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Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearmotor mit
beweglicher Spule.
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Ein Linearmotor mit beweglicher Spule, wie er in Fig. 1 und 2
der beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, ist vorher
vorgeschlagen worden.
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In Fig. 1 und 2 sind die Magnete 1 und 2 jeweils in Richtung
ihrer Dicke magnetisiert und an den Innenseiten der Joche 3
und 4 befestigt, welche mit ihren Enden derartig abgebogen
sind, daß die gleichen Polaritäten einander gegenuberliegen.
Die Joche 5 und 6 durchdringen beide einen Spulenkörper 8, auf
welchem eine bewegbare Spule 7 gewickelt ist, und bilden mit
den Jochen 3 und 4 eine Einheit, um eine "8"-Form zu bilden,
welche sich in Querrichtung erstreckt. Eine gleitende
Bodenplatte 11 nimmt die Spule 7 auf, welche an ihrer Bodenfläche
mittels eines Stützteils 9 befestigt ist. Die gleitende
Bodenplatte 11 ist an ihren Seiten mit Gleitlagern 12 und 13
versehen, mit welchen Führungsschäfte 14 und 15 in Eingriff stehen.
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Bei den oben erwähnten Anordnungen bewirkt die Erregung der
Spule 7 einen Strom, welcher in die Spule 7 fließt, um gegen
den Fluß der Magnete 1 und 2 zu wirken, um dadurch eine
Schubkraft zu erzeugen, welche die Spule 7 und als Konsequenz die
gleitende Bodenplatte 11 in die Richtung a oder die Richtung b
bewegt. Ein derartiger Linearmotor kann z.B. als eine optische
Tonabnehmerbewegungsvorrichtung in einem optischen
Plattenspieler eingesetzt werden.
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Bei dem oben erwähnten, vorher vorgeschlagenen Linearmotor
müssen, da die Spule 7, welche die Schubkraft erzeugt, durch
die Führungsschafte 14 und 15 über die gleitende Bodenplatte
11 getragen wird, Gesamtgröße und Gesamtgewicht des
beweglichen Teils groß werden, und entsprechend ist das
Schubkraft-Gewicht-Verhältnis klein, wodurch es unmöglich wird, eine sehr
hohe Beschleunigung zu erzeugen. Außerdem beschränkt eine
niedrige mechanische Resonanzfrequenz des Bewegungssystems die
Bandbreite des Servosystems, so daß diese eng wird.
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Aus diesem Grund haben die vorher vorgeschlagenen
Linearmotoren das Problem gehabt, daß ein stabiler Betrieb mit einer
hohen Geschwindigkeit schwierig zu erreichen war.
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Die Patentschrift EP-A-0 212 697 of fenbart eine Vorrichtung
zur Übertragung einer Schiebebewegung, bei der der Schlitten
Lagerbuchsen enthält, welche in Längsrichtung auf einem Paar
von parallelen Führungsstangen verschiebbar sind, wobei
mindestens eine der Lagerbuchsen eine Bewegung des Schlittens in
Richtungen rechtwinklig zu der Längsrichtung der
Führungsstangen ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung wird ein Linearmotor mit beweglicher Spule
vorgesehen, bei welchem zwei parallele, räumlich getrennte
Joche angeordnet sind, jedes parallel und einem jeweiligen
Magneten gegenüberliegend, der in Richtung seiner Dicke
magnetisiert ist, wobei jedes der Joche ein jeweiliges
Durchgangsloch eines Spulenkörpers durchdringt, auf welchem mindestens
eine Spule gewickelt ist, und wobei der Spule oder den Spulen
Energie zugeführt werden kann, um den Spulenkörper
anzutreiben:
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dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächen der Joche und
gegenüberliegende Oberflächen der Durchgangslöcher des
Spulenkörpers einzeln mit Abstand angeordnet sind, und jede mit einer
jeweiligen Führungsnut versehen ist, die sich in Längsrichtung
der jeweiligen Oberfläche erstreckt, daß in den Führungsnuten
Wälzkörper aufgenommen sind, und daß der Spulenkörper durch
die Wälzkörper auf den Jochen abgestutzt ist.
