DE3717872A1 - Linearmotor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Linearmotor zur Erzeugung einer Schubkraft in li
nearer Richtung.
In Videokameras werden elektrische Rotationsmotoren in Verbindung mit au
tomatischen Fokussiereinrichtungen oder als Antrieb für Zoomobjektive ver
wendet. Die Rotationsmotoren sind so eingebaut, daß die vom Motor erzeugte
Rotationsbewegung über ein Getriebe zur Verringerung der Umdrehungszahlen
zu einem Fokussierring oder Zoom-Ring gelangt. Die Verwendung von Rotati
onsmotoren in Videokameras bringt jedoch einige Probleme mit sich, wie zum
Beispiel akustische Nebengeräusche, Vibrationen, unerwünschtes Ansprech
verhalten und geringe Zuverlässigkeit, insbesondere in bezug auf die Bürsten
und das Getriebe.
Zur Lösung dieser Probleme ist versucht worden, die Linsen direkt, d. h. ohne
die Verwendung von Bürsten oder Untersetzungsgetrieben anzutreiben. Es ist
bis jetzt jedoch noch kein Linearmotor für diese Anwendung entwickelt wor
den, da ein direkter Linsenantrieb eine hohe Last bedeutet, so daß Gewicht und
Abmessungen des Linearmotors ebenso wie sein Stromverbrauch und die Her
stellungskosten Probleme mit sich bringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearmotor zu schaffen, des
sen Gewicht, Abmessungen, Leistungsaufnahme und Herstellungskosten die
Verwendung in einer Videokamera zur direkten Bewegung der Linsen gestattet.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angege
ben. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsge
dankens zum Inhalt.
Erfindungsgemäß wird ein Linearmotor mit folgenden Teilen geschaffen: Einer
ersten Jochanordnung mit einem Magnetjochpaar, das einen Spalt aufweist,
einer zweiten Jochanordnung, die mit der ersten Jochanordnung verbunden ist,
Permanentmagneten zur Erzeugung eines durch die erste und zweite
Jochanordnung fließenden magnetischen Flusses, sowie mit der zweiten
Jochanordnung verbundene Spulen zur Erzeugung eines steuernden magneti
schen Flusses zur Festlegung der relatien Lage der ersten und zweiten Jo
chanordnungen zueinander.
Erfindungsgemäß kann durch einen kleinen Strom eine extrem hohe Vor
triebskraft erzeugt werden, da die von den Spulen entwickelte Energie zum
größten Teil in der Nähe des Spaltes des einen Magnetjochpaares auftritt. Die
Leistungsaufnahme ist auf diese Weise auch dann geringer, wenn die Linse di
rekt bewegt wird. Außerdem ist der erfindungsgemäße Linearmotor einfach
aufgebaut, hat geringe Abmessungen und geringes Gewicht und kann zu gerin
gen Kosten hergestellt werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der
Zeichnung, bei der gleiche Bezugsziffern gleiche oder ähnliche Elemente be
zeichnen. Es zeigt
Fig. 1 den Längsschnitt eines Linearmotors entsprechend einer bevorzug
ten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 den vergrößerten Längsschnitt wesentlicher Teile der Fig. 1; und
Fig. 3 das Blockdiagramm eines Beispiels einer geschlossenen Regel
schleife der Erfindung.
Das folgende Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Anwendung als
Elektromotor einer automatischen Fokussiereinrichtung in einer Videokame
ra.
Fig. 1 zeigt einen Linearmotor 1 der Ausführungsform im Längschnitt. Der Li
nearmotor 1 hat die Form eines hohlen Zylinders, der aus einem stationären
Teil 10 und einem beweglichen Teil 20 gebildet ist, das relativ zu dem stationä
ren Teil 10 gleiten kann. Der stationäre Teil 10 ist mit einem Permanentmag
neten 11, einem Spulenkörperpaar 12 und 13, einem Spulenpaar 14 und 15 und
einem Statorjochpaar 16 und 17 versehen. Der Magnet 11 kann zum Beispiel
ein Gummimagnet sein, der in einer Ringform zwischen den zwei Statorjochen
16 und 17 angeordnet ist. Der Magnet 11 ist in Richtung seiner Dicke magneti
siert, d. h. in radialer Richtung, wenn er sich im eingebauten Zustand befindet,
so daß sich der S-Pol und der N-Pol an der äußeren bzw. inneren Seite befinden.
Die Spulen 14 und 15 sind über der peripheren Oberfläche der Spulenkörper 12
und 13 angeordnet, die sich wiederum in axialer Richtung beidseitig des
Magneten 11 befinden. Diese Spulen 14 und 15 sind durch eine Verbindung L
miteinander in Serie geschaltet, und eine elektrische Spannung wird über An
schlüsse 18 und 19 an das Spulenpaar angelegt.
