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Die Erfindung betrifft allgemein winkelbegrenzte elektromechanische Drehstellglieder und insbesondere Stellglieder, die auf dem Gebiet des optischen Scannens zum Einsatz kommen.
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Seit Jahrzehnten gibt es winkelbegrenzte, elektromechanische Drehstellglieder. Sie kommen in vielfältigen Gewerbe- und Kundenanwendungen zum Einsatz, sind aber auf dem Gebiet des optischen Scannens dort besonders nützlich, wo ein optisches Element an einer Stellglied-Ausgangswelle befestigt ist und dann oszillierend hin- und hergedreht wird.
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Beispielsweise und wie dargestellt anhand von 1 ist es üblich, einen Spiegel an der Ausgangswelle eines Drehstellglieds zu befestigen, um ein optisches Scansystem zu bilden. In dieser Anwendung kann die Stellglied/Spiegel-Kombination einen Lichtstrahl über einen Bereich von Winkeln umleiten oder das Sehfeld einer Kamera umleiten, so dass sie vielfältige Ziele beobachten kann.
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Allgemein sind typische elektromechanische Drehstellglieder, die auf dem Gebiet des optischen Scannens verwendet werden, aus einer gewissen Kombination aus Magnet, Stahl und Spulen aus isolierten „Magnet”-Drähten hergestellt. Diese Elemente wurden auf vielfältige Weise angeordnet, aber in den letzten zwanzig Jahren bestand die am weitesten verbreitete Anordnung darin, einen einfachen zweipoligen Rotormagnet und eine „zahnlose” Statorkonstruktion zu verwenden, ähnlich wie ein schlitzloser/bürstenloser Gleichstrom- oder Wechselstrom-Synchronmotor, aber mit einer einfacheren, einphasigen Spulenanordnung.
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In diesen Stellgliedern ist der Rotor normalerweise aus einem zylindrischen Magnet hergestellt, an dem eine oder zwei Wellen auf die eine oder andere Weise befestigt sind. Beispielhaft sind mehrere bekannte Rotoranordnungen anhand von 2, 3 und 4 veranschaulicht.
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Beim Einsatz dieser Art von Stellglied zum optischen Scannen kann eine Welle an einem Spiegel befestigt und eine weitere Welle mit einem Positionssensor betreibbar sein. Normalerweise wird die Rotoranordnung auf einer Seite oder beiden Seiten durch Kugellager abgestützt.
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Hilfreich ist, die bekannte Stellgliedtechnologie zu betrachten und sich auf bekannte Stellglieder zu beziehen, um die Bedürfnisse besser zu verstehen, die durch Ausführungsformen der Erfindung erfüllt werden.
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5 zeigt eine Schnittansicht einer Anordnung aus Rotormagnet, Stator und Spule, die man in einem typischen herkömmlichen optischen Scanner des derzeitigen Stands der Technik vorfindet. Im Wesentlichen ist der Stator röhrenförmig und aus einem massiven Stück aus magnetisch leitendem Material hergestellt, z. B. kaltgewalztem Stahl. Für den Rotormagnet mit einem Durchmesser von 3,048 Millimeter (0,120 Inch) kann eine typische Statorröhre einen Außendurchmesser von rund 12,7 Millimeter (0,5 Inch) und einen Innendurchmesser von etwa 5 Millimeter (0,196 Inch) haben. Die Spule ist aus Magnetdrahtwindungen hergestellt, die mit der Innenwand der Statorstahlröhre mit Hilfe von Epoxidkleber verklebt sind. Jede Seite der Spule ist als Bogen ausgebildet, der darstellungsgemäß oft einen Bogen von etwa 90 Grad auf jeder Seite des Stators belegt. Normalerweise ist ein Spalt von 0,178 Millimeter (0,007 Inch) zwischen der Außenwand des Rotormagneten und der Innenwand der Spule vorhanden, wodurch der Magnet frei drehen kann. Mit weiterem Bezug auf 5 sind die Spulenbereiche mit „Spule plus” und „Spule minus” bezeichnet, um in das Zeichnungsblatt hinein verlaufende Windungen bzw. aus dem Blatt heraus kommende Windungen zu kennzeichnen.
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6 veranschaulicht Magnetfeldlinien, die man in einem herkömmlichen optischen Scanner des derzeitigen Stands der Technik gemäß 5 vorfindet, der einen massiven zylindrischen diametral magnetisierten Rotormagnet verwendet. Deutlich ist, dass sich die magnetischen Flusslinien über einen relativ großen Spalt erstrecken (ihn „überspringen”) müssen, um den Statorstahl zu erreichen. Die Spule befindet sich zwischen dem Magnet und dem Statorstahl. Bei Erregung der Spule wird eine Lorentzkraft sowohl auf die Spule als auch den Magnet ausgeübt. Da die Spule mit dem Stator normalerweise verklebt ist und somit feststehend gehalten wird, wird die Kraft insgesamt zum Rotormagnet übertragen. Da Kraft auf Gegenseiten des Magneten erzeugt wird, wobei die Kraft Drehmomentform hat, erzeugt das Stellglied ein Drehmoment und bewirkt somit eine Drehung.
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9a zeigt einen zylindrischen Rotormagnet und Spulenwicklungen. Wie dargestellt, liegt der Magnet im Wesentlichen „innerhalb” der Spule. In dieser Darstellung ist Stahl, der außerhalb der Spule liegt, nicht gezeigt. Zur Spule gehören mehrere Magnetdrahtwindungen. Der lange, gerade Abschnitt der Spule ist als „aktiver Abschnitt” bekannt, da dies der Abschnitt ist, der zum Drehmoment auf dem Magnet beiträgt. Der abgerundete Abschnitt der Spule ist als Wickelkopf bzw. „Endwindungen” bekannt. Zur Drehmomenterzeugung tragen die Endwindungen nicht bei. Sie sind lediglich dazu vorhanden, den aktiven Abschnitt auf einer Seite der Spule mit der anderen Seite der Spule zu verbinden. Jedoch ist jede Erwärmung der Antriebsspule als Ergebnis von sie durchlaufendem Strom auch in den Endwindungen vorhanden. Zwar tragen die Endwindungen also nicht zur Drehmomenterzeugung bei, sie steuern aber Wärme, ohmschen Widerstand und elektrische Induktivität bei, alles Attribute, die für die Gesamtleistung des Stellglieds von Nachteil sind. Daher gibt es Gründe, die Endwindungen möglichst kurz zu halten, um diese negativen Auswirkungen zu minimieren.