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Ein derartiger Linearmotor kann klein und leicht sein und
stabil
mit einer hohen Geschwindigkeit betrieben werden.
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Die Erfindung ist anhand eines Beispiels in den beigefügten
Zeichnungen schematisch erläutert, in denen
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Fig. 1 und 2 jeweils eine perspektivische Ansicht und eine
Querschnittsansicht des Aufbaus eines Linearmotors der vorher
vorgeschlagenen Art darstellen;
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Fig. 3 und 4 jeweils eine perspektivische Ansicht und eine
Draufsicht zeigen, welche den Aufbau einer ersten
Ausführungsform eines Linearmotors mit bewegbarer Spule entsprechend der
Erfindung darstellen;
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Fig. 5 und 6 Querschnittsansichten jeweils entlang der Linien
III-III und IV-IV von Fig. 4 zeigen;
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Fig. 7 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht
zeigt, welche einen Spulenkörper der ersten Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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Fig. 8 eine perspektivische Darstellung zeigt, welche eine
zweite Ausführungsform eines Linearmotors mit bewegbarer Spule
gemäß der Erfindung darstellt;
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Fig. 9 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie II-II der
Fig. 8 zeigt;
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Fig. 10 eine teilweise geschnittene, perspektivische
Explosionsansicht der zweiten Ausführungsform des in Fig. 8 gezeigten
Linearmotors zeigt;
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Fig. 11 eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht
eines modifizierten Beispiels der zweiten Ausführungsform
zeigt; und
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Fig. 12 eine Querschnittsansicht zeigt, welche eine dritte
Ausführungsform eines Linearmotors mit beweglicher Spule gemäß
der Erfindung darstellt.
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Eine erste Ausführungsform des Linearmotors, welcher bei einer
optischen Plattenvorrichtung Anwendung findet, ist in Fig. 3
bis 7 dargestellt.
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Bezugnehmend auf Fig. 2 bis 7 besitzt eine rechteckige
Basisplatte 21 aus einem magnetischen Material, wie z.B. Stahl mit
niedrigem Kohlenstoffgehalt (Weichstahl), herausragende Teile
22A und 22B mit "U"-förmigen Querschnitten, ausgebildet in
deren längsseitigen Endteilen. Die Magnete 1 und 2 sind in
Richtung ihrer Dicke magnetisiert und jeweils an den Jochen 23
und 24 befestigt. Die Enden der Joche 23 und 24 sind jeweils
mit den innen gegenüberliegenden Magneten 1 und 2 an den
herausragenden Teilen 22A und 22B der Basisplatte 21 befestigt,
wodurch die Magnete 1 und 2 symmetrisch angeordnet sind.
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Die Joche 25 und 26 liegen den Magneten 1 und 2 gegenüber, um
geschlossene magnetische Schleifen zu bilden, welche jeweils
Durchgangslöcher 35 und 36 eines Spulenkörpers 31
durchdringen. Die Joche 25 und 25 sind an innenliegenden Flächen der
jeweiligen Endteile 22c, 22d und 22e, 22f der herausragenden
Teile 22A und 22B der Basisplatte 21 befestigt. Die oberen
Seiten der herausragenden Teile 22A und 22B der Basisplatte 21
werden als Bezugsflächen zur Fixierung der Joche 25 und 26
benutzt.
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An den inneren Wänden der Joche 25 und 26 sind jeweils
Führungsnuten 25g und 26g ausgebildet, welche im Querschnitt "V"-
förmig ausgebildet sind.
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Der Spulenkörper 31 ist aus synthetischem Harz hergestellt und
im wesentlichen als ein rechteckiger Körper ausgebildet, und
um seine Endteile sind ein Paar von Spulen 32A und 32B
gewikkelt. An einer Stelle, an welcher sich ein Loch 33V, das sich
in der oberen Oberfläche des Spulenkörpers 31 öffnet, mit
einem Loch 33H, welches sich in einer seiner Seitenflächen
öffnet, kreuzt, ist ein reflektierender Spiegel 34 mit einem
Neigungswinkel von 45º wie in Fig. 6 dargestellt ist,
angeordnet, um einen optischen Pfad zu bilden, welcher durch die
Löcher 33V und 33H zwischen einer Objektivlinse des optischen
Empfängers und einem Strahlenteiler, welche in den Zeichnungen
weggelassen worden sind, verläuft.
