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Im Allgemeinen betrifft die Erfindung ein rotierendes Konverterrad mit Konvertern, insbesondere geeignet zur Verwendung in Projektoren. Im Speziellen betrifft die Erfindung ein ausbalanciertes Konverterrad.
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Gebiet der Erfindung
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Konverterfarbräder finden Verwendung in einer Vielzahl von optischen Vorrichtungen, beispielsweise in Projektoren oder bilderzeugenden Vorrichtungen, bei denen die Bilder mit Hilfe von Mikrospiegelarrays (z.B. DLP ® Chips ) oder LCD Chips erzeugt werden. Hierbei besteht das Konverterrad in der Regel aus einem scheibenförmigen Träger, welcher rotierbar angeordnet und mit einem entsprechenden Elektromotor verbunden ist. Der Träger dient somit als Rotor. Auf dem Träger ist eine optisch aktive Komponente angeordnet. Bei der optisch aktiven Komponente kann es sich um Konvertermaterialien handeln. Die Konvertermaterialien wandeln hierbei das eingestrahlte Anregungslicht in ein Emissionslicht mit einer charakteristischen Wellenlänge bzw. Wellenlängenverteilung um. Bei der Verwendung mehrerer, unterschiedlicher Konvertermaterialien in einem Konverterrad ist somit der vom Betrachter wahrgenommene Farbeindruck abhängig davon, welches Konvertermaterial Licht emittiert. Entsprechende Farbräder werden auch als Konverterräder oder „phosphor wheel“ bezeichnet.
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Im Betrieb rotiert das Konverterrad mit hoher Frequenz, beispielsweise mit 120 Hz. Auf Grund der hohen Drehfrequenzen müssen die Konverterfarbräder eine möglichst große Rotationsymmetrie bezüglich ihrer Massenverteilung aufweisen, also ausbalanciert sein, um Ungleichgewichte zu vermeiden. Ungleichgewichte können hierbei zu unerwünschten Vibrationen und damit zu Materialbelastungen führen, welche sich nachteilig auf die Lebensdauer des Konverterfarbräder auswirken.
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Je nach Projektortechnologie werden die werden die Konvertermaterialien nur in Teilbereichen des Trägers aufgebracht und erzeugen somit ein Ungleichgewicht des Konverterrades. Dies ist insbesondere bei der 1-DLP® Chip Technologie der Fall, wo die benötigten Farbkanäle sequentiell erzeugt werden. Bei der 3-DLP® oder 3-LCD Chip Technologie werden die Farbkanäle räumlich superpositioniert und die Konvertermaterialien bilden einen geschlossenen Ring auf dem Ring aus. Auch in diesem Fall kommt es durch Fertigungstoleranzen, beispielsweise auf Grund von Dichteschwankungen des Konvertermaterials oder der Menge an ggfs. verwendetem Haftvermittler zur Fixierung des Konverters auf dem Träger,typischerweise zu einer Unwucht, die kompensiert werden muss.
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Die Unwucht eines Konverterrades ist also einerseits durch Fertigungstoleranzen bedingt, kann aber zusätzlich auch durch ein unsymmetrisches Design bedingt sein.
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Aus dem Stand der Technik sind hierbei unterschiedliche Möglichkeiten bekannt, dieses Ungleichgewicht auszugleichen und das Konverterrad somit auszubalancieren.
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Eine Möglichkeit, die beispielsweise in der
US 9 733 469 B2 beschrieben wird, besteht darin, einen Klemmring zur Fixierung des Trägers bereitzustellen, welcher Vorrichtungen in Form von Blindbohrungen zur Aufnahme einer Ausgleichsmasse aufweist. Einige dieser Blindbohrungen werden hierbei mit einem geeigneten Material, beispielsweise einem Polymer oder Harz gefüllt. Somit ändert sich die Masseverteilung des Konverterrades. Je nach Höhe des durch die Füllung erzeugten Massezuwachses und die Position der entsprechend gefüllten Aussparungen kann somit das durch den Konverter erzeugt Ungleichgewicht ausgeglichen und das Konverterrad somit ausbalanciert werden. Nachteilig hierbei ist jedoch das relativ aufwändige Verfahren zum Befüllen der Aussparungen.
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Eine weitere Möglichkeit, den Massemittelschwerpunkt des Konverterrades in Übereinstimmung mit der Rotationsachse zu bringen und das Konverterrad somit auszubalancieren, wird in der
WO 2019/000329 beschrieben. Hier wird die Unwucht durch im Aufbringen eines Gegengewichtes mit vordefinierter Masse auf dem Träger kompensiert. Das Gegengewicht kann hierbei so angeordnet, dass der Massemittelschwerpunkt des Trägers (ohne Konverter) gegenüber dem Konverter (bezogen auf den Rotationsmittelpunkt) liegt. Durch das Aufbringen des Konverters erfolgt eine Verschiebung des Massemittelschwerpunktes in Richtung der Rotationsachse und somit eine Ausbalancierung des Konverterrades. Jedoch wird auch hier die Gesamtmasse des Konverterrades erhöht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass beispielsweise Gewichtsschwankungen des Konverters nicht oder nur schlecht berücksichtigt werden können. Somit kann lediglich eine Grobjustierung erfolgen, während beispielsweise prozessbedingte Masseschwankungen des Konverters nicht berücksichtigt werden. Dies kann sich nachteilig auf die Ausbalancierung auswirken.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein ausbalanciertes Konverterrad bzw. eine Konverterradanordnung mit Motor bereit zu stellen, welches die oben beschriebenen Nachteile bekannter Konverterräder nicht aufweist. Weiterhin ist es eine Aufgabe, ein Konverterrad bereitzustellen, bei dem zum einen die durch Fertigungstoleranzen bedingte Unwucht kompensiert ist.
