DE102020201957A1

DE102020201957A1 - Galvanometerantrieb mit spielfreier Lagerung

Info

Publication number: DE102020201957A1
Application number: DE102020201957.6A
Authority: DE
Inventors: Norbert Kirr; Tobias Edlböck; Thomas Lares; Hans-Joachim Münzer
Original assignee: Scanlab GmbH
Current assignee: Scanlab GmbH
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2021-08-19
Also published as: WO2021165026A1; CN115298451A; US20230340998A1

Abstract

Ein Galvanometerantrieb mit einem um eine Drehachse (R) drehbaren Rotor (110), der einen Magneten aufweist, und einer den Rotor (110) umgebenden Statoreinheit (130), die eine Spule aufweist, wobei der Rotor mittels zweier Lager, von denen mindestens eines ein Loslager (150, 155) ist, so gelagert ist, dass er relativ zur Statoreinheit (130) eine Drehbewegung um die Drehachse (R) ausführen kann, ist gekennzeichnet durch eine Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung (170, 280, 600, 750, 800), die geeignet ist, die Radialbewegung des Loslagers (150, 155) bezüglich der Statoreinheit (130) zu begrenzen.

Description

Die Erfindung ist auf einen Galvanometerantrieb gerichtet, insbesondere auf einen Galvanometerantrieb, wie er bei Laserapplikationen zum präzisen Richten der Laserstrahlung auf den Bearbeitungsort zum Einsatz kommt.
Zunächst soll zur Veranschaulichung der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik ein der Anmelderin bekannter Stand der Technik anhand von 1 näher beschrieben werden.
1 zeigt einen der Anmelderin bekannten Galvanometerantrieb. Innerhalb einer eine Spule 125 aufweisenden Statoreinheit 130 ist ein einen Permanentmagneten aufweisender Rotor 110 angeordnet. Dabei ist der Rotor mittels zweier Lager 140 und 150 so gehaltert, dass er sich um eine Drehachse R, die in 1 horizontal mittig durch den Rotor verläuft, gegenüber der Statoreinheit 130 drehen kann. In der vorliegenden Anmeldung wird die Richtung der Drehachse R als Axialrichtung bezeichnet und Richtungen senkrecht zu dieser Achse als Radialrichtungen.
Durch die Zufuhr von Steuerströmen über elektrische Anschlusselemente 300 wird eine Änderung des Magnetfelds in der Spule 125 der Statoreinheit 130 bewirkt, woraufhin der den Magneten enthaltende Rotor 110 eine Drehbewegung gegenüber dem Flussleitstück 120 der Spule 125 bzw. gegenüber der Statoreinheit 130 ausführt. Damit die Längenausdehnung des Rotors infolge thermischer Einflüsse nicht zu mechanischen Spannungen führt, welche Beschädigungen des Rotors oder der Lager 140 und 150 nach sich ziehen können oder die Gerätepräzision beinträchtigen, ist das Lager 150 im Gegensatz zum Festlager 140 als Loslager ausgebildet. Dies ist so umgesetzt, dass der Aussenring 150a des Lagers 150 zusammen mit dem Lagersitz in der Statoreinheit 130 eine Spielpassung bildet. Eine Wellenfeder 200 ist unter Vorspannung montiert, so dass im Falle von thermischen Bewegungen (Größenveränderungen) des Rotors 110 das Lager 150 in gewissem Rahmen der thermischen Bewegung folgen kann. Die Wellenfeder 200 fixiert dabei die axiale Position des Lagers 150, so dass dieses tatsächlich nur bei thermisch induzierten Bewegungen diese axiale Position ändert.
Die Verwendung eines Loslagers 150 bewirkt, dass eine Einschränkung der Drehbeweglichkeit oder eine Überlastung von Rotor und Lagern aufgrund von thermischen Spannungen vermieden werden kann. Insbesondere ist der Innenring 150b des Lagers fest mit dem Rotor 110 verbunden, während der Außenring 150a durch Vorsehen eines Spalts eine gewisse Beweglichkeit in axialer Richtung aufweist (Spielpassung). Die Wellenfeder 200 bewirkt dabei eine Vorspannung, die die Bewegung des Außenrings des Lagers in Axialrichtung erschwert und führt zu einer Verspannung zwischen Außenring und Innenring, so dass diese sich radial nicht zueinander verschieben können. Die Erfinder konnten dennoch feststellen, dass die mit diesem Galvanometerantrieb erreichbare Präzision beispielsweise in Umgebungen, in denen der Galvanometerantrieb Stößen und Vibrationen ausgesetzt ist, nicht ausreicht.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Galvanometerantrieb bereitzustellen, der auch für ein hochpräzises Richten von Strahlung auf einen Bearbeitungsort geeignet ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Galvanometerantrieb nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung einer unten beschriebenen Ausführungsform auch durch Merkmale einer anderen unten beschriebenen Ausführungsform weitergebildet werden, selbst wenn dies nicht explizit angegeben wird.
Ein erfindungsgemäßer Galvanometerantrieb mit einem um eine Drehachse drehbaren Rotor, der einen Magneten aufweist, und einer den Rotor umgebenden Statoreinheit, die eine Spule aufweist, wobei der Rotor mittels zweier Lager, von denen mindestens eines ein Loslager ist, so gelagert ist, dass er relativ zur Statoreinheit eine Drehbewegung um die Drehachse ausführen kann, ist gekennzeichnet durch eine Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung, die geeignet ist, die Radialbewegung des Loslagers bezüglich der Statoreinheit zu begrenzen.
