DE69019389T2

DE69019389T2 - Abtastvorrichtung mit konstanter Geschwindigkeit.

Info

Publication number: DE69019389T2
Application number: DE69019389T
Authority: DE
Inventors: Gordon W Van Culp
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1989-02-06
Filing date: 1990-01-22
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2010-01-23
Also published as: EP0381983B1; JPH02242217A; CA2003630A1; EP0381983A2; DE69019389D1; US5066084A; EP0381983A3

Description

ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft allgemein optische Abrastervorrichtungen, und spezieller betrifft sie eine Abrastervorrichtung mit konstanter Geschwindigkeit unter Verwendung eines Reflektors wie eines Spiegels und mit einem Minimum an beweglichen, mechanischen Teilen, die sich durch Gebrauch oder Abnutzung verschlechtern könnten oder die auf andere Weise das Abrasterfunktionsvermögen herabsetzen könnten.

HINTERGRUND

Derzeitige schnell oszillierende optische Abrasterspiegel, die sich auf mechanische Verbindungen und Mechanismen stützen, leiden unter einer Nachgiebigkeit der Gelenke und übermäßigen Trägheitsreaktionskräften aufgrund der dem Abrasterspiegel zugeordneten Masse. Obwohl die Lösung, die einem direkt einfällt, diejenige ist, alle Massen zu beseitigen, die nicht absolut für den Betrieb des Abrasterspiegels erforderlich sind, ist die Art und Weise des Beseitigens dieser Massen Gegenstand des Konzepts der vorliegenden Erfindung. Um über den hauptsächlichen Teil des Schwingungshubs eines spiegels konstante Winkelgeschwindigkeit zu erzielen, muß der Winkel im in der Praxis kleinstmöglichen Teil eines Abrasterzyklus winkelmäßig beschleunigt, angehalten und in der Gegenrichtung beschleunigt werden und er muß in dem in der Praxis größtmöglichen Teil eines Abrasterzyklus frei von Außenkräften sein. Beim hier präsentierten Konzept wird dies durch eine Umkehr des Impulsmoments von Federn mit kurzem Hub bewirkt. Die Energieverluste, die während des Teils des Abrasterzyklus mit konstanter Geschwindigkeitauftreten, werden durch piezoelektrische Stellglieder oder druckerzeugende Einrichtungen ersetzt.
Eine optische Abrastervorrichtung für Linearabrasterung mit konstanter Geschwindigkeit kann verschiedene Anwendungen finden. Die verbreiteste Anwendung besteht beim Fernsehen. Während derzeitige Projektoren für Großbildfernsehen unter Verwendung elektronischer Abrasterung realisiert sind, könnte ein Ersatz durch eine mechanische schwingende Reflexionseinrichtung gemäß der Erfindung erfolgen. Zur Strahlablenkung werden üblicherweise Galvanometer verwendet, obwohl hier die Abrasterung typischerweise sinusförmig erfolgt. Die Fähigkeit einer erfindungsgemäßen Abrasterverrichtung, über sehr große Winkel mit konstanter Geschwindigkeit abrastern zu können, erhöht deren Nutzbarkeit gegenüber bekannten Verrichtungen stark. Zusätzlich erlaubt das Konzept der Erfindung Verwendung in Mikro-g-Umgebungen, wo die piezoelektrischen Stellglieder die Spiegelbewegung in allen sechs Freiheitsgraden steuern. In einer solchen Situation können die Energieverluste von Lagern beseitigt werden und die Abrastervorrichtung kann weitere Verbesserungen gegenüber aktuellen Abrastervorrichtungen erzielen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten optischen Abrasterreflekter zu schaffen.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der Beschreibung und der beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich, in denen:
Fig. 1 eine Wiedergabe der mechanischen Teile eines in einem Halter befestigten Abrasterspiegels ist, zur Verwendung bei Anwendungen sowohl bei normaler als auch bei Mikro-g-Schwerkraft;
Fig. 2 eine Wiedergabe der mechanischen Teile einer Abrasterverrichtung zur Verwendung im Weltraum oder, anders gesagt, in einer Mikro-g-Umgebung ist;
Fig. 3 eine Wiedergabe eines Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Stellglieds zur Verwendung in den Fig. 1 und 2 ist;
Fig. 4 ein elektrisches Blockdiagramm ist, das die Beschaltung einer Steuerschaltungsanordnung zum Aufrechterhalten konstanter Geschwindigkeit in einem Spiegelabrastersystem ist; und
Fig. 5 eine Wiedergabe eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Konzepts ist, wobei der Abstand zwischen den Laufwegenden des Spiegels verändert worden kann und demgemäß derAbrasterwinkel eingestellt werden kann.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

