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Die
Erfindung betrifft einen Positionsdetektor, insbesondere einen optischen
Positionsdetektor, für
eine Scanvorrichtung sowie eine Scanvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Positionsdetektor.
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Die
präzise
Bestimmung von räumlichen
Positionen ist in der heutigen Zeit insbesondere aufgrund einer
zunehmenden Automatisierung von Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren
eine wichtige Vorraussetzung, um auf effiziente Weise Bauteile mit geringer
Toleranz herstellen oder bearbeiten zu können. So erfordert z.B. die
Materialbearbeitung mit Laserstrahlen eine präzise Steuerung des Strahlengangs
von intensivem Laserlicht. Hierfür
werden häufig
optische Scanner, sogenannte Galvanometer verwendet. Darunter fallen
z.B. Galvanometer mit einer drehbar angeordneten Welle, an der ein
Spiegel befestigt ist, wobei die Welle durch einen Motor in Rotation
versetzt wird, so dass der Strahlengang eines auf den Spiegel treffenden
Laserstrahls räumlich
variiert werden kann. Durch das Hintereinanderschalten von zwei
derartigen Galvanometern kann Laserlicht in zwei Dimensionen abgelenkt
werden. Eine genaue Steuerung des Strahlengangs erfordert einen
Regelungsmechanismus, bei dem der momentane Drehwinkel der Welle
genau bestimmt wird und, falls dieser bestimmte Drehwinkel von seinem
Sollwert abweicht, durch eine Regelungsvorrichtung korrigiert wird.
Die Bestimmung des momentanen Drehwinkels erfolgt mit einem Positionsdetektor,
dessen Ausgangssignal die Regelgröße darstellt.
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Die
meisten heutzutage eingesetzten optischen Scanner verwenden sogenannte
kapazitive Positionsdetektoren. Bei dieser Art von Detektoren ist
die drehbar angeordnete Welle mit einem Drehkondensator oder mit
einem zwischen Kondensatorplatten angeordneten Dielektrikum gekoppelt.
Eine Messung der Kapazität
des Kondensators ergibt dann einen Wert, der direkt mit dem momentanen Drehwinkel
der Welle zusammenhängt.
Kapazitive Positionsdetektoren liefern in aller Regel eine hohe Winkelauflösung und
sind gegenüber
Drifts weitgehend unempfindlich. Die Herstellung solcher Detektoren
ist jedoch relativ aufwendig und somit auch teuer. Ferner erhöhen die
Detektoren insbesondere bei kleinen Scannern das Massenträgheitsmoment
des Scanners erheblich.
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Aus
diesem Grund verwendet man für
kleine Scanner zunehmend optische Positionsdetektoren. Solche optischen
Positionsdetektoren wiesen jedoch gegenüber kapazitiven Positionsdetektoren
eine geringere Winkelauflösung
und eine größere Drift
auf, so dass sie nur bei solchen Anwendungen zum Einsatz kamen,
bei denen die Anforderungen an die genaue Lage des Strahlengangs
nicht sehr hoch waren (z.B. Lasershows). Durch weiterentwickelte
optische Positionsdetektoren erreichte man die geforderten Spezifikationen
für die
Winkelauflösung
und die Drift, mit denen optische Positionsdetektoren auch für hohe Genauigkeit
erfordernde Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren mit Laserlicht
in Frage kommen.
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In
dem US-Patent
5,844,673 ist
ein Positionsdetektor offenbart, der die Winkelposition eines drehbaren
Elements bestimmt, wobei der Positionsdetektor aufweist: eine einzelne
Lichtquelle, die ein einheitliches Weitwinkel-Lichtfeld in eine
Richtung entlang der Längsachse
des drehbaren Elements richtet, mehrere sektorförmige Lichtdetektoren, die umfangsförmig um
das drehbare Element ausgerichtet sind, um das Licht direkt von
der Quelle zu empfangen und ein mit dem drehbaren Element verbundenes
Lichtschild, welches sich mit dem drehbaren Element um die Längsachse
dreht, um Teile des Lichts periodisch abzuschirmen, welches von
der Lichtquelle auf die Lichtdetektoren trifft. Der Raum zwischen
der Lichtquelle und den Detektoren ist im Wesentlichen frei von
irgendeinem Objekt, außer dem
Lichtschild, so dass das Licht von der Lichtquelle zumindest auf
jene Abschnitte der Detektoren direkt auftreffen kann, die vom Lichtschild
nicht verdeckt sind. D.h. das Licht trifft ohne irgendein anderes
Objekt zu passieren direkt auf die Detektoren. Eine lineare Ausgangsgröße von jedem
der Paare von verbundenen Detektoren wird verwendet, um eine zuverlässige Messung
der Winkelposition des drehbaren Elements zu erreichen.