Eine Radialrichtung in dem Galvanometerantrieb ist dabei eine im Wesentlichen, bevorzugt exakt, auf der Drehachse senkrecht stehende Richtung. Die Drehachse erstreckt sich also im Wesentlichen, bevorzugt exakt, in axialer Richtung.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei hohen Anforderungen an die Präzision eines Galvanometerantriebs die Radialbewegung des Rotors erschwert werden muss: Bei Vorhandensein eines axial vorgespannten Loslagers ist zwar eine störende Radialbewegung nicht im Lager selbst vorhanden, allerdings muss der Durchmesser des Außenrings des Lagers ein gewisses Untermaß aufweisen, um im Lagersitz axial beweglich zu bleiben. Somit hat der Außenring im Lagersitz, also gegenüber dem Element, an dem der Außenring des Loslagers gehaltert ist, ein Radialspiel. Das Problem besteht darin, dass man zwar theoretisch eine radiale Beweglichkeit dadurch beseitigen könnte, dass man für eine feste Verbindung zwischen dem Loslager und dem Element, an dem das Loslager gehaltert ist, sorgt, jedoch würde solch eine feste Verbindung das Loslager zu einem Festlager mit den bekannten Nachteilen (z.B. Verspannung bei thermischer Ausdehnung) machen. Daher ist erfindungsgemäß der Galvanometerantrieb mit einer eigenen Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung versehen, deren Zweck nicht die Beseitigung des Radialspiels im Loslager selbst ist, sondern die Begrenzung der Radialbewegung des Loslagers gegenüber dem Element, an dem der Außenring des Loslagers gehaltert ist. Hierbei wird unter einer Begrenzung der Radialbewegung sowohl eine Erschwernis der radialen Bewegung, also eine Herabsetzung der Beweglichkeit, als auch eine Unterbindung der radialen Bewegung verstanden.
Das Lager ist zwischen dem Rotor und der Statoreinheit angebracht. In diesem Zusammenhang werden Elemente, die mit der Statoreinheit starr verbunden sind, ebenfalls als Bestandteile der Statoreinheit angesehen. Beispielsweise kann es sich bei solch einem starr mit der Statoreinheit verbundenen Element um ein Flussleitstück handeln, worunter ein außerhalb der Spule angeordnetes Bauteil verstanden wird, das zur Führung des magnetischen Flusses des von der Spule erzeugten Magnetfelds, insbesondere auch zur Herstellung eines geschlossenen magnetischen Kreises dient. Desweiteren kann auch ein Außengehäuse der Statoreinheit als starr mit der Statoreinheit verbundenes Element angesehen werden, selbst dann, wenn es keine oder nur eine sehr geringfügige Wirkung auf den durch die Spule erzeugten magnetischen Fluss ausüben kann. Kurz gesagt, wenn erwähnt ist, dass ein Objekt an der Statoreinheit angebracht ist oder relativ zu der Statoreinheit angeordnet ist, dann kann dieses Objekt insbesondere an einem starr mit der Statoreinheit verbundenen Element, z. B. einem Flussleitstück in der Statoreinheit oder einem Außengehäuse der Statoreinheit, angebracht sein.
Insbesondere kann der Stator die Gestalt eines geraden Zylinders, insbesondere Kreiszylinders, oder eines Prismas aufweisen, dessen Symmetrieachse sich in Richtung der Drehachse erstreckt. Es wird hier der mathematische Zylinderbegriff zugrunde gelegt. Dabei sollen auch Fälle umfasst sein, in denen eine geringe Konizität des Zylinders bzw. Prismas vorhanden ist.
Bevorzugt weist das Loslager einen Außenring, einen Innenring und eine Mehrzahl von Wälzkörpern zwischen Innenring und Außenring auf und
der Innenring ist starr am Rotor befestigt und der Außenring ist in Richtung der Drehachse verschiebbar,
wobei die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung die Radialbewegung des Außenrings bezüglich der Statoreinheit begrenzt.
Bei dem Loslager kann es sich um ein Wälzlager handeln, welches mit seinem Innenring am Rotor angebracht ist und mit seinem Außenring an der Statoreinheit. Für das Wälzlager kommen alle im Stand der Technik bekannten Bauformen in Betracht. Unter einer starren Befestigung wird in dieser Anmeldung eine feste Verbindung verstanden, die keinen Bewegungsfreiraum zulässt.
Weiter bevorzugt ist ein Verhältnis von radialer Steifigkeit zu axialer Steifigkeit am Loslager größer als 10, bevorzugt größer als 50, noch bevorzugter größer als 100.
Obwohl bevorzugt durch die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung eine radiale Bewegung gänzlich unterbunden werden sollte, kann dies, wie bereits erwähnt, zu Problemen führen, wenn als Folge auch eine axiale Beweglichkeit des Loslagers zu stark eingeschränkt wird. Bevorzugt wird man aber die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung zumindest so ausgestalten, dass die genannten Verhältnisse von radialer Steifigkeit zu axialer Steifigkeit erzielt werden, also eine definierte Beweglichkeit in axialer Richtung infolge relativ geringer Kräfte und eine (möglichst geringe) Beweglichkeit in radialer Richtung selbst bei hohen Kräften. Eine mögliche Obergrenze ist hier im Bereich von 1000 zu finden. Der Begriff „Steifigkeit“ kann sich beispielsweise auf eine durch die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung bereitgestellte Verschiebesteifigkeit bzw. Federsteifigkeit beziehen. Allgemein ist mit radialer oder axialer (Verschiebe-)Steifigkeit der Widerstand gegenüber einer Verlagerung bzw. Verschiebung in radialer bzw. axialer Richtung gemeint.