In Fig. 1 weist ein Haupthalterahmen 10 zusätzliche Halteteile, wie Teile 12, auf, auf denen verschiedene piezoelektrische oder andere impulserzeugende Bauteile wie 14, 16, 18, 20 und 22 angebracht sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel existieren drei zusätzliche piezoelektrische Bauteile, die nicht veranschaulicht sind. Ein zusätzliches Halteteil 64 arbeitet in Kombination mit einem Halteteil 26 als Lagerhalterung für einen Spiegel oder eine Reflexionseinrichtung, die allgemein mit 28 gekennzeichnet ist. Der Spiegel oder die Reflexionseinrichtung 28 weist einen Außenrahmen 20 mit mehreren elastischen Federoder Dämpfungseinrichtungen 32 auf, von denen drei veranschaulicht sind. Die piezoelektrischen Druckausübungseinrichtungen 14 bis 22 sind Mehrelementbauteile, wie es später in Fig. 2 veranschaulicht wird. Abhängig von der Verwendung der Vorrichtung können die Lagerhalteeinrichtungen 24 und 26 lediglich den Spiegel in einer Ruhepositien halten oder sie können für eine Lagerhalterung im Betrieb sorgen. Die Art, mit der diese Lager verwendet werden, hängt von der Anwendung und Raffinesse der Software ab, die vorhanden ist, um die piezoelektrischen Elemente oder Druckstellglied-Einrichtungen zu steuern. Obwohl es nicht im Detail dargestellt ist, arbeitet ein weiteres Bauteil 24 so, daß es der Reflexienseinrichtung einen Anfangssteß verleiht, um die Abrasterbewegung zu starten. Es kann sich um eine beliebige Art von Startbauteil, wie eine Spule, handeln. Hier kann auch erwähnt werden, daß die wünschenswerteste Weise zum Erstellen des Drucks darin bestünde, daß er von einer unendlichen Anzahl von Druckausübungsbauteilen herrührt, die auf der gesamten Fläche des Spiegels zu geeigneten Zeitpunkten wirken würden. Dies würde zu einer vollständigen Minimierung von Schwingungen führen, die sich im Spiegelbauteil aufbauen. Derartige Schwingungen werden von Physikern häufig als Massivkörper-Impulsschwingungen beschrieben. Die minimale Anzahl von Druckausübungs-Bauteilen in der Praxis für eine Einheit ähnlich der in Fig. 1 dargestellten ist vier, und diese sollten im Mittelpunkt des Spiegels zwischen den Lagerhaltern 24 und 26 angebracht werden. Jedoch würde der Spiegel bei diesen Bedingungen der Druckausübungen einen beträchtlichen Teil eines Abrasterzyklus benötigen, um sich in einem im wesentlichen schwingungsfreien Modus für den Teil konstanter Geschwindigkeit des Abrasterzyklus zu beruhigen.
In Fig. 2 ist eine vereinfachte Ansicht der Abrasterverrichtung in einer Freier-Körper-Umgebung veranschaulicht. In diesem Zustand sind mindestens acht Druckausübungsbauteile erforderlich, um in den sechs Bewegungsrichtungen Druckkräfte auf den Spiegel auszuüben, damit dieser zwischen einschließenden Teilen 50 und 52 verbleibt. Fine Reflexionseinrichtung oder ein Spiegel 54 ist allgemein zwischen Elementen 50 und 52 dargestellt, und erneut beinhaltet der Spiegel eine Kontakteinrichtung oder eine Kurzhub-Federeinrichtung 56, wie zuvor in Verbindung mit Fig. 1 angedeutet. Markierungen werden an geeigneten Stellen an der Oberfläche des Spiegels 54 vorhanden sein, wodurch Positionserfassungseinrichtungen wie 58, 60 und 62 Positionsinformation in jeder der drei Achsen und damit der sechs Bewegungsrichtungen des Spiegels in bezug auf die einschließenden Teile 50 und 52 erfassen können. Auf ähnliche Weise wie bei Fig. 1 ist dargestellt, daß mehrere piezoelektrische Druckausübungsbauteile 64 für Kontaktherstellung mit den Kurzhub-Federeinrichtungen 56 vorhanden sind.
In Fig. 3 ist das piezoelektrische Element 64 in Fig. 2 detaillierter mit Abschnitten 70, 72 und 74 dargestellt. Der Abschnitt 70 wirkt in einer Richtung 76 für primäre Impulsausübung auf den Spiegel. Der Abschnitt 72 wirkt in einer Richtung 78, um eine Geschwindigkeitskomponente vertikal zum Spiegel 54 herbeizuführen, während der Abschnitt 74 in einer Richtung 80 wirkt, um eine Geschwindigkeit quer zum Spiegel 54 herbeizuführen. Alle Teile 70 bis 74 sind miteinander und einem Halter wie 50 oder 52 in Fig. 2 verbunden. Der Abschnitt 70 kann folienförmige piezoelektrische Elemente aufweisen, die auf Scherverformungsweise betrieben werden. Das Anlegen eines elektrischen Signals ruft eine Wirkung übereinstimmend mit der Richtung 76 hervor. Alternativ könnte dieses Element so konstruiert sein, daß es sich in Richtung der Dicke oder Länge verformt. Ähnliche Konstruktionsüberlegungen gelten für die Elemente 72 und 74, um Druck in den gewünschten Richtungen auszuüben. Die durch die drei Abschnitte des Stellglieds 64 gelieferten Druckkräfte werden vektoriell addiert, so daß die Steßausübungsfläche des Abschnitts 70 von den beiden Abschnitten 72 und 74 beeinflußt wird.
