-
Die
Erfindung betrifft einen linearen Antrieb, und insbesondere einen
linearen Antrieb, der ein Blockieren an einem harten Endanschlag
bei einer Umkehrung des Antriebs verhindert.
-
DE 38 40 346 C2 offenbart
bspw. einen Arbeitsprojektor mit einem oberhalb der Arbeitsfläche an einer
Säule zur
Scharfeinstellung des Projektionsbildes verstellbar angeordneten
Projektionskopf und einem unterhalb der Arbeitsfläche angeordneten
Beleuchtungssystem, das zur Anpassung an die unterschiedlichen Positionen
des Projektionskopfes gemeinsam mit dem Projektionskopf verstellbar
ist. Zur Verstellung wird eine Einstellspindel von einem Stellmotor
angetrieben, wobei die Kraft über
Ritzel und ein Antriebselement übertragen
wird.
-
Allgemein
wird bei vielen Anwendungen ein bewegbarer Aufbau linear bewegt,
bis er einen begrenzenden ortsfesten (stationären) Aufbau erreicht. Bei einer
beispielhaften Anwendung, die bei dem Erfinder besonderes Interesse
genießt,
wird ein eine Linse haltender Rahmen linear innerhalb von bestimmten
Grenzen in einem Projektor bewegt, wenn dieser gekippt wird, um
Verzerrungen des durch die Linse projizierten Bildes zu minimieren.
Die lineare Bewegung muß umkehrbar
sein, um auch einem Zurückkippen
in die ursprüngliche
Position Rechnung zu tragen.
-
Falls
der bewegbare Aufbau kontinuierlich in den stationären Aufbau
gefahren wird, können
einer der beiden oder beide beschädigt werden, oder kann der
bewegbare Aufbau gegen den stationären Aufbau gepreßt werden,
so daß sich
der bewegbare Aufbau nicht mehr in umgekehrter Richtung bewegen läßt. Um diese
Probleme zu verhindern, wird gewöhnlich
ein bestimmter Begrenzungsmechanismus-Typ vorgesehen. Bei einem
Lösungsweg
ist der Antriebsmotor ausreichend klein dimensioniert, so daß er den
bewegbaren Aufbau nicht mehr in den stationären begrenzenden Aufbau mit
einer solchen Kraft fahren kann, die zu einer Beschädigung führen könnte. Diese
Technik kann jedoch dazu führen,
daß der
bewegbare Aufbau gegen den stationären Aufbau gedrückt wird,
wobei der Antriebsmotor eine nicht ausreichende Umkehrkraft besitzt,
um den bewegbaren Aufbau aus dem blockierten Zustand weg von dem
stationären
Aufbau zurück
zu bewegen.
-
Bei
einem anderen Lösungsweg
sind Begrenzungs-Mikroschalter positioniert, so daß der Antriebsmotor
an einem vorgewählten
Ort angehalten wird, bevor das sich bewegende Element in den stationären begrenzenden
Aufbau gedrückt
wird. Ein Fehler oder eine ursprüngliche
oder während
des Betriebs auftretende Fehleinstellung des Mikroschalters verursacht
einen Fehler, der die Vorrichtung betriebsunfähig macht oder eine Beschädigung oder
Zerstörung
des Aufbaus zur Folge hat.
-
Bei
einem weiteren Lösungsweg
ist eine drehmomentbegrenzende Kupplung innerhalb des Antriebsstrangs
des Antriebsmotors so vorgesehen, daß die maximale Kraft, die zwischen
den beiden ausgeübt
werden kann, begrenzt wird, wenn der bewegbare Aufbau auf den stationären Aufbau
trifft. Der Einsatz der Begrenzungskupplung hat den Nachteil, daß die elektronische
Ansteuerung einen Spannungsimpuls an die Motorenergieversorgung
liefern muß,
um ein höheres
Drehmoment zu erhalten, so daß die
Führungsspindel
aus dem Blockierungs-Zustand gelöst
werden kann, wenn der Motor umgekehrt wird. Ferner muß die Kupplung
richtig eingestellt bleiben, oder die Begrenzungswirkung geht verloren.
