DE10323629A1 - Traveling wave linear motor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen dreiphasigen linearen Synchronmotor, der einen Läufer (11) mit zentraler, axialer Bohrung aufweist, in die optische Elemente - z. B. eine optische Linse (7) - eingebaut werden können. Der Läufer (11) besteht aus einer Gleithülse (2), in der sich ein in axialer Richtung polarisierter Permanentmagnet (3) mit freiem Mitteldurchgang befindet. Die Führung des Läufers (11) erfolgt in einem ortsfesten Hüllrohr (1). Der Läufer (11) wird durch Wechselwirkung des Permanentmagneten (3) mit einem entlang der optischen Achse bewegten magnetischen Wanderfeld verschoben. Das Wanderfeld entsteht durch mindestens drei nebeneinanderliegende, um das Hüllrohr (1) gewickelte, ortsfeste Statorspulen (4) mit separater und variabler Bestromung. Die Position des Läufers (11) wird durch Selbsthaltekräfte des Permanentmagneten (3) im Magnetfeld der Spulen (4) festgelegt. Das magnetische Wanderfeld und somit auch der Läufer (11) sind axial beliebig fein verschiebbar. Die Verfahrstrecke des Läufers (11) kann je nach Anzahl der Spulen (4) beliebig lang gestaltet werden. Das System ist zur Miniaturisierung von optischen Systemen geeignet.The invention relates to a three-phase linear synchronous motor, which has a rotor (11) with a central, axial bore, in the optical elements - for. B. an optical lens (7) - can be installed. The rotor (11) consists of a sliding sleeve (2) in which there is a permanent magnet (3) polarized in the axial direction with a free central passage. The rotor (11) is guided in a stationary cladding tube (1). The rotor (11) is displaced by the interaction of the permanent magnet (3) with a magnetic traveling field moving along the optical axis. The traveling field is created by at least three stationary stator coils (4) lying next to one another and wound around the cladding tube (1) with separate and variable current supply. The position of the rotor (11) is determined by the self-holding forces of the permanent magnet (3) in the magnetic field of the coils (4). The magnetic traveling field and thus also the rotor (11) can be moved axially as desired. The travel distance of the rotor (11) can be made as long as desired, depending on the number of coils (4). The system is suitable for miniaturization of optical systems.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Wanderfeld-Linearmotor, der eine Magnetspulenanordnung sowie einen relativ zur Magnetspulenanordnung linear beweglichen Permanentmagneten aufweist. Die Magnetspulenanordnung umfasst dabei wenigstens drei Magnetspulen, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass ein magnetisches Wanderfeld zum positionsgenauen Bewegen des Permanentmagneten zu erzeugen ist.The The invention relates to an electromagnetic traveling field linear motor, one magnet coil arrangement and one relative to the magnet coil arrangement linearly movable permanent magnet. The magnet coil arrangement includes at least three magnetic coils, which are designed and are arranged that a magnetic traveling field for precise position Moving the permanent magnet is to be generated.
Außerdem betrifft die Erfindung einen Antrieb für optische Elemente wie beispielsweise Linsen, Prismen, Spiegel, Blenden, CCD-Chips usw.Also concerns the invention a drive for optical elements such as lenses, prisms, mirrors, screens, CCD chips etc.
insbesondere die Miniaturisierung von optischen Systemen, die motorisch verschiebbare optische Elemente enthalten (Linse, Prisma, Spiegel, Blende, CCD-Chip, etc.), erfordert die Entwicklung besonderer Antriebstechniken. Hierbei sind eine Reihe optischer Anforderungen einzuhalten, beispielsweise eine gute Positionierbarkeit, eine beliebig lange Verfahrstrecke des zu bewegenden optischen Elements, eine individuelle Verschiebung von mehreren optischen Komponenten mit überschneidenden Verfahrwegen, Freihalten des Strahlengangs in allen Stellungen des optischen Elements, etc.in particular the miniaturization of optical systems, the motor-driven contain optical elements (lens, prism, mirror, aperture, CCD chip, etc.), requires the development of special drive technologies. in this connection there are a number of optical requirements to be met, for example one good positionability, any travel distance of the optical element to be moved, an individual shift of several optical components with overlapping travel paths, Keeping the beam path clear in all positions of the optical element, Etc.