Wie es dem Fachmann bekannt ist, können piezoelektrische Elemente sowohl zum Übertragen von Energie als auch zum Erfassen von Energie verwendet werden. So können diese Elemente dazu verwendet werden, Signale hinsichtlich der Kraft oder der Stärke und der Richtung eines Schlags zu liefern, wie er entsteht, wenn der Spiegel am Ende seines Abrasterzyklus verzögert wird, nachdem Kontakt zwischen einem der Dämpfer 56 und dem piezoelektrischen Element 64 in Fig. 2 hergestellt ist.
Fig. 4 veranschaulicht ein schematisches Blockdiagramm für den Betrieb der Vorrichtungen der Fig. 1, 2 oder 5. Ein Spiegel ist allgemein unter 90 dargestellt und die Position des Spiegels wird durch einen oder mehrere Positionssensoren 92 ermittelt, die, im Fall von Fig. 2, Positionsinformation für jede der drei Achsen liefern. Ein Positionssensor 92 wäre nicht erforderlich, wenn vollständige Halterung über Lager vorhanden wäre, wie es beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wahlweise der Fall ist. Ein Positionssensor 92 liefert Signale an einen Steuerungsblock 94, der Signale von einer Signalaufbereitungseinrichtung 96 empfängt, wie vom Stellglied 98 über ein Schaltnetzwerk 100 empfangen. Das Stellglied 98 weist, wie bereits beschrieben, mehrere Stellgliedelemente auf, und das Schaltnetzwerk arbeitet so, daß es der Steuerung 94 während des Verzögerungsteils des Abrasterzyklus Signale vom Stellglied zuführt und geeigneten Stellgliedern während der Beschleunigungsphase des Spiegel-Abrasterzyklus Signale von der Steuerung 94 über einen Leistungsverstärkerbleck 102 zuführt. Eine Zuleitung ist unter 104 dargestellt und mit "externe Anweisungen" bezeichnet, um der Steuerung 94 Parameter hinsichtlich der Abrasterfrequenz usw. zuzuführen. Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 5 kann ein weiteres externes Signal ein Abrasterwinkelsignal sein, das einer Positioniereinrichtung 124 zugeführt wird.
In Fig. 5 ist ein allgemein mit 110 bezeichneter Spiegel zwischen Lagerhaltern 112 und 114 angebracht. Stäbe zwischen den Haltern 112 und 114 werden dazu verwendet, für die Halterung mehrerer piezoelektrischer Stellglieder 116 zu sorgen. Ein weiterer Satz von Halteeinrichtungen 118 ist gemäß der Darstellung mit den Haltelementen 114 und 112 verbunden und sorgt für einen rechteckigen Rahmen für weitere piezoelektrische Stellglieder 120. Die Stellglieder 116 und 120 wirken auf die zuvor angegebene Weise auf Dämpfer 122 ein. Das hauptsächliche Zusatzteil beim Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ist eine Pesitieniereinrichtung 124, die dazu verwendet wird, den Winkelabstand zwischen den Druckausübungseinrichtungen 116 und 120 über die Schwenklagerung der zwei Halterahmen in einer Schwenkeinrichtung 126 zu verändern.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 erlaubt eine Änderung der Spiegelabrasterfrequenz wie auch eine Änderung des durchgerasterten Winkels. Wenn tatsächlich nur ein beschränkter Abrasterungswinkel erforderlich ist, kann hohe Abrasterfrequenz erhalten werden, während der von den Stellgliedern erforderliche Druck dadurch minimiert werden kann, daß lediglich der Abstand zwischen den Haltern unter Verwendung der Positioneinrichtung 124 verringert wird. Dies führt zum Erreichen des gewünschten Ziels einer Erhöhung der Abrasterfrequenz ohne Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit (es sei darauf hingewiesen, daß es wünschenswert ist, den Umfang der Druckausübung zu minimieren, um Schwingungsdämpfungserfordernisse zu minimieren).