Eine normale Abnutzung kann mit der Zeit ausreichen, daß die vorteilhafte
Wirkung der Kupplung verlorengeht.
-
Bei
all diesen Lösungswegen
und auch anderen Lösungswegen
fügen die
Begrenzungsmechanismen zusätzliches
Gewicht zu dem Aufbau und dem Produkt hinzu und verteuern sie. Ferner
stellt ein solcher Begrenzungsmechanismus eine potentielle Fehlerquelle
während
der Wartung und des Betriebs dar. Es gibt deshalb ein Bedürfnis nach
einer verbesserten Lösung
für lineare
Antriebe, deren Bewegungsbereich begrenzt werden muß und die
umgesteuert bzw. umgekehrt werden müssen. Die vorliegende Erfindung
erfüllt
dieses Bedürfnis
und liefert ferner dazugehörende
Vorteile.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen linearen Aktuator, der selbstbegrenzend
ist, so daß der Aktuator
nicht in der Lage ist, einen linear bewegbaren Aufbau gegen einen
stationären
Aufbau zu drücken
bzw. zu rammen. Der lineare Aktuator ist umkehrbar, so daß der bewegbare
Aufbau leicht weg von seiner Bereichsgrenze zurück und in die entgegengesetzte
Richtung bewegt werden kann, optional zu einer gegenüberliegenden
Bereichsgrenze. Der Aufbau ist mechanisch einfach und ist relativ
kostengünstig
aufzubauen und zu installieren. Er ist hinsichtlich des Betriebs
zuverlässig,
da es keine elektrischen oder komplexen mechanischen Elemente gibt, die
ausfallen könnten.
Der lineare Aktuator der Erfindung kann bei einer großen Anzahl
von Vorrichtungen verwendet werden, die eine begrenzte lineare Bewegung
erfordern.
-
Erfindungsgemäß umfaßt ein linearer
Aktuator einen Rahmen, der eine Rahmenbohrung besitzt, die mit einem
inneren Grobgewinde versehen ist. Eine Antiblockier-Mutter ist mit
einem äußeren Gewinde
gleicher Ausgestaltung (ebenfalls ein Grobgewinde mit gleicher Steigung)
versehen und wirkt mit dem inneren Grobgewinde der Rahmenbohrung
innerhalb der Rahmenbohrung zusammen. Die Antiblockier-Mutter hat
eine Bohrung, die im Inneren mit einem Feingewinde versehen ist.
Ein erster Endanschlag für
die Antiblockier-Mutter ist an dem Rahmen befestigt, so daß die Antiblockier-Mutter
den ersten Endanschlag für
die Antiblockier-Mutter
innerhalb der Rahmenbohrung an einer ersten Bereichsgrenze berührt. Eine
Führungsspindel
besitzt zumindest einen Längsabschnitt,
der mit einem äußeren Gewinde
versehen ist, das ebenfalls als Feingewinde ausgebildet ist, wobei
dieser Längsabschnitt
mit dem inneren Feingewinde der Antiblockier-Mutter zusammenwirkt.
Eine Führungsspindel-Abstützung wirkt
mit der Führungsspindel
zusammen. Ein Drehantrieb ist mit der Führungsspindel verbunden. Der
Rahmen und die Führungsspindel-Abstützung lassen
sich linear relativ zueinander bewegen. Ein gewindeloser Längsabschnitt
der Führungsspindel
kann sich durch eine Führungsbohrung
in einer Führungsaufnahme des
Rahmens erstrecken, um eine lineare Führungsfunktion bereitzustellen.
-
Andere
Führungsstäbe können ebenfalls vorhanden
sein, falls dies für
einen speziellen Aufbau gewünscht
wird.
-
Wenn
der Antrieb die Führungsspindel
mit dem Feingewinde dreht, dreht sich die Antiblockier-Mutter in
dem äußeren Grobgewinde
und führt eine
translatorische Bewegung relativ zu dem Rahmen aus, um die Führungsspindel
axial von der Belastung zu befreien, die sie erfährt, wenn der Rahmen an einen
harten Endanschlag trifft. Im Normalfall werden die Führungsspindel
und deren Abstützung
als stationär
betrachtet, so daß sich
der Rahmen verschiebt, wenn die Führungsspindel und die Antiblockier-Mutter gedreht werden.
