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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Antriebseinheit für eine bewegliche Spule, und insbesondere
auf eine Antriebseinheit für eine bewegliche Spule mit einer
bewegten Spule mit verbessertem Antriebs-Ansprechverhalten
und reduziertem Stromverbrauch.
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Antriebseinheiten für eine bewegliche Spule werden weitläufig
benutzt für Lautsprecher, Mechanismen zum Antreiben der Köpfe
von Magnetplatteneinheiten usw.. Jüngstens werden sie
ebenfalls benutzt für Linearmotoren. Der Linearmotor basiert
auf der Linke-Hand-Regel von Fleming, um eine Kraft zu
benutzen, die erzeugt wird, wenn ein elektrischer Strom an
eine Spule angelegt wird, die in einem Magnetfeld
positioniert ist, angelegt wird. Wenn ein Permanentmagnet,
der eine Quelle magnetischen Flusses ist, fixiert ist, wird
die Spule bewegt durch Anlegen von Strom an die Spule,
während, wenn die Spule fixiert ist, der Permanentmagnet
bewegt wird. Der erste Fall stellt eine Antriebseinheit für
eine bewegliche Spule dar, und der letztere Fall eine
Magnetantriebseinheit.
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Die Magnetantriebseinheit ist nicht anwendbar für einen
Mechanismus, der ein Hochgeschwindigkeitsansprechverhalten
benötigt, da das Gewicht des Permanentmagneten zu groß ist
als angetriebenes Element des
Hochgeschwindigkeitsansprechverhaltens. Andererseits ist die
Antriebseinheit für eine bewegliche Spule weitläufig
anwendbar für Vorrichtungen, wie z. B. Lautsprecher und
Mechanismen zum Antreiben der Köpfe von
Magnetplatteneinheiten, welche das
Hochgeschwindigkeitsansprechverhalten benötigen, da eine
Spule und ein nicht magnetischer Spulenkern der
Antriebseinheit für die bewegliche Spule leicht genug als
bewegte Elemente sind, um das
Hochgeschwindigkeitsansprechverhalten zu realisieren.
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Nach einer herkömmlichen Antriebseinheit für eine bewegliche
Spule ist eine bewegte Spule der Antriebseinheit verbunden
mit einer Stromquelle, welche an einem externen festen
Element befestigt ist, von dem die Spule Strom durch
Spulenzuführungen empfängt, welche von den Enden der Spule
ausgehen, wobei die Spule an den Spulenzuführungen aufgehängt
ist.
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Bei solch einer herkömmlichen Antriebseinheit für eine
bewegliche Spule werden die Spulenzuführungen zum Aufhängen
der Spule Widerstand gegen die Bewegung der Spule ausüben
sowie den Bereich der Spulenbewegung einschränken. Um den
Widerstand gegen die Spulenbewegung zu reduzieren, sollte der
Durchmesser der Spulenzuführungen reduziert werden. Wenn
jedoch der Widerstand reduziert wird, wird ein elektrischer
Widerstandswert der Spulenzuführungen erhöht, so daß der
Stromverbrauch ebenfalls erhöht wird. Wenn weiterhin die
Anzahl von Windungen und die Länge der Spule erhöht werden,
um die Antriebskraft auf die Spule zu erhöhen, wird ein
elektrischer Widerstandswert der Spule erhöht, um ebenfalls
den Stromverbrauch zu erhöhen.
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Außerdem wird, wenn der Durchmesser der Spulenzuführungen
vergrößert wird, um den Stromverbrauch zu reduzieren, der
mechanische Widerstand der Spulenzuführungen erhöht, um ein
Ansprechverhalten beim Antreiben der Spule zu verschlechtern.
Deshalb gibt es eine Notwendigkeit, eine Antriebseinheit für
eine bewegliche Spule zu schaffen, welche ein gutes
Ansprechverhalten beim Antreiben der Spule hat, wobei sie
einen niedrigen Stromverbrauch hat.
