DE102006020730A1 - Schwingarm-Aktuator für mehrere Bewegungsrichtungen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schwingarm-Aktuator für mehrere Bewegungsrichtungen, der einen als zweiarmiger Hebel ausgeführten Schwingarm aufweist, der an einem Träger abgestützt und schwenkgelagert ist und der an einem seiner Hebelarme eine zu bewegende Komponente trägt oder mit einer solchen wirkverbunden ist und der am anderen Hebelarm mit einem Magnetantrieb für eine erste Schwenkbewegung um eine senkrecht zum Schwingarm verlaufende Achse versehen ist und dem ein Magnetantrieb für eine Bewegung senkrecht zu dieser Schwenkbewegung zugeordnet ist. Sie löst die Aufgabe, einen derartigen Schwingarm so zu gestalten, dass dieser wenig aufwändig gestaltet ist. Dazu sind die beiden Magnetantriebe im Magnetantrieb (3) zusammengefasst, der an dem der Komponente (F) abgewandten Hebelarm (1.1.) angeordnet ist, und dass dieser einzige Magnetantrieb (3) derart ausgebildet ist, dass dieser ein inhomogenes Magnetfeld erzeugt, mit dem sowohl die erste Schwenkbewegung der Komponente (F) als auch die Bewegung der Komponente (F) senkrecht zu dieser veranlassbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schwingarm-Aktuator für mehrere Bewegungsrichtungen, insbesondere mit einem optischen Kopf für eine optische Abtasteinrichtung in einem Gerät zur Aufzeichnung und/oder Wiedergabe von Informationen.
  • Ein in einer optischen Abtasteinrichtung angeordneter Aktuator mit einem eine Fokuslinse aufweisenden optischen Kopf dient der Emission eines Lichtstrahls (Laserstrahls) auf eine als Informationsträger ausgebildete optische Platte und dem Empfang des von dieser reflektierten Strahls. Es sind unterschiedliche Anordnungs- und Bewegungsarten eines solchen Aktuators in einer Abtasteinrichtung bekannt. Bei einer ersten Art ist der optische Kopf an einem Schlitten angeordnet, der in einer parallelen Ebene zur optischen Platte in linearer Richtung über diese hin und her bewegt wird und fokussierbar ist, und bei einer zweiten Art ist der optische Kopf an einem freien Ende eines in der Art eines zweiarmigen Hebels ausgebildeten Schwingarms angeordnet, der, um eine Achse schwenkbar, den optischen Kopf in Form eines Bogens in einer zur Aufzeichnungsoberfläche der optischen Platte parallelen Ebene bewegt und ebenfalls fokussierbar ist. Bei beiden Arten wird die optische Platte von einer Trägervorrichtung gehalten und zu einer Rotationsbewegung angetrieben. Insbesondere mit einem Schwingarm-Aktuator sind kurze Zugriffszeiten auf unterschiedliche Orte des Aufzeichnungsträgers zu erreichen.
  • Die EP-A-0 400 570 beschreibt einen Schwingarm-Aktuator, der an einer Trägerplatte um eine senkrecht zu dieser stehende Achse drehbar gelagert ist. Dem Schwingarm-Aktuator ist für eine bogenförmige erste Schwenkbewegung des optischen Kopfes, der der groben Annäherung an den Aufzeichnungspunkt auf der Platte dient, auf der dem optischen Kopf abgekehrten Seite der Achse ein Magnetantrieb zugeordnet, der aus zwei gebogenen Stabmagneten beidseits des Schwingarmes und jeweils einer Spule gebildet ist. Im Schwingarm selbst ist eine aus einer Laserdiode und einem Kollimatorlinsensystem gebildete Einheit zur Erzeugung und Leitung eines Laserstrahls zur Fokuslinse um die gleiche Achse schwenkbar gelagert, die mit einem zweiten Magnetantrieb zur Feineinstellung der Sollposition auf der bogenförmigen Bewegungsbahn versehen ist. Der optische Kopf selbst ist an Federelementen gehalten und steht mit einem weiteren Magnetantrieb für eine Bewegung desselben senkrecht zu dieser Bewegungsbahn und damit zur optischen Platte in Wirkverbindung. Dieser Schwingarm-Aktuator ist wegen der mehreren Magnetantriebe sehr aufwändig.