Weiterhin ist es eine Aufgabe, bei Farbrädern mit unsymmetrischem Aufbau die intrinsische Unwucht zu kompensieren.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung betrifft eine Konverterradanordnung umfassend zumindest einen scheibenförmigen Träger mit einer Vorderseite und einer Rückseite sowie mit einer Dicke d und einem Radius r, welcher um eine Zentralachse rotierbar angeordnet ist und zumindest eine Konvertereinheit. Die Konvertereinheit umfasst mindestens ein Konvertermaterial.
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Unter einem Konvertermaterial bzw. einem Konversionsmaterial wird im Sinne der Erfindung ein Material verstanden, welches einstrahlendes Licht einer geeigneten Anregungswellenlänge zumindest teilweise in Licht mit einer von der Anregungswellenlänge verschiedenen Wellenlänge umwandelt, wobei das umgewandelte Licht bevorzugt eine größere Wellenlänge aufweist als das Anregungslicht. Die Konvertereinheit wird durch mindestens ein Konversionsmaterial gebildet.
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Weiterhin weist die Konverterradanordnung einen Motor zum Antrieb des Konverterrades, eine Narbe sowie einen Flansch auf. Mit Hilfe des Flansches, im Folgenden auch als Klemmring bezeichnet, wird das Konverterrad auf der Narbe bzw. Antriebswelle um die Zentralachse rotierbar fixiert.
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Bei der erfindungsgemäßen Konverterradanordnung wird eine Unwucht der Konverterradanordnung dadurch kompensiert, dass der Träger zumindest einen Bereich mit einer lokal reduzierten Dicke und/oder einem Bereich mit einer lokal reduzierten Querabmessung aufweist.
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Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass der Träger einen Bereich mit lokal reduzierter Dicke aufweist und dieser durch einen Materialabtrag, d.h. durch Abtrag von Trägermaterial, im entsprechenden Bereich erhalten wird. Somit weist der Träger in dieser Ausführungsform eine inhomogene Dickenverteilung auf.
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Eine Ausführungsform dieser Variante sieht vor, dass der Bereich mit lokal reduzierter Dicke als Aussparung ausgebildet ist. Durch die Aussparung bzw. den damit einhergehenden Materialabtrag weist der Träger im entsprechenden Bereich somit eine geringere Dicke auf als in Bereichen ohne Aussparung. Der Träger zeigt somit eine lateral inhomogene Dickenverteilung mit einem Dickenminimum im Bereich der Aussparungen.
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Die Dickenreduktion im Bereich der Aussparung kann durch eine gefräste Aussparung erhalten werden. Durch einen Fräsvorgang lässt sich die Dicke des Trägers bzw. die Tiefe der Aussparung sowie deren Position und laterale Ausdehnung auf dem Träger sehr genau einstellen, so dass eine Feinjustierung des Massenmittelschwerpunktes des Konverterrades und somit eine präzise Ausbalancierung des Konverterrades möglich ist.
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Unter einer Feinjustierung wird im Sinne der Erfindung insbesondere eine Kompensation einer Unwucht von maximal 2000 mg*mm verstanden. Justierungen, mit denen größere Kompensationen, d.h. von mehr als 2000 mg*mm erfolgen, werden als Grobjustierungen bezeichnet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt durch die Bereiche des Trägers mit reduzierter Dicke und/oder Breite eine Feinjustierung. In dieser Ausführungsform werden durch die Bereiche des Trägers mit reduzierter Dicke und/oder Breite Unwuchten von maximal 2000 mg*mm, bevorzugt von maximal 1500 mg*mm und besonders bevorzugt von maximal 800 mg*mm kompensiert. Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform können größere Unwuchten durch zusätzliche Maßnahmen zur Grobjustierung kompensiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Träger zumindest eine Blindbohrung als Aussparung aufweisen. Der jeweilige Masseabtrag pro Blindbohrung kann hierbei über den Bohrradius sowie die Bohrtiefe eingestellt werden.
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Unter einer Blindbohrung wird im Sinne der Erfindung insbesondere eine Bohrung verstanden, deren Bohrtiefe geringer als die Dicke des die umgebenden Trägermaterials ist. Somit wird die Oberfläche des Trägers durch die Aussparung nicht durchbrochen. Vorzugsweise weist die Oberfläche des Trägers zumindest in den Bereichen mit verringerter Dicke bzw. den Bereichen, welche die Aussparungen umfassen, eine geschlossene Oberfläche auf. Unter einer geschlossenen Oberfläche wird im Sinne der Erfindung insbesondere eine Oberfläche verstanden, welche keine Durchbrüche bzw. Aussparungen aufweist, welche sich über die gesamte Dicke des Trägers, d.h. von einer Seite des Trägers zu dessen gegenüberliegenden Seite, erstrecken. Eine geschlossene Oberfläche ist hierbei besonders vorteilhaft, da somit während des Betriebes des Konverterrades die Geräuschentwicklung reduziert werden kann. Weiterhin wird durch die geschlossene Oberfläche eine gegenüber einem Träger mit durchbrochenen Aussparungen verbesserte Wärmeleitfähigkeit gewährleistet. Dies ist in Hinblick auf die Kühlung des Konverterrades während des Betriebes vorteilhaft.
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Durch die Aussparungen wird die Masse bzw. das Gewicht des Trägers im betreffenden Teilsegment verringert. Daher sind die Aussparungen vorzugsweise ungefüllt. Unter ungefüllten Aussparungen werden im Sinne der Erfindung Aussparungen im Trägermaterial verstanden, die kein Füllmaterial, insbesondere kein Polymer oder Harz enthalten. Somit weisen die Oberflächen der Aussparungen eine Grenzfläche mit der den Träger umgebenden Luft auf. Insbesondere weisen die Aussparungen kein Füllmaterial zur Erhöhung des Gewichtes des Trägers auf.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Träger zumindest zwei oder sogar mehr als zwei verschiedene Aussparungen aufweist. Hierbei können die Aussparungen sowohl gefräste Aussparungen als auch Bildbohrungen umfassen.