Aus dem US-Patent 5 490 015 ist ein piezoelektrischer Stellantrieb zur Bewegung einer Fokussierlinse bekannt. Dabei wird ein piezoelektrischer Stapelaktor impulsförmig erregt, wodurch sich die mit dem Aktor verbundene Fokussierlinsenhalterung kurzzeitig bewegt. Längere Stellwege lassen sich durch eine zeitliche Abfolge von Spannungsimpulsen erzielen. Allerdings führen der einseitige Krafteingriff des Aktors sowie dessen impulsartige Betätigung zu einer longitudinalen Ruckbewegung, deren Amplitude empfindlich von der örtlichen Haftreibung bestimmt wird, so dass Verstellgeschwindigkeit und Stellgenauigkeit begrenzt sind. Störend sind auch die zur Betätigung des Aktors notwendigen hohen Spannungsimpulse, die z. B. das Videobild beeinträchtigen. Insgesamt erschwert die Ausführung dieses Aktors die Verstellung mehrerer Linsengruppen, behindert die Miniaturisierung der gesamten Anordnung und ist wegen der Piezoaktorik bei Temperaturen über 100 °C (z. B. Sterilisation medizinischer Instrumente bei 133 °C, Überwachung von Schweißvorgängen usw.) nur schwer einsetzbar.Out U.S. Patent 5,490,015 is a piezoelectric actuator for Movement of a focusing lens is known. A piezoelectric stack actuator is used pulse form excited, whereby the focusing lens holder connected to the actuator briefly emotional. longer Travel ranges can be achieved through a chronological sequence of voltage pulses. However, lead the one-sided force intervention of the actuator and its impulse-like activity to a longitudinal jerk movement, the amplitude of which is sensitive from the local Stiction is determined so that adjustment speed and positioning accuracy are limited. disturbing are also those for actuation of the actuator necessary high voltage pulses, the z. B. the video image affect. Overall, the implementation is difficult this actuator prevents the adjustment of several lens groups the miniaturization of the entire arrangement and is because of the piezo actuator at temperatures above 100 ° C (e.g. B. Sterilization of medical instruments at 133 ° C, monitoring welding processes, etc.) difficult to use.
Zur
Ansteuerung eines Zoomobjektivs sind aus der
Aus
der
Aus
der
Aus
der Offenlegungsschrift
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen möglichst kleinen, einfachen und positionsgenauen Antrieb der eingangs genannten Art zu schaffen. Im Falle eines Antriebs für optische Elemente soll die Positionierung optischer Elemente beliebig flexibel erfolgen können und die gesamte Einheit so weit miniaturisierbar sein, dass Durchmesser im Bereich weniger Millimeter erreichbar sind.It is the object of the present invention, the smallest possible, simple and create positionally accurate drive of the type mentioned. In the case of a drive for The positioning of optical elements should be as flexible as possible can be done and the entire unit can be miniaturized to the extent that diameter can be reached in the range of a few millimeters.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen elektromagnetischen Wanderfeld-Linearmotor der eingangs genannten Art erreicht, bei dem die Magnetspulen um einen längsgestreckten Hohlraum gewundene, geschlossene Leiterdrahtwicklungen aufweisen und der Permanentmagnet axial polarisiert und im Inneren des Hohlraums längs beweglich geführt ist.According to the invention Task by an electromagnetic traveling field linear motor achieved at the outset, in which the magnetic coils by one elongated Have void wound, closed conductor wire windings and the permanent magnet is polarized axially and inside the cavity longitudinally movable guided is.
