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Dokumentenidentifikation DE19809908A1 09.09.1999
Titel Schwingchopper für einen optischen Modulator für Strahlungssensoren in Zeilen- und Matrixanordnung
Anmelder Technische Universität Dresden, 01069 Dresden, DE
Erfinder Sorber, Jörg, Dr.-Ing., 01920 Schwosdorf, DE;
Drögmöller, Peter, Dipl.-Ing., 18055 Rostock, DE;
Gerlach, Gerald, Prof. Dr.-Ing.habil., 01219 Dresden, DE;
Brosche, Holger, Dipl.-Ing., 01187 Dresden, DE
DE-Anmeldedatum 07.03.1998
DE-Aktenzeichen 19809908
Offenlegungstag 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse G02B 26/04
IPC-Nebenklasse G01J 1/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Schwingchopper für einen optischen Modulator für Strahlungssensoren, bestehend aus einer federnd aufgehängten Blende (4) mit gerader Chopperkante (1), wobei die Chopperkante parallel zur Fensterkante (2) eines Strahlungssensors (3) ausgerichtet ist. Der Schwingchopper ist dadurch gekennzeichnet, daß
- die federnde Aufhängung aus mindestens zwei gleichen, parallel angeordneten Blattfedern (6a, 6b) besteht,
- die Blende (4) so an den Blattfedern (6a, 6b) befestigt ist, daß die Hauptbiegebewegung der Blattfedern (6a, 6b) senkrecht zur geraden Chopperkante (1) der Blende (4) ausgerichtet ist und die Blattfedern (6a, 6b) mit der Blende (4) eine Parallelführung bilden und
- die Anordnung mindestens einen elektromechanischen Antrieb (8.1, ..., 8.8; 11) enthält, der mit mindestens einer der Blattfedern (6a, 6b), dem Verbindungssteg (5) oder der Blende (4) selbst verbunden ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Schwingchopper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verschiedene Meßsystemprinzipien z. B. in der Infrarotmeßtechnik erfordern ein Modulieren der einfallenden Infrarot-Strahlung, meist unmittelbar vor dem Sensor. Diese Modulatoren, auch Chopper genannt, bestimmen wesentliche Systemkenngrößen, wie Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Volumen. Herkömmliche Lösungen mit Sektorrädern oder Spiralchoppern haben bei Zeilen- und auch Matrixsensoren den Nachteil, daß sich die Chopperkante nicht genau parallel zur Sensorzeile bewegt, wie es auch bei Matrixsensoren für das fast ausnahmslos zeilenorientierte Ausleseregime optimal wäre. Zylinderchopper vermeiden diesen Nachteil zwar, haben aber selbst bei einem großen Durchmesser keinen konstanten Abstand zwischen Sensor und Blendenkante. Anwendungen sind nicht bekannt, eine Integration ist nicht möglich.

Modulatoren wie aus der US 5,567,052 bekannt, weisen eine gerade Chopperkante mit einem Sensor in einem Hohlzylinder auf, bei denen die gerade Chopperkante zur Fensterkante parallel geführt ist. Bei derartigen Anordnungen kann kein konstanter Abstand zwischen Blende und Sensor realisiert werden.

Es sind auch Modulatoren mit einer geraden Chopperkante und einem elektrodynamischen Antrieb (US 5,577,840, DE 38 38 123 A1) bekannt. Diese erfüllen die Forderung nach einem konstanten Abstand zwischen Blende und Sensor und es erfolgt eine parallele Führung der geraden Chopperkante zur Fensterkante. Diese Anordnungen sind jedoch reibungsbehaftet, woraus ein größerer Energiebedarf resultiert.

Es sind weiterhin Modulatoren als Biegeschwinger (US 5,653,537, US 5,391,001) oder Schwingchopper (US 5,246,292) bekannt, die allerdings keine geradlinigen Bewegungen ausführen können. Der Abstand zwischen Blende und Sensor ist nicht konstant.

Die ferner bekannten Modulatoren als Chopperräder und -zylinder (US 5,127,742, US 5,076,707, US 4,907,895) realisieren zwar einen konstanten Abstand zwischen Blende und Sensor. Eine Parallelität zwischen Blenden- und Fensterkante kann allerdings nicht hergestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung anzugeben, die die Führung der Chopperkante parallel zur Fensterkante (Sensorzeile) bei gleichbleibendem Abstand zwischen Blende und Sensor ermöglicht, die die Reibung durch Festkörpergelenke äußerst gering hält und einen Resonanzbetrieb ermöglicht.

Die Miniaturisierung eines derartigen Choppers bis zur Integration in das Sensorgehäuse soll möglich sein. Außerdem soll zum Aufrechterhalten der Relativbewegung zwischen Blende und Sensor nur ein minimaler Energieeinsatz erforderlich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüchen.