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Die Aussparungen können insbesondere zur Feinjustierung der Ausbalancierung des Konverterrades eingesetzt werden. Hierbei kann beispielsweise zuvor eine Grobjustierung des Konverterrades durch aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, beispielsweise durch Anbringen von Ausgleichsgewichten auf dem Träger, erfolgen. Nach dieser Grobjustierung erfolgt gemäß einer Ausführungsform die Befestigung der Konvertereinheit auf dem Träger. Nachfolgend wird zumindest eine Aussparung im Träger erzeugt. Diese Aussparung bzw. der damit verbundene Masseabtrag berücksichtigt hierbei den jeweiligen, realen Gewichtzuwachs durch das Aufbringen der Konvertereinheit und ggfs. eines Haftvermittlers sowie den Einfluss der exakten Position der Konvertereinheit auf den Massemittelschwerpunkt des Konverterrades. Die Aussparung kann somit als eine Feinjustierung des Massemittelschwerpunktes des Konverterrades zu dessen Ausbalancierung verstanden werden. Insbesondere können so auch Unwuchten von weniger als 2000 mg*mm, weniger als 1500 mg*mm oder sogar von weniger als 800 mg*mm präzise ausgeglichen werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da so auch geringe Schwankungen im Herstellungsprozess, beispielsweise Abweichungen bei Gewicht und Position der Konvertereinheit oder der Menge des eingesetzten Haftvermittlers, individuell ausgeglichen werden können. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei die Erzeugung einer Aussparung durch einen Fräsprozess herausgestellt, da entsprechende Prozesse exakt gesteuert werden können und gleichzeitig sehr flexibel sind. Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung der Aussparung an einem widergelagerten Konverterrad, so dass Beschädigungen am Konverterrad durch den Fräsprozess vermieden werden.
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Bevorzugt ist zumindest eine Aussparung, besonders bevorzugt sämtliche Aussparungen auf der Rückseite bzw. der zweiten Seite des Trägers angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, da somit die Aussparung unabhängig von der Position der Konvertereinheit angeordnet sein kann. Bei der Anbringung der Aussparung nach dem Aufbringen der Konvertereinheit wird zudem das Risiko, die Konvertereinheit bei diesem Prozess zu beschädigen, minimiert
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Alternativ oder zusätzlich kann der Träger mehrere Aussparungen aufweisen, wobei die Aussparungen vorzugsweise konzentrisch zum Rotationsmittelpunkt angeordnet sind. Durch eine entsprechende Anordnung mehrerer Aussparungen kann beispielsweise ein relativ großer Masseabtrag des Trägers realisiert werden, ohne die Stabilität des Trägers nachteilig zu beeinflussen. Zudem ermöglichen mehrere kleine Aussparungen eine homogenere Wärmeableitung durch das Trägermaterial.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass der Träger zumindest eine Aussparung auf der Vorderseite und zumindest eine Aussparung auf der Rückseite des Trägers aufweist.
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Die Aussparungen bzw. Bereiche mit verringerter Dicke des Trägers sind gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Bereich zwischen der Konvertereinheit und dem Rotationsmittelpunkt des Trägers angeordnet. In dieser Ausführungsform weisen die entsprechenden Aussparungen somit einen geringeren Abstand vom Rotationsmittelpunkt des Trägers auf als die Konvertereinheit.
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Alternativ oder zusätzlich ist der Träger als kreisförmige Platte ausgebildet und weist zumindest eine Aussparung auf, welche auf dem Träger zwischen der Konvertereinheit und dem Rand des Trägers angeordnet ist. Diese Aussparung weist somit einen größeren Abstand vom Rotationsmittelpunkt des Trägers auf als die Konvertereinheit. Diese Positionierung bietet sich insbesondere bei Trägern mit relativ großen Durchmessern an, da diese genügend Raum an der Peripherie des Trägers zur Ausbildung von Aussparungen bieten.
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Die Positionierung der Aussparungen in unterschiedlichen Abständen zum Rotationsmittelpunkt des Trägers bietet neben dem jeweiligen Masseabtrag eine weitere Möglichkeit zur Ausbalancierung des Konverterrades im Sinne einer Feinjustierung.
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Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, dass die Trägerbereiche mit reduzierter Dicke dadurch erhalten werden, dass der Träger als eine kreisförmige, gestufte Platte ausgebildet ist. Hierbei weist der Träger bzw. die gestufte Platte zumindest in einem Bereich des Trägers durch die Ausbildung einer Stufe eine geringere Dicke auf als in den übrigen Bereichen des Träges. Der Bereich mit reduzierter Dicke entspricht somit dem abgestuften Bereich des Trägers. Vorzugsweise weist der Träger hierbei die Abstufung auf seiner Rückseite, d.h. von der Konvertereinheit abgewandten Seite auf. Somit ist die Vorderseite bzw. erste Seite des Trägers vorzugsweise plan ausgebildet und weist keine Stufe auf.
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Entsprechend abgestufte Trägern eignen sich sowohl zur Grobjustierung des Massemittelschwerpunktes vor der Montage der Konvertereinheit als auch zur Feinjustierung des Massemittelschwerpunktes nach der Montage der Konvertereinheit.