Indem die Wicklungen der Magnetspulen vollständig um den Hohlraum gewunden sind, ist ein besonders einfacher und kleiner Aufbau des Linearmotors möglich. Das ortsveränderliche magnetische Wanderfeld bewegt den Permanentmagneten, der beispielsweise mit ebenfalls in dem Hohlraum positionierten optischen Elementen verbunden sein kann. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders kleiner positionsgenauer Linearantrieb für optische Elemente.By doing the windings of the solenoids are completely wound around the cavity are a particularly simple and small structure of the linear motor possible. The portable Magnetic traveling field moves the permanent magnet, for example with optical elements also positioned in the cavity can be connected. This results in a particularly small one Positionally accurate linear drive for optical elements.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind an beiden Längsenden des Permanentmagneten weichmagnetische Läuferpolschuhe angeordnet. Außerdem ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ein weichmagnetisches Außenrohr vorgesehen, welches den Hohlraum umschließt und in dem die Leiterdrahtwicklungen untergebracht sind. Diese beiden Maßnahmen tragen jeweils separat zu einer effizienten Nutzung des durch die Magnetspulenanordnung erzeugten elektromagnetischen Wanderfeldes bei.In are a preferred embodiment at both longitudinal ends the permanent magnet arranged soft magnetic rotor pole shoes. Besides, is in a further preferred embodiment, a soft magnetic Outer tube provided, which encloses the cavity and in which the conductor wire windings are housed. These two activities contribute separately to the efficient use of the by Magnetic coil arrangement generated electromagnetic traveling field at.
Schließlich ist vorzugsweise eine in dem Hüllrohr axial beweglich geführte Gleithülse vorgesehen, die mit dem Permanentmagneten verbunden ist und die beispielsweise die optischen Elemente in Form von Linsen aufnehmen kann.Finally is preferably one in the cladding tube guided axially movable sliding sleeve provided that is connected to the permanent magnet and the for example, the optical elements in the form of lenses can.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante umfasst einen dreiphasigen linearen Synchronmotor der in Anspruch 1 genannten Art, der eine axiale Verschiebung von optischen Elementen entlang seiner Achse bewirkt. Sein Aufbau erlaubt eine Miniaturisierung des optischen Systems und bewahrt dabei eine große Flexibilität bei der Auslegung der Optik.A particularly preferred embodiment variant comprises a three-phase linear synchronous motor which in claim 1 mentioned type, the axial displacement of optical elements along its axis. Its structure allows miniaturization of the optical system while maintaining great flexibility in the Design of the optics.
Konkret ist ein elektromagnetischer Wanderfeldmotor zur Bewegung optischer Elemente in einem Hüllrohr vorgesehen, bei dem der Motor eine axial bewegliche Gleithülse aufweist, die in dem Hüllrohr gleitet und mindestens einen axial polarisierten Permanentmagneten sowie optische Elemente aufnimmt. Außerdem ist eine Anordnung von mindestens drei Spülen vorgesehen, die um das Hüllrohr geschlungen sind und durch unabhängige, variable Bestromung ein magnetisches Wanderfeld erzeugen können, das durch einen magnetischen Rückfluss über ein weichmagnetisches Außenrohr und weichmagnetische Läuferpolschuhe konzentriert geführt und verstärkt wird. Das dreiphasige Wanderfeld dient zur axialen Bewegung des Permanentmagneten und der mit diesem verbundenen Gleithülse. Das Wanderfeld erzeugt durch Wechselwirkung mit dem Permanentmagneten Selbsthaltekräfte, die zur Festigung des Läuferorts sowie zur Positionsstabilisierung der optischen Elemente durch rücktreibende Kräfte führen.Concrete is an electromagnetic traveling field motor for moving optical Elements in a cladding tube provided in which the motor has an axially movable sliding sleeve, those in the cladding tube slides and at least one axially polarized permanent magnet as well as optical elements. In addition, an arrangement of at least three sinks provided around the cladding tube are looped and by independent, variable current can generate a magnetic traveling field that through a magnetic reflux over a soft magnetic outer tube and soft magnetic rotor pole shoes focused and guided reinforced becomes. The three-phase traveling field serves for the axial movement of the Permanent magnet and the sliding sleeve connected to it. The Traveling field generated by interaction with the permanent magnet Even holding forces, those to consolidate the runner's place as well as to stabilize the position of the optical elements by driving them back Lead forces.