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Als weiteres Beispiel umgeben mit erneutem Bezug auf 9a die Spulenwindungen der Spule darstellungsgemäß den Magnet vollständig auf einem oberen, unteren, linken und rechten Abschnitt. Normalerweise wird diese Spulenanordnung in bekannten Stellgliedern nicht verwendet, da gemäß der schematischen Darstellung in dieser 9a die Endwindungen eine Welle daran hindern würden, den Magnet zu erreichen. Statt dessen müssen die Endwindungen weggebogen (oder eher „verformt”) werden, was 9b veranschaulicht. Sind die Endwindungen auf diese Weise ausgebildet, kann dies der Welle (die am Magnet befestigt ist) normalerweise ermöglichen, die Endwindungen „zu durchlaufen”, und effektiv zu einem in der Spule gebildeten „Loch” führen. Natürlich bedeutet das, dass die „Endwindungen” unerwünscht länger hergestellt sein müssen, um ein solches „Loch” zu erzeugen. Wie später in den Lehren der Erfindung dargestellt, ist ein solches unerwünschtes Merkmal in Stellgliedern beseitigt, die hier beispielhaft vorgestellt werden.
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Eine solche herkömmliche Stellgliedanordnung hat einige erwünschte Nutzeffekte. Ein Vorteil ist die relativ niedrige Spuleninduktivität, die sich daraus ergibt, dass die Spule einen geschlossenen Stahlkern nicht vollständig umgibt. Im Gegenteil: das gesamte Innere des Stellglieds ist offen, wobei es nur den Rotormagnet enthält, dessen Permeabilität nahezu gleich der von Luft ist. Ein weiterer Nutzeffekt ist, dass der Rotor allgemein keine „bevorzugte Position” hat, was bedeutet, dass sobald der Rotor positioniert ist, Strom aus der Spule entfernt werden kann und der Rotor in dieser Position bleibt. Für Anwendungen zum optische Scannen ist die Leistung dieser Art von Stellglied für Anwendungen gut geeignet, zu denen Lasermarkierung und eine gewisse grafische Laserprojektionen zählen.
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Obwohl dieser herkömmliche Stellgliedaufbau seit mehr als zwei Jahrzehnten zum optischen Scannen erfolgreich eingesetzt wurde, haben aber die Kosten für die Bildung der Spule und das anschließende Verkleben der Spule mit dem Stator verhindert, dass diese Art von Stellglied in bestimmten Verbraucheranwendungen sehr erfolgreich ist, darunter verkaufsfördernde Displays, 3D-Drucker und bestimmte selbstfahrende Kraftfahrzeuge und solche mit Fahrassistenzsystemen, bei denen niedrige Kosten ausschlaggebend sind.
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Für die Art von Stellglied, dessen Anordnung in
5 gezeigt ist und dessen wie zuvor beschrieben gebildete Endwindungen
9b veranschaulicht, ist die Spule das schwierigste und somit das teuerste Teil in der Herstellung, da sie idealerweise in drei Dimensionen gewickelt werden muss. Allgemein gezeigt sind Spulen dieser Art in
2a der
US-A-4090112 (Position
50);
1 der
US-A-5313127 (Position
30);
8 der
US-A-5424632 (Position
75) und
4 der
US-A-6633101 (Positionen
34 und
42). Obwohl einige der Zeichnungen alle individuellen Spulenwindungen mit sauberer Ausbildung und sehr guter Kupferpackung zeigen, sind so ordentliche Spulenwicklungen normalerweise nicht bekannt. Aufgrund der dreidimensionalen Beschaffenheit der Spulenwicklung konkurrieren die einzelnen Windungen oft effektiv um Platz, wobei Windungen sich „überkreuzen”, was zu suboptimaler Stromdichteverteilung wie auch suboptimaler Wärmeverteilung zwischen den Windungen der Spule führt.
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Ungeachtet dessen ist nach Bildung der Spule ihr Einführen in den Stator die nächste Herausforderung. Aufgrund der engen Nähe zwischen der Statorwand und den Spulenwicklungen kann beim Einführvorgang die Isolierung auf der Spule zerkratzt werden, was zu sofortigem oder latentem elektrischem Ausfall vom Typ „Kurzschluss zwischen Spule und Gehäuse” führt.
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Für diese Art von Stellglied ist das verkleben der Spule mit den Statorwänden ein weiterer schwieriger Herstellungsschritt. Häufig wird wärmeleitender Epoxidkleber verwendet, um die Spule mit der Innenseite der Statorwände zu verkleben, aber sehr oft bilden sich Luftblasen in der Verklebung, was zu suboptimaler Wärmeabfuhr führt. Zudem ist die erforderliche Härtezeit für den Epoxidkleber eine weitere Herausforderung.
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Ohne ein gewisses äußeres winkelbegrenzendes Element können diese typischen Stellglieder bekanntlich im Stator frei drehen und jede Drehposition einnehmen. Allerdings ist dies für optische Scananwendungen unerwünscht, da diese Anwendungen nur einen Spiegel über einen relativ begrenzten Winkelbereich bewegen – allgemein höchstens 40 Grad mechanisch Spitze-zu-Spitze. Außerdem wird bei Gebrauch einer einzelnen Spule zusammen mit einem zweipoligen Magnet kein gewünschtes Drehmoment bei allen Drehwinkeln erzeugt, und bei bestimmten Winkeln kommt sogar überhaupt kein Drehmoment zustande. Aus diesen Gründen ist dieser Art von Stellglied eine externe Drehbegrenzung auferlegt. Am häufigsten erfolgt diese Begrenzung durch einen „Anschlagstift”, der durch eine der Wellen getrieben ist und der einen Eingriff mit äußeren feststehenden Elementen herstellt. Gezeigt sind Anschlagstifte dieser Art in
1 der
US-A-5936324 (Bezugszahl
32) und
2 der
US-A-5424632 (Bezugszahl
18).
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Bei Gebrauch eines Anschlagstifts muss die Axiallänge der Welle zwangsläufig verlängert sein, damit Platz für ihn geschaffen wird. Ein Loch ist dort in die Welle gebohrt, wo der Anschlagstift liegt. Obwohl der Anschlagstift das Loch zum großen Teil füllt, füllt er das Loch nicht vollständig. Daher schwächt die Kombination aus einer längeren Welle plus dem für den Anschlagstift gebohrten Loch die Welle und senkt unerwünscht Resonanzfrequenzen im Torsions- und Biegemodus.
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Bei Gebrauch dieser Art von herkömmlichem Stellglied für Anwendungen zum optische Scannen sind die Kosten für das Formen, Einführen und Festhalten der Spule eine echte Einschränkung, wie billig ein optischer Scanner hergestellt werden kann, und diese Einschränkung hat verhindert, dass sich bestimmte Laserscananwendungen im Verbraucherbereich gut entwickeln. Aus diesem Grund besteht eindeutig Bedarf an einem elektromechanischen Drehstellglied, das allgemein alle Nutzeffekte dieser Art von herkömmlichem Stellglied für optische Scananwendungen bereitstellt, während zugleich seine Herstellungskosten niedriger sind.
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Mit erneutem Bezug auf
7 und
8 ist ein bekanntes Stellglied gemäß der
US-A-4319823 für Anwendungen in Kameraverschlüssen gestaltet. In diesem Stellglied ist die Spule rechteckig und umgibt den Magnet, und eine Welle ist an dem Magnet mit Hilfe eines U-förmigen Zwischenteils befestigt. Leider konnte aber wegen der Verwendung nur einer Welle und der Art und Weise, wie die Welle am Magnet befestigt ist, dieses Stellglied nicht für optische Hochleistungs-Scananwendungen verwendet werden, besonders wenn diese Anwendungen auch Rotorpositionsinformationen erforderten.