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Wie in Fig. 7 dargestellt ist, sind jeweils auf den inneren
Wandoberflächen der Durchgangslöcher 35 und 36 Führungsnuten
35g und 36g, welche in einer "V"-Form ausgebildet sind,
vorgesehen, den Führungsnuten 25g und 26g der Joche 25 und 26
gegenüberliegend.
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Mit der Führungsnut 35g steht ein Paar von Kugeln 37A und 37B
mit einem vorgegebenen Abstand, der zwischen ihnen mittels
einer Stützplatte 39 aufrechterhalten wird, in Eingriff. Die
andere Führungsnut 36g ist in ähnlicher Weise angeordnet, um
mit einem weiteren Paar von Kugeln 38A und 38B
zusammenzuwirken.
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Wie oben erwähnt, werden die Durchgangslöcher 35 und 36 des
Spulenkörpers 31 jeweils durch die Joche 25 und 26 und die
Führungsnuten 25g und 26g auf der Jochseite, welche jeweils
den Führungsnuten 35g und 36g auf der Spulenkörperseite
gegenüberliegen, durchdrungen.
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Die Zwischenräume zwischen den Jochen 25 und 26 und zwischen
den Durchgangslöchern 35 und 36 sind so geeignet festgelegt,
daß, wie in Fig. 4 und 5 dargestellt ist, die Kugeln 37A, 37B
und 38A, 38B von einem vorgegebenen Durchmesser zwischen den
Führungsnuten 35g und 36g auf der Spulenkörperseite und den
Führungsnuten 25g und 26g auf der Jochseite gehalten werden.
Obgleich in den Zeichnungen weggelassen, sind dort
Abdeckplatten in einer derartigen Weise angeordnet, daß sie ein Teil der
Durchgangslöcher 35 und 36 des Spulenkörpers 31 abdecken, um
die Kugeln vor dem Herausfallen zu schützen.
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Der Durchmesser der Kugeln 37A - 38B ist in Übereinstimmung
mit der geforderten Bewegungsdistanz des Spulenkörpers 31
ausgewählt.
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Da sich jede Kugel mit der Bewegung des Spulenkörpers 31
dreht, beträgt die Bewegungsdistanz des Mittelpunkts der
Kugeln die Hälfte der Bewegungsdistanz des Spulenkörpers 31.
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Auf diese Weise wird in der ersten Ausführungsform der
Spulenkörper 31 auf den Jochen 25 und 26 durch jeweilige Paare von
Kugeln 37A, 37B und 38A, 38B abgestützt. Die Joche 25 und 26
werden sowohl für die Bildung eines magnetischen Kreises als
auch zur Führung des Spulenkörpers 31 verwendet, und Teile,
die ausschließlich für die Führung verwendet werden, wie dies
herkömmlich vorgeschlagen worden ist, sind nicht notwendig.
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Daher ist bei dem Linearmotor der ersten Ausführungsform der
bewegliche Teil fast bis auf den Spulenkörper 31 selbst
verringert, so daß er, verglichen mit früheren Vorschlägen,
beträchtlich in Größe und Gewicht verringert werden kann. Auf
diese Weise kann der Linearmotor der ersten Ausführungsform
ein höheres Schubkraft-Gewicht-Verhältnis aufweisen, welches
durch Erregung der Spulen 32A und 32B erhalten wird, wodurch
es ermöglicht wird, eine hohe Beschleunigung zu erzeugen.