Wenn die Antiblockier-Mutter die erste Begrenzung erreicht, berührt sie den
ersten Endanschlag für
die Antiblockier-Mutter und hört
auf, sich zu drehen. Der Antrieb, bei dem es sich vorzugsweise um
einen über
ein Schneckenradgetriebe mit der Führungsspindel verbundenen Motor handelt,
treibt den Rahmen weiter an, bis er durch seinen harten Endanschlag
angehalten wird und der Motor blockiert. Um die Bewegung umzukehren,
wird der Antrieb umgesteuert bzw. umgekehrt, so daß die Antiblockier-Mutter
von dem ersten Endanschlag für die
Antiblockier-Mutter weg bewegt wird und den auf die Führungsspindel
wirkenden axialen Druck wegnimmt. Ein zweiter Endanschlag für die Antiblockier-Mutter
ist an dem gegenüberliegenden
Ende der Bewegungsstrecke der Mutter angeordnet, so daß der gleiche
Vorgang auch hier funktioniert. D.h., daß der Rahmen an den gegenüberliegenden
harten Endanschlag gefahren wird und der Antriebsmotor wieder blockiert.
Das innenliegende Feingewinde und das äußere Grobgewinde ermöglichen
es der Antiblockier-Mutter, von dem Endanschlag für die Antiblockier-Mutter weg zurückzufahren,
wobei der Antrieb in einem nicht-blockierten
Zustand ist, was sich durch die "Grobheit" des äußeren Gewindes
ergibt.
-
Die
Ausdrücke "Grobgewinde" und "Feingewinde", wie sie hier verwendet
werden, sind relativ zueinander zu betrachten. Im besonderen heißt das, daß das äußere Gewinde
der Antiblockier-Mutter grober
(weniger Windungen pro cm) als das innere Gewinde der Antiblockier-Mutter
sein muß.
Vorzugsweise beträgt
das Verhältnis
der Windungen pro cm des Feingewindes zu dem Grobgewinde etwa 5:1
bis 15:1. Vorzugsweise besitzt das Grobgewinde nicht mehr als 2,56
Windungen pro cm (6,5 Windungen pro Inch) für einen äußeren Durchmesser der Antiblockier-Mutter
von 1,27 cm (0,5 Inch), und das Feingewinde hat zumindest etwa 12,6
Windungen pro cm (32 Windungen pro Inch) für einen Innendurchmesser der
Antiblockier-Mutter von 0,635 cm (0,25 Inch).
-
Die
vorliegende Erfindung sieht einen linearen Aktuator vor, der selbstbegrenzend
und nicht-blockierend ist, ohne daß elektrische Begrenzungskomponenten,
wie Begrenzungsschalter, verwendet werden müßten, und ohne daß komplexe
mechanische Vorrichtungen, wie drehmomentbegrenzende Kupplungen,
eingesetzt werden müßten. Der
erfindungsgemäße Aktuator
ist deshalb kostengünstig
zu installieren und zu verwenden, und ist im Betrieb und bei der
Wartung zuverlässig.
-
Andere
Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
detaillierteren Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels,
wobei auf begleitende Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen
exemplarisch die Prinzipien der Erfindung dargestellt sind. Der
Umfang der Erfindung ist durch dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel
jedoch nicht begrenzt.
-
1 ist
eine Draufsicht eines Projektors, der einen linearen Aktuator in
dem Halterahmen für optische
Linsen verwendet;
-
2 ist
eine schematische Explosionsdarstellung eines linearen Aktuators
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
-
3 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung des linearen Aktuators
von 2, der in dem in 1 gezeigten
Projektor eingesetzt wird.
