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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anzeigevorrichtung,
welche eine Anzeige aufweist, welche sich aus einer Anzahl
von axialsymmetrischen, räumlichen, abbildenden Elementen
zusammensetzt, welche in Form eines Gitters angeordnet sind,
wobei jedes Element mit Hilfe einer elektromagnetischen
Anordnung gesteuert wird, welche einen Schrittmotor aufweist,
der eine permanent-magnetisierte Rotorscheibe aufweist, die
an einer Welle angebracht ist, wobei wenigstens eine Spule
für die Erregung eines Magnetfeldes vorgesehen ist, wobei
jedes Element der Anzeige auf einer Seite offen ist, wodurch
ermöglicht wird, daß der Schrittmotor in die Öffnung
eingelegt werden kann, und wobei jedes Element mit einer Anzahl
von Seitenflächen versehen ist, von denen jede ihr eigenes
Muster trägt, während jedes Element mit dem Ende, welches
der offenen Seite gegenüberliegt, mit dem Rotor des
Schrittmotors verbunden ist, dessen Rotorwelle mit der
rotationssymmetrischen Achse des Elements übereinstimmt.
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Eine derartige Anzeigeeinrichtung ist aus der
internationalen Anmeldung WO 84/00839 bekannt. Bei dieser bekannten
Anzeige besteht jedes Anzeigeelement aus einem kubischen
Körper, welcher drehbeweglich um eine vertikale Achse gelagert
ist, welche durch die obere Fläche und die Bodenfläche des
Kubus geht, und die restlichen Flächen desselben
Anzeigeflächen
bilden, welche rot, weiß, blau und grün jeweils
gefärbt sind. Der kubische Körper wird mit Hilfe einer
elektromagnetischen Anordnung gedreht, welche aus vier
zylindrischen Spulen besteht, welche in der Nähe der Rotorwelle
angeordnet sind, wobei jede Spule um einen zugeordneten Kern
oder ein Polstück gewickelt ist. Ein magnetisches Steuerglied,
welches einen Nordpol an einem Ende und einen Südpol am
anderen Ende hat, ist mit der Innenseite der oberen Fläche des
kubischen Körpers verbunden und ist in einer
nebeneinanderliegenden Anordnung zu den zylindrischen Spulen entlang der
Drehachse vorgesehen.
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Aus US-A-3,766,549 ist eine numerische Anzeigeeinrichtung
bekannt, welche elektrisch erregbare Spuleneinrichtungen hat,
welche in einer mittigen, kreuzförmigen Wicklung vorgesehen
sind, in welcher ein Stabmagnet frei drehbar um eine
Drehachse gelagert ist. Eine ein Symbol tragende Einrichtung ist
zur Ausführung einer Drehbewegung mit dem Permanentmagneten
angebracht. Die Spuleneinrichtungen weisen parallel
gewickelte Windungen auf, wobei die Normale auf die Wicklungen
jeder Spule senkrecht zur Rotorwelle ist.
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Die FR-A-1,299,574 beschreibt einen Synchronmotor, welcher
insbesondere derart beschaffen ist, daß er mit einem
niedrigen Energieverbrauch arbeiten kann. Dieser weist einen
scheibenförmigen Rotor auf, welcher in einem Paar von Spulen
drehbeweglich gelagert ist, wobei die Normale auf die parallel
gewickelten Windungen jeder Spule senkrecht zur Rotorwelle
ist.
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Ein Ziel der Erfindung ist darin zu sehen, eine
Anzeigevorrichtung mit abbildenden Elementen und zugeordneten
elektrischen Anordnungen bereitzustellen, deren Abmessungen kleiner
als bei den bekannten Anzeigeeinrichtungen gemacht werden
können, während ein ausreichend starkes Magnetfeld für die
Drehbewegung der Bildelemente aufrechterhalten wird.
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Nach der Erfindung wird diese Zielsetzung dadurch erreicht,
daß eine Anzeigevorrichtung der vorstehend genannten Art
bereitgestellt wird, bei der jede Spule um eine zylindrische
Käfigkonstruktion gewickelt ist, welche konzentrisch um den
Rotor angeordnet ist, jede Spule in einer Ebene auf der
zylindrischen Käfigkonstruktur gewickelt ist und durch eine
Stromimpulsfolge derart erregbar ist, daß die Normale auf
die Wicklungen der jeweiligen Spule senkrecht zur Rotorwelle
ist und die Rotorscheibe jede Spulenwicklungsebene in der
Spule schneidet, und daß der Rotor und die Spulen von einem
ringförmigen Weicheisen-Gehäuse umgeben sind.