  • Auch in den japanischen Patentanmeldungen JP-A-5128580 und JP-A-2004227760 sind Schwingarm-Aktuatoren beschrieben. Der in der ersteren Schrift beschriebene Schwingarm-Aktuator ist ebenfalls um eine Achse drehbar angeordnet und wird durch einen diesem auf der dem optischen Kopf abgewandten Seite der Achse zugeordneten Magnetantrieb angetrieben, um mit dem Kopf eine bogenförmige Schwenkbewegung parallel zu einer optischen Platte auszuführen. Eine Feineinstellung dazu ist durch eine Elektrodenanordnung vorgesehen. Ein Bereich des Schwingarmes zwischen dessen Achse und dem optischen Kopf ist durch eine elektrostriktive Konverterplatte ausgebildet und ermöglicht eine senkrechte Bewegung des Kopfes in Bezug auf die bogenförmige Bewegungsbahn und damit auf eine optische Platte. Bei diesem Schwingarm-Aktuator wird es als nachteilig angesehen, dass dessen Aufbau ebenfalls kompliziert und aufwändig ist und überdies hohe Betriebsspannungen benötigt.
  • Der in der JP-A-200422760 offenbarte Schwingarm-Aktuator ist ebenfalls drehbar gelagert und weist einen Antrieb für diesen auf. Der Aktuator ist mit einer einerends mit diesem fest verbundenen Blattfederanordnung versehen, die am anderen freien Ende den optischen Kopf trägt und durch einen weiteren Antrieb senkrecht zur optischen Platte elastisch biegbar ist. Als nachteilig ist anzusehen, dass dieser Schwingarm-Aktuator nicht stoßfest ist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schwingarm-Aktuator für mehrere Bewegungsrichtungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, dass dieser wenig aufwändig gestaltet ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Schwingarm-Aktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Die Erfindung besteht in einem Schwingarm-Aktuator, der in bekannter Weise an einem Träger abgestützt ist, wobei die Abstützung eine Schwenkachse für den Schwingarm senkrecht zu diesem bildet. Der Schwingarm trägt hierbei eine zu betätigende Komponente, beispielsweise einen optischen Kopf, oder ist mit einer solchen wirkverbunden, und einen Magnetantrieb für diese erste Schwenkbewegung. Nach der Erfindung ist dieser Magnetantrieb so ausgebildet, dass dieser den Schwingarm auch zu einer Bewegung senkrecht zur ersten Schwenkbewegung veranlasst, wozu bei den Schwingarm-Aktuatoren nach dem Stand der Technik ein separater Magnetantrieb erforderlich ist. Dieser einzige Magnetantrieb ist derart ausgebildet, dass dieser ein inhomogenes Magnetfeld erzeugt, mit dem sowohl die erste Schwenkbewegung der Komponente in der Ebene der Schwingarmes als auch eine Bewegung senkrecht zu dieser Ebene veranlassbar ist. Der Schwingarm ist insbesondere als zweiarmiger Hebel ausgeführt und die Abstützung des Schwingarmes ist in dessen Schwerpunkt gelegt, und die Komponente ist an einem Ende eines Hebelarms angeordnet und der Magnetantrieb an dem der Komponente abgewandten Hebelarm angeordnet.
  • Dieser Magnetantrieb ermöglicht einen erheblich vereinfachten Aufbau eines Schwingarm-Aktuators mit deutlich reduzierter Bauteilevielfalt und ist mit einer wesentlichen Aufwandsreduzierung, insbesondere Kostenminimierung, verbunden.
  • Der Magnetantrieb wird vorteilhaft durch zwei Spulen, die beidseits der Längsachse des Schwingarmes und dabei mit ihrer Spulenachse senkrecht zum Schwingarm an diesem befestigt sind, und einem Magneten gebildet, der den beiden Spulen zugeordnet ist. Dieser Magnet weist im spulenaxialen Abstand Polschuhe auf, zwischen denen die Spulen angeordnet sind und die das inhomogene Magnetfeld für diese erzeugen. Dabei können an den Polschuhen Polflächen ausgebildet sein, die durch deren Ausrichtung für jede Spule ein Teil-Magnetfeld mit unterschiedlicher Richtung erzeugen, das jeweils eine Kraftkomponente in der Ebene des Schwingarmes und/oder eine Kraftkomponente senkrecht zu dieser aufweist. Dabei können die jeweils ein Teil-Magnetfeld ausbildenden Polflächen in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sein, um auch das Teil-Magnetfeld inhomogen zu gestalten. Durch eine Steuerung der Betriebsspannung für die jeweiligen Spule werden die Kraftkomponenten in ihrer Stärke bestimmt, so dass eine Schwenkbewegung des Schwingarmes in einem vorbestimmten Winkelbereich in beiden Richtungen und auch eine Bewegung senkrecht zu dieser Schwenkbewegung mit hoher Geschwindigkeit veranlasst wird.