-
1 stellt
eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung dar, nämlich einen
linearen Aktuator 20, der in einem Flüssigkristallanzeige-Projektor
(LCD-Projektor) 22 eingesetzt wird. Der Projektor umfaßt ein Gehäuse 24,
das eine Flüssigkristallanzeige 26 umschließt. Eine
von der Flüssigkristallanzeige 26 erzeugte
Abbildung wird durch ein optisches Linsensystem projiziert, das
innerhalb des Gehäuses 24 angeordnet
ist, wobei im vorliegenden Fall das Linsensystem lediglich schematisch
in Form einer Linse 28 angedeutet ist. Die Linse 28 ist
in einem Rahmenaufbau 30 angebracht, so daß sie in
einer Richtung linear bewegbar ist, die im wesentlichen rechtwinklig
zu der Richtung der Projektion der Abbildung ist. Das Gehäuse 24 ist
schwenkbar an einer äußeren Abstützung 32 angebracht.
Falls das Gehäuse 24 geschwenkt
wird, so daß die
Abbildung auf einer Leinwand höher
oder tiefer projiziert wird (nicht gezeigt) und die Linse 28 ortsfest
bleibt, wird die Abbildung verzerrt bzw. gestört, wobei sich diese Art von
Störung "Trapezverzerrung" nennt. Es ist aus diesem
Grunde notwendig, die Linse 28 linear aufwärts oder
abwärts
abhängig
von der Verschwenkung des Gehäuses
zu bewegen, um diese "Trapezverzerrung" der Abbildung zu
minimieren.
-
2 und 3 stellen
eine bevorzugte Form des linearen Aktuators 20 entsprechend
der vorliegenden Erfindung dar, der in dem Projektor 22 eingesetzt
wird. Die Verwendung des linearen Aktuators 20 ist nicht
auf diese bevorzugte Anwendung beschränkt, sondern ist in sehr viel
breiterem Rahmen bei Vorrichtungen anwendbar, die eine begrenzte
lineare Bewegung erfordern.
-
Bezug
nehmend auf 2 umfaßt der lineare Aktuator 20 einen
Rahmen 50, der eine Rahmenbohrung 52 mit einer
Rahmenbohrungs-Achse 53 aufweist.
Die Rahmenbohrung 52 ist innen mit einem Gewinde über zumindest
einen mittleren Abschnitt der Längserstreckung
versehen, wobei das Gewinde ein inneres Grobgewinde 54 ist,
das vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 1,27 cm und zwei Windungen
pro cm (fünf
Windungen pro Inch) für
die Anwendung bei einem Projektor besitzt. Eine Antiblockier-Mutter 56 ist
außen
mit einem äußeren Grobgewinde 58 versehen,
das im Hinblick auf die Anzahl der Windungen pro cm dem inneren
Grobgewinde 54 entspricht. Wenn der lineare Aktuator 20 zusammengebaut
wird, wird die Antiblockier-Mutter 56 innerhalb der Rahmenbohrung 52 aufgenommen,
wobei das äußere Grobgewinde 58 mit
dem inneren Grobgewinde 54 zusammenwirkt.
-
Die
Antiblockier-Mutter 56 besitzt eine diese durchdringende
axiale Bohrung 60 (Mutter-Bohrung), deren Achse mit der
Achse der Windungen der Mutter auf dem äußeren Grobgewinde 58 zusammenfällt. Die
Mutter-Bohrung 60 ist innen mit einem Feingewinde 62 versehen,
wobei für
die Anwendung bei einem Projektor der Durchmesser der Bohrung etwa 0,64
cm (0,25 Inch) beträgt
und das Feingewinde etwa 20 Windungen pro cm (50 Windungen pro Inch) besitzt.
Die hier verwendeten Ausdrücke "Grobgewinde" und "Feingewinde" sind relativ zueinander
zu betrachten. Das äußere Grobgewinde 58 der
Antiblockier-Mutter muß grober
(d.h. weniger Windungen pro cm) als das innere Feingewinde 62 der
Antiblockier-Mutter aufweisen. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Feingewinde-Windungen
pro cm zu Grobgewinde-Windungen pro cm etwa 5:1 bis 15:1. Falls
das Verhältnis
außerhalb
dieser Grenzen liegt, ist der Aktuator 20 zwar einsatzfähig, er
kann jedoch dazu neigen, bei einer Umkehr-Bewegung hängenzubleiben.
Vorzugsweise besitzt das Grobgewinde nicht mehr als 2,56 Windungen
pro cm (6,5 Windungen pro Inch), und das Feingewinde zumindest etwa 12,6
Windungen pro cm (32 Windungen pro Inch).