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Diese Auslegung ermöglicht, daß man einen Schrittmotor mit
sehr kleinen Steuerstromstärken und einer minimalen Menge
von magnetischem Material und Spulenkernmaterial konstruieren
kann, da die Rotorscheibe selbst gleichzeitig als Anker und
Magnetkern wirkt. Eine zu diesem Ergebnis beitragende
Einflußgröße ist der Einsatz von Luftspulen bzw. eisenlosen
Spulen.
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Der große Vorteil, welcher sich durch die Möglichkeit
ergibt, daß man die Schrittmotoren noch kleiner auslegen kann,
ist darin zu sehen, daß sich unzählige neue Anwendungen
hierbei öffnen und daß man vorhandene Systeme noch stärker
miniaturisieren kann, beispielsweise bei Meß- und
Steuereinrichtungen. Auf Grund der geringen Steuerstromstärken, welche
erforderlich sind, ist nur eine minimale Energieaufnahme
vorhanden.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die
Schrittmotoren nach der Erfindung direkt mittels eines Computers
gesteuert werden können, da die Energieversorgung für den
Schrittmotor ohne jegliche Verstärkung des Ausgangssignales
des Computers abgestimmt werden kann.
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Da der Rotor und die Spulen von einem kreisförmigen
Weicheisengehäuse umgeben sind, hat der Schrittmotor nach der
Erfindung virtuell kein externes Streufeld, während das
Weicheisen das Magnetfeld zu einer solchen Form ablenkt,
daß man maximale Wirkungen erreicht.
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Einige bevorzugte Ausführungsformen eines Schrittmotors
und Anzeigevorrichtungen nach der Erfindung werden
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
näher erläutert. Darin zeigt:
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Fig. 1 eine auseinandergezogene Ansicht eines
Schrittmotors nach der Erfindung,
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Fig. 2 eine Ansicht einer zusammengesetzten
Käfigkonstruktion nach Fig. 1, in welcher der
zusammengesetzte Rotor aufgenommen ist,
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Fig. 3 eine Ansicht einer Käfigkonstruktion nach
Fig. 1, welche mit Spulen versehen ist,
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Fig. 4 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung
der Ausrichtung der Pole beim Rotor nach
Fig. 1,
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Fig. 5 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung
der Ausrichtung der Spulen nach Fig. 1,
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Fig. 6 eine Ausschnittsansicht des Schrittmotors
nach Fig. 1 im zusammengebauten Zustand,
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Fig. 7 eine Ausschnittsansicht einer
Anzeigevorrichtung nach der Erfindung
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Fig. 8 eine weitere Ausschnittsansicht einer
Anzeigevorrichtung nach Fig. 7,
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Fig. 9 eine Ansicht einer alternativen
Auslegungsform einer Anzeigevorrichtung nach der
Erfindung,
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Fig. 10 eine Schnittansicht der Anzeigevorrichtung
nach Fig. 9, und
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Fig. 11 und 12 schematische Ansichten einer elektrischen
Schaltung.
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Fig. 1 verdeutlicht eine bevorzugte Ausführungsform des
Schrittmotors nach der Erfindung in aus einandergezogener
Darstellung, wobei der Schrittmotor 1 folgendes umfaßt:
- einen scheibenförmigen Permanentmagneten 2,
- eine Welle 3,
- einen endseitigen Bund 4,
und zusammen mit dem Rotor 5,
- eine segmentförmige Scheibe 7,
- eine Fingerscheibe 8,
zusammen bilden sie eine zylindrische Käfigkonstruktion 6,
welche konzentrisch um den Rotor 5 angeordnet ist, wobei
um die Käfigkonstruktion 6 eine Anzahl von Spulen 9 gewickelt
ist, sowie folgendes vorgesehen ist
- Verbindungssteckerteile 10, 10', und
- ein Weicheisengehäuse 11.
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Die zusammengesetzte Käfigkonstruktion 6 ohne Spulen 9,
aber mit angeordnetem Rotor 5, ist in Fig. 2 dargestellt,
während die zusammengesetzte Käfigkonstruktion 6 mit Spulen
9, aber ohne Rotor 5 und Verbindungssteckerteilen 10, 10'
in Fig. 3 verdeutlicht ist.