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EP-A-0 140 574 offenbart
einen optischen Sensor, bei welchem ein Reflektor mit unterschiedlichen
Beschichtungen bereitgestellt ist; die Position des Verschlusses
wird aus dem unterschiedlichen Verhältnis von unterschiedlichen
Beschichtungen hergeleitet, die nicht von dem Verschluss bedeckt sind.
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GB-A-2 005 407 und
US-A-3 983 391 offenbaren
beide optische Codiereinrichtungen, bei welchen die Position von
einem rotierenden Teil mittels eines inkrementalen Codes erzielt
wird, der an dem rotierenden Teil bereitgestellt ist.
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Durch
die Erfindung wird ein Positionsdetektor für eine Scanvorrichtung geschaffen,
mit welchem ein kompakterer Aufbau bei gleichzeitig höherer Genauigkeit
bezüglich
der Positionserfassung erzielbar ist. Durch die Erfindung wird ferner
eine Scanvorrichtung mit einem wie oben beschriebenen Positionsdetektor
geschaffen.
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Der
erfindungsgemäße Positionsdetektor
für eine
Scanvorrichtung weist ein bewegbares Lichtschild und wenigstens
zwei Lichtdetektoren auf, die hinter dem Lichtschild angeordnet
sind und die von dem Lichtschild bei dessen Bewegung mit unterschiedlichen Überdeckungsmaßen abdeckbar
sind. Aus diesen unterschiedlichen Überdeckungsmaßen wird
die Position des Lichtschilds bestimmt. Der erfindungsgemäße Positionsdetektor
weist ferner wenigstens eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht
auf die Lichtdetektoren auf. Die Lichtquelle ist derart angeordnet,
dass das von ihr emittierte Licht auf einen vor dem Lichtschild
angeordneten Reflektor emittiert wird, welcher seinerseits derart
angeordnet ist, dass das auf ihn treffende Licht auf die Lichtdetektoren
reflektiert wird.
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Durch
das Vorsehen des Reflektors kann die Lichtquelle näher an den
Lichtdetektoren angeordnet werden, wodurch Leitungen, wie Signal-
oder Stromzuführungsleitungen,
ohne große
Umwege direkt sowohl an die Lichtdetektoren als auch an die Lichtquelle
herangeführt
werden können.
Der vor den Lichtdetektoren angeordnete Reflektor kann mit geringer Bautiefe
ausgeführt
werden, so dass sich die Abmessungen des Positionsdetektors nach
vorne hin nicht wesentlich vergrößern. Damit
wird insgesamt eine kompaktere Bauweise des Positionsdetektors ermöglicht.
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Um
eine kleinst-mögliche
Baugröße des Positionsdetektors
zu erzielen, ist der Reflektor bevorzugt in Form einer auf ein dünnes Substrat
aufgebrachten Beschichtung ausgebildet. Das Substrat ist vorteilhafterweise
eine Abdeckkappe, von welcher der Positionsdetektor gleichzeitig
auch gegen Verunreinigungen wie Staub und Wasser abgedichtet ist. Die
Beschichtung kann z.B. in Form eines Farbanstrichs oder einer Folie
realisiert werden. Bevorzugt wird die reflektierende Beschichtung
von einem reflektierenden Lack gebildet.
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Die
Detektion einer Position erfolgt mit dem erfindungsgemäßen Positionsdetektor
dadurch, dass die Ausgangssignale der unterschiedlich überdeckten
Lichtdetektoren unter Bildung eines zu der Position des Lichtschild
linearen Messsignals miteinander verglichen, z.B. voneinander subtrahiert
werden.