Die beiden gleichen und parallel angeordneten Blattfedern dienen als Führungselemente. Gemeinsam mit der Blende, die direkt oder über einen Verbindungssteg an die Federn angekoppelt ist, bilden diese ein Feder-Masse-System. Das Feder-Masse-System führt durch einen elektromechanischen Antrieb eine oszillierende Bewegung aus, deren Hauptbewegungsrichtung sich senkrecht zur geraden Chopperkante befindet. Da bei der beschriebenen Anordnung Festkörpergelenke eingesetzt sind, entstehen nur minimale Reibungsverluste. Die zum Einhalten einer konstanten Schwingungsamplitude zuzuführende Energie ist deshalb ebenfalls minimal, wodurch die besonders bei Infrarot-Sensoren störende, durch den vom Wirkungsgrad des elektromechanischen Antriebs abhängigen Verlustanteil hervorgerufene Eigenerwärmung minimiert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit elektrodynamischem Antrieb,

Fig. 2a bis 2f verschiedene Ausführungsformen von elektrodynamischen Antrieben,

Fig. 3 eine Ausführungsform für einen piezoelektrischen Antrieb.

In der Fig. 1 wird eine erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung mit einem elektrodynamischen Antrieb gezeigt.

Die gerade Chopperkante 1 ist parallel zur Fensterkante 2 eines Zeilen- oder Matrixsensors 3 angeordnet. Die Blende 4 ist hier am Verbindungssteg 5 zwischen zwei parallel angeordneten Blattfedern 6a, 6b gegenüber deren Einspannstelle 7 angebracht. Die zur Aufrechterhaltung der Blendenschwingbewegung erforderliche Kraft kann dabei entweder an einer oder beiden Blattfedern 6a, 6b oder auch am Verbindungssteg 5 eingeleitet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Krafteinleitung am Verbindungssteg 5. Sowohl Federn 6a, 6b als auch Verbindungssteg 5 sowie Blende 4 sind Bestandteil eines sogenannten Feder-Masse- Systems. Gegenüber herkömmlichen Lösungen mit Sektorrädern, Spiral- oder Zylinderchoppern kann man durch diese Anordnung eine erhebliche Verringerung der Baugröße als Voraussetzung für eine Integration in das Sensorgehäuse erreichen.

In den Fig. 2a bis 2f werden verschiedene Ausführungsformen von elektrodynamischen Antrieben dargestellt.

Bei Fig. 2a ist unter dem ferromagnetischen Verbindungssteg 5 eine Statorspule 9 so angeordnet, daß sie sich in Ruhestellung des schwingungsfähigen Systems etwas außerhalb der Mitte des über ihr liegenden Verbindungssteges 5 befindet und diesen bei Stromfluß durch die Spule anzieht. Die resultierende Bewegung ist nur in horizontaler Richtung möglich, da das Verhältnis Federdicke zu Federbreite der Blattfedern 6a, 6b « 1 eine nennenswerte Bewegungskomponente in vertikaler Richtung verhindert.

Fig. 2b zeigt eine abgewandelte Variante, bei der der Verbindungssteg 5 nicht aus ferromagnetischem Material bestehen muß. Hier läßt sich ein Dauermagnet 10 einsetzen.

Bei Fig. 2c ist beidseitig eine Statorspule 9 angeordnet, die auf die Blattfedern 6a, 6b wirkt. Diese müssen dann aus ferromagnetischem Material bestehen.

Fig. 2d stellt eine Möglichkeit mit nur einseitig wirkender Statorspule 9 dar.

Fig. 2e und Fig. 2f zeigen Varianten, die sich von den letztgenannten beiden dadurch unterscheiden, daß durch Verwendung von Dauermagneten 10 keine Einschränkung auf ferromagnetisches Material bei den Blattfedern 6a, 6b mehr besteht.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung mit piezoelektrischem Antrieb.

Die beidseitig der Blattfedern 6a, b angeordneten piezoelektrischen Schichten 8.1 bis 8.8 sind so mit einer Spannung versorgt, daß sich die piezoelektrischen Schichten 8.1 und 8.4 an Blattfeder 6a sowie 8.5 und 8.8 an Blattfeder 6b zusammenziehen und alle anderen ausdehnen. Daraus resultiert eine Auslenkung der Blende 4 nach rechts, bei Umpolung der Spannung an den piezoelektrischen Schichten 8.1 bis 8.8 kommt es folglich zu einer Richtungsumkehr.