BETRIEB

Wie bereits angedeutet, ist die beste Lösung für eine mechanische Abrasterverrichtung diejenige, bei der alle Massen, die für den Betrieb der Abrastervorrichtung nicht absolut notwendig sind, beseitigt sind, wie auch alle Bewegungshemmnisse, die von Lagern oder dem Luftwiderstand herrühren. Um dies zu erzielen, muß die Abrastervorrichtung oder der Spiegel so gut wie möglich ein "freier Körper" (ohne Lagerung) sein, und wenn sie sich im Freier-Körper-Modus befindet, muß sie in allen sechs Freiheitsgraden gesteuert werden. Um über den Hauptteil des Schwingungshubs der Abrasterverrichtung konstante Winkelgeschwindigkeit zu erzielen, muß diese Vorrichtung in der kürzest in der Praxis möglichen Zeit winkelmäßig verzögert, angehalten und in der Gegenrichtung beschleunigt werden. Der Luftwiderstand kann dadurch minimiert werden, daß die Abrasterverrichtung unter Vakuum betrieben wird.
Unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 1, das Lagerhalterungen für den Spiegel 28 verwendetm, wird darauf hingewiesen, daß dann, wenn sich der Spiegel vor seiner Betätigung im Ruhezustand befindet, der Abrastermechanismus durch das Grundkonzept nicht gestartet werden kann, solange nicht die Energie absorbierenden und freigebenden Kontakte, wie 32, tatsächlich mit einem der piozoelektrischen Elemente 14 bis 22 in Kontakt stehen. So muß irgendeine Einrichtung zum Auslösen der Bewegung verwendet werden, und diese ist als Block 24 veranschaulicht. Der Auslösemechanismus kann eine von vielen Quellen sein, wie ein Gasstrom, die Anwendung eines elektrostatischen oder elektromagnetischen Felds, eine mechanische Steßausübungseinrichtung oder eine schwache Torsionsfeder, die gerade dazu ausreicht, den Spiegel an einem Ende seiner Drehposition zu halten, wenn die Einheit nicht aktiv ist.
Wenn ein erster Kontakt zwischen den Kontakten 22 und dem jeweils zugehörigen Stellglied, wie 14, erzielt ist, sind die Stellglieder vollständig dazu in der Lage, den Spiegel mit immer zunehmender Frequenz winkelmäßig zu beschleunigen, bis die gewünschte Abrasterrate erzielt ist.
Die Dämpfer 32 nehmen mehrere Funktionen wahr. Die Dämpfer schützen in erster Linie den Reflektormechanismus 28 vor Steßbeschädigungen beim Aufschlagen auf die piezoelektrischen Elemente, wie 14 bis 22. Sie verhindern, daß der Spiegelrahmen 30 durch diese Kontakte verformt wird. Ferner haben die Dämpfer 32, was wichtiger ist, die Funktion einer Impulsmomentumkehr dadurch, daß sie beim Auftreffen zusammengedrückt werden und sich dann ausdehnen, um den Spiegel zunächst zu verzögern, ihn dann anzuhalten und ihn mit minimalem Verlust an kinetischer Energie in der Gegenrichtung zu beschleunigen.
Während des Verzögerungsprozesses befindet sich der Schalter 100 in Fig. 4 in einem solchen Zustand, daß die pizeoelektrischen Elemente, wie 20 in Fig. 1, über die Signalaufbereitungseinrichtungen 96 Signale an die Steuerung 94 liefern, die Information hinsichtlich des Beginns des Auftreffens, der Intensität dieses Vorgangs und der Vektorverteilung der Komponenten beim Auftreffen liefern. Ungefähr zu dem Zeitpunkt, zu dem der Spiegel aufhört sich zu bewegen, ändert das Schaltnetzwerk 100 die inneren Verbindungen auf ein Signal von der Steuerung 94 hin und dann werden von der Steuerung 94 über die Energieverstärker 102 und den Schalter 100 Signale an das piezoelektrische Stellglied, wie 98 in Fig. 4, geliefert, um Energie an geeignete der piezoelektrische Elemente in solcher Weise zu liefern, daß Energie in der geeigneten Vektorrichtung und mit