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Die zuvor angeführten Patentveröffentlichungen, darunter die
US-A-4090112 „Electrically Damped Oscillation Motor” (offenbar die erste Art von optischem Scanner vom „Drehmagnet”-Typ);
US-A-5313127 „Moving Magnet Motor” (ein Stellglied vom Drehmagnettyp);
US-A-5424632 „Moving Magnet Optical Scanner with Novel Rotor design” für Montagu (eine Scanner- und Rotoranordnung mit Drehmagnet und einem Anschlagstift);
US-A-5936324 für Montagu „Moving Magnet Scanner” (Motor, der eine Anschlagstiftposition nutzt);
US-A-6633101 für Stokes „Moving magnet Torque Motor” (ein Stellglied);
US-A-7365464 für Brown „Composite Rotor and Output Shaft for Galvanometer Motor and Method of Manufacture Thereof” (ein Rotoranordnungsverfahren ähnlich wie bei Montagu); und
US-A-8569920 für Ramon et al. „Small Electric Motor” (verbreitet verwendete Rotoranordnung und Verfahren), sind als Beispiele aufgeführt und hierin insgesamt durch Verweis aufgenommen.
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Gemäß den Lehren der Erfindung kann ein drehbegrenztes elektromechanisches Drehstellglied aufweisen: einen Stator, eine Rotoranordnung, die im Stator bidirektional betreibbar ist, und eine einzelne Spule, deren Form allgemein rechteckig ist. Die elektrische Spule umgibt einen Rotormagnet oben, unten und auf zwei Seiten.
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Die Rotoranordnung kann über eine Ausgangswelle, einen massiven zylindrischen diametral magnetisierten Magnet und eine Positionserfassungswelle bzw. Positionssensorwelle verfügen. Die Ausgangswelle und Positionssensorwelle weisen jeweils eine Öffnung auf, in der die elektrische Spule durchlaufen kann, während sie der Rotoranordnung immer noch zu drehen ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist ein drehbegrenztes elektromechanisches Drehstellglied einen Stator mit einer Öffnung auf, die so bemessen ist, dass sie eine Rotoranordnung und eine Rechteckspule aufnimmt. Eine Rotoranordnung ist mit dem Stator über einen begrenzten Drehbereich bidirektional betreibbar. Die Rotoranordnung weist eine Ausgangswelle und einen zweipoligen Magnet sowie eine Positionssensorwelle auf, wobei die Ausgangswelle und Positionssensorwelle jeweils nur an einem Abschnitt des Magneten starr befestigt sind. Die Rotoranordnung weist Öffnungen zum Durchlaufenlassen einer elektrischen Spule auf. Die elektrische Spule erstreckt sich um den Magnet auf vier Seiten und ist zum Bereitstellen von bidirektionalem Drehmoment für den Rotor erregbar.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende nähere Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen. Es zeigen:
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1 einen typischen optischen Scanner, wobei ein Spiegel auf einem Ende einer Stellgliedwelle platziert ist;
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2 eine Art von bekannter Rotoranordnung gemäß der Beschreibung in der
US-A-5424632 , wobei zwei Wellenenden an einer Hülse befestigt sind und ein Rotormagnet in der Hülse enthalten ist;
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3 eine weitere Art von bekannter Rotoranordnung gemäß der Beschreibung in der
US-A-6633101 , wobei ein einzelnes Wellenende am Magnet befestigt ist und wobei das Wellenende vollständig zylindrisch ist, was im Wesentlichen einen „Napf” bildet, in den der Magnet voll eingeführt ist;
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4 noch eine weitere Art von bekannter Rotoranordnung, wobei der Magnet röhrenförmig mit einem Durchgangsloch ist, das von einer massiven Welle durchlaufen wird;
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5 eine Schnittansicht einer Anordnung aus Rotormagnet, Statorstahl und Spulenplatzierung in einem bekannten Stellglied;
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6 Magnetfeldlinien in der Anordnung gemäß 5, wenn ein massiver zylindrischer diametral magnetisierter Magnet verwendet wird;
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7 und
8 ein bekanntes Stellglied gemäß der Beschreibung in der
US-A-4319823 mit einem Magnet und einer Spulenwicklung mit Endwindungen;
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9a eine schematische Darstellung einer Spule, die um einen zylindrischen Magnet auf gewünschte Weise gewickelt ist, um zu vermeiden, Endwindungen zum Aufnehmen einer Welle bilden zu müssen;
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9b eine weitere Anordnung aus zylindrischem Rotormagnet und Spulenwicklungen, wobei die Endwindungen so ausgebildet sind, dass der Magnet und die Rotorwelle durchlaufen können;
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10 eine Schnittansicht eines Stellglieds gemäß den Lehren der Erfindung;
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11 eine weitere Schnittansicht der Ausführungsform von 10, wobei eine Ebene der Schnittansicht 90 Grad verglichen mit 10 orientiert ist;
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12 eine Explosionsansicht eines Stellglieds gemäß den Lehren der Erfindung;
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13 eine schematische Darstellung einer mit dem Stellglied von 11 betreibbaren Rotoranordnung gemäß den Lehren der Erfindung;
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14 eine Ausführungsform einer Rotoranordnung gemäß den Lehren der Erfindung;
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14a eine Teilquerschnittansicht an Linien 14a-14a in 14, die einen Drehbereich darstellt, der beispielhaft in einer Region zwischen Spulenseiten begrenzt ist;
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15 eine weitere Ausführungsform als Ergebnis eines Verfahrens zur Bildung der Rotoranordnung;
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16a, 16b und 16c noch eine weitere Ausführungsform, wobei eine Rotoranordnung einen Magnet mit Kerben oder Schlitzen an jedem Ende und Wellen mit napfartigen Eingriffen aufweist;
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17a und 17b Ansichten eines Spulenhalters, der hier als geschlitzter, zylindrischer Spulenhalter realisiert ist;
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18 Magnetfeldlinien in einer Ausführungsform der Erfindung, wenn der Rotormagnet ein massiver, zylindrischer diametral magnetisierter Magnet ist und wenn der Spulenhalter aus einem Material, das nicht aus magnetisch leitendem Material besteht, zur effektiven Bildung eines schlitzlosen Stellglieds hergestellt ist; und
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19 die Magnetfeldlinien in der Erfindung, wenn der Rotormagnet ein massiver, zylindrischer diametral magnetisierter Magnet ist und der Spulenhalter aus einem Material, das aus magnetisch leitendem Material besteht, zur effektiven Bildung eines geschlitzten Stellglieds hergestellt ist.
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Nachstehend wird die Erfindung nun anhand der beigefügten Zeichnungen umfassender beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Gleichwohl kann die Erfindung in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt sein und ist nicht so zu interpretieren, als sei sie auf die hier vorgestellten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr dienen diese Ausführungsformen dazu, die Offenbarung gründlich und vollständig zu machen, und vermitteln dem Fachmann umfassend den Schutzumfang der Erfindung.