Außerdem kann die mechanische Resonanzfrequenz des
Bewegungssystems hoch eingestellt werden, und dadurch kann die
Frequenzbandbreite des Servosystems breit werden, so daß seine
Reaktion schnell wird. Entsprechend kann durch eine
Kombination von hoher Beschleunigungsfähigkeit und schnellem
Ansprechen die Bewegung des bewegbaren Teils über eine
vorgegebene Distanz stabil in kurzer Zeit ausgeführt werden, wodurch
ein sog. Hochgeschwindigkeitszugriff ermöglicht wird, wenn es
in einer optischen Plattenvorrichtung verwendet wird.
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Während ein Paar von Kugeln für jedes der Durchgangslöcher in
dem Spulenkörper 31 dargestellt ist, ist es jedoch ebenfalls
möglich, den Spulenkörper 31 durch eine Gesamtheit von drei
Kugeln bei der Verwendung nur einer Kugel in einem oder dem
anderen der Durchgangslöcher abzustützen.
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Obwohl der Linearmotor der ersten Ausführungsform dadurch
einen Vorteil schaffen kann, daß der Spulenkörper 31 in
Gewicht und Größe durch Verwendung der Joche 25 und 26 als
Führungsschäfte verringert werden kann, so daß ein stabiler
Betrieb mit einer hohen Geschwindigkeit erreicht werden kann,
ist es notwendig, die V-förmigen Führungsnuten 25g, 26g, 35g
und 36g zur Führung der Kugeln 37A, 37B, 38A und 38B, welche
zwischen dem Spulenkörper 31 und den Jochen 25 und 26
eingefügt sind, mit einer Profilunebenheit von annähernd 0,2um-
0,1um fertigzustellen. Solch eine feine Endbearbeitung
erfordert schwierige Bearbeitungen und eine beträchtliche Anzahl
von Arbeitsvorgängen, wodurch sich das Problem ergibt, daß
dessen Herstellungskosten erhöht werden.
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Eine zweite Ausführungsform kann das obige Problem ebenso
lösen, wie sie die gleichen Aufgaben und Wirkungen wie bei der
ersten Ausführungsform erreichen kann. Bezugnehmend auf Fig. 8
und 9, in welchen Teile, welche jenen in der ersten
Ausführungsform entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind, wird ein bewegbarer Spulenlinearmotor 41 der zweiten
Ausführungsform für die Bewegung der Objektivlinsen eines
optischen Empfängers, welcher in einer optischen
Plattenvorrichtung vorgesehen ist, benutzt. Der Linearmotor 41 ist
unterhalb einer optischen Platte 42 angeordnet, welche mit
einem Zapfen versehen in die Richtung Θ drehbar ist. Der
Linearmotor 41 ist so konstruiert, daß die Joche 25 und 26,
welche aus magnetischem Material hergestellt sind, jeweils den
Magneten 1 und 2 gegenüberliegend angeordnet sind, welche in
Richtung ihrer Dicke magnetisiert sind und jeweils die
Durchgangslöcher 35 und 36 durchdringen, welche durch den
Spulenkörper 31 gebildet werden, auf welchen die Spulen 32A und 32B
gewickelt sind. Der Spulenkörper 31 kann einen zentralen
Bereich, welcher aus Metall, wie z.B. Aluminium, hergestellt
ist, aufweisen, der so mindestens lang wie sein äußerer
peripherer Teil ist, welcher aus nichtmagnetischem Material
hergestellt ist. Das durch die Löcher 33V und 33H gebildete
L-förmige Loch ist in einem Teil des Spulenkörpers 31 ausgebildet,
welcher zwischen dem Paar von Durchgangslöchern 35 und 36
angeordnet ist. Der reflektierende Spiegel 34 zur Änderung der
Richtung des optischen Pfades ist innerhalb des Winkels der
zusammengefaßten Löcher 33V und 33H befestigt. Weiterhin ist
ein beweglicher Teil, z.B. ein den Brennpunkt einstellender
Mechanismus, einer optischen Empfangsvorrichtung 45 mit einer
Objektivlinse 44 durch eine Halterung 43 an der Ausgangsseite
des Loches 33V befestigt. Ein optisches System 46, welches
eine Laserdiode 47, einen Strahlenteiler 48, eine
Kolimatorlinse 49, ein Licht empfangendes optisches System 50 und eine
Fotodiode 51 aufweist, ist in der verlängerten Richtung des
Loches 33H angeordnet.