Weiter bevorzugt handelt es sich bei der Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung um ein an dem Loslager angebrachtes Federelement, durch das das Loslager axial mit Druck beaufschlagt wird, wobei das Federelement mit einem Abschnitt starr am Loslager befestigt ist und einem anderen Abschnitt starr an der Statoreinheit befestigt ist.
Bevorzugt erstreckt sich das Federelement in radialer Richtung und weist dabei Rotationssymmetrie auf. Da das Federelement das Loslager axial mit Druck beaufschlagt, erfüllt es zwei Aufgaben gleichzeitig: Zum einen wird durch den axial ausgeübten Druck bewirkt, dass das Loslager sich tatsächlich nur bei thermischen Bewegungen in axialer Richtung bewegt, zum anderen wird die radiale Beweglichkeit begrenzt, indem durch das Federelement die radiale Bewegung des Loslagers bezüglich der Statoreinheit in größerem Umfang erschwert wird als die axiale Bewegung.
Weiter bevorzugt weist das Federelement eine rotationssymmetrische, sternförmige Anordnung von n Blattfederelementen auf, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist.
Ein beispielhafter Wert für n kann n=3, 4, 5, 6,7, 8, 9, 10, 11, 12, 20, 50, oder 100 sein. Werte oberhalb von n=100 werden wohl in der Praxis nicht realisiert werden, sodass n=100 als Obergrenze angesehen werden kann.
Weiter bevorzugt ist die Anzahl n der Blattfederelemente kleiner oder gleich 100, bevorzugt kleiner oder gleich 20, noch bevorzugter kleiner oder gleich 8.
Weiter bevorzugt ist das Federelement als Tellerfeder oder Membranfeder ausgebildet.
Eine Tellerfeder oder Membranfeder kann als Sonderfall einer rotationssymmetrischen, sternförmigen Anordnung von Blattfederelementen angesehen werden, nämlich als eine Ausführung, bei der die Blattfederelemente ineinander übergehen. Hierbei sind auch Mischformen denkbar, bei denen also nur ein Teil der Blattfederelemente ineinander übergeht, wobei bevorzugt dennoch Rotationssymmetrie vorliegt. Bei einer besonderen Ausgestaltung ist die Tellerfeder oder Membranfeder mit, bevorzugt rotationssymmetrisch angeordneten, Ausnehmungen versehen.
Weiter bevorzugt weist das Federelement eine Verschiebesteifigkeit bzw. Federsteifigkeit in Radialrichtung auf, die um mindestens einen Faktor 50, bevorzugter mindestens einen Faktor 100, noch bevorzugter mindestens einen Faktor 300 größer ist als die Verschiebesteifigkeit bzw. Federsteifigkeit in axialer Richtung.
Ein hohes Verhältnis der Verschiebesteifigkeit bzw. Federsteifigkeit in Radialrichtung zur Verschiebesteifigkeit bzw. Federsteifigkeit in axialer Richtung kann insbesondere mit einer rotationssymmetrischen, sternförmigen Anordnung von Blattfederelementen erzielt werden. Eine Obergrenze für das Verhältnis der Federkonstanten liegt in der Praxis wohl bei einem Wert um 1000.
Weiter bevorzugt weist die Verschiebesteifigkeit bzw. Federsteifigkeit in radialer Richtung einen Wert oberhalb von 4 kN/mm, bevorzugt oberhalb von 20kN/mm, und unterhalb von 1000 kN/mm auf.
Die Federsteifigkeit lässt sich unter anderem durch die Wahl der Materialdicke (Blechstärke) für die Ausbildung des Federelements, durch die Anzahl und Lage von Versteifungen im Material, durch eine Vorspannung im eingebauten Zustand oder aber durch die Gestalt und/oder Anzahl beispielsweise von sternförmig angeordneten Blattfederelementen einstellen.
Weiter bevorzugt handelt es sich bei der Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung um eine zwischen Loslager und Statoreinheit angebrachte Wälzführung, die sowohl mit dem Loslager als auch mit der Statoreinheit starr verbunden ist.
Die Wälzführung kann beispielsweise als Kugelkäfigführung bzw. Kugelführung ausgebildet sein, welche dann eine Axialbewegung des Loslagers aufnehmen und gleichzeitig die radiale Bewegung des Loslagers unterbinden kann.
Weiter bevorzugt besteht die Wälzführung aus einem Führungs-Innenelement, einem Führungs-Außenelement und einer Mehrzahl von dazwischen angeordneten Wälzkörpern.
Bei dem Führungs-Innenelement kann es sich um eine hohle Führungswelle handeln, die das Loslager radial umgibt und starr mit diesem, insbesondere mit dem Außenring desselben, verbunden ist. Bei dem Führungs-Außenelement kann es sich um eine Führungsbuchse handeln, die das Führungs-Innenelement mit den dazwischen angeordneten Wälzkörpern radial umgibt und starr mit der Statoreinheit verbunden ist. Insbesondere können die Wälzkörper (Kugeln) sowohl einreihig als auch mehrreihig ausgebildet sein, wobei die Wälzkörper durch einen Käfig in gleichem Abstand gehalten werden. Was die für die Wälzführung geeigneten Materialien anbelangt, so können die im Stand der Technik bekannten Materialien verwendet werden, also insbesondere Stahl oder Keramik für die Wälzkörper und Messing, Kunststoff oder auch Stahl für den Käfig.
Weiter bevorzugt ist das Führungs-Innenelement einteilig mit dem Loslager ausgebildet und/oder das Führungs-Außenelement einteilig mit der Statoreinheit ausgebildet.