Diese Anordnung stellt einen elektromagnetischen Wanderfeldmotor dar, der vom Prinzip her als dreiphasiger linearer Synchronmotor aufgefasst werden kann. Dieser dient zur kontinuierlichen Verschiebung einzelner Linsen, Linsengruppen oder anderer optischer Elemente (beispielsweise Prismen, Spiegel, Blenden, CCD-Chips, etc.) und eignet sich insbesondere für miniaturisierte optische Instrumente wie z.B. Endoskope. Typische Aufgaben des Motors sind das Vergrößern oder Verkleinern eines Bilds in einer Bildebene durch Bewegen eines Zoomobjektivs, Bewegen eines Bildaufnehmers oder das Einstellen der Bildschärfe durch Verschieben einer Fokussierlinse.This Arrangement represents an electromagnetic traveling field motor, which is understood in principle as a three-phase linear synchronous motor can be. This is used to continuously shift individuals Lenses, lens groups or other optical elements (for example Prisms, mirrors, panels, CCD chips, etc.) and is particularly suitable for miniaturized optical instruments such as Endoscopes. Typical engine tasks are enlarging or Reducing an image in an image plane by moving a zoom lens, Moving an imager or adjusting the focus Moving a focusing lens.
Hierzu gleitet pro Stellelement eine dünnwandige Gleithülse, in der sich ein in axialer Richtung polarisierter Permanentmagnet mit freiem Mitteldurchgang befindet, als Läufer in einem ortsfesten Hüllrohr. Die Gleithülse dient zur Aufnahme und Zentrierung des Permanentmagneten sowie der optischen Elemente. Sie wird durch Wechselwirkung des Permanentmagneten mit einem entlang der optischen Achse gerichteten magnetischen Wanderfeld bewegt, das durch mindestens drei nebeneinanderliegende und um das Hüllrohr gewickelte ortsfeste Spulen mit separater und variabler Bestromung entsteht. Die Position des Läufers wird durch Selbsthaltekräfte des Permanentmagneten im Magnetfeld der Spulen festgelegt, so dass keinerlei Wegmeßsystem erforderlich ist. Die Selbsthaltung ist insbesondere bei fest eingestellter Position der optischen Elemente vorteilhaft, da sie eine Fehljustage der Linsen oder Objektive durch eine ruckweise Bewegung des Instruments oder infolge der Schwerkraft verhindert. Weiterhin gelingt eine sehr präzise Einstellung der Position, da der Einfluss der Haftreibung durch kurzzeitige Erhöhung der Stromstärke beliebig reduzierbar ist. Aufgrund der Spulenanordnung und dem resultierenden Magnetfeld ist die longitudinale Abmessung des Permanentmagneten gering, so dass der optische Strahlengang kaum beeinträchtigt wird.For this purpose, a thin-walled sliding sleeve, in which there is a permanent magnet polarized in the axial direction with a free central passage, slides per actuator as a rotor in a stationary cladding tube. The sliding sleeve is used to hold and center the permanent magnet and the optical elements. It is moved by the interaction of the permanent magnet with a magnetic traveling field directed along the optical axis, which is created by at least three stationary coils lying next to one another and wound around the cladding tube with separate and variable current supply. The position of the rotor is determined by the self-holding forces of the permanent magnet in the magnetic field of the coils, so that no displacement measuring system is required. The self-holding is particularly advantageous when the position of the optical elements is fixed, since it prevents misalignment of the lenses or lenses due to a jerky movement of the instrument or due to gravity. Furthermore, the position can be set very precisely, since the influence of static friction can be reduced as desired by briefly increasing the current. Due to the coil arrangement and the resulting magnetic field, the longitudinal dimension is Solution of the permanent magnet low, so that the optical beam path is hardly affected.