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Die
Lichtquelle kann z.B. an einer Stelle zwischen dem Reflektor und
den Lichtdetektoren angeordnet sein und ihr Licht z.B. schräg auf den
Reflektor emittieren. Bevorzugt ist sie jedoch seitlich der Lichtdetektoren
zu diesen benachbart angeordnet.
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Indem
die Lichtquelle damit unmittelbar neben den Lichtdetektoren angeordnet
ist, wird eine besonders kompakte Bauform mit äußerst kurzen Wegen für die elektrischen
Leitungen zu der Lichtquelle und zu den Lichtdetektoren erzielt.
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Obwohl
als Reflektor auch Spiegel verwendet werden können, von denen das von der
Lichtquelle emittierte Licht nahezu symmetrisch zur Reflektornormalen
reflektiert wird, ist als Reflektor bevorzugt ein diffuser Reflektor
vorgesehen, welcher diffuse Reflektor insbesondere durch einen diffus
reflektierenden Lack gebildet wird, aber auch durch eine sonstige
auf ein Substrat aufgebrachte, reflektierende Beschichtung gebildet
sein kann.
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Durch
die Verwendung eines solchen Reflektors wird auf einfache Weise
eine besonders gleichmäßige (homogene) Verteilung
der Strahlungsintensität
des reflektierten Lichts über
die aktive, d.h. nicht vom Lichtschild verdeckte Detektorfläche erzielt.
Ferner werden durch einen solchen diffusen Reflektor die Anforderungen
an die Qualität
der Lichtquelle deutlich reduziert. Zu dieser Qualität zählt die
Homogenität
der Lichtintensität,
die in den Raumwinkel emittiert wird, der unter Berücksichtigung
der Lichtreflexion durch den Reflektor von der räumlichen Position der Lichtquelle
und der aktiven Detektorfläche aufgespannt
wird. Durch die Homogenität
der auf die aktive Detektorfläche
auftreffenden Lichtintensität
ergibt sich für
das Ausgangssignal ein hoher Grad an Linearität zwischen der zu erfassenden
Winkelposition und dem zugehörigen
Messsignal. Ferner wird durch die verbesserte Homogenität der Lichtintensität erreicht,
dass der erfindungsgemäße Positionsdetektor
sehr unempfindlich gegenüber
Aufbau- oder Montagetoleranzen zwischen der Lichtquelle und dem
Reflektor sowie zwischen dem Reflektor und dem/den Detektor/en ist.
Zudem wird auch eine geringere Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Positionsdetektors
gegenüber
thermischen Einflüssen erreicht.
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Für den Reflektor
ist eine Reflexionsgeometrie bevorzugt, bei der alle optischen Komponenten (Lichtquellen,
Detektoren) in einer Ebene angeordnet sind. Dies ermöglicht die
vorteilhafte Anordnung dieser optischen Komponenten auf einer gemeinsamen Leiterplatine,
wodurch Aufbau, Montage und damit die Herstellung des Positionsdetektors
weiter vereinfacht werden.
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Vorteilhafterweise
sind wenigstens zwei Lichtquellen vorgesehen, mittels denen eine
noch homogenere Lichtintensität
erzielt wird, wobei die Lichtquellen insbesondere symmetrisch zu
den Symmetrieachsen der Lichtdetektoranordnung positioniert sind.
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Obwohl
das Lichtschild beispielsweise auch translatorisch über die
Lichtdetektoren bewegbar sein kann, ist das Lichtschild bevorzugt
drehbar angeordnet, wobei die Lichtdetektoren die Form eines Kreisringabschnitts
aufweisen.
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Die
drehbare Anordnung des Lichtschilds kann konstruktiv auf einfache
Weise mittels einer Welle erzielt werden, was gegenüber einer
translatorischen Bewegung des Lichtschilds einfacher und präziser verwirklichbar
ist. Durch die Kreisringabschnittsform der Lichtdetektoren ist ein
bezüglich
der Winkelposition des Lichtschilds lineares Messsignal erzielbar.