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Gemäß einer Ausführungsform der zuvor beschriebenen Variante ist der Träger einstückig ausgebildet. Die Dickenabstufung kann insbesondere durch einen Materialabtrag an einem Trägerrohling mit gleichbleibender Dicke, beispielsweise durch einen Fräs- oder Drehprozess, erhalten werden. Dies kann sowohl vor als auch nach Montage der Konvertereinheit erfolgen.
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Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform erfolgt eine weitere Feinjustierung des Massemittelschwerpunktes nach dem Aufbringen der Konvertereinheit auf der ersten Seite des gestuften Trägers durch Erzeugung von zusätzlichen Aussparungen im Trägers. Diese Aussparungen können hierbei sowohl auf Vorderseite als auch auf der Rückseite des Trägers angebracht werden.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass der gestufte Träger mehrstückig ausgebildet ist. So kann der Träger aus einem ersten, kreisförmigen Teilstück und zumindest einem weiteren, zweiten Teilstück aufgebaut sein, wobei das zweite Teilstück in zumindest einem Teilbereich des Trägers einen Bereich mit einem gegenüber dem Radius der kreisförmigen Grundform verringerten Radius aufweist. Erstes und zweites Teilstück sind dabei vorzugsweise miteinander verbunden und bilden den Träger, wobei vorzugsweise die Seite des ersten Teilstücks, welche keine gemeinsame Grenzfläche mit dem zweiten Teilstück des Trägers aufweist, die Vorderseite des Trägers bzw. des Konverterrades bildet.
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Alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen, bei denen der Materialabtrag am Träger mit einer lokalen Reduktion der Trägerdicke einhergeht, kann der Materialabtrag auch zu Bereichen des Trägers mit reduzierter Breite bzw. reduzierten Querabmessungen führen. Unter Bereichen mit reduzierten Querabmessungen werden insbesondere Bereiche des Trägers mit einer gegenüber der Grundform des Trägers verringerten Breite bzw. eines verringerten Durchmessers verstanden. Gemäß einer Ausführungsform weist das Konverterrad eine kreisförmige Grundform auf und der Bereich mit reduzierter Querabmessung wird durch einen sehnenförmigen oder sichelförmigen Randabschnitt des Trägers gebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Träger eine homogene Materialzusammensetzung über seinen gesamten Bereich auf. Unter einer homogenen Materialzusammensetzung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden, dass der Träger keine Bereiche mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung aufweist. Vorzugsweise ist der Träger ein metallischer Träger. Hierbei haben sich insbesondere Träger aus Aluminium in Hinblick auf ihre Bearbeitbarkeit, beispielsweise bei Bohr- oder Fräsprozessen, mechanische Stabilität, ihr Gewicht sowie ihre Wärmeleitfähigkeit als besonders vorteilhaft herausgestellt. Eine andere Variante sieht vor, dass der Träger zweistückig ausgebildet ist und zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung aufweist. So weist der Träger gemäß einer Ausführungsform dieser Variante zumindest einen Bereich mit einem Fenster im Trägermaterial auf. Das Fenster erstreckt sich hierbei von der ersten zur zweiten Seite des Trägers und ist vorzugsweise mit einem für das Licht der Anregungslichtquelle transparenten Material gefüllt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Glas oder Kunststoff handeln. Derart gefüllte Fenster sind hierbei gegenüber ungefüllten Durchbrüchen im Trägermaterial vorteilhaft, da somit die mechanische Stabilität des Trägers nicht oder nur wenig beeinflusst wird. Weiterhin kann die durch den Materialabtrag zur Erzeugung des Fensters hervorgerufenen Unwucht durch das Füllmaterial zumindest teilweise kompensiert werden. Des Weiteren wird durch die Füllung auch die Geräuschentwicklung im Betrieb minimiert.
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Die Konvertereinheit ist bevorzugt zum Betrieb in Remission ausgebildet. Somit trifft das Anregungslicht auf die erste Seite des Konverterrades. Als Lichtquelle für das Anregungslicht haben sich insbesondere Laser als vorteilhaft herausgestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform sind Konvertereinheit und Träger über einen Haftvermittler miteinander verbunden. So kann die Konvertereinheit auf der Oberfläche des Trägers aufgeklebt werden.