Die einteilige Ausführung sorgt zum einen dafür, dass Bewegungen zwischen Führungs-Innenelement und Loslager oder zwischen Führungs-Außenelement und Statoreinheit wirkungsvoll unterbunden werden. Zum anderen wird durch die Verringerung an Komponenten der Aufbau vereinfacht.
Weiter bevorzugt ist die Wälzführung vorgespannt.
Durch die Vorspannung wird das Radialspiel innerhalb der Wälzführung, also eine Bewegung des Führungs-Innenelements gegenüber dem Führungs-Außenelement in radialer Richtung, unterbunden, wobei infolge der Vorspannung die Wälzkörper kraftschlüssig zwischen Führungswelle und Führungsbuchse rollen.
Weiter bevorzugt beaufschlagt die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung das Loslager in radialer Richtung mit einer Kraft.
Indem auf das Loslager eine Kraft in radialer Richtung wirkt, wird die radiale Bewegung des Loslagers in dieser Richtung begrenzt. Selbst wenn eine auf das Loslager ausgeübte Kraft auch eine in axialer Richtung wirkende Kraftkomponente aufweist, so wird dennoch durch die in radialer Richtung wirkende Kraftkomponente eine Bewegung in radialer Richtung erschwert.
Weiter bevorzugt weist die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung ein Federelement auf, welches so zwischen Statoreinheit und Rotor angebracht ist, dass das Federelement in radialer Richtung eine Kraft auf den Rotor ausübt.
Für das Federelement sind verschiedene Formen der Ausgestaltung möglich, z.B. kann es als Schraubenfeder oder als Gummifeder ausgebildet sein, wobei der Begriff „Gummi“ stellvertretend für ein beliebiges geeignetes elastisches Material steht.
Insbesondere kann das Federelement auch ein federndes Druckstück sein, mit dem sich die Lage und die Federkraft einstellen lassen.
Weiter bevorzugt weist die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung ein Gewicht auf, das infolge der Einwirkung der Schwerkraft die Kraft auf das Loslager in radialer Richtung erzeugt.
Die Gewichtskraft kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass der Außenring des Loslagers aus einem Material mit hohem spezifischem Gewicht ausgebildet wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein entsprechendes Gewicht außerhalb des Loslagers angeordnet sein und mit diesem verbunden sein.
Weiter bevorzugt beaufschlagt die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung das Loslager über eine elektromagnetische Wechselwirkung in radialer Richtung mit einer Kraft.
Beispielsweise könnte eine entsprechende Kraft mit Hilfe eines schaltbaren Elektromagneten oder eines Permanentmagneten erzeugt werden.
Weiter bevorzugt wird eine Kraft auf den Rotor in radialer Richtung dadurch erzeugt, dass ein radial asymmetrisches Magnetfeld zwischen Rotor und Statoreinheit erzeugt wird.
Solch ein radial asymmetrisches Magnetfeld führt zu einem radial asymmetrischen magnetischen Fluss und damit zu einer in radialer Richtung wirkenden Kraft zwischen Loslager und Statoreinheit.
Weiter bevorzugt wird durch eine Asymmetrie des Rotors und/oder der Statoreinheit, insbesondere das Vorhandensein mindestens eines Bereichs im Rotor oder in der Statoreinheit, der eine andere magnetische Suszeptibilität als der Rest des Rotors bzw. der Statoreinheit aufweist, ein radial asymmetrisches Magnetfeld erzeugt.
Die Asymmetrie der Feldlinien kann durch eine radiale Asymmetrie der Statoreinheit, z.B. eines Flussleitstücks oder eines Außengehäuses, oder des Rotors erzeugt werden. Insbesondere kann es sich bei einem Bereich mit einer anderen magnetischen Suszeptibilität um einen (beispielsweise gasgefüllten) Hohlraum handeln.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren.

1 zeigt einen der Anmelderin bekannten Galvanometerantrieb,
2 zeigt einen Galvanometerantrieb gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Galvanometerantriebs,
4 zeigt eine besondere Ausgestaltung des Federelements der zweiten Ausführungsform,
5 zeigt eine Einbausituation für das Federelement der zweiten Ausführungsform,
6 zeigt eine Variante eines Galvanometerantriebs gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
7 zeigt eine weitere Variante eines Galvanometerantriebs gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und
8 zeigt noch eine weitere Variante eines Galvanometerantriebs gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Erste Ausführungsform
2 zeigt einen Galvanometerantrieb gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der in 2 gezeigte Galvanometerantrieb ist sehr ähnlich jenem der 1. Die gleichen Elemente sind daher in der Regel mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Eingrenzung der radialen Bewegung des Loslagers bezüglich der Statoreinheit 130, welche zu unerwünschten Radialbewegungen des Rotors 110 führen kann, ist gemäß der ersten Ausführungsform zwischen dem Loslager (Bezugszeichen 155 in 2) und dem Gehäuse 130 eine Wälzführung 170 angeordnet, um eine Begrenzung der radialen Bewegung zu bewirken. Speziell ist die Wälzführung 170 zwischen eine Führungswelle 160 und die Statoreinheit 130 eingefügt. Bei der Führungswelle 160 handelt es sich um ein hohlzylinderförmiges Element, das starr mit dem Außenring 155a des Loslagers 155 verbunden ist. Des Weiteren ist die Führungswelle 160 starr mit der Wälzführung 170 verbunden. In 2 wirkt diesbezüglich die Führungswelle 160 als „Innenring“ der Wälzführung 170. Der Außenring der Wälzführung 170 (die Führungsbuchse) ist starr mit der Statoreinheit 130 verbunden, wobei 2 das Beispiel zeigt, bei dem der Außenring einstückig mit der Statoreinheit 130 ausgebildet ist.