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Mit anfänglichem Bezug auf 10, 11, 12 wird hier eine Ausführungsform der Erfindung als elektromechanisches, drehbegrenztes Drehstellglied 10 beschrieben. Das hierin beispielhaft beschriebene Stellglied 10 weist einen Stellgliedkörper 12 auf, der den Stator 14 enthält, wobei der Körper in einem Stück mit dem Stator ausgebildet sein kann. Der Stator 14 hat eine Bohrung oder ein Loch 16, das sich darin axial erstreckt und in den Stator gebohrt sein kann, wobei das Loch ausreichend groß ist, um beispielsweise eine Rotoranordnung 18 sowie eine Rechteckspule 20, ein oberes Lager 22, ein unteres Lager 24 und einen Spulenhalter 26 einzupassen. Zu beachten ist, dass in einigen Ausführungsformen das obere Lager 22 oder untere Lager 24 einen Außendurchmesser haben kann, der größer als eine Gesamtabmessung des Lochs 16 ist, und somit das Loch Abschnitte haben kann, die größer sind, um die Lager unterzubringen. Wie anhand von 12 ferner gezeigt ist, kann eine Lagervorspannfeder 28 zum Einsatz kommen.
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Gemäß 13 und 14 weist die für die Ausführungsform hier beispielhaft beschriebene Rotoranordnung 18 eine Ausgangswelle 30, einen Magnet 32 und eine Positionserfassungswelle bzw. Positionssensorwelle 34 auf. Die Ausgangswelle 30 ist mit einem Abschnitt des Magneten 32 starr verbunden, wobei die Befestigung zum Großteil auf einem Außenumfang 36 (d. h., dem Durchmesser) des Magneten liegt. Wie hier beispielhaft beschrieben, weist die Welle 30 eine Verbindung 31 auf, die sich von einem Körperabschnitt der Welle erstreckt. Gemäß 14a ist die Verbindung 31 so bemessen, dass sie sich teilweise um eine Umfangsfläche des Magneten 32 erstreckt. Die Positionssensorwelle 34 ist auch mit einem Abschnitt des Magneten 32 an einem axial entgegengesetzten Ende 38 starr verbunden, wobei die Befestigung vorzugsweise zum Großteil auf dem Außenumfang 36 des Magneten 32 erfolgt. Wie hier beispielhaft beschrieben, weist die Welle 34 eine Verbindung 35 auf, die sich vom Körperabschnitt der Welle 34 erstreckt. Mit erneutem Bezug auf 14a wird dem Fachmann nunmehr angesichts der Lehren der Erfindung klar sein, dass die Verbindung 35 so bemessen ist, dass sie sich teilweise um eine Umfangsfläche (Umfang 36) des Magneten 32 erstreckt, und so wie die Verbindung 31 bemessen sein kann, um den gewünschten Drehbereich 19 zu wahren. Mit weiterem Bezug auf 14a ist die Rotoranordnung 18 über einen begrenzten Drehbereich 19 mit dem Stator 14 bidirektional betreibbar und erstreckt sich in das Loch 16. Als Beispiel für die hier beschriebene Ausführungsform ist der begrenzte Drehbereich 19 allgemein durch eine Bogenlänge der Verbinder 31, 35 so bestimmt, dass die Wellen 30, 34 zwischen gegenüberliegenden Seiten der Spule 20 gedreht werden können, ohne dass die Verbinder 31, 35 an den gegenüberliegenden Seiten der Spule anschlagen. Für die hier anhand von 14a veranschaulichte Ausführungsform wird der Verbinder 31 zwischen gegenüberliegenden aktiven Spulenabschnitten gedreht. Während die anhand von 14a als nicht einschränkendes Beispiel dargestellten Verbinder 31, 35 als einzelner kontinuierlicher Aufbau ausgebildet sind, wird dem Fachmann angesichts der Lehren der Erfindung klar sein, die einzelnen Verbinder 31, 35 auch als mehrere Verbinder auszubilden, wobei die Außenverbinder in den mehreren Verbindern die Bogenlänge und somit den begrenzten Drehbereich 19 festlegen. Ferner und mit erneutem Bezug auf 11 und 13 können die Verbinder 31, 35 Verbinderpaare aufweisen. Obwohl erwünscht ist, dass die Verbinder 31, 35 im Wesentlichen die zylindrische Außenfläche des Magneten 32 wie in der Darstellung für die hier beschriebenen Ausführungsformen kontaktieren, wird dem Fachmann weiterhin klar sein, dass ein Abschnitt oben und unten am Magnet von den Verbindern 31, 35 kontaktiert sein kann, ohne vom Wesen und von den Lehren der Erfindung abzuweichen. Die Spule steht nicht mit dem Magnet in Berührung, was Reibungskontakt damit vermeidet.
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In der Ausführungsform gemäß 13 ist der Magnet 32 ein zweipoliger, massiver zylindrischer diametral magnetisierter Magnet. Obwohl es mehrere Möglichkeiten gibt, einen Rotor mit Hilfe eines Magneten zu bilden, hat der Gebrauch eines massiven, zylindrischen diametral magnetisierten Magneten erwünschte Nutzeffekte. Ein Vorteil ist, dass der Magnet zu einem sinusförmigen Profil des Flusses als Funktion des Winkels führt (wobei hier „Winkel” im Hinblick auf den Magnet selbst zu verstehen ist). Seinerseits erzeugt dies ein etwa sinusförmiges Profil des Ausgangsdrehmoments als Funktion des mechanischen Rotorwinkels des Stellglieds 10, wenn Strom an der Spule 20 anliegt. Dennoch können andere Magnetformen verwendet werden und immer noch dem Grundgedanken und den Lehren der Erfindung entsprechen, darunter ein quadratischer und rechteckfömiger Magnet, solange der Magnet zwei Pole hat, die so angeordnet sind, dass sie mit dem aktiven Abschnitt der Rechteckspule 20 zusammenfallen. Als weiteres Beispiel sei erneut auf 10 verwiesen, die die aktiven Spulenabschnitte 20R und 20L in enger Nähe zum Nord- und Südpol des Magneten 32 zeigt.
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In bekannten Stellgliedern, die auf dem Gebiet des optischen Scannens zum Einsatz kommen, durchlaufen die Wellen normalerweise axial den Rotormagnet, was im Wesentlichen eine ununterbrochene und kontinuierliche Verbindung der Welle durch die Magnetachse bildet. Dagegen sieht bei Ausführungsformen der Erfindung, die hier beispielhaft beschrieben sind, die Rotoranordnung 18 eine Öffnung 40, 42 zum Durchgang der Spule 20 vor, wobei die Öffnung durch jede Welle 30, 34 verläuft, was mit weiterem Bezug auf 13 und 14 und nunmehr auf 15 gezeigt ist, oder alternativ durch Schlitze 44, 46 im Magnet 32, was in 16a, 16b und 16c dargestellt ist. Die Öffnungen 40, 42 sorgen für einen freien Raum zwischen der Welle 30, 34 und der Spule 20 sowie zwischen der Spule 20 und dem Magnet 32. In den hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen ist diese Öffnung 40, 42 dadurch erleichtert, dass die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 nur an einem Abschnitt des Magneten 32 befestigt sind und eine solche Befestigung zum Beispiel an Außenflächen 32L, 32R des Magneten 32 erfolgt, wodurch Wellen vorteilhaft keinen Mittelabschnitt der Ober- 32T und Unterseite 32B des Magneten nahe der Längsdrehachse 33 berühren.