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Als Konvertermaterialien haben sich keramischen Konvertermaterialien, Phosphor in Glass (PIS), Phosphor in Ceramic (PIC), oder Phosphor in Silicon (PIS) herausgestellt. Vorzugsweise werden keramische Konverter als Bestandteile der Konvertereinheiten verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Konverterrad nur ein Konvertermaterial, welches bevorzugt in Form eines monolithische Rings auf den Träger aufgebracht wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält die Konvertereinheit zumindest zwei oder sogar zumindest drei verschiedene Konvertermaterialien zur Erzeugung von Licht mit unterschiedlichen Farborten. In diesen Ausführungsformen werden bevorzugt mehrere Ringsegmente aus verschiedenen Konvertermaterialien auf dem Träger aufgebracht.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass die Konvertereinheit eine teilkreisringförmige Form mit einem Bogenwinkel α aufweist. Gemäß einer Ausführungsform liegt der Winkel α im Bereich von 90 bis 320°. Gemäß einer Variante zeigt die Konvertereinheit eine c-förmige Grundform.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Träger zumindest räumlich voneinander getrennte Konvertereinheiten mit einer teilringförmigen oder teilkreisförmigen Form und einem Kreiswinkel α auf. Die entsprechenden Farbräder weisen hierbei im Betrieb zumindest zwei Farbwechsel pro Umdrehung auf. Vorzugsweise sind die Konvertereinheiten bezogen auf den Mittelpunkt des Trägers voneinander gegenüber angeordnet. Durch diese Anordnung können sich die Gewichte der Konvertereinheiten zumindest teilweise ausgleichen und so zu einer zumindest groben Ausbalancierung des Konverterrades führen. Eine Feinjustierung kann hierbei durch Bereiche auf dem Träger mit reduzierter Dicke und/oder reduziertem Querschnitt erfolgen.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung näher an Hand der 1 bis 17 beschrieben. Es zeigen:
- 1 bis 4 aus dem Stand der Technik bekannte Farbräder,
- 5 eine schematische Darstellung eines Konverterrad mit ringförmiger Konvertereinheit als erstes Ausführungsbeispiel in Aufsicht,
- 6 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem das Konverterrad als Farbrad ausgebildet ist und die Konvertereinheit drei verschiedene Konversionsmaterialien enthält,
- 7 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels in Aufsicht auf die Vorderseite des Konverterrades (Teilfigur (a)) sowie eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels in Aufsicht auf die Rückseite des Konverterrades (Teilfigur (b)),
- 8 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels in Aufsicht auf die Vorderseite des Konverterrades (Teilfigur (a)) sowie eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels in Aufsicht auf die Rückseite des Konverterrades (Teilfigur (b)),
- 9 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein fünftes Ausführungsbeispiel mit einem zweistückigen Träger,
- 10 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein sechstes Ausführungsbeispiel mit einem einstückigen Träger,
- 11 eine schematische Darstellung eines Konverterrades mit c-förmiger Konvertereinheit als siebtes Ausführungsbeispiel in Aufsicht,
- 12 eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels mit zwei Konvertereinheiten in Aufsicht auf die Vorderseite des Konverterrades,
- 13 eine schematische Darstellung eines neunten Ausführungsbeispiels mit teilweise reduziertem Kreisumfang in Aufsicht auf die Vorderseite des Konverterrades
- 14 die schematische Darstellung eines Vergleichsbeispiels in Aufsicht auf die Vorderseite,
- 15 sowie die 16 und die schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele in Aufsicht auf Vorder- und Rückseite des Konverterrades und
- 17 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine weitere Ausführungsform mit einem zweistückigem Träger.
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In 1 wird schematisch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Konverterrad in Aufsicht dargestellt. Die Blickrichtung entspricht hierbei der Richtung des einstrahlenden Anregungslichtes. Das Konverterrad umfasst einen kreisförmigen Träger 2 mit einer Konvertereinheit 5, im Folgenden auch als Konverter bezeichnet, sowie einen Flansch bzw. Klemmring 3. Durch das Gegengewicht werden Unwuchten ausgeglichen, so dass die Rotationsachse 13 des Konverterrads sich im Kreismittelpunkt des Trägers bzw. auf der Welle 14 des Antriebmotors befindet. Durch das Gegengewicht 9, welches ebenfalls auf dem Träger 2 angeordnet ist, wird die durch die Konvertereinheit 5 induzierte Unwucht teilweise ausgeglichen. Position und Gewicht des Gegengewichtes 9 werden dabei so gewählt, dass die durch die Konvertereinheit 5 erzeugte Verschiebung des Massemittelschwerpunktes von der Rotationsachse 13 kompensiert wird. Somit liegt durch das Gegengewicht 9 der Massemittelschwerpunkt des Konverterrades auf der Rotationsachse 13 bzw. auf der Welle 14. Jedoch wird somit auch die Gesamtmasse des Konverterrades erhöht. Ein weiterer Nachteil des in 1 gezeigten Konverterrades besteht darin, darin, dass das Gegengewicht 9 nur eine Grobjustierung des Massemittelschwerpunktes ermöglicht. Geringfügige Abweichung, beispielsweise durch produktionsbedingte Schwankungen des Gewichtes der Konvertereinheit 5 oder der eingesetzten Menge an Haftvermittler zur Fixierung der Konvertereinheit 5 auf dem Träger 2, werden dagegen nicht berücksichtigt. Eine Feinjustierung ist somit nicht oder nur schwer möglich.
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2 zeigt ebenfalls ein aus dem Stand der Technik bekanntes Konverterrad in Aufsicht. Hier werden Unwuchten durch gefräste Aussparungen im Flansch 3 ausgeglichen.
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Bei 3 handelt es sich ebenfalls um die schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Konverterrades in Aufsicht. Hier ist die auf dem Träger 2 angeordnete Konvertereinheit 5 teilkreisförmig mit einem Kreisöffnungswinkel α ausgebildet. Durch das Gegengewicht 9, welches ebenfalls auf dem Träger 2 angeordnet ist, wird die durch die Konvertereinheit 5 induzierte Unwucht teilweise ausgeglichen. Somit liegt durch das Gegengewicht 9 der Massemittelschwerpunkt des Konverterrades auf der Rotationsachse 13 bzw. auf der Welle 14. Jedoch wird somit auch die Gesamtmasse des Konverterrades erhöht.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren, aus dem Stand der Technik bekannten Konverterrads. Hier erfolgt neben der auch in 1 gezeigten Grobjustierung zusätzlich eine Feinjustierung des Massemittelschwerpunktes durch Masseabtrag am Klemmring 3. Der Klemmring 3 dient zur Fixierung des Trägers 2 auf der Antriebswelle 14 und weist Aussparungen 7, 8 auf. Die Aussparungen 8 sind hierbei mit einem Harz gefüllt und dienen zur Ausbalancierung des Konverterrades. Durch die gefüllten Aussparungen 8 wird hierbei die durch das Gewicht der Konvertereinheit erzeugt Unwucht ausgeglichen, so dass der Massemittelschwerpunkt des Konverterrades mit dessen Rotationsachse 13 zumindest weitgehend übereinstimmt. Das Füllen der Aussparungen 8 erfolgt hierbei nach Aufbringen des Konverters 5 und ist relativ aufwändig, zudem wird das Gesamtgewicht des Konverterrades erhöht. Weiterhin weist der Träger eine Aussparung mit Fenster 4 auf, welches insbesondere für Licht der Anregungswellenlänge eine hohe Transmission aufweist. Alternativ kann der Träger auch eine Aussparung 40 ohne Fenster aufweisen, bei der lediglich Material vom Träger 2 abgetragen wurde.