Die Kreisringabschnittsform des jeweiligen Lichtdetektors kann z.B.
durch die Verwendung eines kreisringabschnittsförmigen, lichtempfindlichen
Elements als Lichtdetektor erzielt werden. Bevorzugt weist der Lichtdetektor
jedoch irgendein lichtempfindliches Element, z.B. eine herkömmliche
kreisförmige oder
rechteckige Photodiode, auf, das mit einer Maske versehen ist, die
eine kreisringabschnittsförmige Ausnehmung
aufweist. Hierdurch wird auf besonders kostengünstige Weise ein kreisringabschnittsförmiger Lichtdetektor
erzielt. Bevorzugt weist der jeweilige Lichtdetektor ein lichtempfindliches
Element auf, wobei zumindest für
eine Mehrzahl der Lichtdetektoren eine gemeinsame Maske vorgesehen
ist, die mit einer entsprechenden Anzahl von kreisringabschnittsförmigen Ausnehmungen
versehen ist, wodurch die Kreisringabschnittsform des zugehörigen Lichtdetektors
ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist nur eine einzige Maske
vorgesehen, in der eine Anzahl von kreisringabschnittsförmigen Ausnehmungen
ausgebildet ist, die der Anzahl der Lichtdetektoren entspricht.
Hierdurch sind die Detektorflächen noch
genauer zueinander ausgerichtet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind
wenigstens vier Lichtdetektoren vorgesehen, welche derart um die
Drehachse des drehbar angeordneten Lichtschilds angeordnet sind,
dass jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende Detektoren im Wesentlichen
die gleiche Überdeckung
von dem Lichtschild erfahren. Mit einer solchen Lichtdetektoranordnung
können
unerwünschte
radiale Lageänderungen
des Lichtschilds auf einfache Weise erfasst und kompensiert werden,
da die einander diametral zur Drehachse des Lichtschilds gegenüberliegenden
Lichtdetektoren gleiche betragsmäßige Änderungen
bezüglich
der überdeckten
Flächen
erfahren. Im Fall, dass mehr als vier Lichtdetektoren vorgesehen
sind, entspricht deren Anzahl ebenfalls einer geraden Zahl. Mit
mehr als vier Lichtdetektoren, also z.B. sechs oder acht Lichtdetektoren,
wird eine höhere
Signalausbeute erzielt, so dass die Detektorsignale nur geringfügig verstärkt werden
müssen, wodurch
eine schnellere Signalverarbeitung und damit ein schneller arbeitender
Detektor realisiert werden kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung sind jeweils zwei benachbarte Lichtdetektoren als
Spaltdiode ausgebildet, so dass die gesamte Lichtdetektoranordnung
preiswert und platzsparend realisiert werden kann.
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Um
ein Messsignal zu erzielen, welches gegenüber radialen Lageänderungen
des Lichtschilds unempfindlich ist, die z.B. durch thermische Einflüsse oder
Montagetoleranzen gegeben sein können,
ist bevorzugt eine an die Lichtdetektoren angeschlossenen Steuervorrichtung
vorgesehen, die folgendermaßen
aufgebaut ist: Die von den jeweils überdeckungsgleichen Lichtdetektoren
ausgegebenen Signale werden addiert, und dann wird aus diesen beiden
Summensignalen die Differenz gebildet. Das Differenzsignal ist dann
ein zur Position des Lichtschildes proportionales Ausgangssignal.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist eine Regelungseinheit vorgesehen, welche derart
ausgebildet ist, dass die von den Lichtdetektoren ausgegebenen Signale
unter Bildung eines Gesamtadditionssignals addiert werden und dass
die Strahlungsintensität
der Lichtquelle(n) gemäß dem Gesamtadditionssignal
geregelt wird. Mit dieser Regelungseinheit können z.B. durch Alterung oder
thermische Einflüsse
bedingte Veränderungen der
von der (den) Lichtquelle(n) emittierten Strahlungsintensität ausgeglichen
werden.