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante erlauben es weitere nebeneinander angebrachte Dreiergruppen von Spulen, den Verfahrweg des Permanentmagneten, im Gegensatz zum Tauchspulenprinzip, beliebig weit zu gestalten. Hierfür ist keinerlei zusätzliche Längenänderung des Permanentmagneten erforderlich, wodurch alle Freiheitsgrade zur Gestaltung optischer Systeme erhalten bleiben und insbesondere die unabhängige Verschiebung verschiedener Linsen oder Linsengruppen eines optischen Systems durch mehrere Aktoren ermöglicht wird.In allow a preferred embodiment there are three groups of coils attached side by side, the Travel path of the permanent magnet, in contrast to the moving coil principle, as far as you want. There is no additional for this change in length of the permanent magnet required, giving all degrees of freedom for designing optical systems are retained and in particular the independent Shifting different lenses or lens groups of an optical system made possible by several actuators becomes.
Optische Instrumente wie Endoskope, Videokameras für die Mikromontage und zur Überwachung müssen einen möglichst geringen Durchmesser aufweisen. Ziel muss es daher sein, eine Miniaturisierung des gesamten optischen Systems einschließlich der Aktorik für die Linsenverstellung zu erreichen. Dies wird durch den erfindungsgemäßen feldgeführten permanentmagnetischen Wanderfeldmotor erreicht. Er lässt sich platzsparend und bis zu wenigen Millimeter im Durchmesser ausführen, wobei die Positioniergenauigkeit im Mikrometerbereich liegt.optical Instruments such as endoscopes, video cameras for micro assembly and for monitoring have to one if possible have a small diameter. The goal must therefore be miniaturization of the entire optical system including the actuator system for lens adjustment to reach. This is made possible by the field-guided permanent magnetic according to the invention Wanderfeldmotor reached. He let are space-saving and up to a few millimeters in diameter, whereby the positioning accuracy is in the micrometer range.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und darin dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:The Invention is illustrated below with reference to drawings and therein embodiments described. The drawings show:
In
Ein
das Bewegen und Positionieren des Läufers (
Der
Magnet (
- (I)
2 : gezeigt ist der Linearantrieb entsprechend1 jedoch mit drei Spulensystemen mit je drei Spulen (4a ,b ,c ), wobei jede vierte Spule die gleiche Bestromung erfährt. Die Strecke, in der der Läufer (11 ) aktiv verschoben wird, ist im Vergleich zu1 verdreifacht. Auf diese Weise kann die aktive Verfahrstrecke gemäß Anspruch 2 beliebig verlängert werden, wobei eine gleichzeitige axiale Verlängerung des Läufers (11 ) nicht erforderlich ist. Der Läufer (11 ) kann kontinuierlich und mit konstanter axialer Antriebskraft durch alle Spulensystem hindurch verschoben werden. - (II)
3 zeigt einen Wanderfeldmotor der zuvor beschriebenen Art, bei dem zwei Permanentmagnete des Läufers gegensinnig angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass zusätzliche Spulen (bei mehr als drei Spulen) von einem magnetischen Fluss durchflossen werden, die eine zusätzliche Lorenzkraft erzeugen. Damit nimmt die maximale Antriebskraft und die Steifigkeit bei gleicher elektrischer Leistung zu. Im Prinzip kann der Läufer beliebig viele Pole (> = 2) haben. - (III)
4 : gezeigt ist der Linearantrieb entsprechend1 jedoch ohne Gleithülse (2 ). Durch diesen Verzicht lässt sich radialer Bauraum gewinnen. In diesem Fall dienen die Mantelflächen der Polschuhe, des Permanentmagneten oder beider Komponenten als Laufflächen, die zur Minimierung von Reibung und Verschleiß mit Hartstoff beschichtet werden können. - (IV)