Bei der beschriebenen Anordnung kann sich der Außenring 155a des Loslagers 155 entgegen der Federkraft der Wellenfeder 200 bewegen. Durch die starre Verbindung des Loslagers 155 mit der Führungswelle 160 und das Vorhandensein der Wälzführung 170 führt eine Bewegung des Loslagers 155 in axialer Richtung dazu, dass sich die Führungswelle 160 und das Loslager 155 gegenüber der Statoreinheit 130 in axialer Richtung bewegen können. Eine Bewegung des Loslagers in radialer Richtung wird zum einen durch die starren Verbindungen zwischen Loslager 155 und Führungswelle 160 einerseits und zwischen Führungswelle 160 und Statoreinheit 130 andererseits unterbunden. Zum anderen kann eine radiale Beweglichkeit innerhalb der Wälzführung durch eine Vorspannung unterbunden werden, beispielsweise indem die Wälzkörper (Kugeln) bezüglich des Abstands zwischen Führungswelle und Führungsbuchse ein Übermaß aufweisen.
Eine starre Verbindung des Loslagers 155 mit der Führungswelle 160 oder der Führungsbuchse mit der Statoreinheit kann nicht nur durch eine einteilige bzw. einstückige Ausbildung von Loslager-Außenring 155a und Führungswelle 160 bzw. Führungsbuchse und Statoreinheit erzielt werden. Andere Möglichkeiten einer spielfreien Verbindung wären eine Presspassung, eine Verklebung oder weitere Verbindungsarten, die eine Beweglichkeit in axialer und radialer Richtung beseitigen.
Zweite Ausführungsform
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Galvanometerantriebs. Wiederum sind gleiche oder analoge Elemente zu jenen in 1 in der Regel mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Loslager 150 mit seinem Außenring 150a kann dabei insbesondere in gleicher Weise wie das Loslager 155 ausgebildet sein, ausgenommen die starre oder einstückige Verbindung des Außenrings 155a mit der Führungswelle 160. Unterschiedlich zu der Ausgestaltung der 1 findet sich bei der zweiten Ausführungsform in 3 keine Wellenfeder 200 an der Stirnseite des Loslagers 150. Stattdessen ist die Statoreinheit stirnseitig mit einer Ausnehmung 135 zur Aufnahme eines Federelements 280 versehen. Das Federelement 280 umgibt das Loslager 150 in radialer Richtung und greift radial am Außenring 150a des Loslagers 150 an. Das Federelement erstreckt sich dabei im Wesentlichen in einer radialen Richtung, also senkrecht zur Drehachse R. Mit der Außenseite (in radialer Richtung) greift das Federelement 280 an der Statoreinheit 130 an. Zum Einspannen des Federelements 280 können sowohl der Außenring 150a des Loslagers 150 als auch das die Statoreinheit 130 mit einer Nut versehen sein, in welche das Federelement 280 eingelegt wird. Das Federelement 280 zeichnet sich dadurch aus, dass im eingebauten Zustand seine Ausdehnung in radialer Richtung bevorzugt mindestens acht Mal größer ist als seine Ausdehnung in axialer Richtung. Dabei bezeichnet die Ausdehnung in radialer Richtung die Ausdehnung zwischen dem Loslager 150 und der Statoreinheit 130, also eher einen Radius (falls das Federelement 280 kreisförmig ist) als einen Durchmesser. Es sei erwähnt, dass das Federelement nicht zwingend in einer Ausnehmung 135 der Statoreinheit 130 angebracht sein muss, sondern optional auch auf die Ausnehmung verzichtet werden kann, sofern hinreichend Platz vorhanden ist, um das Federelement außen am Außenring des Loslagers zu befestigen.
Durch die besondere Formgebung und Abmessung des Federelements 280 ist dieses in der Lage, in Radialrichtung eine bedeutend größere Steifigkeit aufzuweisen als in Axialrichtung. Dadurch kann es anstelle der Wellenfeder die Beweglichkeit des Loslagers in Axialrichtung einschränken, aber nicht gänzlich unterbinden, sodass beispielweise eine Wärmeausdehnung des Rotors stattfinden kann. Dagegen wird eine Bewegung in radialer Richtung infolge der größeren Steifigkeit in radialer Richtung unterdrückt. Das Verhältnis der Federkonstanten bzw. Federsteifigkeiten in Radialrichtung und Axialrichtung zueinander kann durch die Formgebung des Federelements und vor allem über seinen Außendurchmesser eingestellt werden. Je größer der Außendurchmesser ist, desto größer wird bei gegebenem Innendurchmesser auch das Verhältnis der Federkonstanten bzw. Federsteifigkeiten in Radialrichtung und Axialrichtung zueinander. Ein einzustellender Wert für die Federsteifigkeit bzw. Federkonstante in radialer Richtung hängt ebenfalls von der Abmessung des Federelements in radialer Richtung ab und darüber hinaus von den zu bewegenden Massen. Es hat sich gezeigt, dass für die üblichen Einsatzbereiche des Galvanometerantriebs ein Wert oberhalb von 4 kN/mm für die Federsteifigkeit bzw. Federkonstante in radialer Richtung ausreichend ist, bevorzugt wird ein Wert oberhalb von 20 kN/mm gewählt. Natürlich wird es in der Realität auch eine Obergrenze für die mögliche Federkonstante bzw. Federsteifigkeit in radialer Richtung geben, diese sollte aber wohl erst bei ca. 1000 kN/mm erreicht werden.
Das Federelement kann beispielsweise aus einem Stahlblech mit einer Blechstärke von z.B. 0,5 mm ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich um eine Tellerfeder handeln. Letztere kann unter anderem so ausgebildet werden, dass sich bei vorhandener Radialsymmetrie im eingebauten Zustand die axiale Position eines ringförmigen Bereichs der Tellerfeder mit der Position des Bereichs in radialer Richtung periodisch ändert (z.B. sinusförmig).