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Die US-A-3 676 758 beschreibt einen Motor zum Antreiben eines
linearbetriebenen Kolbens. Die Verbindungen zum Motor sind
vorgesehen durch eine gekrümmte Feder, welche den Kolben in
einer Richtung antreibt, wohingegen die Spule des Motors den
Kolben in der anderen Richtung antreibt. Die DE-A-1 929 703
beschreibt einen Vibrator, bei dem die Polstücken unterstützt
werden durch Aufhängungsträger und die elektrische Verbindung
durch biegsame Leiter hergestellt ist.
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Die FR-A-2 137 795 beschreibt einen Motor mit einer
rotierenden oszillierenden Bewegung. Zumindest eine der
elektrischen Verbindungen zum Motor ist vorgesehen durch ein
biegsames elastisches Element, welches ebenfalls eine
mechanische Funktion beim Halten des beweglichen Teils des
Motors in einer oder der anderen von zwei Extrempositionen
hat.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Antriebseinheit für eine bewegliche Spule zu schaffen, bei
der der Durchmesser der Spulenzuführungen erhöht werden kann
unter Verbesserung eines Ansprechverhaltens einer
Spulenbewegung.
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Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe gelöst nach Anspruch 1
durch eine Antriebseinheit für eine bewegliche Spule zum
Antreiben einer bewegten Spule mit elektrischer Leistung
angelegt von einer externen Stromquelle einschließlich eines
feststehenden Elements; und einem Unterstützungselement aus
leitfähigem Material zum beweglichen Unterstützen der
bewegten Spule bezüglich des feststehenden Elements und
Zuführen der elektrischen Leistung an die bewegte Spule,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Unterstützungselement biegsame Zapfen zum rotierbaren
Unterstützen der bewegten Spule bezüglich des feststehenden
Elements umfaßt, wobei jeweils die einen Enden der biegsamen
Zapfen elektrisch verbunden sind mit Enden von Zuführungen
der bewegten Spule, während die anderen Enden davon
elektrisch verbunden sind mit Enden von Zuführungen der
externen Stromquelle.
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Nach der Antriebseinheit für eine bewegliche Spule nach der
vorliegenden Erfindung ist die Spule des angetriebenen
Elements verbunden mit den einen Enden der biegsamen
Unterstützungsdrehpunkte mit Spulenzuführungen und
Zuführungen von der externen Stromquelle sind verbunden mit
den anderen Enden der biegsamen Unterstützungsdrehpunkte.
Deshalb drehen sich die biegsamen Unterstützungsdrehpunkte
relativ zu beiden Enden davon, so daß die Spulenzuführungen
zwischen den einen Enden der biegsamen
Unterstützungsdrehpunkte und die Spule sich zusammen bewegen,
wobei die Spule keinen Widerstand gegen die Spulenbewegung
ausübt.
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Daraus resultierend kann der Durchmesser der
Spulenzuführungen erhöht werden, um das Ansprechverhalten der
Spule zu verbessern und den Stromverbrauch zu reduzieren.
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden klarer erscheinen aus der
vorliegenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen in Zusammenhang mit der begleitenden
Zeichnung. Die Figuren zeigen im einzelnen:
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Fig. 1 eine Querschnittsansicht, die eine Antriebseinheit
für eine bewegliche Spule nach einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht aufgenommen entlang einer
Linie II-II gezeigt in Fig. 1;
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht, die eine Antriebseinheit
für eine bewegliche Spule zeigt, welche nicht im
Bereich der beanspruchten Erfindung beinhaltet
ist;
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Fig. 4 eine Querschnittsansicht, die eine Antriebseinheit
für eine bewegliche Spule nach einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
und
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Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, die die zweite, in
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Fig. 4 gezeigte Ausführungsform zeigt.
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Fig. 1 und 2 sind Ansichten, die eine Antriebseinheit für
eine bewegliche Spule nach der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigen, welche für einen
Spiegelantriebsmechanismus angewendet wird. Der
Spiegelantriebsmechanismus 1 hat einen Spiegel 2, der um
einen kleinen Winkel um eine Antriebsmittelachse "C" bewegt
wird. Dieser Mechanismus wird benutzt als Zeigemechanismus
eines optischen Systems.