Bei allen Anordnungen bewegt sich die Chopperkante in konstanter Höhe über den Sensorelementen. Der senkrecht zur geraden Chopperkante verlaufenden Hauptbewegung ist eine entlang der Sensorzeile gerichtete Nebenbewegung überlagert. Ihre Amplitude hängt von der Blattfederlänge ab. Als Voraussetzung für die Parallelität der Chopperkante zur Sensorzeile während des Bewegungsvorganges muß gelten, daß I1 = I2 und b1 = b2 ist. Außerdem müssen beide Blattfedern 6a, 6b gleich stark beansprucht werden. Das ist z. B. dann der Fall, wenn gleiche Federabmessungen und auch gleiche Federmaterialien verwendet werden. Bei der in der Erfindung beschriebenen Anordnung dient ein oszillierendes Feder- Masse-System zur parallelen Führung einer Blendenkante. Bei diesem sind die Federn gleichzeitig Führungs-, Energiespeicher- und z. B. in Verbindung mit piezoelektrischem Material auch Teil des Antriebselements. Die Dimensionierung der Anordnung für den Betrieb mit Resonanzfrequenz gestattet es, mit geringstem Energieeinsatz relativ große Amplituden der Blendenbewegung zu erreichen. Bei einem piezoelektrischen Antrieb kann man dadurch auch mit Spannungen unter 10 V arbeiten. Bezugszeichenliste 1 Chopperkante

2 Fensterkante

3 Strahlungssensor

4 Blende

5 Verbindungssteg

6a Blattfeder

6b Blattfeder

7 Einspannstelle

8 piezoelektrische Schicht

9 Statorspule

10 Dauermagnet

11 elektrodynamischer Antrieb


Anspruch[de]
  1. 1. Schwingchopper für einen optischen Modulator für Strahlungssensoren in Zeilen- und Matrixanordnung, bestehend aus einer federnd aufgehängten Blende (4) mit gerader Chopperkante (1), wobei die Chopperkante parallel zur Fensterkante (2) eines Strahlungssensors (3) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - die federnde Aufhängung aus mindestens zwei gleichen, parallel angeordneten Blattfedern (6a, 6b) besteht,
    2. - die Blende (4) so an den Blattfedern (6a, 6b) befestigt ist, daß die Hauptbiegebewegung der Blattfedern (6a, 6b) senkrecht zur geraden Chopperkante (1) der Blende (4) ausgerichtet ist und die Blattfedern (6a, 6b) mit der Blende (4) eine Parallelführung bilden und
    3. - die Anordnung mindestens einen elektromechanischen Antrieb (8.1, . . . ,8.8; 11) enthält, der mit mindestens einer der Blattfedern (6a, 6b), dem Verbindungssteg (5) oder der Blende (4) selbst verbunden ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Antrieb (11) ein elektrodynamischer Linearmotor ist, der zwischen einem Gehäuse und einer oder beiden Blattfedern (6a, 6b) angeordnet ist, an dem Verbindungssteg (5) oder der Blende (4) selbst befestigt ist und durch einen elektrischen Strom eine Relativbewegung zwischen diesem Gehäuse und der Blende (4) auftritt.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodynamische Linearmotor ein Tauchspulmotor ist.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodynamische Antrieb (11) durch eine oder mehrere Statorspulen (9) ausgeführt ist.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungssteg (5) und die Blattfeder (6a, 6b) oder eines von beiden ferromagnetisch ist, und so die bewegten Teile des elektrodynamischen Antriebs (11) bilden.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungssteg (5) und die Blattfeder (6) oder eines von beiden mit einem Dauermagneten (10) versehen ist.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer der Blattfedern (6) auf mindestens einer Seite mindestens teilweise eine oder mehrere piezoelektrische Schichten (8) aufgebracht sind, diese piezoelektrische Schicht bzw. Schichten jeweils auf der Ober- und Unterseite kontaktiert und diese Kontakte mit einer Spannungsquelle verbunden sind.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer der Blattfedern (6) auf mindestens einer Seite mindestens teilweise eine oder mehrere piezoelektrische Schichten (8) aufgebracht sind, diese piezoelektrische Schicht bzw. Schichten jeweils auf der Ober- und Unterseite kontaktiert sind, mindestens eines der Kontaktepaare als Spannungsquelle verwendet ist die eine zur Auslenkung der Blattfedern proportionale Ausgangsspannung aufweist, daß dieser Kontakt das Eingangstor einer gesteuerten Spannungsquelle bildet und die Ausgangsspannung dieser gesteuerten Spannungsquelle mit den Kontakten von mindestens einer weiteren piezoelektrischen Schicht verbunden sind.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet dadurch, daß eine oder mehrere dieser piezoelektrischen Schichten (8), z. B. durch Ansteuerung mit einer Gleichspannung zur Feinabstimmung der Resonanzfrequenz des Systems dient.






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