Größere Verhältnisse zwischen radialer Federkonstante und axialer Federkonstante sind erzielbar, wenn anstelle einer vollflächigen Tellerfeder eine Art Federstern verwendet wird, wie er in 4 dargestellt ist. Man erkennt in 4 ein Federelement 280, das aus einem am Loslager 150 anliegenden Innenring 281 und einem an der Statoreinheit 130 anliegenden Außenring 282 ausgebildet ist. Der Innenring 281 und der Außenring 282 sind über eine rotationssymmetrische, sternförmige Anordnung von drei Blattfederelementen 283 miteinander verbunden. Die Blattfederelemente 283 haben eine längliche Gestalt ähnlich den Speichen eines Lenkrades. Bevorzugt beträgt ein Verhältnis der Ausdehnung in Radialrichtung zur Ausdehnung in Tangentialrichtung mindestens 3:1, besonders bevorzugt mindestens 10:1. Die genaue Gestalt der Blattfederelemente hängt auch davon ab, welche Anzahl von Blattfederelementen vorgesehen wird. Es müssen also nicht zwingend drei Blattfederelemente vorhanden sein, dies ist nur die Mindestanzahl. Im Prinzip ist auch jede andere Anzahl n von Blattfederelementen möglich (z.B. n=4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, etc.). Natürlich wird es irgendwann unwirtschaftlich, die Anzahl der Blattfederelemente noch zu steigern, wodurch sich eine Obergrenze für die Anzahl der Blattfederelemente ergibt. Das in 4 gezeigte Federelement kann beispielsweise aus Stahlblech mit einer Blechstärke von 0,5 mm ausgebildet werden.
5 zeigt eine Einbausituation für das Federelement 280 am Beispiel des in 4 gezeigten Federsterns. Eine Federkraft in axialer Richtung wird dabei dadurch erzeugt, indem, das Federelement 280 mit Vorspannung montiert wird. Entsprechend erkennt man in 5 eine Krümmung der Blattfederelemente 283, während 4 gerade Blattfederelemente 283, entsprechend dem entspannten Zustand des Federelements 280 in 4, zeigt. Zum Herbeiführen der Vorspannung kann beispielsweise der äußere Ring 282 so eingebaut werden, dass im entspannten Zustand des Federelements der äußere Ring gegenüber dem inneren Ring in axialer Richtung verschoben wird und in diesem Zustand das Federelement an der Statoreinheit 130 und am Loslager 150 fixiert wird. Beispielsweise kann die axiale Verschiebung des Außenrings 282 gegenüber dem Innenring 281 dadurch eingestellt werden, dass Distanzelemente unterschiedlicher Dicke (je nachdem welche Vorspannung eingestellt werden soll) zwischen Statoreinheit und Außenring 282 (in axialer Richtung) eingesetzt werden.
Damit es zu keinem unerwünschten Radialspiel zwischen Loslager und Federelement 280 oder Federelement 280 und Statoreinheit 130 kommt, sollte das Federelement fest mit der Statoreinheit 130 bzw. dem Loslager 150 verbunden werden (z.B. durch Schweißen, Kleben, Verschrauben, Verpressen, etc.). Es sei noch bemerkt, dass der beschriebene Einbau mit Vorspannung des Federelements 280 in gleicher Weise bei anderen Gestalten des Federelements als jenen die in 4 und 5 gezeigt sind, erfolgt, also z.B. wenn es sich bei dem Federelement 280 um eine Tellerfeder handelt.
Dritte Ausführungsform
Die 6 bis 8 zeigen Varianten einer dritten Ausführungsform der Erfindung, bei denen, mit Ausnahme der jeweils beschriebenen Besonderheiten, die gleiche Ausgestaltung wie in 1 vorliegt. Der Grundgedanke der dritten Ausführungsform ist es, durch das Ausüben einer radialen Kraft auf das Loslager eine radiale Bewegung des Loslagers gegenüber der Statoreinheit (also dem Lagersitz) stark einzuschränken.
Bei der in 6 gezeigten ersten Variante der dritten Ausführungsform sind in der Regel gleiche oder analoge Elemente zu jenen von 1 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Unterschied zur 1 ist in 6 auch ein am Rotor 110 angebrachter Drehspiegel 1000 gezeigt, welcher beispielsweise einen Laserstrahl in einer Laserbearbeitungsvorrichtung ablenken kann. Dieser Drehspiegel 1000 ist jedoch kein notwendiger Bestandteil der dritten Ausführungsform.
Man erkennt in 6 eine als Schraubenfeder ausgestaltete Radialfeder 600, welche sowohl an der Statoreinheit 130 als auch am Außenring 150a des Loslagers 150 anliegt und so auf den Außenring 150a des Loslagers 150 von außen eine Kraft in radialer Richtung ausüben kann. Dabei ist der Innenring 150b des Loslagers 150 wie bei der Ausgestaltung der 1 starr mit dem Rotor 110 verbunden, während der Außenring 150a über eine axiale Beweglichkeit gegenüber der Statoreinheit 130 verfügt. Infolge der in radialer Richtung wirkenden Federkraft wird die radiale Beweglichkeit des Außenrings 150a gegenüber der Statoreinheit eingegrenzt. Dabei hängt es von der Federkraft ab, in welchem Umfang auch ein Axialspiel eingeschränkt wird. Die Radialfeder 600 leistet im Allgemeinen keinen signifikanten Beitrag zur axialen Steifigkeit der Anordnung (dies leistet die Wellenfeder), jedoch wird die geringe radiale Beweglichkeit mit hoher radialer Steifigkeit sichergestellt. Dabei kann mittels einer Einstellschraube 610 die Ausdehnung der Radialfeder 600 in radialer Richtung eingestellt werden und dadurch eine gewünschte Radialsteifigkeit eingestellt werden. Insbesondere muss die Radialfeder das Loslager 150 nicht unbedingt in radialer Richtung nach innen drücken. Vielmehr ist es auch möglich, dass die Schraubenfeder in einem Zustand eingebaut wird, in dem sie eine gegenüber dem entspannten (kraftlosen) Zustand vergrößerte Länge aufweist. In letzterem Falle wirkt auf das Loslager eine Kraft in radialer Richtung nach außen. Insbesondere ist es möglich, die Feder in entspanntem Zustand einzubauen und mittels der Einstellschraube 610 auf die gewünschte Länge zu bringen.