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Der
Positionsdetektor kann z.B. zum Messen von irgendeiner Drehbewegung
oder auch translatorischen Bewegung eingesetzt werden. Mit Hilfe
einer entsprechenden elektronischen Schaltung können auch Winkelfrequenzen
gemessen werden und daher kann der erfindungsgemäße Positionsdetektor als Drehzahlmesser
verwendet werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist eine Scanvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Positionsdetektor
vorgesehen. Hierbei kann z.B. mit dem Lichtschild ein Spiegel gekoppelt
sein, auf den ein Laserstrahl gerichtet ist und durch dessen Bewegung,
insbesondere Drehung, der Laserstrahl abgelenkt wird. Der Spiegel
ist hierbei derart mit dem Lichtschild gekoppelt, dass seine Bewegung
zu einer dazu proportionalen, insbesondere entsprechenden (gleiche
Bewegungsform), Bewegung des Lichtschild führt, so dass die Position des
Spiegels mittels des daran gekoppelten Positionsdetektors detektiert
werden kann. Die Scanvorrichtung kann zum Beispiel zum Beschriften
von Teilen eingesetzt werden, wobei der Laserstrahl durch gesteuertes
Bewegen des Spiegels geleitet wird und ein vorgegebenes Schriftbild
in das zu beschriftende Teil einbrennt. Die Scanvorrichtung kann
auch in der Medizintechnik verwendet werden, z.B. zum Entfernen
von Hautirritationen, wie Falten und Tätowierungen, welche mittels
des exakt geführten
Laserstrahls beseitigt werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen Längsschnitt
einer Scanvorrichtung mit einem Positionsdetektor gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung und
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2 eine Vorderansicht der
Scanvorrichtung nach 1 bei
abgenommener vorderer Abdeckung.
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Wie
aus 1 und 2 ersichtlich ist, weist
eine erfindungsgemäße Scanvorrichtung 1 einen
an ihrer vorderen Seite eingerichteten Positionsdetektor 2 auf.
Der Positionsdetektor 2 ist als optischer Positionsdetektor
ausgebildet. Der optische Positionsdetektor 2 weist zwei
Lichtquellen 3, 4 auf, die hinter einem Lichtschild 5 angeordnet
sind, welches seinerseits fest mit einer drehbar eingerichteten Welle 6 verbunden
ist, die sich zwischen den beiden Lichtquellen 3, 4 nach
hinten erstreckt. Somit wird das Lichtschild 5 mit der
Drehung der Welle 6 mitgedreht. Die Lichtquellen 3, 4 sind
symmetrisch zu der Längsachse
der Welle 6 angeordnet. Bevorzugt wird als jeweilige Lichtquelle 3, 4 eine
Leuchtdiode (LED) verwendet; es kommen jedoch auch andere Lampen in
Frage.
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Unmittelbar
seitlich neben den Lichtquellen 3, 4 befindet
sich in einer Ebene, die sich senkrecht zur Längsachse der Welle 6 erstreckt,
eine Detektoranordnung, die vier Lichtdetektoren 18, 19, 20, 21 aufweist.
Diese vier Lichtdetektoren 18, 19, 20, 21 sind
symmetrisch zu der Welle 6 angeordnet, wobei jeweils zwei
Lichtdetektoren 18, 21 bzw. 19, 20 einander
diametral gegenüber
angeordnet sind. Jeweils zwei zueinander benachbarte Lichtdetektoren 18, 19 bzw. 20, 21 werden
von einer zugeordneten Spaltdiode 7 bzw. 8 gebildet,
wobei auf einfache Weise der Aufbau einer kompakten Anordnung mit
den vier Detektoren ermöglicht
ist. Die Lichtdetektoren 18, 19, 20, 21,
d.h. in diesem Falle die Spaltdioden 7, 8, und die
Lichtquellen 3, 4 sind nebeneinander derart angeordnet,
dass kein von den Lichtquellen 3, 4 emittiertes
Licht auf direktem Wege auf die Lichtdetektoren 18, 19, 20, 21,
d.h. auf deren lichtempfindlichen Seiten, treffen kann. Zusätzlich sind
die Lichtdetektoren 18, 19, 20, 21 und
die Lichtquellen 3, 4 in kompakter Weise auf einer
gemeinsamen Leiterplatine 9 angeordnet.
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Die
Leiterplatine 9 weist Durchgangsöffnungen 39, 40 auf,
in welche die beiden Lichtquellen 3, 4 eingesetzt
sind, so dass sie das Licht von der Leiterplatine 9 aus
nach vorne emittieren. Die Leiterplatine 9 weist eine zur
Welle 6 konzentrisch ausgebildete Öffnung 41 auf, durch
welche die Welle 6 in Vorwärts-Richtung hindurchgeführt ist.