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Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist der
scheibenförmige Permanentmagnet 2 diagonal magnetisiert,
wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn man nunmehr die
Spulen 9 in der Ausrichtung nach Fig. 5 positioniert, kann
man einen 90º-Schrittmotor erhalten, wenn immer nur ein
Paar von Spulen 9', 9'', mit denen die Spulen 9
parallelgeschaltet sind, erregt wird. Es ist aber auch möglich, einen
45º-Schrittmotor zu erhalten, wenn ein Paar von Spulen oder
beide Paare von Spulen 9', 9'', mit denen die Spulen 9
parallelgeschaltet sind, erregt werden oder wenn die Spulen 9
mit den Paaren von Spulen 9' , 9'' unabhängig voneinander
erregt werden. Die zuletzt angedeutete Auslegung macht jedoch
eine zusätzliche Schaltung erforderlich.
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Der zusammengesetzte Schrittmotor 1 gemäß einem hierin
angegebenen Beispiel ist schematisch in Fig. 6 gezeigt.
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Durch die Abstimmung der Anzahl von Magnetpolen und die
Anzahl von Spulen 9 ist es in gleicher Weise einfach möglich,
andere Bauarten von Schrittmotoren nach der Erfindung
bereitzustellen, wie z. B. 120º oder 180º-Schrittmotore.
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Die Spulen 9 sind vorzugsweise mit einer geraden Anzahl
vorgesehen und zweierweise parallel zueinander auf den beiden
Seiten der Rotorwelle 3 angeordnet, während die Spulenpaare
9', 9'' in gleichen Abständen über den 360º-Umfang angeordnet
sind, welcher die Rotorwelle 3 umgibt. Als Folge hiervon
erhält man eine bessere Positionierung als im Falle von
Einzelspulen.
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Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform nach der
Erfindung beläuft sich die Anzahl von Spulen auf vier, wo
bei die beiden Spulenpaare 9', 9'' rechtwinklig zueinander
angeordnet sind, während der Rotor 5 ein Polpaar hat.
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Im Hinblick auf eine Miniaturisierung der Bauteile können
die Spulen 9 mit Hilfe von Signalen bei TTL-Werten erregt
werden, welche heutzutage von Computern geliefert werden.
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Die Möglichkeit eines computer-gesteuerten Betriebs
eröffnet zahlreiche neue Anwendungsgebiete für Schrittmotore,
wie z. B. bei Anzeigevorrichtungen. Eine derartige Anzeige
12 (Fig. 7 und 8) kann sich aus einer Anzahl von
axialsymmetrischen, räumlichen, abbildenden Elementen 13
zusammensetzen, welche in Form eines Gitters angeordnet sind
und sie kann mit Hilfe der Schrittmotore 1 gesteuert
werden. Jedes Element 13 ist an einer Seite 14 offen, um zu
ermöglichen, daß ein Schrittmotor 1 nach der Erfindung in
die Öffnung 14 eingelegt werden kann, während jedes
Element 13 ebenfalls mit einer Anzahl von Seitenflächen 15
versehen ist, welche jeweils ein eigenes Muster tragen und
jedes Element 13 mit dem Ende 16, welches der offenen Seite
14 gegenüberliegt, mit dem Rotor 5 des Schrittmotors 1
verbunden ist, deren Rotorwelle 3 mit der
Rotationssymmetrieachse des Elements 13 übereinstimmt, wobei die Auslegung
derart getroffen ist, daß jedes abbildende Element 13
seinen eigenen Schrittmotor 1 hat.
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In den Fig. 7 und 8 beispielsweise sind
Schnittansichten eines Teils einer Anzeigevorrichtung 12 gezeigt, bei
welchen die Auslegungen wie vorstehend angegeben getroffen
sind. Die Elemente 13 sind in der Anzeigevorrichtung 12 in
einem derartigen Abstand voneinander angeordnet, daß ein
ausreichender Zwischenraum 17 vorhanden ist, welcher eine
freie Drehbewegung der Elemente gestattet. Um ein regelmäßiges
Muster sicherzustellen, ist auch ein gewisser
Zwischenraum 17' zwischen den Schrittmotoren 1 vorhanden, wenn
man entlang der Linie der Rotorwelle 3 blickt.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der hierin beschriebenen
Anzeigevorrichtung sind die Elemente 13 Prismen,
insbesondere Prismen mit vier Seitenflächen 15 und viereckförmigen
oberen Flächen 14 und Bodenflächen 16 oder genauer
ausgedrückt handelt es sich hierbei um kubische Gebilde. Diese
kubischen Gebilde sind in Zeilen und Spalten gemäß einem
Gitter mit einer viereckförmigen Einheitszelle angeordnet.