-
Eine
Führungsspindel 64 ist
ein länglicher Stab
mit zumindest einem Längsabschnitt,
der außen mit
einem Gewinde versehen ist, wobei dieses Gewinde ein Feingewinde 66 ist,
das die gleiche Anzahl an Windungen pro cm wie das innere Feingewinde 62 besitzt.
Ein anderer Längsabschnitt 68 bleibt
gewindelos, um als Führungsstab
wirken zu können, wie
dies nachfolgend erläutert
wird. Beim Zusammenbau des linearen Aktuators greift das äußere Feingewinde 66 in
das innere Feingewinde 62 der Antiblockier-Mutter 56 ein.
Der Rahmen 50 gleitet parallel zu der Längsrichtung der Führungsspindel
(die auch deren Rotationsachse ist, wobei beide parallel zu der
Rahmen-Bohrungsachse 53 liegen), wobei deren absolute Bewegungsgrenzen
parallel zu der Achse 53 liegen und begrenzt sind durch
die harten Endanschläge 69a und 69b (3).
-
Ein
erster Endanschlag 70 für
die Antiblockier-Mutter ist an dem Rahmen 50 an einem ersten
Ort angebracht, so daß die
Antiblockier-Mutter 56 den ersten Endanschlag 70 für die Antiblockier-Mutter
an einer ersten Bereichsgrenze der Bewegung der Antiblockier-Mutter 56 innerhalb
der Rahmenbohrung 52 berührt. In den meisten Fällen ist
ein zweiter Endanschlag 72 für die Antiblockier-Mutter an
dem Rahmen 50 an einem zweiten Ort angebracht, so daß die Antiblockier-Mutter 56 den
zweiten Endanschlag 72 an einer zweiten Bereichsgrenze
der Bewegung der Antiblockier-Mutter 56 innerhalb der Rahmenbohrung 52 berührt. D.h.,
daß der
Abstand D zwischen den beiden Endanschlägen 70 und 72 größer ist
als die Länge
L der Antiblockier-Mutter 56. Die beiden Endanschläge 70 und 72 werden
vorzugsweise aus einer einzelnen U-förmigen Klammer 74 hergestellt,
deren Arme 76a und 76b die Endanschläge 70 bzw. 72 bilden.
Die Klammer 74 ist in einem Paar von Schlitzen 78 in
dem Rahmen 50 aufgenommen. Dieser Aufbau erleichtert die
Fertigung des linearen Aktuators, wobei die Antiblockier-Mutter 56 in
das innere Grobgewinde 54 gedreht wird, und die Klammer 74 dann
eingesetzt und in den Schlitzen 78 befestigt wird. Die Führungsspindel 64 wird
danach mit der Antiblockier-Mutter 56 über das Feingewinde 62 und 66 in
Eingriff gebracht.
-
Im
Betrieb des zusammengesetzten linearen Aktuators 20 (wobei
die Reihenfolge damit startet, daß der Rahmen 50 gegen
einen der harten Endanschläge 69 gefahren
wurde) wird die Führungsspindel 64 gedreht,
womit die Antiblockier-Mutter 56 durch die Bewegung der
Feingewinde 62 und 66 parallel zu der Rahmenbohrachse 53 bewegt
wird. Wenn sich die Antiblockier-Mutter 56 bewegt, dreht sie
sich auf den Grobgewinden 54, 58 und bringt den Rahmen 50 dazu,
sich von dem harten Endanschlag 69 zu lösen und sich anschließend parallel
zu der Rahmenbohrachse 53 zu bewegen. Wenn die Antiblockier-Mutter 56 den
inneren Endanschlag 70 oder 72 erreicht, hört sie auf,
sich zu drehen. Der Rahmen 50 führt die Bewegung fort, die
durch das Drehen der Führungsspindel 64 erfolgt,
bis er den harten Endanschlag 69 erreicht, der gegenüberliegend
jenem Endanschlag ist, von dem die Bewegung gestartet wurde. Wenn
der Rahmen 50 in eine entgegengesetzte Richtung bewegt
werden soll, wird die Drehung der Führungsspindel 64 umgekehrt,
so daß die
Bewegung der Feingewinde 62 und 64 umgekehrt wird.