7 zeigt eine zweite Variante der dritten Ausführungsform, bei welcher eine Kraft in radialer Richtung nicht mittels einer Radialfeder ausgeübt wird, sondern mittels eines Magneten. In dem Beispiel der 7 ist ein Magnet 700 am Ablenkspiegel 1000 befestigt. Lediglich beispielhaft ist eine Anbringung an der Rückseite des Ablenkspiegels gezeigt. Der Magnet 700 kann natürlich auch an anderen Stellen eines starr mit dem Rotor verbundenen Teils angebracht sein. Mittels eines Bügels 750 wird über einen Spalt 710 hinweg eine Kraft auf den Ablenkspiegel 1000 und damit auch auf den fix mit dem Ablenkspiegel verbundenen Rotor 110 ausgeübt, wodurch eine Radialbewegung deutlich erschwert wird. Hierzu weist der Bügel zumindest an dem dem Magnet 700 gegenüberliegenden Ende an dem Spalt 710 einen Magneten bzw. magnetisches Material auf. Insbesondere kann auch der gesamte Bügel 750 aus einem Magneten oder aus einem Material, dass magnetisiert wurde, bestehen.
In dem in 7 gezeigten Beispiel ist der Bügel 750 fest (starr) mit der Statoreinheit 130 verbunden. In diesem Beispiel ist die Winkelbewegung des Rotors 110 (und des Ablenkspiegels 1000) auf einen Bereich von ±20° eingeschränkt, was bei vielen Anwendungen akzeptabel ist. Bevorzugt wird die Winkelbewegung des Rotors 110 (und des Ablenkspiegels 1000) auf einen Bereich von ±10° eingeschränkt. Die Kraft in radialer Richtung sollte möglichst hoch sein und trotzdem die axiale Beweglichkeit, aber auch die Drehbewegung, nicht zu stark einschränken. Die Erfinder gehen davon aus, dass bei üblichen Vibrationen mit Beschleunigungen im Bereich von 5 bis 50 g (g: Erdbeschleunigung) die radiale Kraft größer als das Fünffache bis 50-fache der Gewichtskraft des Systems aus Rotor und Spiegel sein sollte.
Natürlich kann auch anstelle des Magneten 700 die Rückseite des Ablenkspiegels 1000 mit einer magnetischen Schicht überzogen sein. Weiterhin kann der Bügel 750 zumindest partiell, bevorzugt als Ganzes, mittels eines Elektromagneten in einen magnetisierten Zustand gebracht werden.
8 zeigt eine dritte Variante der dritten Ausführungsform, insbesondere einen Schnitt in radialer Richtung durch den Rotor 110 und die Statoreinheit 130 mit der Spule 125.
Bei der in 8 gezeigten Variante der dritten Ausführungsform wird für einen radial asymmetrischen magnetischen Fluss gesorgt, der zu einer radialen magnetischen Kraft auf den Rotor führt, wodurch dessen radiale Beweglichkeit gegenüber der Statoreinheit stark eingeschränkt wird. Man erkennt in 8 einen magnetischen Rotor 110 (beispielsweise einen Permanentmagneten), die Spule 125 und eine Statoreinheit 130, die insofern asymmetrisch ausgebildet ist, als auf einer Seite ein Hohlraum, der mit Luft gefüllt ist, ausgebildet ist. Wie man in der 8 erkennt, werden durch den Hohlraum 800 die magnetischen Feldlinien so umgelenkt, dass eine radiale Asymmetrie des magnetischen Flusses entsteht. Wiederum sollte die radial ausgeübte Kraft nicht das circa Fünf- bis 50-fache der Gewichtskraft des Systems aus Rotor 110 und Drehspiegel 1000 übersteigen.
Es ist unmittelbar einsichtig, dass bei der dritten Variante der dritten Ausführungsform alternativ oder zusätzlich der Rotor eine asymmetrische Gestalt aufweisen kann, um dadurch eine Asymmetrie des magnetischen Flusses hervorzurufen bzw. zu verstärken.
Ferner ist ersichtlich, dass auch Kombinationen der unterschiedlichen Ausführungsformen möglich sind. Lediglich beispielhaft sei hier eine Kombination der ersten und zweiten Ausführungsform, der ersten und dritten Ausführungsform oder speziell eine Kombination der ersten Ausführungsform mit der dritten Variante der dritten Ausführungsform genannt.