Das bewegliche Teil 20 ist mit zwei isolierten beweglichen Eisenstücken 21 und
22 und einem beweglichen Basisteil 23 versehen. Die Eisenstücke 21 und 22 wir
ken als magnetische Joche und sind voneinander durch einen Luftspalt G ge
trennt. Der magnetische Kreis für den magnetischen Fluß B C im stationären
Teil 10, der durch die Spulen 14 und 15 erzeugt wird, wird durch die Statorjoche
16 und 17, die beweglichen Eisenstücke 21 und 22 und den zwischen ihnen gebil
deten Luftspalt G geschlossen. Die äußeren peripheren Oberflächen der bewegli
chen Eisenstücke 21 und 22 sind mit Teflon (Warenzeichen) oder anderen Mate
rialien mit geringer Reibung beschichtet, um glatte Oberflächen zum Gleiten auf
der inneren peripheren Oberfläche des stationären Teiles 10 zu schaffen. Das
sich von dem beweglichen Eisenteil 21 zu dem beweglichen Eisenteil 22 erstre
ckende Basisteil 23 dient zur Fixierung der relativen Lage der beweglichen Ei
senteile zueinander. Die Teile 21 und 23 werden gleichzeitig als Linsenhalte
rung verwendet. Bei der gezeigten Ausführungsform ist eine Linse 31 am Ende
des beweglichen Eisenteils 21, eine andere Linse 32 am Ende des Basisteils 23
angebracht.
Die prinzipielle Arbeitsweise des Linearmotors 1 dieser Ausführungsform ist
ähnlich der eines elektrischen Motors mit Eisenkern. Demzufolge gehen, wie in
der vergrößerten Darstellung in Fig. 2 gezeigt, von dem Magneten 11 konstante
magnetische Flüsse B M 1, B M 2 zu jeder Zeit aus und umlaufen die Spulen 14
bzw. 15. Wenn eine D.C.-Spannung an die Anschlüsse 18 und 19 angelegt wird,
fließt ein Strom durch die Spulen 14 und 15, so daß von ihnen ein magnetischer
Fluß B C erzeugt wird. Die Richtung des magnetischen Flusses B C wechselt mit
der Richtung des Stromflusses. Die magnetischen Flüsse B M 1, M M 2 sowie
der magnetische Fluß B C vergrößern oder löschen sich gegenseitig, so daß ein
Vortrieb in eine Richtung erzeugt wird und das bewegliche Teil 20 in Richtung
der Pfeile X oder Y gleitet. Wenn der Strom zum Beispiel in der in Fig. 1 gezeigten
Richtung durch die Spulen 14 und 15 fließt, wird das rechte Ende des bewegli
chen Eisenteiles 21 nahe dem Magneten 11 als S-Pol und das linke Ende des be
weglichen Eisenteiles 22 nahe dem Magneten 11 als N-Pol magnetisiert, so daß
ein Vortrieb in der durch den Pfeil Y angedeuteten Richtung erzeugt wird und
das Teil 20 sich entsprechend bewegt. Die mögliche Wegstrecke wird durch die
Breite W des Permanentmagneten 11 bestimmt.
Mit dem Linearmotor 1 wird bei geringem Stromfluß eine extrem hohe Vor
triebskraft erzeugt, da der Aufbau des Motors die gleiche Wirkung hat, als wenn
die Spulen mit höherer Wicklungsdichte an den Enden der beweglichen Eisen
teile 21 und 22 aufgebracht wären. Folglich wird die von den Spulen 14 und 15
erzeugte Energie in der Nähe des Luftspaltes G konzentriert. Das Resultat ist
eine geringere Größe des Magneten 11 und eine geringere Leistungsaufnahme.
Außerdem kann der Linearmotor aufgrund seiner einfachen Konstruktion, der
geringen Abmessungen und seines geringen Gewichtes in einen Linsentubus
eingebaut werden. Die Herstellungskosten des Motors sind ebenfalls gering.