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Der Spiegelantriebsmechanismus 1 umfaßt ein angetriebenes
Element 3 mit dem Spiegel 2 und ein antreibendes Element 4
zum Antreiben des angetriebenen Elements 3.
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Das angetriebene Element 3 umfaßt den Spiegel 2, eine
Spiegelunterstützungsplatte 5 zum Unterstützen des Spiegels
2, einen Spulenkern 6 einheitlich mit der
Spiegelunterstützungsplatte 5 und eine Spule 7, welche um den
Spulenkern 6 gewunden ist. Das Antriebselement 7 umfaßt eine
Basis 8 und vier Permanentmagneten 9a, 9b, 9c und 9d, welche
an der Basis 8 befestigt sind.
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An oberen Teilen auf beiden Seiten des antreibenden Elements
4 sind biegsame Zapfen 10a und 10b angebracht, welche beide
Seiten der Spiegelunterstützungsplatte 5 des angetriebenen
Elements 3 unterstützen, so daß das angetriebene Element 3
rotierbar ist um die Mittelachse c.
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Eine Struktur zum Unterstützen der flexiblen Zapfen 10a und
10b wird detailliert beschrieben werden. Die Basis 8 hat
Unterstützungsabschnitte 11a und 11b angeordnet an oberen
Teilen auf beiden Seiten der Basis 8. Die biegsamen Zapfen
10a und 10b sind befestigt an den Unterstützungsabschnitten
11a und 11b jeweils durch Isolierelemente 12a und 12b. Innere
Drehabschnitte der biegsamen Zapfen 10a und 10b sind
befestigt über Isolierelemente 14a und 14b an Vorkragungen
13a und 13b angeordnet auf beiden Seiten der
Spiegelunterstützungsplatte 5.
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Die inneren Drehabschnitte und äußeren Abschnitte der
biegsamen Zapfen 10a und 10b rotieren relativ zueinander und
sind elektrisch miteinander leitend verbunden.
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Eine elektrische Verbindung zum Anlegen von Strom an die
Spule 7 des angetriebenen Elements 3 wird beschrieben werden.
Eine äußere Antriebsvorrichtung 15 zum Zufügen von
Antriebsstrom ist elektrisch verbunden mit den äußeren
Abschnitten der biegsamen Zapfen 10a und 10b mit elektrischen
Drähten 16a und 16b. Die inneren Drehabschnitte der biegsamen
Zapfen 10a und 10b sind verbunden mit der Spule 7 über
Spulenzuführungen 17a und 17b.
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Der Betrieb des Spiegelantriebsmechanismus 1, der die
Antriebseinheit für die bewegliche Spule der vorliegenden
Erfindung benutzt, wird erklärt werden.
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Die Antriebsvorrichtung 15 legt einen Strom an die biegsamen
Zapfen 10a und 10b durch die elektrischen Drähte 16a und 16b
jeweils an. Die Ströme fließen durch die leitfähigen
biegsamen Zapfen 10a und 10b, die Spulenzuführungen 17a und
17b und die Spule 7. Die Ströme, die durch die Spule 7
fließen, erzeugen eine Antriebskraft nach der
Linke-Hand-Regel von Fleming. Die Antriebskraft wirkt auf die
Spule 7 in Richtung eines Pfeils "A", gezeigt in Fig. 1, um
die Spiegelunterstützungsplatte 5 und den Spiegel 2 in
geringem Umfang um die biegsamen Zapfen 10a und 10b zu
rotieren.
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Ein Neigungswinkel des Spiegels 2 kann gesteuert werden durch
Verändern der Amplitude des von der Antriebsvorrichtung 15 an
die Spule 7 zugeführten Stroms, und die Richtung der Neigung
ist bestimmt durch die Richtung des Stroms.