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5 zeigt in Aufsicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Konverterrades 1. Der Träger 2 ist kreisförmig ausgebildet. In der Peripherie des Trägers 2 ist die ringförmige Konvertereinheit 5 aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Konvertereinheit einen monolithischen Konverter, welcher aus einem homogenen Konversionsmaterial aufgebaut ist. Durch Materialabtrag wurde auf der Vorderseite bzw. ersten Seite des Trägers 2 ein Bereich mit verringerter Dicke in Form der Aussparung 70 erzeugt. Die Aussparung 70 ist hierbei konzentrisch zur Rotationsachse ausgerichtet und ist als Ausfräsung ausgebildet. Durch den damit verbundenen Masseabtrag erfolgt eine Justierung des Massemittelschwerpunktes 16 und somit eine Ausbalancierung des Konverterrades. Hierbei wird die Position des Massemittelschwerpunktes 16 durch die Position und Größe der Vertiefung 70 (bzw. den damit verbundenen Materialabtrag) so eingestellt, dass nach dem Aufbringen der Konvertereinheit 5 der Massemittelschwerpunkt 16 auf der Rotationsachse 13 bzw. der Antriebswelle 14 liegt. Die Aussparung 70 ist dabei auf der ersten Seite bzw. der Vorderseite des Trägers 2 angeordnet. Die Konvertereinheit 5 und die Vertiefung 70 sind somit auf der gleichen Seite des Trägers 2 angebracht.
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In 6 wird schematisch in Aufsicht der Aufbau einer zweiten Ausführungsform eines Konverterrades dargestellt. Der Träger 2 ist ebenso wie dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eine kreisförmige Scheibe, welche durch den Klemmring 3 um die Rotationsachse 13 rotierbar auf der Welle 14 fixiert ist. Die Konvertereinheit 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel kein monolithischer Ring, sondern aus drei verschiedenen, nebeneinander angeordneten Segmenten 52, 53 und 54 aufgebaut. Die auf der Vorderseite des Trägers aufgebrachte einzelnen Segmente der Konvertereinheit 5 sind ringförmig angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst in Konvertereinheit 5 drei Abschnitte 52, 53 und 54 mit jeweils unterschiedlichen Konversionsmaterialien. Zur Feinjustierung weist der Träger auf der Oberfläche drei Bereiche 71, 72 und 73 mit reduzierter Trägerdicke auf. In den Aussparungen 71, 72 und 73 erfolgte der Materialabtrag durch Fräsprozesse.
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Die 7 zeigt die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform. Teilfigur (a) zeigt hierbei eine perspektivische Darstellung der ersten Seite bzw. Vorderseite 11 des Konverterrades 100, in Teilfigur (b) wird die zweite Seite bzw. Rückseite 12 desselben Konverterrades 100 schematisch dargestellt. Das Konverterrad kann auch hier eine Antriebswelle (nicht dargestellt) aufweisen, die in der Rotationsachse liegt. Das Konverterrad 100 weist auf der ersten Seite 11 des Trägers 2 eine ringförmige Konvertereinheit 5 auf. Die Aussparung 74 ist als Bohrungen ausgebildet und auf der zweiten Seite 12 des Trägers 2 angeordnet. Hierbei ist der Abstand des Mittelpunktes der Aussparung 74 zur Rotationsachse 13 geringer als der Abstand des Konverterrings 5 zur Rotationsachse 13.Die Tiefe der Aussparung 74 ist geringer als die Dicke des Trägers 2. Es handelt sich bei der Vertiefung 74 demnach um Blindbohrungen. Der Träger 2 weist somit im Bereich der Vertiefung 74 eine geschlossene Oberfläche auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Konvertereinheit 5 und die Vertiefung 74 nicht auf der gleichen Seite des Trägers 2 angeordnet.
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In 8 wird eine weitere Ausführungsform schematisch dargestellt. Teilfigur (a) zeigt hierbei eine perspektivische Darstellung der ersten Seite 11 des Konverterrades 101, in Teilfigur (b) wird die zweite Seite 12 desselben Konverterrades 102 schematisch dargestellt. Das Konverterrad kann weiterhin eine Antriebswelle aufweisen (nicht dargestellt). Das Konverterrad 101 weist auf der ersten Seite 11 des Trägers 2 eine ringförmige Konvertereinheit 5 auf. Die Aussparung 75 ist als Ausfräsung ausgebildet und auf der zweiten Seite 12 des Trägers 2 angeordnet. Hierbei ist der Abstand der Aussparung 75 zur Rotationsachse 13 geringer als der Abstand des Konverterrings 5 (gestrichelt) zur Rotationsachse 13.
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9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Konverterrades 102, bei welcher der Träger durch die beiden Trägereinheiten 201 und 202 gebildet wird. Der in 9 gezeigte Träger ist somit zweistückig ausgebildet. Die Trägereinheiten 201 und 202 sind durch eine gemeinsame Grenzfläche miteinander verbunden. Die erste Trägereinheit 201 bildet hierbei die erste Seite bzw. die Vorderseite 11, auf der eine ringförmige Konvertereinheit 5 befestigt ist. Die zweite Trägereinheit 202 bildet die zweite Seite bzw. die Rückseite 12 des Konverterrads. Die erste Trägereinheit 201 weist eine Dicke d1 und die zweite Trägereinheit 202 eine Dicke d2 auf. Innerhalb der jeweiligen Trägereinheiten weisen die beiden Trägereinheiten 201 und 202 konstante Dicken auf. Die zweite Trägereinheit 202 weist im Teilbereich 17 des ersten Teilsegmentes 4 einen gegenüber der Trägereinheit 201 verringerten Umfang auf, so dass der Träger im Bereich 17 stufenförmig ausgebildet ist. Entsprechend ist die Gesamtdicke d3 als Summe der Dicken d1 und d2 der beiden Trägereinheiten 201 und 201 über den gesamten Träger gesehen nicht konstant, wobei die Gesamtdicke d3 in Teilbereich 17 geringer als die Gesamtdicke des Teilbereichs 18 ist. Somit stellt der Bereich 17 einen Bereich mit einer reduzierten Trägerdicke dar. Die Antriebswelle 14 schließt bündig mit dem Flansch 3 ab.