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In
der Leiterplatine 9 sind ferner zwei diametral gegenüberliegende
Befestigungslöcher 37, 38 ausgebildet, mittels
denen die Leiterplatine 9 an einem Scannergehäuse 26,
z.B. durch Schrauben, befestigt werden kann. Ein integraler Ansatz 42 der
Leiterplatine erstreckt sich von den Lichtquellen 3, 4 seitlich
nach außen.
In diesem Ansatz 42 sind mehrere Durchgangslöcher 39 ausgebildet,
die für
Lötfahnen
vorgesehen sind, die einen einfachen und sicheren elektrischen Anschluss
der Scanvorrichtung 1 und des optischen Positionsdetektors 2 erlauben.
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Unmittelbar
vor den Spaltdioden 7, 8 und den Lichtquellen 3, 4 befindet
sich eine Maske 10, die eine Reihe von Ausnehmungen aufweist.
Durch eine erste kreisförmige
Ausnehmung 11, die sich in der Mitte der Maske 10 befindet,
erstreckt sich die Welle 6. Zwei andere, ebenfalls kreisförmige Ausnehmungen 21, 13 befinden
sich in der Maske 10 unmittelbar vor den Lichtquellen 3, 4 und
sind zu deren Lichtkegel im Wesentlichen konzentrisch angeordnet.
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Die
jeweilige Spaltdiode 7, 8 weist zwei durch einen
Spalt voneinander getrennte lichtempfindliche Elemente 43, 44 bzw. 45, 46 rechteckiger Form
auf. Es können
auch andere Formen von Lichtelementen in Frage kommen, wie z.B.
kreisförmige lichtempfindliche
Elemente. Die Maske 10 weist vier Ausnehmungen 14, 15, 16, 17 auf,
die unmittelbar vor den jeweiligen lichtempfindlichen Elementen 43, 44, 45 bzw. 46 angeordnet
sind. Diese Ausnehmungen 14, 15, 16, 17 weisen
jeweils eine Kreisringabschnittsform auf, wobei sich das Zentrum
des zugehörigen
Kreises in der Längsachse
der Welle 6 befindet. Die lichtempfindlichen Elemente der
Spaltdioden 7,8 bilden zusammen mit der vor ihnen
liegenden Maske 10 und den Ausnehmungen darin 14, 15, 16, 17 kreisringabschnittsförmige, aktive
Detektorflächen 18, 19, 20, 21,
die symmetrisch um die Längsachse der
Welle 6 angeordnet sind, wobei jeweils die beiden aktiven
Flächen 18 und 21 sowie 19 und 20 einander
diametral gegenüberliegend
angeordnet sind.
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Das
mit der drehbar angeordneten Welle 6 verbundene Lichtschild 5 ist
mit einer Schraube 22 an der Welle 6 befestigt.
Hierzu ist die Schraube 22 zentral in die Stirnseite der
Welle 6 eingeschraubt, so dass das als flache Platte ausgebildete
Lichtschild 5 zwischen der Stirnseite der Welle 6 und
dem Schraubenkopf eingeklemmt ist. Das Lichtschild 5 weist
zwei einander bezüglich
der Längsachse
der Welle 6 gegenüberliegende
Flügel 22, 23 auf.
Die Flügel 22, 23 weisen
bis auf den Bereich, der zur Befestigung des Lichtschilds 5 an
der Welle 6 dient, eine Kreissektorform auf, wobei der
Mittelpunkt des zugehörigen
Kreises in der Drehachse der Welle 6 liegt.
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Der
Positionsdetektor 2 weist an seiner Vorderseite eine topfförmige Abdeckung 24 auf,
auf deren inneren Bodenfläche
ein Reflektor 25 angeordnet ist. Dieser Reflektor 25 weist
eine solche Oberfläche auf,
dass auf ihn treffendes Licht diffus reflektiert wird. Um eine möglichst
geringe Baugröße des Positionsdetektors 2 zu
erzielen, ist der Reflektor 25 bevorzugt in Form einer
Beschichtung vorgesehen. Diese Beschichtung kann z.B. durch Verwenden
eines diffus reflektierenden Lacks realisiert werden, welcher nicht
nur an der inneren Bodenfläche,
sondern auch – nach
einer Ausführungsform
der Erfindung – an
der inneren Umfangsfläche
der topfförmigen
Abdeckung angebracht sein kann.