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Auf diese Art und Weise wird das angetriebene Element 3
rotiert bezüglich des antreibenden Elements 4, während die
Spulenzuführungen 17a und 17b zum Verbinden der Spule 7 mit
den inneren Drehabschnitten der biegsamen Zapfen 10a und 10b
der Drehbewegung der Spule 7 folgen. Deshalb werden die
Spulenzuführungen 17a und 17b niemals einen mechanischen
Widerstand gegen die Bewegung der Spule 7 verursachen.
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Relativpositionen der Spule 7, der Spulenzuführungen 17a und
17b und der biegsamen Zapfen 10a und 10b werden niemals
geändert werden durch die Bewegung der Spule 7.
Dementsprechend unterliegen die Spulenzuführungen 17a und 17b
keiner lokalen Biegekraft und Ermüdung.
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Wenn es keinen mechanischen Widerstand gegen die Bewegung des
angetriebenen Elements 3 gibt, kann der Durchmesser eines
Leiters der Spule 7 erhöht werden, um einen elektrischen
Widerstandswert davon zu reduzieren, um einen Stromverbrauch
bei konstanter Antriebskraft zu reduzieren oder die
Antriebskraft bei konstantem Stromverbrauch zu erhöhen. Somit
ist eine Antriebseinheit für eine bewegliche Spule realisiert
mit einem hohen Frequenzansprechverhalten und mit weniger
Stromverbrauch.
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Fig. 3 ist eine Ansicht, die eine Antriebseinheit für eine
bewegliche Spule zeigt. In der Figur ist ein feststehendes
Element 18 versehen mit biegsamen leitfähigen Federn 19a und
19b, welche ein angetriebenes Element 20 unterstützen. Das
angetriebene Element 20 ist beweglich bezüglich eines
antreibenden Elements 21.
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Das angetriebene Element 20 umfaßt einen Spulenkern 22, von
dem beide Enden unterstützt sind durch die Feder 19a und 19b,
und eine Spule 23, die um den Spulenkern 22 gewunden ist. Das
antreibende Element 21 umfaßt ein Joch 24 und einen
Permanentmagneten 25.
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Um einen Strom an die Spule 23 anzulegen, sind
Spulenzuführungen 26a und 26b der Spule 23 verbunden mit
jeweils den biegsamen Federn 19a und 19b.
Befestigungsabschnitte 19c und 19d der Feder 19a und 19b sind
befestigt an dem festen Element 18 und verbunden mit
elektrischen Drähten 28a und 28b, welche mit einer
Stromquelle 27 verbunden sind. Dementsprechend fließt ein
Strom von der Stromquelle 27 durch die Feder 19a und 19b und
die Spule 23.
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Gemäß der Antriebseinheit für eine bewegliche Spule nach der
obenerwähnten Anordnung erzeugt der Permanentmagnet 25 einen
magnetischen Fluß, wie angedeutet durch Pfeilzeichen 29a,
29b, 29c und 29d, gezeigt in Fig. 3, wobei der magnetische
Fluß in einem Raum zirkuliert, in dem die Spule 23
angesiedelt ist. Wenn ein Strom angelegt wird von der
Stromquelle 27 durch die elektrischen Drähte 28a und 28b, die
Feder 19a und 19b und die Spulenzuführungen 26a und 26b an
die Spule 23, verbiegt die Spule 23 die Federn 19a und 19b,
wie angedeutet durch Pfeilzeichen 30, und bewegt sich linear
innerhalb des Jochs 24.
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Gemäß dieser Antriebseinheit für eine bewegliche Spule
verursacht die Bewegung des angetriebenen Elements dieselbe
Bewegung an den unteren Enden der Federn 19a und 19b und der
Spule 23, so daß die Spulenzuführungen 26a und 26b, welche
die Federn mit der Spule verbinden stationär bleiben können,
um nicht den beweglichen Bereich der Spule 23 zu beschränken
und nicht einen mechanischen Widerstand gegen die Bewegung
der Spule 23 zu verursachen. Deshalb kann bei diesem Aufbau
der Durchmesser eines Leiters der Spule erhöht werden, um
eine Antriebskraft zu erhöhen ohne Behinderung der Bewegung
des angetriebenen Elements 20, wodurch eine Antriebseinheit
realisiert wird mit einem
Hochgeschwindigkeitsansprechverhalten und geringerem
Stromverbrauch.