geeigneter Menge geliefert wird, um die Energieverluste in den Dämpfern 32, Luftwiderstandsverluste und Lagerungsverluste aufzuheben. Die Energiezufuhr ist in der Zeichnung von Fig. 4 als Impulsfermer Teil der Steuerung 94 dargestellt, in dem die Änderungsrate ë, die Spannungsbeschleunigung e und eine Spannung e mit variabler Amplitude in Impulsformungsnetzwerken kombiniert werden, um ein sich ergebendes Signal zu erzeugen, das an das Stellglied 98 angelegt wird. Wenn die Lager innerhalb der Lagerhalter 24 und 26 in Fig. 1 eher zur Anfangspositionierung dienen, als daß es hochqualitative Lager wären, können die piezoelektrischen Elemente zusätzlich weitere Vektorinformation zum Kompensieren von Schwerkraftauswirkungen liefern.
Wenn der Spiegel 28 im Vakuum angeordnet ist, so daß minimale Luftwiderstandsverluste bestehen, und wenn die Lagerhalter 24 und 26 so konzipiert sind, daß sie hauptsächlich dazu dienen, den Spiegel zu halten, während er sich im Nichtbetriebszustand befindet, und auch während des Starts, muß jedes der piezoelektrischen Stellglieder, wie 14, Druckkräfte in fünf der sechs möglichen Bewegungsrichtungen des Spiegels ausüben, um den Spiegel im wesentlichen freitragend zwischen den Enden der möglichen Vertikalbewegung zu halten, wie sie durch die Lagerhalter 24 und 26 möglich ist, während die Abrasterbewegung fertgesetzt wird. Um diese Steuerung zu erzielen, müssen Positionssensoren, wie 58, 60 und 62 in Fig. 2, innerhalb des Mechanismus von Fig. 1 vorhanden sein, und sie müssen hinsichtlich der Position in jeder der drei Bewegungsachsen Information an die Steuerung 94 liefern. In Fig. 4 ist dieser Teil des Konzepts durch den Block 92 mit Positionssensoren veranschaulicht, der vom Spiegel 90 Positionsinformation enthält und diese der Steuerung 54 zuführt.
Die Positionserfassungseinrichtung, wie unter 58 bis 62 in Fig. 2 dargestellt, kann eine beliebige unter vielen kontaktlosen Querposition- Erfassungseinrichtungen sein, wie sie im Stand der Technik zur Verfügung stehen. Ein Beispiel ist das gemäß dem US-Patent Nr. 4,746,217 für Holly, das auf denselben Rechtsnachfolger wie die vorliegende Erfindung übertragen ist.
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel in der Praxis acht Stellglieder verwendet, wie in den verschiedenen Fig. 1, 2 und 5 dargestellt, könnten vier Stellglieder in der Mittelebene angeordnet werden, solange geeignete Lager verwendet werden, wie in Fig. 1 veranschaulicht. Der Anordnung mit vier Stellgliedern mangelt es an ausreichender Steuerung für alle sechs Freiheitsgrade der Spiegelbewegung, jedoch würde sie bei bestimmten Anwendungen zufriedenstellend arbeiten. Es ist jedoch zu beachten, daß dann, wenn die Anzahl von Stellgliedern abnimmt, die Wahrscheinlichkeit, daß der Spiegel über eine verlängerte Schwingungsperiode verfügt, in der keine genaue Abrasterung erzielt werden kann.
Das Gegenteil hierzu wäre eine unendliche Anzahl von Stellgliedern, die die Kräfte gleichmäßig auf den Spiegel verteilen würden und Schwingungsprobleme lindern würden. Anders gesagt, verringern sich durch Aufschläge verursachte Schwingungen und Spiegelverzerrungen als direkte Funktion der Anzahl von Stellgliedern, die die betätigenden Druckkräfte gleichmäßig verteilen.
Das für die Dämpfer 32 verwendete Material wie auch das Material zum Montieren des Spiegels 14 innerhalb des Rahmens 30 ist vom Dämpfungsgesichtspunkt aus ebenfalls ziemlich wichtig. Das Dämpfungsmaterial für diese zwei Bereiche der Vorrichtung beeinflußt entschieden den zeitlichen Bruchteil, der für konstante Winkelgeschwindigkeit zwischen Aufschlägen zur Verfügung steht, und zwar durch Schwingungsunterdrückung, wodurch Änderungen der optischen Form des Spiegels nach jedem Aufschlag entweder verringert oder ausgeschlossen werden.