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10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Konverterrades 103 mit einem stufenförmigen Träger 200 und einer ringförmigen Konvertereinheit 5. Hier ist der Träger 200 einstückig ausgebildet. Der Träger 200 weist in diesem Ausführungsbeispiel drei verschiedene Dicken d4, d5 und d6 auf. Die Dicke d6 bezeichnet die Dicke des Trägers im Bereich 18 und stellt die größte Dicke innerhalb des Trägers dar. Die beiden Teilbereiche 17 und 19 des ersten Teilsegmentes 4 weisen die Dicken d4 bzw. d5 auf, welche gegenüber der Dicke d6 verringert sind. Durch den Teilbereich 17 mit der Dicke d4 wird im Träger 200 eine Stufe gebildet. Vorzugsweise erfolgt hier der Materialabtrag durch einen Fräs- oder Drehprozess vor dem Anbringen der Konvertereinheit 5 auf dem Träger. Der Materialabtrag im Teilbereich 17 stellt somit eine Grobjustierung des Massemittelschwerpunktes des Trägers bzw. des Konverterrades dar. Weiterhin weist der Träger 200 einen Teilbereich 19 mit einer Aussparung bzw. Vertiefung 7 und einer minimalen Dicken d5 auf. Die Aussparung 7 kann beispielsweise gefräst werden oder auch als Blindbohrung ausgebildet sein. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Teilbereiche 17 und 19 voneinander getrennte Bereiche. Es ist jedoch auch möglich, dass die Aussparung 7 innerhalb des Teilbereichs 17 liegt. Die Aussparung 7 kann auch nach dem Anbringen der Konvertereinheit 5 auf dem Träger 200 erzeugt werden. Somit kann die Aussparung 7 zur Feinjustierung des Massenmittelschwerpunktes des Konverterrades auf dessen Rotationsachse 13 eingesetzt werden. Die Antriebswelle 14 schließt bündig mit dem Flansch 3 ab.
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11 zeigt in Aufsicht eine weitere mögliche Ausführungsform eines Konverterrades 104. Der Träger 2 ist kreisförmig ausgebildet. Auf der ersten Seite des Trägers 2 ist die Konvertereinheit 5 befestigt, welche teilringförmig ausgebildet ist (C-Ring) und einen Kreisöffnungswinkel α aufweist. Weiterhin weist der Träger 2 auf der ersten Seite eine Aussparung 70 auf. Die Aussparung 70 ist hierbei konzentrisch zur Rotationsachse ausgerichtet und ist als Ausfräsung ausgebildet. Durch den damit verbundenen Masseabtrag erfolgt eine Justierung des Massemittelschwerpunktes des Konverterrades 104 in Richtung der Rotationsachse 13 bzw. der Welle 14. Weiterhin weist der Träger 2 ein Fenster 4 auf. Das Fenster weist hierbei eine hohe Transmission für das Anregungslicht auf. Das Fenster 4 erstreckt sich hierbei von der Vorderseite zur Rückseite des Trägers und kann gemäß einer Ausführungsform als Durchbruch ausgebildet sein. Alternativ kann das Fenster 4 eine durchgehende, d.h. eine sich von der ersten Seiter zur zweiten Seite des Trägers erstreckende Aussparung im Trägermaterial darstellen, welche mit einem für das Anregungslicht transparenten Material, beispielsweise einem transparenten Harz oder Kunststoff, gefüllt ist. In dieser Ausführungsform weist der Träger somit keine über den gesamten Träger homogene Materialzusammensetzung auf und ist zweistückig ausgebildet.
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In 12 ist eine Weiterbildung der Erfindung in Aufsicht dargestellt, bei der das Konverterrad 105 zwei Konvertereinheiten 50 und 51 aufweist. Die Konvertereinheiten 50 und 51 sind in den beiden ersten Teilsegmenten 40 und 41 angeordnet. Die ersten Teilsegmente 40 und 41 weisen identische Kreisöffnungswinkel α1 und α2 auf und sind punktsymmetrisch zur Rotationsachse 13 bzw. zur Welle 14 angeordnet. Bei der Verwendung von Konvertereinheiten 50 und 51 mit annähernd gleichem Gewicht kann auf Grund der Anordnung der beiden Konvertereinheiten 50 und 51 auf dem Träger zumindest eine Grobjustierung des Massenmittelschwerpunktes erfolgen. Durch die zusätzlichen Aussparungen 70 und 71 können auch geringfügige Gewichtsunterschiede, beispielsweise bei den verwendeten Konvertereinheiten 50, 51 oder den jeweils eingesetzten Haftvermittlermengen zur Fixierung der Konvertereinheiten 50, 51 auf dem Träger 2, ausgeglichen werden. Vorzugsweise erfolgt daher der Materialabtrag zur Erzeugung der Vertiefungen 71 und 70 nach dem Aufbringen der Konvertereinheiten 50, 51, d.h. am Konverterrad zur Feinjustierung des Massemittelschwerpunktes auf der Rotationsachse 13. In den Bereichen zwischen den Konvertereinheiten 50 und 51 weist der Träger in dieser Ausführungsform zwei transparente Fenster 4 auf.
