B) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das
in Schwingung erregbare Teil (31; 41; 13) im wesentlichen mit der Eigenfrequenz des ersten Torsionsschwingers (2; 15)
so erregt wird, daß die Amplitude des zweiten Torsionsschwingers (3; 16) im wesentlichen
gleich Null ist.
2. Torsionsvibrator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Plattenelement (21; 11) ein Ablenkspiegel ist.
3. Torsionsvibrator nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das in Schwingung versetzbare Teil (31; 41; 13) des zweiten
Torsionsschwingers (3; 16) mit einem Kräftepaar als
Antriebskraft beaufschlagbar ist, wobei die zweite Feder (32;
14A, 14B) als Drehmittelpunkt dient.
4. Torsionsvibrator nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Antriebskraft elektromagnetisch aufbringbar ist.
5. Torsionsvibrator nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Antriebskraft elektrostatisch aufbringbar ist.
6. Torsionsvibrator nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Feder (22; 12A, 12B) ein Paar Federn längs der
Mittelachse des Plattenelements (21; 11) und die zweite Feder
(32; 14A, 14B) ein Paar dazu fluchtende Federn aufweist,
wobei das in Schwingung versetzbare Teil (31; 41; 13) des
zweiten Torsionsschwingers (2; 15) außerhalb um den ersten
Torsionsschwinger (2; 15) vorgesehen ist.
7. Torsionsvibrator nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
feste Bauteile (4) des Torsionsvibrators durch ein Substrat
(5; 5A, 5B, 20) gelagert sind und eine elektrostatische
Antriebsvorrichtung durch ein Paar fester Elektroden (91, 92;
93, 94) gebildet ist, die dem in Schwingung versetzbaren Teil
(31; 41; 13) gegenüberliegend beidseitig der Mittelachse des
Plattenelements (21; 11) angeordnet sind.
8. Torsionsvibrator nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch
zwei Paare von festen Elektroden (91, 92, 93, 94), die der
Ober- und Unterseite des in Schwingung versetzbaren Teils
(31; 41; 13) gegenüberliegend angeordnet sind.
9. Torsionsvibrator nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
feste Bauteile des Torsionsvibrators durch ein Substrat (20)
gelagert sind und eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung
durch ein Paar Magnete (41A, 41B) gebildet ist, die an dem in
Schwingung versetzbaren Teil (31; 41; 13) beidseitig der
Mittelachse des Plattenelements (21; 11) befestigt sind und
mit Spulen (25A, 25B) zusammenwirken, die an dem Substrat
(20) in Gegenüberlage zu den Magneten (41A, 41B) befestigt
sind.
10. Torsionsvibrator nach einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenelement einen
Ablenkspiegel (11) bildet.
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