Eine alternative elektrische Ausführungsform ersetzt die Leistungsverstärker in Fig. 4 durch eine segmentierte Quelle konstanten elektrischen Potentials und ersetzt auch das Impulsformungsnetzwerk der Steuerung durch Komponenten für sinusexponentielle Zeitberechnungen. Potential segmente, z. B. Batteriezellen, werden mit jeder beliebigen gewünschten Kombination durch das Schaltnetzwerk zu von der Steuerung betimmten Zeiten mit den piezeolektrischen Stellgliedabschnitten verbunden. Ferner weisen die piezoelektrischen Abschnitte eines Stellglieds unabhängig adressierbare Segmente (Schichten) auf, wobei jede Kombination dieser piezoelektrischen Segmente schaltbar mit jeder Kombination von Potentialsegmenten verbindbar ist, was eine stückweise Approximation jeder gewünschten zeitlichen Funktion des Potentials zur Folge hat. Die zeitlichen Berechnungen beinhalten eine sinusexponentielle zeitliche Änderung der elektrischen Ladung, die an die piezoelektrischen Segmente übertragen oder von diesen weggenommen wird, wobei jedes Segment hauptsächlich als Kondensator wirkt, und zwar aufgrund kleiner Werte des Eigen-Widerstands und der Eigen-Induktivität der elektrischen Komponenten und der damit verbundenen Verdrahtung. Die vorstehend genannten Werte des Widerstands und der Induktivität sind bei praxisbezogenen Ausführungsbeispielen der Erfindung klein und verursachen daher das sinusexponentielle Verhalten. Der Hauptvorteil der stückweisen Signalapproximatien durch das Schalten segmentierter Quellen und hauptsächlich von Blindlastsegmenten besteht im Erfüllen der Funktion eines linearen Verstärkers, ohne daß tatsächlich ein linearer Verstärker verwendet wird, während ein zweiter Vorteil derjenige der Betätigungsgeschwindigkeit ist, die immer dann größer ist, wenn Komponenten direkt angeschlossen sind, als dann, wenn sie durch lineare Verstärker betrieben werden. Eine idealelastische Rückpralleinrichtung, wie 56 in Fig. 1, würde während des Abrasterns vernachlässigbare Energie abgeben, weswegen die Stellgliedkontaktflächen während des Aufpralls und des Rückpralls der Spiegelbewegung folgen müßten. Eine Variante der elektrischen Einrichtung weist elektrisch getrennt adressierbare piezoelektrische Abschnitte jedes Stellglieds auf, die während jedes Auftreffens ohne Unterbrechung als Kraftsenseren wirken, und elektrisch unabhängig adressierbare Abschnitte jedes Stellglieds, die ununterbrochen von den Potentialquellen und den Potentialeinstelleinrichtungen angesteuert werden, wobei der Vorteil in der Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten der Einrichtung liegt, die einer Ermüdung durch die Umkehrbelastungen unterliegen, und zwar durch Verringern der maximalen Aufprallkraft, wie durch Aufrechterhalten einer konstanten Beschleunigung des Spiegels nach dem Einsetzen des Aufpralls bis zur Spiegelgeschwindigkeit null erzielt, hervergerufen durch ein Übertragen einer Geschwindigkeit auf jedes piezoelektrische Stellglied, die mit der Geschwindigkeit des Spiegels beim Aufprall übereinstimmt. Auf ähnliche Weise verringert ein gesteuerter, konstanter Wert der auf den Spiegel nach der Richtungsumkehr wirkenden Beschleunigung die Maximalkraft während des Rückprallteils jedes Zyklus, mit im wesentlichen der Kraft null, wenn die Stellgliedgeschwindigkeit mit der