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Bei dem Linearmotor 41 der zweiten Ausführungsform sind, wie
in Fig. 10 gezeigt, Nuten in den inneren Seitenwänden der
jeweiligen Durchgangslöcher 35 und 36 des Spulenkörpers 31
ausgebildet, und Paare von Schäften 52 und 53 sind an dessen
inneren Seitenwänden befestigt und bilden dazwischenliegende
Nuten 35h und 36h. Die V-förmigen Führungsnuten 25g und 26g
sind in der Oberfläche der jeweiligen Joche 25 und 26, den
Schäften 52 und 53 gegenüberliegend, ausgebildet. Die Schäfte
52 und 53 werden durch Abschleifen gewöhnlicher Stäbe z.B. aus
Keramik oder rostfreiem Stahl erhalten und können an den
inneren Seitenwänden der Nuten in den Spulenkörper 31 mittels
eines Haftmittels befestigt werden. Dann wird das Paar von
Kugeln 37A und 37B zwischen das Paar von Schäften 52 und den
Führungsnuten 25g des Jochs 25 einem Abstand eingefügt,
welcher durch eine Trägerplatte 39 konstant gehalten wird. Ebenso
wird das Paar von Kugeln 38A und 38B zwischen das Paar von
Schäften 53 und der Führungsnut 26g des Jochs 26 mit einem
Abstand eingelegt, welcher mittels einer Trägerplatte 40
konstant gehalten wird. Die Kugeln sind vorzugsweise aus
nichtmagnetischem Material, wie z.B. rostfreiem Stahl, Keramiken,
Rubin oder Saphiren, hergestellt.
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Bei der zweiten Ausführungsform wird der Spulenkörper 31 durch
die Joche 25 und 26 über die Kugeln 37A, 37B, 38A und 38B
abgestützt, so daß die Joche 25 und 26 einen geschlossenen
Magnetpfad mit den Jochen 23 und 24 bilden, welche an der
Basis 21 befestigt sind und ebenfalls als Führungsschächte für
den Spulenkörper 31 dienen. Daher ist es nicht notwendig,
zusätzlich ein Gleitunterteil für die Führungsschäfte für den
Spulenkörper 31 vorzusehen, so daß der Spulenkörper 31 der
zweiten Ausführungsform weiter in Größe und Gewicht verringert
werden kann, wodurch es ermöglicht wird, ihn mit hoher
Geschwindigkeit stabil entlang der Längsrichtung (die mit X
gekennzeichnete Richtung in Fig. 8) der Joche 25 und 26
anzutreiben. Das bedeutet, daß der Linearmotor in der zweiten
Ausführungsform, wenn er in einer optischen Plattenvorrichtung
verwendet wird, einen schnelleren Zugriff liefert.
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Außerdem werden bei dem Linearmotor der zweiten
Ausführungsform die Kugeln 37A, 37B, 38A und 38B jeweils durch die Paare
von Schäften 52 und 53 in den Paaren von Durchgangslöchern 35
und 36 des Spulenkörpers 31 geführt. Die Schäfte 52 und 53
können hochgenaue Schäfte sein, welche mit niedrigen Kosten
als Massenprodukte hergestellt werden. Daher ist es nicht
notwendig, das Paar von Durchgangslöchern 35 und 36 des
Spulenkörpers 31 mit hochgenauen, maschinell bearbeiteten
Führungsnuten zu versehen, welche sich über deren gesamte
Längsrichtung an ihren inneren Seitenwänden erstrecken, was es möglich
macht, die Anzahl der Bearbeitungsvorgänge und die
Herstellungskosten entsprechend zu verringern.