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Die
mit dem optischen Positionsdetektor 2 gekoppelte Scanvorrichtung 1 weist
ferner ein zylinderförmiges,
langgestrecktes Gehäuse 26 auf,
welches sich ausgehend von dem vorne angeordneten Positionsdetektor 2 in
seiner Längsrichtung
nach hinten erstreckt. Das Gehäuse 26 weist
an seiner Vorderseite einen nach außen vorstehenden Ringbund 47 auf,
der an seinem vorderen Endabschnitt mit einer sich in seiner Umfangsrichtung
erstreckenden Aussparung versehen ist. Die Abdeckung 24 liegt bündigen in
der Aussparung, und kann daher umfangsseitig bündig an das Gehäuse 26 montiert
werden, wobei die Abdeckung gegen eine von der Aussparung ausgebildete
Anschlagschulter 48 anschlagen kann. Die Leiterplatine 9 erstreckt
sich an die Stirnseite des Gehäuses 26 anliegend
nach außen aus
dem Gehäuse
heraus, wobei in der Abdeckung eine entsprechende Aussparung 49 ausgebildet
ist. Auf der zu dieser Durchgangstelle gegenüberliegenden Seite ist die
Leiterplatine 9 ebenfalls an die Stirnseite des Gehäuses 26 angelegt,
so dass sie insgesamt sicher von dem Gehäuse 26 abgestützt ist.
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Im
vorderen und im hinteren Endabschnitt des Gehäuses 26 ist jeweils
eine Gleitlagerbuchse 27, 28 eingesetzt, welche
die Welle 6 trägt.
Anstelle der Gleitlager können
zum Tragen der Welle 6 auch Wälzlager vorgesehen sein.
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Die
Welle 6 setzt sich aus drei getrennten Wellenabschnitten 29, 30 und 31 zusammen.
Der mittlere Wellenabschnitt wird von einem zylindrischen langgestreckten
Permanentmagneten 31 gebildet. Ein vorderer Wellenabschnitt 30 wird
von der vorderen Gleitlagerbuchse 28 getragen und erstreckt sich
nach vorne durch die Leiterplatine 9 hindurch, wobei an
seinem freien vorderen Ende 50, wie oben beschrieben, das
Lichtschild 5 befestigt ist. Der hintere Endabschnitt 51 des
vorderen Wellenabschnitts 30 ist in Form einer Aufnahmebuchse 49 ausgebildet, in
welcher der Permanentmagnet 31 drehfest getragen ist. Der
hintere Wellenabschnitt 29 ist in der hinteren Gleitlagerbuchse 27 getragen
und erstreckt sich durch die hintere Gleitlagerbuchse 27 hindurch. Ein
Endabschnitt 52 des hinteren Wellenabschnitts 29 weist
eine schlitzförmige
Halte-Vorrichtung 36 auf, in der ein Spiegel (nicht dargestellt)
befestigt werden kann. Der Spiegel ist derart in der schlitzförmigen Halte-Vorrichtung 36 befestigt,
dass er die gleiche Drehbewegung wie die Welle 6 ausführt. Der
Spiegel dient dazu, den Strahlengang von Laserlicht in vorgegebener
Weise zu verändern.
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Zwischen
dem Lager 28 und dem Gehäuse 26 ist eine Federscheibe 32 angeordnet,
so dass eine leichte Vorspannung erzeugt wird, die über Halteringe 33 und 34 auf
die Welle 6 übertragen
wird. Die Halteringe 33 und 34 fixieren die inneren
Buchsen der Gleitlager 27 und 28 auf den Wellenabschnitten 29 und 30.
Durch die Federscheibe 32 wirkt damit über das Gleitlager 28 auf
die Welle 6 eine Kraft nach vorne, die das hintere Gleitlager 27 in
den Lagersitz im Gehäuse 26 drückt.
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Somit
wird für
einen präzisen
Lauf der Welle 6 gesorgt und damit eine hohe Genauigkeit
des Positionsdetektors 2 bezüglich der Positionserfassung
erzielt.