Abschließend sei noch betont, dass die vorliegende Erfindung in all ihren Ausführungsformen und Varianten nicht auf die beschriebene axiale Vorspannung des Loslagers mittels einer Feder beschränkt ist. Denkbar ist auch, dass mittels eines geeigneten Klebstoffs für die axiale Vorspannung des Loslagers gesorgt wird. Dabei wird beispielsweise so vorgegangen, dass man beim Zusammenbau das Loslager mittels einer Feder in axialer Richtung vorspannt und im vorgespannten Zustand den Klebstoff in einen vorhandenen Spalt zwischen Loslager-Außenring und Statoreinheit einbringt. Nach Aushärtung des Klebstoffs wird dann die für die axiale Vorspannung verwendete Feder entfernt, sodass nun der Klebstoff die Vorspannkraft aufbringt. Als Klebstoff kommen dabei alle Materialien in Frage, die im ausgehärteten Zustand noch eine hinreichende Elastizität zur Aufnahme der Axialbewegung des Außenrings aufweisen. Insbesondere sollte der Klebstoff im ausgehärteten Zustand keine bzw. eine nur sehr geringe plastische Verformung unter dem Einfluss der Vorspannkraft zeigen.

Claims

Galvanometerantrieb mit einem um eine Drehachse (R) drehbaren Rotor (110), der einen Magneten aufweist, und einer den Rotor (110) umgebenden Statoreinheit (130), die eine Spule (125) aufweist, wobei der Rotor mittels zweier Lager, von denen mindestens eines ein Loslager (150, 155) ist, so gelagert ist, dass er relativ zur Statoreinheit (130) eine Drehbewegung um die Drehachse (R) ausführen kann, gekennzeichnet durch eine Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung (170, 280, 600, 750, 800), die geeignet ist, die Radialbewegung des Loslagers (150, 155) bezüglich der Statoreinheit (130) zu begrenzen.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 1, wobei das Loslager (150, 155) einen Außenring (150a, 155a), einen Innenring (150b, 155b) und eine Mehrzahl von Wälzkörpern zwischen Innenring und Außenring aufweist und der Innenring (150b, 155b) starr am Rotor (110) befestigt ist und der Außenring (150a, 155a) in Richtung der Drehachse (R) verschiebbar ist, wobei die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung (170, 280, 600, 750, 800) die Radialbewegung des Außenrings (150a, 155a) bezüglich der Statoreinheit (130) begrenzt.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Verhältnis von radialer Steifigkeit zu axialer Steifigkeit am Loslager (150, 155), das größer als 10, bevorzugt größer als 50, noch bevorzugter größer als 100 ist.
Galvanometerantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung um ein an dem Loslager (155) angebrachtes Federelement (280) handelt, durch das das Loslager (155) axial mit Druck beaufschlagt wird, wobei das Federelement (280) mit einem Abschnitt (281) starr am Loslager (155) befestigt ist und einem anderen Abschnitt (282) starr an der Statoreinheit (130) befestigt ist.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 4, wobei das Federelement (280) eine rotationssymmetrische, sternförmige Anordnung von n Blattfederelementen (283) aufweist, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 5, wobei die Anzahl n der Blattfederelemente (283) kleiner oder gleich 100, bevorzugt kleiner oder gleich 20, noch bevorzugter kleiner oder gleich 8 ist.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 4, wobei das Federelement (280) als Tellerfeder oder Membranfeder ausgebildet ist.
Galvanometerantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Federelement (280) eine Verschiebesteifigkeit in Radialrichtung aufweist, die um mindestens einen Faktor 50, bevorzugter mindestens einen Faktor 100, noch bevorzugter mindestens einen Faktor 300 größer ist als die Federsteifigkeit in axialer Richtung.
Galvanometerantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Verschiebesteifigkeit in radialer Richtung einen Wert oberhalb von 4 kN/mm, bevorzugt oberhalb von 20kN/mm, und unterhalb von 1000 kN/mm aufweist.
Galvanometerantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung um eine zwischen Loslager (150) und Statoreinheit (130) angebrachte Wälzführung (170) handelt, die sowohl mit dem Loslager (150) als auch mit der Statoreinheit (130) starr verbunden ist.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 10, bei dem die Wälzführung (170) aus einem Führungs-Innenelement (160), einem Führungs-Außenelement und einer Mehrzahl von dazwischen angeordneten Wälzkörpern besteht.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 11, bei dem das Führungs-Innenelement (160) einteilig mit dem Loslager ausgebildet ist und/oder das Führungs-Außenelement einteilig mit der Statoreinheit (130) ausgebildet ist.
Galvanometerantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Wälzführung (170) vorgespannt ist.
Galvanometerantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung das Loslager (150) in radialer Richtung mit einer Kraft beaufschlagt.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 14, bei dem die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung ein Federelement (600) aufweist, welches so zwischen Statoreinheit (130) und Rotor (110) angebracht ist, dass das Federelement (600) in radialer Richtung eine Kraft auf den Rotor (110) ausübt.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung ein Gewicht aufweist, das infolge der Einwirkung der Schwerkraft die Kraft auf das Loslager (150) in radialer Richtung erzeugt.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Radialbewegungs-Begrenzungseinrichtung das Loslager (150) über eine elektromagnetische Wechselwirkung in radialer Richtung mit einer Kraft beaufschlagt.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 14 oder 15, bei dem eine Kraft auf den Rotor in radialer Richtung dadurch erzeugt wird, dass ein radial asymmetrisches Magnetfeld zwischen Rotor und Statoreinheit erzeugt wird.
Galvanometerantrieb nach Anspruch 18, bei dem durch eine Asymmetrie des Rotors und/oder der Statoreinheit, insbesondere das Vorhandensein mindestens eines Bereichs (800) im Rotor oder in der Statoreinheit, der eine andere magnetische Suszeptibilität aufweist als der Rest des Rotors bzw. der Statoreinheit, ein radial asymmetrisches Magnetfeld erzeugt wird.