Die Antiblockier-Mutter 56 wird weg von dem zuvor berührten Endanschlag 70 oder 72 zurückgefahren,
so daß die
axiale Last auf die Führungsspindel 64 weggenommen
wird. Der Rahmen 50 wird durch Drehung der Führungsspindel 64 und
die Bewegung der Feingewinde 62 und 66 in die
entsprechende Richtung bewegt. Die gleiche Wirkung wird erzielt,
wenn der gegenüberliegende
Endanschlag und harte Endanschlag getroffen werden. Somit wird die
Verlagerung des Rahmens 50 durch Drehen der Führungsspindel 64 erreicht.
Die Antiblockier-Mutter 56 erleichtert die Umkehrung der
Bewegung des Rahmens von den harten Endanschlägen 69, indem die
Führungsspindel 64 axial
entlastet wird und "enthemmt" wird, um eine Drehung
in entgegengesetzte Richtung zuzulassen, ohne eine Impulsspannung
in der Energieversorgung erzeugen und dem Motor zuführen zu
müssen.
-
3 stellt
den relevanten Abschnitt des Projektors 22 dar, der den
linearen Aktuator 20 verwendet. Der Projektor 22 umfaßt einen
Abstützrahmen 80 für die Linse(n),
an dem die Führungsspindel 64 drehbar über eine
Führungsspindel-Abstützung 82 gestützt ist,
wobei die Führungsspindel-Abstützung 82 mit
der Führungsspindel 64 zusammenwirkt. Die
Führungsspindel 64 wird
hierdurch von dem Linsen-Abstützrahmen 80 abgestützt, kann
sich aber dennoch drehen, wenn sie angetrieben wird. Die harten
Endanschläge 69a und 69b sind
an dem Linsen-Abstützrahmen 80 ausgebildet
oder an diesem angebracht, um absolute Bewegungsgrenzen des Rahmens 50 vorzusehen.
Ein Drehantrieb 84, vorzugsweise mit einem elektrischen
Umsteuermotor 86, dreht steuerbar die Führungsspindel 64 in
eine der beiden Rotationsrichtungen. Der Motor 86 ist ausgelegt,
um ein ausreichendes Drehmoment bereitzustellen, das die Bewegungen
ermöglicht.
Das Drehmoment ist jedoch nicht so groß, daß der Motor überdrehen
kann und den Rahmen 50 oder die harten Endanschläge 69 beschädigen kann,
wenn der Rahmen auf die harten Endanschläge 69 trifft. Der Antrieb 84 kann
mit der Führungsspindel 64 über einen
Mechanismus, wie beispielsweise das dargestellte Schneckenradgetriebe 88,
verbunden werden.
-
Der
Rahmen 50 (in 3 ohne die Linse 28 gezeigt)
umfaßt
wünschenswerterweise
eine Führungsaufnahme 90,
die den gewindelosen Längsabschnitt 68 der
Führungsspindel 64 aufnimmt.
Das Zusammenwirken der Führungsspindel 64 mit
der Antiblockier-Mutter 56 und
der Führungsaufnahme 90 dient
dazu, eine lineare Bewegung zwischen dem Rahmen 50 und
dem Linsen-Abstützrahmen 80 zu gewährleisten.
Eine Führungsaufnahme 91 auf
dem Linsen-Abstützrahmen 80 kann
ebenfalls einen gewindelosen Längsabschnitt 68 aufnehmen.
Falls gewünscht,
kann zumindest ein zusätzlicher
zweiter Führungsstab 92 in
die Führungsaufnahmen 94 in dem
Rahmen 50 und dem Linsen-Abstützrahmen 80 eingreifen,
um eine präzise
Bewegung bei minimalem Wackeln oder der Möglichkeit des Verbindens der
bewegenden Elemente zu sichern.
-
Obgleich
ein bestimmtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung zu Zwecken der Darstellung detailliert beschrieben
wurde, können
eine Vielzahl von Änderungen
und Verbesserungen vorgenommen werden, ohne den Umfang der Erfindung
zu verlassen.