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Zwischen
dem Gehäuse 26 und
dem Permanentmagneten 31 sind Spulen 35 angeordnet,
welche gemeinsam mit dem Permanentmagneten 31 einen Elektromotor
bilden. Mittels des Elektromotors wird die Welle 6 in Drehung
versetzt.
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Zum
Scannen einer Fläche
mittels zwei hintereinander geschalteten Scanvorrichtungen 1 kann der
Elektromotor z.B. reversierend periodische oder jegliche Art gesteuerter
Drehbewegungen ausführen, so
dass der an der Halte-Vorrichtung 36 befestigte Spiegel
(nicht dargestellt) einen Laserstrahl auf einen korrespondierenden
Punkt einer maßgeblichen
Fläche
lenkt. Um die Drehwinkel der Welle 6 zu begrenzen, sind
an den Seiten des Wellenabschnitts 30 der Welle 6 vier
Stopper 53, bevorzugt Gummistopper, angeordnet. In den
Wellenabschnitt 30 ist eine Gewindestange 54 quer
zur Wellenlängsrichtung
sowie durch die Welle 6 durchgehend eingeschraubt. Bei überhöhtem Drehwinkel
stößt somit
die Gewindestange 54, welche einander entgegensetzte, von
der Welle 6 abstehende Endabschnitte aufweist (nicht dargestellt),
mit diesen Endabschnitten an die Stopper 53, wodurch ein Überdrehen
der Welle 6 verhindert wird.
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Im
Folgenden wird die Positionserfassung mittels des optischen Positionsdetektors 2 erläutert. Von
den Leuchtdioden 3, 4 wird Licht in Richtung des diffusen
Reflektors 25 emittiert. Das Licht wird an dem diffusen
Reflektor 25 reflektiert und trifft mit im Wesentlichen
homogener Intensität
auf die Anordnung aus den vier kreisringabschnittsförmigen aktiven
Detektorflächen 18, 19, 20, 21.
Abhängig
von der Winkelposition der Welle 6 werden die einzelnen
aktiven Detektorflächen 18, 19, 20, 21 durch
das Lichtschild 5 zusätzlich
abhängig
von dem Grad der Überdeckung
mehr oder weniger stark reduziert. Damit hängt die integrale Lichtintensität, die von
dem Reflektor 25 reflektiert und auf die einzelnen aktiven
Detektorflächen 18, 19, 20, 21 trifft,
ebenfalls von der Winkelposition des Lichtschilds 5 ab.
Wenn die optischen Elemente und der Lichtschild 5 symmetrisch justiert
sind, werden jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende
Detektorflächen 18, 19, 20, 21 in gleichem
Maße durch
das Lichtschild 5 überdeckt. Die
Detektoren werden in einem linearen Arbeitsbereich betrieben, d.h.
das von einem Detektor jeweils erzeugte Ausgangssignal ist direkt
proportional zu der auf die jeweilige Detektorfläche auftreffende integrale
Lichtintensität.
Damit ergibt sich eine lineare Abhängigkeit des elektrischen Ausgangssignals
von der durch das Lichtschild 5 nicht überdeckten aktiven Detektorflächen 18, 19, 20 oder 21,
welche wiederum eine lineare Abhängigkeit
von der Winkelposition des an der Welle 6 befestigten Lichtschilds 5 aufweist.
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Die
Detektorausgangssignale werden derart elektronisch weiterverarbeitet,
dass zunächst
die Ausgangssignale von jeweils zwei diametral gegenüberliegende
Detektoren 18 und 21 oder 19 und 20 addiert
werden, wodurch zwei Summensignale erzeugt werden. Anschließend werden
die beiden Summensignale voneinander subtrahiert. Das sich ergebende Differenzsignal
ist ein direktes Maß für die aktuelle Winkelposition
der Welle 6. Ferner werden die Ausgangssignale aller Detektoren 18, 19, 20, 21 addiert, so
dass ein Gesamtsummensignal erzeugt wird. Dieses Gesamtsummensignal
wird in einer sogenannten AGC-Schaltung (Automatic Gain Control
Circuit) verwendet, um die von den Lichtquellen 3, 4 emittierte Lichtintensität zu regeln
und auf diese Weise Drifts zu reduzieren.