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Deutlicher ausgedrückt ist für die Rechteckspule
20, die hier beispielhaft anhand der hier dargestellten Ausführungsformen beschrieben ist, klar und erwünscht, dass Material von den Wellen
30,
34 nicht die Ober- und Unterseite
32T,
32B des Magneten
32 an oder nahe der Längsachse berührt, was mit erneutem Bezug auf
14 veranschaulicht ist. Endwindungen der Spule
20 stehen auch nicht mit dem Magnet
32 an der Ober- und Unterseite in Kontakt. Dagegen stellen, wie normalerweise in der Technik der Fall, Bauelemente Kontakt mit der Achse des Magneten her. Beispielsweise berührt gemäß der o. g.
US-A-4319823 ein U-förmiges Teil die Achse und die gesamte Oberseite des Magneten. Bei anderen bekannten Stellgliedern ist eine Welle normalerweise zum Magnet ausgerichtet und durchläuft den Magnet mindestens teilweise entlang seiner Achse. Während Sensoren möglicherweise nicht befestigt sind, wird Kontakt mit dem Magnet normalerweise zum Ausrichten und Schwenken des Magneten genutzt.
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16a, 16b und 16c zeigen eine alternative Ausführungsform zur Bildung der Rotoranordnung 18 gemäß den Lehren der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist der Magnet 32 ein zweipoliger, zylindrischer diametral magnetisierter Magnet mit dem Einschnitt 44, 46 in einem oberen und unteren Abschnitt 32T, 32B. Die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 sind jeweils mit dem Magnet 32 an Außenabschnitten der Schlitze 44, 46 starr verbunden. In dieser Ausführungsform der Rotoranordnung 18 sind die Wellen 30, 34 relativ leichter herzustellen, wobei sie einfache napfartige Eingriffsbereiche haben. Zu beachten ist, dass in dieser Ausführungsform der Magnet 32 die Öffnungen 40, 42 vorsieht, die die Spule 20 durchlaufen kann.
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Mit erneutem Bezug auf 10 ist deutlich, dass die elektrische Spule 20, hier als nicht einschränkendes Beispiel rechteckförmig ausgeführt, den Magneten 32 auf seiner Ober-, Unter, linken und rechten Seite umgibt. Gebraucht man die zuvor festgelegte Spulenterminologie, sind die linke Seite 20L und rechte Seite 20R der Spule 20 die „aktiven Abschnitte”, und die Oberseite 20T und die Unterseite 20B der Spule 20 sind die „Endwindungen”. Die hier beispielhaft beschriebene Rechteckspule 20 ist erregbar, um bidirektionales Drehmoment für die Rotoranordnung 18 zu liefern.
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Da beispielhaft der zweipolige Magnet 32 zusammen mit der einzelnen elektrischen Spule 20 verwendet wird, deren aktive Abschnitte nur auf zwei Seiten 32L, 32R des Magneten 32 liegen, kommt es zu maximaler Ausgabe des Rotordrehmoments, wenn Nord- und Südpol des Magneten jedem aktiven Abschnitt der elektrischen Spule am nächsten sind, und minimales Drehmoment (im Wesentlichen null) tritt auf, wenn Nord- und Südpol des Magneten in einem 90-Grad-Winkel zum aktiven Abschnitt der Spule stehen, was mit weiterem Bezug auf 10 gezeigt ist.
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Die Innenabmessungen der Spule 20 sind so gewählt, dass ein Spalt 48 um den Magnet 32 vorgesehen ist, der hier als freier Raum zwischen dem Magnet und der Spule bezeichnet wird. Vorzugsweise ist dieser Spalt 48 möglichst klein gestaltet, da mit Vergrößerung dieses Spalts die Spulenfläche (wo Drahtwindungen zur Drehmomenterzeugung platziert sein können) effektiv abnimmt. Für das Stellglied 10 gemäß 10 und 11 beträgt dieser Spalt 48 etwa 0,152 Millimeter (0,006 Inch) rund um den gesamten Magnet 32, was aber nicht als Einschränkung aufzufassen ist.
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Die Außenabmessungen der Spule 20 sind so gewählt, dass sie ausreichend klein sind, damit sie in das Loch 16 im Stator passt, und auch klein genug sind, um mit der Öffnung 40, 42 zum Durchgang der Spule zusammenzuwirken, was letztlich den freien Raum zwischen der Welle 30, 34 und der Spule bildet.
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Wie mit weiterem Bezug auf 10 und 11 dargestellt, ist sowohl für die Ausgangswelle 30 als auch die Positionssensorwelle 34 der Spalt 48 vorhanden, der für den freien Raum zwischen der Welle 30, 34 und der Spule 20 und auch für einen freien Raum zwischen der Spule und dem Magnet 32 sorgt. Diese freien Räume sind durch die Öffnung 40, 42 zum Durchgang der Spule 20 effektiv vorgesehen und ermöglichen, dass die Rotoranordnung 18 über einen begrenzten Drehbereich frei dreht.
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Als Beispiel wirkt diese Öffnung 40, 42 zum Durchgang der Spule 20 mit der Dicke der elektrischen Spule zusammen, um den Bereich von Arbeitswinkeln für das Stellglied 10 festzulegen, denn die Öffnung für den Spulendurchgang muss ausreichend groß sein, damit die Spule durchlaufen kann, während sie zugleich ermöglicht, dass die Rotoranordnung 18 dreht. Ist die Öffnung 40, 42 zum Durchgang der Spule 20 größer ausgebildet, kann die Rotoranordnung 18 über einen größeren Winkelbereich drehen. Die Öffnung 40, 42 für den Durchgang der Spule 20 zu vergrößern verringert aber folglich auch eine Menge von Wellenmaterial, das in starrer Verbindung mit dem Magnet 32 bleibt, wodurch die Rotoranordnung 18 insgesamt schwacher wird. Daher muss für die Abmessungen der Spule 20 und die Größe der Öffnung 40, 42 für den Durchgang der Spule ein erwünschter Kompromiss gefunden werden, um den erwünschten begrenzten Drehwinkel des Stellglieds 10 sowie die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit der gesamten Rotoranordnung 18 zu erreichen.
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Mit weiterem Bezug auf 10 und 11 ist deutlich dargestellt, dass die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 primär an zwei Stellen befestigt sind. Wie dem Fachmann klar sein wird, hängt die Form des Befestigungsbereichs von der Form des Magneten 32 ab (d. h., ob er zylindrisch oder eher kubisch ist). Ist der Magnet 32 zylindrisch, so sind die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 vorzugsweise an gepaarten bogenförmigen Bereichen befestigt, primär um den Außendurchmesser des Magneten. Ist der Magnet 32 kubisch, so sind die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 vorzugsweise auf zwei flachen Seiten des Magneten befestigt.