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Fig. 4 und 5 sind Ansichten, die eine Antriebseinheit für
eine bewegliche Spule angewendet für einen
Doppelwellen-Kardanmechanismus nach der zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Der
Doppelwellen-Kardanmechanismus umfaßt einen äußeren Ring 31,
befestigt an einem angetriebenen Element 48, wie z. B. einer
Antenne und einem Spiegel; ein Paar äußerer biegsamer Zapfen
33a und 33b zum Unterstützen des äußeren Rings 31 um eine
Rotationsachse 32; einen inneren Ring 34 befestigt an inneren
Enden der äußeren biegsamen Zapfen 33a und 33b; zwei Paare
innerer biegsamer Zapfen (36a, 36b) und (37a, 37b) zum
Unterstützen des Innenrings 34 um eine Rotationsachse 35 und
zwei Paare Unterstützungselemente (38a, 38b) und (39a, 39b)
zum Unterstützen der zwei Paare innerer biegsamer Zapfen,
welche angeordnet sind auf einer Basis (nicht gezeigt), die
Permanentmagneten agierend als Antriebselemente unterstützt.
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Auf den Peripherien der äußeren biegsamen Zapfen 33a und 33b
und der zwei Paare innerer biegsamer Zapfen (36a, 36b) und
(37a, 37b) sind Isoliermaterialien 40 angeordnet. Die
Isoliermaterialien 40 werden nicht erfordert, falls der
äußere Ring 31 und der innere Ring 34 aus Isoliermaterial
hergestellt sind.
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Zwei Spulen sind jeweils gewunden um den äußeren Ring 31 und
den inneren Ring 34. Die um den äußeren Ring 31 gewundene
Spule ist verbunden mit den äußeren biegsamen Zapfen 33a und
33b jeweils über Spulenzuführungen 41a und 41b. Die um den
inneren Ring 34 gewundene Spule ist verbunden mit inneren
biegsamen Zapfen 37a und 37b jeweils über Spulenzuführungen
42a und 42b. Weiterhin sind die äußeren biegsamen Zapfen 33a
und 33b verbunden mit den inneren biegsamen Zapfen 36a und
36b jeweils über Zuführungen 43a und 43b.
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Um den äußeren Ring 31 anzutreiben, ist ein
Antriebskontroller 44 für einen äußeren Ring vorgesehen,
welcher mit den inneren biegsamen Zapfen 36a und 36b jeweils
über elektrische Drähte 45a und 45b verbunden ist, um einen
Strompfad zu bilden hindurchgehend durch den
Antriebskontroller 44 für den äußeren Ring, elektrische
Drähte 45a und 45b, die inneren biegsamen Zapfen 36a und 36b,
die Zuführungen 43a und 43b, die äußeren biegsamen Zapfen 33a
und 33b, die Spulenzuführungen 41a und 41b und die Spule am
äußeren Ring (nicht gezeigt).
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Um den inneren Ring 34 anzutreiben, ist ein
Antriebskontroller 46 für einen inneren Ring vorgesehen, der
mit den inneren biegsamen Zapfen 37a und 37b über elektrische
Drähte 47a und 47b verbunden ist, um einen Strompfad zu
bilden hindurchgehend durch den Antriebskontroller 46 für den
inneren Ring, die elektrischen Drähte 47a und 47b, die
inneren biegsamen Zapfen 37a und 37b, die Spulenzuführungen
42a und 42b und die Spule am inneren Ring (nicht gezeigt).
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Der Betrieb der Antriebseinheit für eine bewegliche Spule für
den Doppelwellen-Kardanmechanismus der obenerwähnten
Anordnung wird beschrieben werden. Der innere Ring 34 wird
unterstützt durch die inneren biegsamen Zapfen (36a, 36b) und
(37a, 37b) bezüglich der Unterstützungselemente (38a, 38b)
und (39a, 39b) des festen Elements (nicht gezeigt) und
rotiert frei um die Rotationsachse 35.