  • Bevorzugt wird der Schwingarm in seinem Schwerpunkt kardanisch gelagert. Das Kardangelenk ermöglich sowohl eine Schwenkbewegung in der Ebene des Schwingarmes und eine Bewegung senkrecht zu dieser. Diese Lagerung macht den biege- und torsionssteif ausgeführten Schwingarm stoßfest.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Schwingarm-Aktuators mit angedeuteter Magnetanordnung,
  • 2 einen Querschnitt durch den Magnetantrieb des Aktuators,
  • 3 einen Längsschnitt durch den Magnetantrieb an der Längsachse des Schwingarmes,
  • 4 ein erstes Steuerungsbeispiel für den Schwingarm in Abhängigkeit vom Stromfluss durch die Spulen und
  • 5 ein zweites Steuerungsbeispiel.
  • Der in 1 gezeigte Schwingarm-Aktuator für eine nicht dargestellte optische Abtasteinrichtung weist einen biege- und torsionssteifen Schwingarm 1, der in der Art eines zweiarmigen Hebels in seinem Schwerpunkt S an einem Träger 2 kardanartig schwenkgelagert ist, und einen mit diesem (1) in Wirkverbindung stehenden Magnetantrieb 3 auf. Das Schwenklager 4 ist an einem am Träger 2 fest angeordneten und senkrecht von diesem (2) abstehenden Lagerstift 5 im Abstand vom Träger 2 ausgebildet und umfasst eine am Lagerstift 5 drehbar gelagerte Lagerscheibe 6 und zwei an dieser quer zur Längsachse LA des Schwingarmes 1 angeordnete Lagerzapfen 7, an denen der Schwingarm 1 schwenkbar gehalten ist. Die Schwenkbarkeit ist zum einen um die Achse SA des Lagerstiftes 5 in einer Ebene parallel zum Träger 2 und zum anderen um eine durch die Lagerzapfen 7 gebildete Achse ZA senkrecht zu dieser Ebene gegeben.
  • Der Schwingarm 1 ist auf der einen Seite des Schwenklagers 4 an einem verbreiterten Hebelarm 1.1 mit zwei Spulen 8 und 9 in symmetrischer Anordnung zur Längsachse LA für den Magnetantrieb 3 bestückt und mit diesen (8, 9) einer Magnetanordnung 10 zugeordnet und auf der anderen Seite des Schwenklagers 4 an einem schmaler gehaltenen Hebelarm 1.2 mit einem optischen Kopf mit einer Fokuslinse F versehen. Die Spulen 8, 9 sind derart angeordnet, dass deren Spulenachsen senkrecht zur Schwingarmebene verlaufen. Die Magnetanordnung 10 ist aus einem Permanentmagneten 11 gebildet, der im Abstand von der Stirnseite des Hebelarmes 1.1 angeordnet ist und der Polschuhe 11.1 und 11.2 trägt, die beidseits zumindest den mit den Spulen 8, 9 bestückten Teil des Hebelarmes 1.1 in Richtung des Schwenklagers 4 mit Spiel überdecken.
  • In den 2 und 3 ist der Magnetantrieb 3 mit dem Schwingarm 1 in einem Schnitt II-II quer zu dessen Längsachse LA und in einem Längsschnitt III-III entlang der Längsachse LA schematisch dargestellt. In diesem Schnitt ist insbesondere die Anordnung und Ausbildung der Polschuhe 11.1 und 11.2 zu erkennen. Diese weisen einen spulenaxialen Abstand voneinander und Spiel gegenüber dem mit den Spulen 8, 9 versehenen Schwingarm 1 (Hebelarm 1.1) auf, wobei auf der Nordpolseite des Permanentmagneten 11 nur ein Polschuh 11.1 zentral über den Spulen 8, 9 angeordnet ist, der zwei im Winkel zueinander ausgebildete Polflächen 11.1.1 und 11.1.2 aufweist, und auf der Südpolseite zwei Polschuhe 11.2 angeordnet sind, die jeweils eine Polfläche 11.2.1 und 11.2.2 aufweisen, die jeweils einer der Polflächen 11.1.1 und 11.1.2 zugeordnet sind und mit dieser jeweils einen nach der Außenseite des Hebelarmes 1.1 spitzen Winkel α einschließen.