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In 13 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Konverterrades 106 in Aufsicht auf die erste Seite 11 des Konverterrades 106 dargestellt, bei dem der Träger 2 eine kreisförmige Grundform aufweist. Hierbei ist in zumindest einem Teilbereich der ersten Teilsegments 4 der Radius r2 gegenüber dem Kreisradius r1 im zweiten Teilsegment 6 verringert, so dass die Umfangskontur 15 des Trägers 2 im ersten Teilsegment 4 einen sehnenförmigen Randabschnitt 150 aufweist, in dem die Umfangskontur innerhalb einer Kreiskontur 151 (gestrichelt dargestellt) mit dem Radius r1 liegt. Vorzugsweise weist das Konverterrad 106, insbesondere auf der Trägerrückseite, zusätzliche Bereiche mit verringerter Trägerdicke auf (nicht dargestellt).
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14 stellt schematisch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Konverterrad 107 in Aufsicht dar. Hierbei weist das Konverterrad 107 in der Peripherie des Trägers 2 eine ringförmige Konvertereinheit 5 auf. Die Konvertereinheit ist als O-Ring mit 64mm Außendurchmesser und 50mm Innendurchmesser ausgebildet, ihre Dicke ist 0,225mm. Der Konverter 5 ist aus YAG-Material mit einer Dichte von 4,6 g/cm3 gefertigt. Dann wiegt der Ring 1300 mg. Falls der Ringmittelpunkt wegen Fertigungstoleranzen 0,1mm gegenüber dem Rotationszentrum verschoben ist, ergibt sich eine Unwucht von 130 mm*mg. Diese wird nach dem Stand der Technik durch eine Ausfräsung 76 im Messingflansch 3 kompensiert, die in Bezug auf den Rotationsschwerpunkt 13 bzw. dem Mittelpunkt der Welle 14 dem Ring- Schwerpunkt im Abstand von 8,75mm gegenüberliegt und eine Masse von 15 mg vom Messingflansch 5 abfräst. Dies entspricht einer zylindrischen Senkung von 2,5 mm Durchmesser und 0,35 mm Tiefe bei einer Dichte des Messings von 8,7 g/cm3. Die verbleibende Unwucht beträgt wenige mg*mm und kann vom Motor toleriert werden.
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In 15 wird schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei Teilfigur (a) eine perspektivische Darstellung der ersten Seite 11 des Konverterrades 108 zeigt, in Teilfigur (b) wird die zweite Seite 12 desselben Konverterrades 108 schematisch dargestellt. Das Konverterrad 108 weist auf der ersten Seite 11 des Trägers 2 eine analog zu der in 12 dargestellten Konvertereinheit ausgebildete ringförmige Konvertereinheit 5 auf. Anders als bei dem in 13 gezeigten Vergleichsbeispiel wird jedoch vom Messingflansch 3 kein Material abgetragen, sondern der Materialabtrag erfolgt von der Rückseite 11 des Trägers 2. Eine Ausfräsung in einem Al-Träger (Dichte 2,7 g/cm3) von 2,5 mm Durchmesser und 0,5 mm Tiefe im Abstand von 20mm von der Rotationsachse erzeugt eine Unwucht von 132 mm*mg und ist so bei korrekter Orientierung geeignet, die durch die Fertigungstoleranzen erzeugte Unwucht zu kompensieren. Die Antriebswelle wird in den 13a und 13b nicht dargestellt, kann jedoch Teil des Konverterrades sein.
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Die 16 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverterrades 109. Das Konverterrad 109 weist eine Konvertereinheit 5 analog zu dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel auf. Der Träger 2 ist als 1 mm dicker Aluminiumträger ausgebildet, bei dem ein Kreissegment von 60° fehlt. Dieses entspricht einer Masse von 216 mg Konvertermaterial und 564 mg Aluminium, die im Abstand von ca. 57 mm fehlt. Dies induziert eine Unwucht von 44500 mg*mm. Diese wird durch eine Variation der Wheel-Dicke ausgeglichen, in dem das Trägermaterial entsprechend geformt ist. Unwuchten, die durch Fertigungstoleranzen entstehen, können zusätzlich analog zu den in 15 gezeigten Aussparungen zusätzlich im Sinne einer Feinjustierung kompensiert werden.
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17 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform mit einem zweistückigen Träger 2. Der Träger 2 ist ein Aluminiumträger mit einem transparenten Fenster 4. Das transparente Fenster 4 ist hierbei als mit einem transparenten Kunststoff gefüllte Aussparung ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 10, 100--110
- Konverterrad
- 2, 200
- Träger
- 3
- Flanschring
- 4
- Fenster
- 5, 50-54
- Konvertereinheit
- 6
- gefräste Aussparung im Flanschring
- 7, 70, 71, 72
- Aussparung
- 73, 74,75
- Aussparung
- 8
- gefüllte Aussparung
- 9
- Gegengewicht
- 11
- erste Seite
- 12
- zweite Seite
- 13
- Rotationsachse
- 14
- Antriebswelle des Motors
- 15
- Kreisumfang der Grundform
- 16
- Massemittelschwerpunkt des Konverterrads
- 17, 19, 20
- Teilbereiche des Trägers mit reduzierter Dicke
- 18
- Teilbereiche des Trägers mit maximaler Dicke
- 150
- sehnenförmiger Abschnitt mit reduziertem Umfang
- 151
- Teilbereich des Trägers mit reduziertem Umfang
- 201, 202
- Teilstücke des Trägers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9733469 B2 [0007]
- WO 2019/000329 [0008]