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Normalerweise sind die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 mit Hilfe eines Klebers befestigt, z. B. eines Epoxidklebers. Zu Klebern, die in hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, zählen als nicht einschränkendes Beispiel anaerobe Kleber und Cyanacrylat. Als weiteres Beispiel sind mit erneutem Bezug auf 11 die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 beide primär am Magnet 32 auf der linken Seite 32L und rechten Seite 32R des Magneten befestigt. Aus 11 geht hervor, dass die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 nicht an der Rück- 32RR oder Vorderseite 32F des Magneten befestigt sind. Die Rück- und Vorderseite 32RR, 32F befinden sich dort, wo die Öffnung 40, 42 für den Durchgang der Spule 20 liegt. Obwohl die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 nicht auf allen Oberflächen befestigt sind, sind diese Rotoranordnung 18 und das Bildungsverfahren für die Anordnung für viele Anwendungen, darunter optisches Scannen, ausreichend fest. Tatsächlich zeigte eine Computersimulation mit anschließenden Tests, dass die Rotorsteifigkeit dieser Konfiguration so erwünscht wie bei herkömmlichen Drehmagnet-Galvanometerscannern ist.
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Damit die Rechteckspule 20 den Magnet 32 gemäß 10 und 11 umgibt, unterliegt die Reihenfolge, in der das Stellglied 10 montiert wird, Einschränkungen. Zum Montieren der Rotoranordnung 18 des Stellglieds 10 gemäß 10 und 11 wird die Rechteckspule 20 zuerst lose um den Magnet 32 platziert, wonach die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet befestigt werden (zum Beispiel mit Hilfe von Epoxidkleber). Danach wird die Kombination aus Rotoranordnung 18 und Spule 20 in das Loch 16 des Stators 14 eingeführt, und die Spule 20 wird mit Hilfe des Spulenhalters 26 oder einer Spulenhalteeinrichtung an Ort und Stelle gehalten.
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Gleichwohl kann dies die Montage der Rotoranordnung 18 etwas kompliziert machen. Einem Monteur muss es gelingen, die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 axial zu fixieren, während die Spule 20 lose an Ort und Stelle gehalten wird. Es muss darauf geachtet werden, dass kein Kleber (sofern verwendet) auf die Rechteckspule 20 gelangt, wodurch vermieden wird, dass die freie Drehung gestört ist.
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Als Alternative können die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 so ausgeführt sein, dass sie nur an einer einzigen Seite des Magneten 32 und nicht an zwei Seiten befestigt sind. Gezeigt ist dies in alternativen Ausführungsformen anhand von 14 und 15. In diesen Fällen verfügt die Öffnung 40, 42 für den Durchgang der Spule 20 nicht nur über einen freien Raum zwischen dem Magnet 32 und der Spule und einen freien Raum zwischen der Welle 30, 34 und der Spule, sondern auch über eine völlig offene Seite, durch die die Spule eingeführt werden kann, nachdem die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 bereits am Magnet 32 befestigt sind. Als nicht einschränkendes Beispiel veranschaulicht 14 eine mögliche Ausführungsform, in der die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 auf derselben Seite befestigt sind (hier auf der linken Seite 32L gemäß der Zeichnungsansicht). Aufgrund dessen kann die Rotoranordnung 18 komplett ohne die Spule 20 ausgebildet werden, wonach später die Rechteckspule 20 in der Anordnung 18 zum Beispiel von rechts platziert werden kann. Weiterhin zeigt 15 eine weitere mögliche Ausführungsform, in der die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 auf Gegenseiten befestigt sind. Sobald in diesem Fall die Rotoranordnung 18 vollständig gebildet ist, kann die Spule 20 von oben oder von unten eingebracht und dann in Position gedreht werden. Natürlich sind die Rotoranordnungen 18 gemäß 14 und 15 möglicherweise nicht so fest wie die Rotoranordnungen gemäß 13 sowie 16a, 16b und 16c, da weniger Wellenmaterial in Kontakt mit dem Magnet 32 steht, geht man davon aus, dass ein ähnlicher Kleber verwendet wird. Daher besteht ein Kompromiss zwischen Steifigkeit/Festigkeit des Rotors und Leichtigkeit/Reihenfolge der Montage.
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Da in jedem Fall der Magnet 32 oben und unten durch getrennte Wellen 30, 34 abgestützt wird, erreichen die hier beschriebenen Ausführungsformen der Rotoranordnung 18 einen Grad an Steifigkeit, der sich für Anwendungen zum optischen Scannen als akzeptabel erwiesen hat, wobei die Rotoranordnungen gemäß 13 und 16a–16c wie die herkömmlicher Drehmagnet-Galvanometerscanner erwünscht sind, während sie auch eine ähnliche Trägheit haben. Eigentlich widerspricht dies der Intuition, da man intuitiv annehmen würde, dass die Platzierung einer Öffnung 40, 42 zwischen dem Magnet 32 und jeder Welle 30, 34 die Steifigkeit reduziert. Beibehalten wird die Steifigkeit durch Gewährleistung einer reichlichen Kontaktflächengröße zwischen dem Magnet 32 und der Ausgangswelle 30 sowie zwischen dem Magnet und der Positionssensorwelle 34 und durch Fixieren des Magneten an jeder Welle um den Außenumfang des Magneten. Zudem bleibt die Steifigkeit deshalb gewahrt, weil jede Welle 30, 34 direkt am Magnet 32 befestigt ist, statt irgendein Zwischenelement zwischen jeder Welle und dem Magnet zu verwenden. Wie zuvor anhand der Verbinder 31, 35 der Wellen 30 und 34 beschrieben, können ähnliche Verbinder 31, 35 mit Hilfe des Materials des Magneten ausgebildet sein, was mit erneutem Bezug auf 16b gezeigt ist.
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Als weiteres Beispiel können zur Maximierung der Ermüdungsbeständigkeit, ohne dabei den durch den Magnet 32 erzeugten magnetischen Fluss und den elektrischen Kreis der Spule 20 zu stören, die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 aus nichtmagnetischem Edelstahl hergestellt sein, z. B. Stahl 303, was aber keine Einschränkung sein soll. Andere Materialien, darunter sogar Kunststoffmaterialien, z. B. Delrin, Nylon oder PEEK, können zum Einsatz kommen, wenn die Rotorsteifigkeit nicht ausschlaggebend ist.
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In dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Stellgliedkörper 12 als Stator 14 ausgebildet und hat eine einfache Röhrenform. Zur Maximierung der Drehmomentausgabe vom Stellglied 10 ist der Stator 14 aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt. Ein mögliches billiges Material, das effektiv funktioniert, ist kaltgewalzter Stahl, z. B. Stahl 1018, aber auch magnetische Edelstähle funktionieren wirksam, z. B. 416 oder 430. Ist es erwünscht, Positionshysterese zu minimieren (wenngleich zu viel größeren Kosten für Statormaterial), kann Nickel-Stahl Carpenter 49 verwendet werden.