  • Dabei sind die Polschuhe 11.2 derart angeordnet, dass zwischen diesen und dem Polschuh 11.1 jeweils ein inhomogenes Teil-Magnetfeld Im und IIm gestaltet ist, das die jeweilige Spule 8, 9 in einem vorbestimmten Winkel durchdringt. Dabei haben die beiden inhomogenen Teil-Magnetfelder Im und IIm unterschiedliche Richtungen und können jeweils eine Kraftkomponente in der Ebene des Schwingarmes 1 und eine Kraftkomponente senkrecht zu dieser erzeugen. Bei dieser Anordnung liegen die einander zugewandten, inneren Bereiche der beiden Spulen 8, 9 jeweils im stärkeren Teil des jeweiligen Teil-Magnetfeldes Im , IIm und die einander abgewandten, äußeren Bereiche im schwächeren Teil.
  • Eine Schwenkbewegung des Schwingarmes 1 wird nun durch die Lorentz-Kräfte F8 und F9 veranlasst, die in Folge eines Stromdurchflusses I8 und I9 durch die jeweilige Spule 8 und 9 erzeugt werden.
  • Bei dem in 4 gezeigten Beispiel werden die beiden Spulen 8 und 9 in gleicher Richtung von dem jeweiligen Strom I8 bzw. I9 durchflossen, wodurch diese Ströme in den einander zugewandten Spulenbereichen gegenläufig fließen. Infolge des aus den beiden Teil-Magnetfeldern Im und IIm gebildeten inhomogenen Gesamt-Magnetfeldes sind die Lorentz-Kräfte F8 und F9 nordpolseitig voneinander divergierend nach oben außen gerichtet. Sie ergeben die Gesamtkraft Fges, die den Hebelarm 1.1 spulenseitig senkrecht zum Träger 2 um das Schwenklager 4 nach oben und damit fokuslinsenseitig nach unten (Pfeil f) schwenkt.
  • Bei dem in 5 gezeigten Beispiel werden die beiden Spulen 8 und 9 in entgegengesetzter Richtung von den Strömen I8 und I9 durchflossen, wodurch diese Ströme in den einander zugewandten Spulenbereichen in gleicher Richtung fließen. Die Lorentz-Käfte F8 und F9 sind nunmehr quer zur Längsachse nach der gleichen Seite des Schwingarmes 1 gerichtet, die Kraft F8 südpolseitig nach unten zur Mitte zu und die Kraft F9 nordpolseitig nach oben außen. Die resultierende Gesamtkraft Fges ist dadurch quer zur Längsachse LA in der Ebene des Schwingarmes 1 nach außen gerichtet und veranlasst eine Schwenkbewegung des Hebelarmes 1.1 parallel zum Träger 2 um das Schwenklager 4, wodurch der Hebelarm 1.2 in Richtung des Pfeiles t (1) geschwenkt wird.
  • Um nun den in seinen Abmessungen und seiner Spulen- und Magnetanordnung vorbestimmten Schwingarm-Aktuator zu einer Schwenkung parallel und senkrecht zum Träger 2 um das Schwenklager 4 zu bewegen, damit der optischen Kopf (F) in eine Soll-Position gelangt, um einen Punkt auf einer in paralleler Ebene zum Träger 2 angeordneten optische Platte abzutasten, sind die Spulenströme I8 und I9 entsprechend zu wählen. Diese Wahl bestimmt die Lorentz-Kräfte F8 und F9.
    • 1
    Schwingarm
    1.1
    Hebelarm
    1.2
    Hebelarm
    2
    Träger
    3
    Magnetantrieb
    4
    Schwenklager
    5
    Lagerstift
    6
    Lagerscheibe
    7
    Lagerzapfen
    8
    Spule
    9
    Spule
    10
    Magnetanordnung
    11
    Magnet
    11.1
    Polschuh
    11.1.1
    Polfläche
    11.1.2
    Polfläche
    11.2
    Polschuh
    11.2.1
    Polfläche
    11.2.2
    Polfläche
    LA
    Längsachse
    S
    Schwerpunkt
    ZA
    Achse
    Im
    Magnetfeld
    IIm
    Magnetfeld
    F
    Fokuslinse
    F8
    Lorentz-Kraft
    F9
    Lorentz-Kraft
    Fges
    Gesamtkraft
    I8
    Spulenstrom
    I9
    Spulenstrom
    α
    Winkel

Claims (10)

  1. Schwingarm-Aktuator für mehrere Bewegungsrichtungen, mit einem Schwingarm, der an einem Träger abgestützt und schwenkgelagert ist, der eine zu bewegende Komponente (F) trägt oder mit einer solchen wirkverbunden ist und der mit einem Magnetantrieb (3) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetantrieb (3) ein inhomogenes Magnetfeld erzeugt, mit dem sowohl eine Schwenkbewegung der Komponente (F) um eine senkrecht zum Schwingarm verlaufende Achse als auch eine Bewegung der Komponente (F) orthogonal zu dieser Schwenkbewegung veranlassbar ist.