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Die in Fig. 8 gezeigten Schäfte 52 und 53 sind an den inneren
Seitenwänden der jeweiligen Nuten in den Spulenkörper mittels
eines Haftmittels befestigt. Jedoch können sie, wie in Fig. 11
dargestellt, mittels Abdichtung befestigt werden. Speziell in
dem Beispiel von Fig. 11 ist der innere Teil des Spulenkörpers
31 aus nichtmagnetischem Leichtmetall hergestellt, und die
Enden der Nut des Durchgangslochs 35 in dem Spulenkörper 31
sind jeweils mit Vorsprüngen 54 und 55 versehen. Die
Vorsprünge 54 und 55 sind mittels eines nicht gezeigten Werkzeugs
gestemmt, nachdem das Paar von Schäften 32 an der inneren
Seitenwand der Nut befestigt ist, wodurch das Paar der Schäfte 52
standfest erhalten werden kann. In der gleichen Weise ist die
Nut des Durchgangslochs 36 des Spulenkörpers 31 an ihren Enden
mit Vorsprüngen 56 und 57 (der Vorsprung 57 ist in Fig. 11
nicht gezeigt) versehen, und das Paar von Schäften 53 mittels
Abdichtung an die Vorsprünge 56 und 57 befestigt, um die Nut
36h dazwischen auszubilden, um die Kugel 38B aufzunehmen.
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Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform des Linearmotors
entsprechend der Erfindung mit Bezug auf Fig. 12 beschrieben.
Wie in Fig. 12 dargestellt ist, wird eine Nut an der inneren
Seitenwand des Jochs 25 gegenüber dem Paar von Schäften 52
ausgebildet, welche an der inneren Wand der Durchgangslöcher
35 durch den Spulenkörper 31 ausgebildet sind, und ein Paar
von Schäften 58 wird darin angebracht, um eine
dazwischenliegende Nut 25h zu bilden. Auf diese Weise wird das Paar von
Kugeln 37A und 37B zwischen das Paar der Schäfte 52 und das
Paar der Schäfte 58 eingelegt. In der gleichen Weise wird eine
Nut an der inneren Wand des Jochs 26 gebildet, und ein Paar
von Schäften 59 ist darin angebracht, um dazwischen eine Nut
35h zu bilden. Daraufhin wird das Paar der Kugeln 38A und 38B
zwischen das Paar von Schäften 53 auf der Spulenkörperseite
und das Paar von Schäften 59 auf der Jochseite eingelegt. Auf
diese Weise ist der Spulenkörper 31 durch die Joche 25 und 26
über die Paare von Kugeln 37A, 37B und 38A, 38B beweglich
abgestützt. Der Rest des Aufbaus der dritten Ausführungsform ist
die gleiche wie bei der in Fig. 8 gezeigten zweiten
Ausführungsform, so daß deren detaillierte Erklärung weggelassen
wird.
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Gemäß der in Fig. 12 gezeigten dritten Ausführungsform ist es
nicht notwendig, da die Führungsflächen für die Kugeln 37A,
37B, 38A und 38B alle aus billigen Schäften 52, 58, 53 und 59
gebildet sind, hochgenaue Führungsflächen über die gesamte
Länge der Joche 25 und 26 zu bilden, wodurch sich ein Vorteil
in der Weise herausstellt, daß die Herstellungskosten
weiterhin verringert werden können.
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Die Anzahl der zwischen dem Spulenkörper 31 und den Jochen 25
und 26 eingelegten Kugeln kann verändert werden, z.B. können
zwei Kugeln auf der Seite, auf welcher das Joch 25 vorgesehen
ist, und nur eine Kugel auf der Seite, auf welcher das Joch 26
vorgesehen ist, verwendet werden.
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Die Durchgangslöcher des Spulenkörpers, auf welchem die Spulen
gewickelt sind, und die Joche, welche die Durchgangslöcher
durchdringen, sind mit Führungsnuten für die rollenden
Elemente versehen, und der Spulenkörper wird auf den Jochen durch
die rollenden Elemente abgestützt, so daß die Joche, welche
Komponententeile des magnetischen Kreises sind, benutzt werden
können, den Spulenkörper zu führen, wodurch es ermöglicht
wird, den beweglichen Teil in Größe und Gewicht zu verringern,
und entsprechend einen Linearmotor mit beweglicher Spule
vorzusehen, welcher bei hoher Geschwindigkeit stabil arbeiten
kann.