des Spiegels übereinstimnt, wenn der Kontakt beendet wird. Die Federcharakteristik der elastischen Aufpralldämpfer sind in den Berechnungen zu den Verzögerungs- und Beschleunigungsgeschwindigkeiten enthalten. Dies vermeidet nichtlineare Aufprallkräfte in Verbindung mit Hertz-schen oder punktähnlichen Aufprallkontakten. Die Variante der Erfindung mit freiem Körper erfordert eine verschwindend kleine Menge an Energie für andauerndes Abrastern, d.h., Energie, wie sie durch Materialhysterese in der Nähe eines Aufpralls und durch die Einrichtung insgesamt verloren geht. Das Anwenden konstanter Beschleunigungen konstanter Verzögerung auf das Abrasterteil verringert den Energieverlust durch Hysterese durch Verringern der erforderlichen Maximalkraft, wobei der Vorteil in einem elektrisch wirkungsvollen Gerät wie auch einem solchen mit verlängerter Nutzungslebensdauer durch Verringerung von Ermüdungsspannungen liegt. Andere Vorteile sind ein akustisch ruhigerer Betrieb und verringerte Stimulatien unerwünschter Strukturschwingungen des Spiegels, die andernfalls bei unkontrollierter, nichtlinearer Aufprallbeschleunigung erhalten würden.
Zusammengefaßt gesagt, beruht die Erfindung auf dem Konzept der Verwendung einer Spiegelabrastereinrichtung mit im wesentlichen freiem Körper, das nach dem Start der Abrasterbewegung piezoelektrische Stellglieder verwendet, um den Aufprallzeitpunkt und die Aufprallrichtung zwischen dem Spiegel und den Stellgliedern zu erfassen, wobei dieselben Stellglieder dann, nachdem der Abrasterkörper angehalten hat, dazu verwendet werden, auf den Spiegel eine Kraft in zweckentsprechender Richtung und mit zweckentsprechender Stärke auszuüben, um den nächsten Halbzyklus der Abrasterbewegung zu vollenden. Der Abrasterspiegel nähert sich der gewünschten objektiven "konstanten Geschwindigkeit" als Umkehrfunktion der Stärke verschiedener Verluste wie der Lagerreibung, des Luftwiderstands usw. Wenn Dämpfer, wie 56, dazu verwendet werden, für die Wirkung von Kurzhubfedern zu sorgen, wird die Verzögerungsenergie zwischengespeichert und dann dazu verwendet, einen Teil der Kräfte zum Zurückführen des Spiegels auf seine "konstante Geschwindigkeit" für den nächsten Halbzyklus des Abrastervorgangs zu erzeugen. Dies verringertdie Energieerfordernisse für die piezoelektrischen Stellglieder. Dasdurch die Steuerung 94 an die Stellglieder gelieferte Signal wird komplexer, wenn eine Version wie die von Fig. 2 verwendet wird, bei der die Stellglieder nicht nur die Abrasterbewegung erzeugen, sondern tatsächlich auch dazu verwendet werden, den Spiegel gegen alle Auswirkungen der Schwerkraft zu halten. Selbst wenn das Konzept in einer Mikro-g-Umgebung im Weltraum verwendet wird, bestehen immer noch einige Auswirkungen der Schwerkraft, die kompensiert werden müssen. Die Positionsdetektoren 58 bis 62 in Fig. 2, oder wie alternativ als 92 in Fig. 4 dargestellt, liefern Information an die Steuerung 94, um diese Gravitationskompensationsinformation zu erstellen, wobei auch jede andere Kraft, die die Beziehung des Spiegels 54 in bezug auf seine Halterungen ändern könnte, von den Sensoren und der Steuerung in Betracht gezogen wird, um den Spiegel in seinem Abrastermodus in einem Gleichgewichtszustand zu halten.
Während ich einige wenige Ausführungsformen meines Konzepts dargelegt habe, habe ich den Wunsch, daß mir eine Beschränkung nicht durch die dargelegten Ausführungsformen sondern nur durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche auferlegt wird, durch die ich folgendes beanspruche:

Claims

1. Signalreflektierende Abrastervorrichtung, die in Kombination folgendes aufweist:

- eine Reflektoreinrichtung (54) zum Arbeiten mit Abrasterzyklen mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit zwischen vorgegebenen Winkelextremstellungen;

- eine Aufprall-Erfassungseinrichtung (64) zum Messen der Stärke und der Richtung des Aufpralls der Reflektoreinrichtung in mindestens einer der Extremstellungen des Laufwegs; - mehrere Druckausübungseinrichtungen (54) zum Ausüben von Druckkräften zum Zurückführen der Reflektoreinrichtung auf ihre Konzeptionsgeschwindigkeit und Winkelpositionen für den Hauptteil jeder Hälfte eines Abrasterzyklus, auf dieser zugeführte Signale hin; und

- eine Steuerungseinrichtung (94) , die mit der Aufprall-Erfassungseinrichtung (64) verbunden ist, um von dieser Aufprallinformatien zu erhalten und mit der Druckausübungseinrichtung (64) verbunden ist, um Drucksignale zu liefern, um die Richtung und Geschwindigkeit der Bewegungen der Reflektereinrichtung (54) zu steuern, wodurch eine im wesentlichen konstante Abrastergeschwindigkeit der Reflektoreinrichtung über einen vorgegebenen Teil eines Abrasterzyklus erzielt wird.

2. Signalreflektierende Abrastervorrichtung nach Anpruch 1, bei der die Reflektoreinrichtung (28) schwenkbar an einer Halteeinrichtung (24, 26) montiert ist.

3. Signalreflektierende Abrasterverrichtung nach Anspruch 1, bei der die mehreren Druckausübungseinrichtungen (64) und die Aufprall-Erfassungseinrichtung gestapelte piezoelektrische Schichten (70, 72, 74) sind.

4. Signalreflektierende Abrastervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Reflektoreinrichtung (64) über einen Dämpfer (56) für elastisches Angreifen an der Druckausübungseinrichtung (64) aufweist.

5. Signalreflektierende Abrastervorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Positionserfassungseinrichtung (58, 69 62) vorhanden ist, um Positions-Ausgangssignale zu erzeugen, die die Winkelpositien der Reflexionseinrichtung (54) anzeigen.

6.Signalreflektierende Abrastervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Positionserfassungseinrichtung Markierungen an der Reflexionseinrichtung (54) verwendet, um die Erfassung der Position der Reflexionseinrichtung (54) zu erleichtern.

7. Signalreflektierende Abrastervorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Einrichtung zum Zuführen eines Anfangsstesses (54) zur Reflexionseinrichtung vorhanden ist, um die Reflexionseinrichtung (54) anfangs in Bewegung zu setzen.

-

8. Signalreflektierende Abrastervorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Einrichtung zum Einstellen der Winhelextremstellungen (124) der Abrasterzyklen vorhanden ist.