  2. Schwingarm-Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetantrieb (3) durch zwei Spulen (8, 9), die beidseits der Längsachse (LA) des Schwingarmes (1) und mit ihrer Spulenachse senkrecht zum Schwingarm (1) an diesem befestigt sind, und einem Magneten (11) gebildet ist, wobei den Spulen (8, 9) im spulenaxialen Abstand Polschuhe (11.1, 11.2) zugeordnet sind, die das inhomogene Magnetfeld erzeugen, und wobei der Schwingarm (1) mit den Spulen (8, 9) im Magnetfeld frei beweglich angeordnet ist.
  3. Schwingarm-Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im spulenaxialen Abstand angeordneten Polschuhe (11.1, 11.2) mit Polflächen (11.1.1, 11.2.1) derart versehen sind, dass für jede Spule (8, 9) ein Teil-Magnetfeld (Im , IIm ) erzeugt wird, das eine Kraftkomponente in der Ebene des Schwingarmes (1) und/oder eine Kraftkomponente senkrecht zu dieser aufweist, und dass die beiden Teil-Magnetfelder (Im , IIm ) unterschiedliche Richtungen haben.
  4. Schwingarm-Aktuator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass spulenseitig ein den beiden Spulen (8, 9) zugeordneter Polschuh (11.1) angeordnet ist, der zwei im Winkel zueinander ausgebildete Polflächen (11.1.1, 11.1.2) aufweist, die jeweils einer der beiden Spulen (8, 9) zugeordnet sind, und dass schwingarmseitig jeder Spule (8, 9) ein Polschuh (11.2) mit einer Polfläche (11.2.1 bzw. 11.2.2) zugeordnet ist, die mit der Polfläche (11.1.1 bzw. 11.1.2) korrespondiert, die dieser Spule (8 bzw. 9) auf der anderen Seite derselben zugeordnet ist.
  5. Schwingarm-Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils ein Teil-Magnetfeld (Im , IIm ) ausbildenden Polflächen (11.1.1/11.2.1 bzw. 11.1.2/11.2.2) zur Ausbildung eines inhomogenen Teil-Magnetfeldes einen spitzen Winkel (α) zueinander haben.
  6. Schwingarm-Aktuator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass über einer Seite, insbesondere der den beiden Spulen (8, 9) zugewandten Seite, ein erster Polschuh (11.1) angeordnet ist, der zwei in einem Winkel zueinander ausgebildete Polflächen (11.1.1, 11.1.2) aufweist, die jeweils einer der beiden Spulen (8, 9) zugeordnet sind, und dass auf der anderen Seite, insbesondere der den Spulen (8, 9) gegenüberliegenden Seite, ein zweiter Polschuh (11.2) mit zwei separaten Polflächen (11.2.1 bzw. 11.2.2) zugeordnet ist, die mit den Polflächen (11.1.1 bzw. 11.1.2) des ersten Polschuhes (11.1) korrespondieren.
  7. Schwingarm-Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polflächen (11.1.1, 11.1.2) des ersten Polschuhes (11.1) in einem Querschnitt die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweisen, und dass die zwei Polflächen (11.2.1 bzw. 11.2.2) des zweiten Polschuhs (11.2) jeweils einer der beiden Spulen (8, 9) zugeordnet sind und jeweils in einem Querschnitt eine Keilform aufweisen.
  8. Schwingarm-Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingarm (1) als zweiarmiger Hebel ausgeführt ist, dass die Abstützung (5, 4) des Schwingarmes (1) in dessen Schwerpunkt (S) gelegt ist, wobei die Abstützung (5, 4) insbesondere durch ein Kardangelenk (5, 6, 7) gebildet ist, dass die Komponente (F) an einem Ende eines Hebelarms (1.2) angeordnet ist, und dass der Magnetantrieb (3) an dem der Komponente (F) abgewandten Hebelarm (1.1) angeordnet ist.
  9. Schwingarm-Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingarm (1) biege- und torsionssteif ist.
  10. Schwingarm-Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser und eine mit diesem gebildete optische Abtasteinrichtung in einem Gerät zum Lesen und/oder Schreiben optischer Speichermedien verwendbar ist.
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