Jedoch können die Prismen sechs Seitenflächen haben, oder sie
können stabförmig ausgebildet sein, oder sie können auch
eine andere Gestalt besitzen.
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Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer
Anzeigevorrichtung, welche in den Fig. 9 und 10 verdeutlicht ist,
setzt sich das abbildende Element 13 aus vierflächigen
Pyramiden zusammen, deren Basis ein gleichseitiges Dreieck ist.
Um eine glatte Anzeigevorderseite 18 zu erhalten, sind die
120º-Schrittmotore in einem Winkel zur Anzeigevorderseite 18
angeordnet, welcher proportional zum spitzen Winkel der
vierflächigen Pyramide ist.
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Bei dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform der
Anzeigevorrichtung reichen kleinere Zwischenräume 17, 17' aus, und
es kann eine größere Anzahl von Elementen pro
Flächeneinheit der Anzeigevorderseite 18 eingesetzt werden, wodurch
sich das Auflösungsvermögen weiter steigern läßt. Die Anzahl
von Untermustern pro Element 13 ist nur drei. Dies ist
gegenüber der Anzahl von vier im Falle einer kubischen
Auslegung zu sehen.
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Wenn eine fünfflächige Pyramide mit einer quadratischen
Basis in Verbindung mit 90º-Schrittmotoren eingesetzt wird,
wird der erforderliche Zwischenraum etwas größer. Man
erhält aber auch eine größere Anzahl von Untermustern, die
pro Element 13 verfügbar sind.
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Das Gesamtmuster, welches von der Anzeigevorrichtung 12
gebildet wird, und welches sich aus jenen Seitenflächen 15
der abbildenden Elemente 13 zusammensetzt, welche die
Anzeigevorderseite 18 bilden, setzt sich aus einer Anzahl von
Untermustern zusammen, deren Anzahl mit der Anzahl von
Seitenflächen 15 pro abbildendem Element übereinstimmt.
In anderen Worten ausgedrückt, bedeutet dies, daß das Muster
auf einer Seitenfläche 15 eines Elements 13 ein örtliches
segmentbildens Teil eines größeren Bildes, beispielsweise
einer graphischen Darstellung, sein kann, welche in
örtliche Segmente zerlegt ist, oder es kann sich um eine Farbe
handeln, bei der wie beim Farbfernsehen, eine unbegrenzte
Anzahl von Gesamtmustern mit den Elementen 13 erzeugt
werden kann. Ein Erfordernis ist jedoch darin zu sehen, daß
jeder einzelne Schrittmotor gesondert gesteuert werden kann.
Bei den zusammengesetzten, graphischen Darstellungen ist die
Anzahl von Anzeigevorderseiten 18, welche erzeugt werden
können, auf die Anzahl von Seitenflächen 15 pro abbildendem
Element 13 beschränkt; aber andererseits ist die Steuerung
der Schrittmotore 1 einfacher, da alle Schrittmotore 1 ein
und dasselbe Befehlssignal gleichzeitig oder Sequentiell
erhalten.
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Abgesehen von der Möglichkeit, einen Schrittmotor 1 nach der
Erfindung zur Positionierung von Lichtobjekten einzusetzen,
kann der Schrittmotor 1 bei umgekehrter Anwendung als ein
Winkelverschiebungsmesser dienen, wenn man die
Induktionsänderungen in der Spule mißt.
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Fig. 11 zeigt ein elektrisches Schaltbild, bei dem vier
Verbindungssteckteile 10 genutzt werden, und zwei Spulen 9
invariabel in Serie geschaltet sind. Bei dieser Auslegung
jedoch ist eine Vorbedingung für gewisse Positionen des
Schrittmotors 1 darin zu sehen, daß die Stromrichtung in
den Spulen 9 umgekehrt werden kann.
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Fig. 12 zeigt ein elektrisches Schaltbild, bei dem vier
Spulen 9 mit einem gemeinsamen, zentralen
Verbindungssteckteil 10' verbunden sind. Jede gewünschte Drehung des Rotors
5 kann dadurch erreicht werden, daß Stromimpulse an ein
oder zwei der Verbindungssteckteile 10 angelegt werden, ohne
daß die Notwendigkeit besteht, daß die Stromrichtungen
irgendeiner Spule umgekehrt zu werden braucht.