Es ist zu beachten, daß beim einfachen Anlegen einer D.C.-Spannung an den
Anschlüssen 18 und 19 das bewegliche Teil 20 an den Anschlagpositionen des
Weges, der durch die Breite W des Magneten 11 bestimmt ist, liegen wird. Es ist
deshalb notwendig, die Position des beweglichen Teiles 20 und damit die Linsen
31 und 32 durch Verwendung einer geschlossenen Regelschleife, wie zum Bei
spiel in Fig. 3 gezeigt, zu steuern. In Fig. 3 fällt das Licht durch eine den oben er
wähnten Linsen 31 und 32 entsprechendes Linsensystem 30 auf ein transistor
bestücktes Bildaufnahmeelement oder CCD-Element 41. Die Signale des CCD-
Elementes 41 werden einem Schaltkreis 42 zur Erfassung der Fokussierung zuge
führt. Die Dedektionssignale des Schaltkreises 42 gelangen zu einem
Fokussiersteuerschaltkreis 43, von dem ein von diesem Signal abhängiges Steu
ersignal zu dem Linearmotor 1 geführt wird. Die Position des Linsensystems 30
wird entsprechend dem Steuersignal von dem Linearmotor 1 gesteuert. Die ge
schlossene Fokussier-Regelschleife setzt sich aus dem Linsensystem 30, der CCD
41, dem Fokussier-Detektionsschaltkreis 42, dem Fokussier-Steuerschaltkreis
43 und dem Linearmotor 1 zusammen und gewährleistet eine dynamische Fo
kussiersteuerung. In der Ausführungsform der Fig. 3 werden von der CCD 41 er
zeugte Signale außerdem einem signalverarbeitenden Schaltkreis 51 zugeführt,
so daß das CCD Element 41 gleichzeitig zur Fokussierung und Bildverarbeitung
verwendet wird. Es kann in einer anderen Ausführungsform zur Bilderzeugung
auch ein eigener Turbus anstatt der CCD 41 verwendet werden.
Außerdem kann anstatt der Verwendung von zwei Spulen 14 und 15 am stati
onären Teil 10 das bewegliche Teil 20 auch durch Verwendung einer solchen
Spule bewegt werden. Der magnetische Spalt G kann mit nichtmagnetischem
Material ausgefüllt werden. Außerdem ist es nicht notwendig, an der ganzen
Oberfläche des Linearmotors Spulen oder Magnete vorzusehen.
Darüber hinaus findet die Erfindung nicht nur in Videokameras, sondern auch
in anderen entsprechenden Geräten Anwendung.
Claims (10)
1. Linearmotor, gekennzeichnet durch,
- - eine erste Jochanordnung mit einem Jochpaar (21, 22) und einem dazwischenliegenden Spalt (G);
- - eine zweite Jochanordnung (16, 17), die gleitend mit der ersten Jochanordnung verbunden ist;
- - eine Permanentmagnetanordnung (11) zur Erzeugung von durch die ersten und zweiten Jochanordnungen verlaufenden magnetischen Flüssen (B M 1, B M 2), und durch
- - eine Spulenanordnung (14, 15) an der zweiten Jochanordnung zur Erzeugung eine steuernden magnetischen Flusses (B C ) zur Festlegung der relativen Lage der ersten und zweiten Jochanordnungen zueinander.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die zweite Jochanordnung mit einem ersten Teil gleitend mit einem Joch (21, 22) der ersten Jochanordnung verbunden ist,
- - ein zweites Teil der zweiten Jochanordnung gleitend mit dem anderen Joch (21, 22) der ersten Jochanordnung verbunden ist, und
- - ein zwischen den ersten und zweiten Teilen, der Permanentmagnetanordnung (11) und der Spulenanordnung (14, 15) angeordnetes Verbindungsteil innerhalb des durch die ersten und zweiten Jochanordnungen definierten Bereiches.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen
anordnung erste (14) und zweite (15) miteinander in Serie geschaltete Spulen
aufweist und die Permanentmagnetanordnung (11) sich zwischen den ersten
und zweiten Spulen befindet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Perma
nentmagnetanordnung (11) gegenüber dem Spalt (G) der ersten Jochanordnung
angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Joche
(21, 22) der ersten Jochanordnung ebenso wie die Joche (16, 17) der zweiten Jo
chanordnung zylindrisch geformt und der konzentrischen Form des Linearmo
tors (1) angepaßt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der konzen
trische Linearmotor (1) als Antriebsmotor für das Linsensystem (31, 32) einer
Kamera ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Joch
anordnung konzentrisch innerhalb der zweiten Jochanordnung angeordnet
ist und daß die erste Jochanordnung fest mit Linsenelementen des Linsensy
stems (31, 32) verbunden ist, so daß die Kamera durch gleitende Bewegung der
ersten Jochanordnung relativ zur zweiten Jochanordnung fokussierbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil
einen ersten Spulenkörper (12) mit einer ersten Spule (14) und das zweite Teil
einen zweiten Spulenkörper (13) mit einer zweiten Spule (15) aufweist, und die
Permanentmagnetanordnung eines Permanentmagneten (11) enthalten, der
sich in der zweiten Jochanordnung zwischen dem ersten (12) und zweiten (13)
Spulenkörper befindet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Perma
nentmagnetanordnung einen ringförmigen Permanentmagneten (11) enthält,
der in radialer Richtung magnetisierbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine geschlossene
Fokussierregelschleife mit
- -einem Bildaufnahmeelement (41)
- - einem mit dem Bildaufnahmeelement (41) verbundenen Detektionselement für die Fokussierung (42) und
- - einem Steuerschaltkreis (43) zur Einstellung der Fokussierung, der mit dem De tektionselement zur Fokussierung (42) sowie mit den ersten und zweiten in Serie geschalteten Spulen (14, 15) verbunden ist.
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