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Wenn ein Strom angelegt wird von dem Antriebskontroller 46
des inneren Rings durch die elektrischen Drähte 47a und 47b
an die Spule (nicht gezeigt) des inneren Rings 34, wird der
innere Ring 34 um die Rotationsachse 35 um einen Winkel
entsprechend der Menge des eingespeisten Stroms gedreht. Die
Neigungsrichtung des Winkels kann eingestellt werden durch
Ändern der Richtung des Stroms von dem Antriebskontroller 46
des inneren Rings.
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Der äußere Ring 31 ist unterstützt von den äußeren biegsamen
Zapfen 33a und 33b, welche an dem inneren Ring 34 befestigt
sind, und rotiert frei um die Rotationsachse 32.
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Wenn Ströme von dem Antriebskontroller 44 des äußeren Rings
durch die elektrischen Drähte 45a und 45b an die Spule (nicht
gezeigt) des äußeren Rings 31 zugeführt werden, wird der
äußere Ring 31 um die Rotationsachse 32 um einen Winkel
entsprechend dem Betrag des eingespeisten Stroms gedreht. Die
Neigungsrichtung des Winkels kann eingestellt werden durch
Ändern der Richtung des Stroms von dem Antriebskontroller 44
des äußeren Rings.
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Wenn der äußere Ring 31 an einem angetriebenen Element, wie
z. B. einer Antenne und einem Spiegel (nicht gezeigt),
befestigt ist, kann das angetriebene Element in einer
gewünschten Richtung geneigt werden durch Steuern der
Richtung und Amplitude von Strömen, die zugeführt werden von
den Antriebskontrollern 44 und 46 des äußeren und inneren
Rings, um die Rotation des äußeren und inneren Rings 31 und
34 um die Rotationsachsen 32 und 35 zu steuern.
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Nach der Antriebseinheit für eine bewegliche Spule für den
Doppelwellen-Kardanmechanismus sind die Spulen (nicht
gezeigt), die um den äußeren und inneren Ring 31 und 34
gewunden sind, verbunden durch die biegsamen Zapfen 33a, 33b,
(36a, 36b) und (37a, 37b), Spulenzuführungen 41a, 41b, 42a
und 42b und Zuführungen 43a und 43b so verbunden, daß die
Spulenzuführungen und Zuführungen sich zusammen bewegen mit
dem äußeren und inneren Ring 31 und 34, aber sich niemals
unabhängig bewegen.
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Deshalb wird die Antriebskraft nicht erniedrigt werden und
die Durchmesser der Spulen können erhöht werden, um ein
Hochgeschwindigkeitsansprechverhalten und einen reduzierten
Stromverbrauch zu realisieren.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt durch die
obenerwähnten Ausführungsformen. Z.B. ist es möglich,
leitfähige Lager als Unterstützungseinrichtung zu benutzen.
Deshalb werden verschiedene Modifikationen für die
vorliegende Erfindung möglich sein innerhalb des Bereichs der
vorliegenden Erfindung.
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Zusammenfassend ist nach der Antriebseinheit für eine
bewegliche Spule der vorliegenden Erfindung eine Spule eines
angetriebenen Elements verbunden mit einer
Unterstützungseinrichtung über Spulenzuführungen, und eine
äußere Stromquelle ist mit der Unterstützungseinrichtung so
verbunden, daß die Spulenzuführungen, die die Spule und das
angetriebene Element mit der Unterstützungseinrichtung
verbinden, niemals sich unabhängig bewegen, um einen
Widerstand gegen die Bewegung des angetriebenen Elements zu
verursachen. Deshalb kann unter Beibehaltung des
Hochgeschwindigkeitsansprechverhaltens, welche ein Merkmal
der Antriebseinheit der beweglichen Spule ist, der
Durchmesser der Spule erhöht werden, um den Stromverbrauch zu
erniedrigen.