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Alternativ weist der Stator 14 möglicherweise überhaupt kein magnetisch leitendes Material auf und kann beispielsweise aus Kunststoff hergestellt sein, z. B. Delrin, Nylon oder PEEK. Verfügt der Stator 14 über kein magnetisch leitendes Material, erzeugt das Stellglied 10 erheblich weniger Drehmoment – vielleicht nur weniger als die Hälfte als bei Gebrauch von magnetisch permeablem Material. Allerdings ist auch die elektrische Induktivität der Rechteckspule 20 entsprechend verringert, weshalb es für bestimmte Anwendungen erwünscht sein kann, den Stator 14 aus nicht magnetisch leitendem Material herzustellen.
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Ferner kann die Rechteckspule 20 im Stator 14 auf vielfältige Weise an Ort und Stelle gehalten werden. In der beispielhaft in 10 und 12 gezeigten Ausführungsform ist aber eine Spulenhalteeinrichtung, der Spulenhalter 26, als geschlitzter, zylindrischer Halter realisiert. Dies kann ein Röhrenelement sein, dessen Innendurchmesser groß genug für den Durchgang der Rotoranordnung 18 ist und dessen Außendurchmesser ausreichend klein ist, um in das Loch/die Bohrung 16 des Stators 14 zu passen. Dieses Röhrenelement hat mindestens einen Spulenschlitz 50 auf diametral entgegengesetzten Seiten, der ausreicht, damit die Rechteckspule 20 hineinrutscht und an Ort und Stelle gehalten wird, was anhand von 17a und 17b dargestellt ist.
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Die Rechteckspule 20 kann im Stator 14 auch mit Hilfe einer Spulenhalteeinrichtung an Ort und Stelle gehalten werden, die als geschlitzter, zylindrischer Spulenhalter realisiert ist, der effektiv halbiert ist (d. h., zwei halbzylindrische Spulenhalter). Auch andere Einrichtungen zum Halten der Spule an Ort und Stelle können entwickelt werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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In einigen Ausführungsformen kann der Spulenhalter 26 aus einem Material hergestellt sein, das nicht magnetisch leitend ist, z. B. einem Kunststoffmaterial (beispielsweise Delrin, Nylon oder PEEK), jedoch können viele Materialien verwendet werden, darunter wärmeleitende Kunststoffe sowie nicht magnetisch leitende Metalle, z. B. Aluminium. Zu beachten ist, dass bei Herstellung des Spulenhalters aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. Aluminium, Wirbelströme in der Spulenhalteeinrichtung bei Spulenerregung erzeugt werden können. Diese Wirbelströme haben den Effekt, die Scheininduktivität zu reduzieren. Allerdings liegt auch eine gewisse Dämpfung der Drehung der Rotoranordnung vor, da diese Spulenhalteeinrichtung im Wesentlichen als „kurzgeschlossene Windung” der elektrischen Spule fungiert.
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Ist der Spulenhalter 26 aus einem Material hergestellt, das nicht magnetisch leitend ist, so ist das Stellglied 10 im Wesentlichen eine schlitzlose Art von Stellglied, bei der die elektrischen Spulenwindungen im Luftspalt zwischen dem Magnet und dem Innendurchmesser des Stators liegen, wodurch sie eine ähnliche Leistung wie herkömmliche optische Scanner haben, z. B. der gemäß 5 und 6, wenn ein ähnlicher Magnet verwendet wird. Hierbei ist der magnetische Luftspalt 15 relativ groß. Die Magnetfeldlinien 13, die dieser Konfiguration entsprechen, sind in 18 zu sehen, wobei angenommen wird, dass der Magnet 32 ein massiver zylindrischer diametral magnetisierter Magnet ist.
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In anderen Ausführungsformen kann der Spulenhalter 26 aus einem Material hergestellt sein, das magnetisch leitend ist, z. B. aus dem gleichen Material, das für den Statorkörper 12 verwendet wird (darunter Stahl 1018, Edelstahl 416 oder 430 oder Carpenter 49). Ist der Spulenhalter 26 aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt, so ist das Stellglied 10 im Wesentlichen eine geschlitzte Art von Stellglied, und die elektrischen Spulenwindungen liegen nicht im Luftspalt 15 zwischen dem Magnet 32 und dem Innendurchmesser des Stators 14. In diesem Fall ist die Drehmomenterzeugung dramatisch verbessert, da die Länge des magnetischen Luftspalts 15 verringert ist. Die Magnetfeldlinien 13, die dieser Konfiguration entsprechen, sind in 19 unter der Annahme zu sehen, dass der Magnet 32 ein massiver zylindrischer diametral magnetisierter Magnet ist.
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Sind die Innenabmessungen des Spulenhalters 26 so realisiert, dass er einen einfachen kreisförmigen Querschnitt hat (mit Ausnahme von Schlitzen 50, die zum Durchpassen der Spule benötigt werden), dann hat das Stellglied 10 eine starke Tendenz, aus dem Bereich von Drehwinkeln heraus hängen zu bleiben. Daher kann eine „Formgebung” des Innenquerschnitts des Spulenhalters erwünscht sein, wenn er aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt ist. Ein Beispiel für diese Formgebung ist mit erneutem Bezug auf 17a und 17b zu sehen. Hier sind zusätzliche Schlitze 52 in den Spulenhalter 26 geschnitten. Kommt ein massiver zylindrischer diametral magnetisierter Magnet zum Einsatz und sind die zusätzlichen Schlitze 52 am Spulenhalter 26 etwa so breit wie die zum Halten der Spule verwendeten Schlitze 50, ist Hängenbleiben praktisch ausgeschlossen. Auch in 19 sind diese Schlitze 50, 52 dargestellt.
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Obwohl in dieser beispielhaften Ausführungsform der Stator 14 in einem Stück mit dem Stellgliedkörper 12 ausgebildet und aus einem einzigen Material hergestellt ist, kann der Stator auch mit Laminationen ausgebildet sein, die durch jede bekannte Herstellungstechnik hergestellt sind, z. B. Stanzen, Laserschneiden oder Fotoätzen der Form in dünne Laminationen. Außerdem kann der Spulenhalter 26 auch in einem Stück mit einem so hergestellten Stator ausgebildet sein, der einen ausreichend großen Schlitz zum Durchgang der Spule 20 hat.