5 : gezeigt ist der Linearantrieb entsprechend1 jedoch mit ringförmigen, weichmagnetischen Statorpolschuhen (8 ) zwischen den Spulen (4 ) zur Führung des magnetischen Flusses. Daraus ergeben sich gemäß Anspruch 10 im Vergleich zu der Luftspulenanordnung (1 ) höhere Stellkräfte. Die Axialkraft ist aber ortsabhängig und kann je nach Auslegung zu einer mehr oder weniger ausgeprägten Rastkraft führen. - (V)
6 : beispielhafte Darstellung, wie gemäß Anspruch 3 zwei Läufer (11 und12 ) mit überlappenden Verfahrstrecken getrennt voneinander verschoben werden können. Der dargestellte Stator (10 ) entspricht2 , die beiden Läufer (11 und12 ) entsprechen1 . Im oberen Teil (A) von -
5 wird der Läufer (11 ) von den zwei Spulensystemen (4 ) bewegt, während ein davon unabhängig bestromtes Spulensystem (9 ) auf den Läufer (12 ) einwirkt. Wird nun die mittlere Dreiergruppe von Spulen an das System (9 ) angeschlossen (untere Teilabbildung B), so kann der Läufer (12 ) in den Bereich verfahren werden, in dem vorher Läufer (11 ) mit dem Spulensystem (4 ) bewegt wurde. Vor dem Umschalten der Bestromung des mittleren Dreierspulenpakets sollte der Läufer (11 ) aus dem mittleren Spulensystems herausgefahren werden, da er ansonsten – gemeinsam mit dem Läufer (12 ) – von dem System (9 ) angesprochen wird.
- (I)
2 : the linear drive is shown accordingly1 however with three coil systems with three coils each (4a .b .c ), with every fourth coil receiving the same current. The distance in which the runner (11 ) is moved actively compared to1 tripled. In this way, the active travel distance can be extended as desired, with a simultaneous axial extension of the rotor (11 ) is not required. The runner (11 ) can be moved continuously and with constant axial driving force through all coil systems. - (II)
3 shows a traveling field motor of the type described above, in which two permanent magnets of the rotor are arranged in opposite directions. This has the advantage of having additional coils (if there are more than three coils) from one magnetic Flow through, which generate an additional Lorenz force. This increases the maximum driving force and rigidity with the same electrical power. In principle, the rotor can have any number of poles (> = 2). - (III)
4 : the linear drive is shown accordingly1 but without sliding sleeve (2 ). This waiver allows radial space to be gained. In this case, the outer surfaces of the pole shoes, the permanent magnet or both components serve as running surfaces that can be coated with hard material to minimize friction and wear. - (IV)
5 : the linear drive is shown accordingly1 however with ring-shaped, soft magnetic stator pole shoes (8th ) between the coils (4 ) to guide the magnetic flux. According to claim 10, this results in comparison to the air coil arrangement (1 ) higher actuating forces. However, the axial force is location-dependent and, depending on the design, can lead to a more or less pronounced locking force. - (V)
6 : exemplary representation of how two runners according to claim 3 (11 and12 ) can be moved separately from each other with overlapping travel distances. The stator shown (10 ) corresponds2 , the two runners (11 and12 ) correspond1 , In the upper part (A) of -
5 the runner (11 ) of the two coil systems (4 ) moves while a coil system that is powered independently of it (9 ) on the runner (12 ) acts. If the middle group of three coils is now connected to the system (9 ) connected (lower part B), the runner (12 ) be moved into the area in which runners (11 ) with the coil system (4 ) was moved. Before switching the current to the middle triple coil package, the rotor (11 ) are moved out of the middle coil system, otherwise it - together with the rotor (12 ) - from the system (9 ) is addressed.
In
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