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Wie zuvor beschrieben, muss die Bohrung oder das hier beschriebene Loch 16 im Stator 14 ausreichend groß sein, damit die Rotoranordnung 18 zusammen mit der Rechteckspule 20 durchpassen kann. Allerdings legen die Abmessungen dieses Lochs 16 auch effektiv eine maximale Außenabmessung der elektrischen Spule 20 fest. Wird das Loch 16 im Stator 14 größer ausgebildet, gibt es größeren Raum zum Einpassen von mehr elektrisch leitendem Material (d. h., Kupferdrahtwindungen) auf der elektrischen Spule 20. Wird aber das Loch 16 vergrößert und wird auch die elektrische Spule 20 größer hergestellt, sind die am weitesten vom Magnet 32 entfernten Windungen (und die am nächsten zu den Wanden des Lochs im Stator 14 liegenden) unproduktiver als die Drahtwindungen, die dem Magnet 32 am nächsten sind. Ist außerdem der Stator 14 aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt, vergrößern zunehmende Abmessungen des Lochs 16 im Stator 14 auch den Luftspalt, den der Fluss vom Magnet überspringen muss (sofern keine Spulenhalter aus magnetisch leitendem Material verwendet werden). Damit verringert sich effektiv die Flussdichte sowohl im Magnet als auch im Luftspalt, in dem die elektrische Spule liegt.
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In
10 bis
14 wird die Positionssensorwelle
34 zusammen mit der Ausgangswelle
30 für Anwendungen zum optischen Scannen verwendet, um vorteilhaft Positionsinformationen zu erlangen. In einem solchen Fall wird eine Positionssensoranordnung
54 (hier gattungsbezogen mit erneutem Bezug auf
15 veranschaulicht) in enger Nähe zur Positionssensorwelle verwendet. Verwiesen sei auf die
US-A-8508726 (deren Offenbarung hierin durch Verweis insgesamt aufgenommen ist) für Beispiele für die Positionssensoranordnung
54, die mit hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung von Nutzen ist. Aber auch wenn Positionsinformationen nicht benötigt oder extern erfasst werden, ist die Positionssensorwelle
34 noch von Nutzen, da sie hilft, den Magnet
32 abzustützen und dadurch für zusätzliche seitliche Steifigkeit sorgt.
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Die Ausgangswelle 30 kann ein optisches Element tragen, z. B. den mit erneutem Bezug auf 1 dargestellten Spiegel. Die optischen Elemente können einen Spiegel, ein Prisma oder ein Filter aufweisen, die in optischen Scannern wirksam zum Einsatz kommen.
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Ein Nutzeffekt des Stellglieds 10 der Erfindung ist, dass es vorteilhaft viel billiger herzustellen ist und das Potenzial hat, elektrisch effizienter als normalerweise bekannte Stellglieder zu sein. Da die Spule 20 in einer einfachen Rechteckform hergestellt ist, kann die Spule auf üblichen Spulenwickelmaschinen gewickelt werden, die einen sehr hohen Kupferpackungsgrad ermöglichen, während sie die Spule zugleich mit sehr geringen Kosten produzieren. Dann wird die Spule 20 mit Hilfe des geschlitzten, zylindrischen Spulenhalters 26 an Ort und Stelle gehalten, der in einigen Ausführungsformen eingepresst sein kann oder sogar in einem Stück mit dem Stator 14 ausgebildet sein kann, statt Kleber zu verwenden.
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In einem beispielhaften Stellglied 10, das derzeit hergestellt wird, ist die Leistung vorteilhaft gut, wobei sie mit der Leistung herkömmlicher Drehmagnet-Galvanometer auf dem derzeitigen Markt allgemein konkurrieren kann. In diesem beispielhaften Stellglied 10 sind der Stellgliedkörper 12 und der Stator 14 mit Hilfe eines einzelnen Stücks aus kaltgewalztem Stahl 1018 ausgebildet. Der Außendurchmesser des Stellgliedkörpers 12 beträgt 12,7 Millimeter (0,5 Inch). Das Loch 16 im Stator ist ein 6-mm-Loch. Der Magnet 32 ist aus Neodym-Eisen-Bor mit einem Durchmesser von 3,047 Millimeter (0,120 Inch) und einer Länge von 8,001 Millimeter (0,315 Inch) hergestellt. Die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 haben jeweils 3 mm Durchmesser und werden durch das obere Lager 22 und das untere Lager 24 abgestützt, die auch einen Außendurchmesser von 6 mm haben, so dass sie perfekt in die Öffnung im Stator passen. Die Lagervorspannfeder 28 übt eine Kraft von etwa 1,66 Newton (6 Ounce Kraft) auf das untere Lager 24 aus, was Kugeln innerhalb der Lager 22, 24 im Sitz und vorbelastet hält. Die Rechteckspule 20 hat ein Innenmaß (am nächsten zum Magnet) von 3,353 Millimeter (0,132 Inch) und ein Außenmaß (am nächsten zur Öffnung im Stator) von 5,69 Millimeter (0,224 Inch) sowie eine Dicke von 1,778 Millimeter (0,070 Inch). Die Spule 20 hat 100 Drahtwindungen nach AWG Nr. 36, was für einen Spulenwiderstand von etwa 4 Ohm sorgt. Ist für dieses Stellglied 10 der Spulenhalter 26 aus einem nicht magnetisch leitenden Material hergestellt, beträgt die Drehmomentkonstante 0,0018 Newtonmeter (18.000 Dyn·cm) pro Ampere Strom, der die Spule durchfließt. Ist für das Stellglied 10 der Spulenhalter 26 aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt und hat einen Innendurchmesser von 4,064 Millimeter (0,160 Inch), beträgt die Drehmomentkonstante 0,0023 Newtonmeter (23.000 Dyn·cm) pro Ampere Strom, der die Spule durchfließt. Die Öffnungen 40, 42 für den Durchgang der Spule 20 in der Ausgangswelle 30 und der Positionssensorwelle 34 sind so bemessen, dass die Rotoranordnung 18 über einen mechanischen Winkel Spitze-zu-Spitze von 30 Grad dreht.
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Obwohl zuvor eine nähere Beschreibung und Zeichnungen der Erfindung vorgestellt wurden, sollte verständlich sein, dass der Schutzumfang der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt ist. Ferner werden dem Fachmann viele Abwandlungen und andere Ausführungsformen der Erfindung anhand der Lehren deutlich sein, die in den vorstehenden Beschreibungen und den beigefügten Zeichnungen vorgestellt wurden. Daher ist klar, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken ist.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Spiegel
- 110
- Stellglied
- 113
- Magnetfeldlinien
- 114
- Statorstahl
- 120
- Spule
- 120a
- Spule plus
- 120b
- Spule minus
- 130
- Ausgangswelle
- 132
- Magnet, Rotormagnet
- 132a
- Nord
- 132b
- Süd
- 132l
- Links
- 132r
- Rechts
- 132o
- Oben
- 132u
- Unten
- 134
- Welle
- 200
- optisches Scansystem
- 201
- Hülse
- 202
- Wellenende
- 203
- Endwindungen
- 204
- Spulenwicklungen
- 205
- „Aktiver Abschnitt” der Spule
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4090112 A [0014, 0021]
- US 5313127 A [0014, 0021]
- US 5424632 A [0014, 0017, 0021, 0027]
- US 6633101 A [0014, 0021, 0028]
- US 5936324 A [0017, 0021]
- US 4319823 A [0020, 0032, 0051]
- US 7365464 A [0021]
- US 8569920 A [0021]
- US 8508726 A [0076]
