DE69405797T2

DE69405797T2 - Elektromagnetisches Linearantriebsgerät und seine Verwendung zum Justieren von Linsen

Info

Publication number: DE69405797T2
Application number: DE69405797T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Orimo; Satoshi Sakamoto
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2014-03-31
Also published as: CA2120171A1; US5471100A; CA2120171C; DE69405797D1; KR940022111A; EP0618664A2; EP0618664B1; EP0618664A3; CN1094820A; KR100282055B1; CN1119687C

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Linearantriebsvorrichtung und insbesondere eine solche Vorrichtung, die kompakte Ausmaße zeigt, ein geringes Gewicht hat und Anwendung in einer Kamera zur Einstellung von Linsen wie für Zoom- und Fokussierungszwecke findet.
Motorgetriebene Linsen zum Zoomen und/oder zum Fokussieren wurden für photographische Kameras, Videokameras, elektronische Standbildkameras und dergleichen konstruiert. Bei einer Anordnung wird ein Motor dazu verwendet, eine Schnecke anzutreiben, auf welcher ein Linsenhalter montiert ist, was zu einer bidirektionalen Bewegung der Linse führt. Diese Struktur ist relativ groß, sperrig, schwer und komplex und wird typischerweise für Grobbewegungen (im Gegensatz zu Feinbewegungen) der Linse verwendet. Daher wurde eine Vorrichtung dieses Typs bisher zur Implementierung eines motorgetriebenen Zoomvorgangs, aber typischerweise nicht flir einen motorgetriebenen Fokussierungsvorgang verwendet.
Andere motorgetriebene Anordnungen, die sowohl zum Zoomen als auch zum Fokussieren verwendet werden können, verwenden einen sogenannten Schwingspulenmotor. Ein Beispiel einer motorgetriebenen Linsenanordnung, die einen Schwingspulenmotor benutzt, ist im US-Patent 5,220,461 der Anmelderin der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein anderes Beispiel einer motorgetriebenen Linsenanordnung, die einen Schwingspulenmotor verwendet, ist in den beiliegenden Fig. 1 und 2 gezeigt. Diese Anordnung findet insbesondere Anwendung beim Objektivtubus einer Videokamera wie dem in Fig. 3 gezeigten Typ. Bei der Linsenanordnung von Fig. 1 wirkt eine feste Linse, die als Vorwärts-Linseneinheit 120 bezeichnet wird, mit einer Zoom-Linse 121 zusarmnen, die durch einen Schrittmotor 122 angetrieben ist. Ein Bild von der Zoom-Linse 121 fällt durch eine Blendeneinheit 123 auf eine Fokussierungslinseneinheit 125. Die Kombination der Zoom-Linse 121 und der Blende 123 wird typischerweise als Zoom-Einheit 126 bezeichnet. Die Fokussierungseinheit 125 besteht aus einer festen Linse 124, einer beweglichen Einheit 103, die eine Linse enthält, deren Position eingestellt wird, um eine korrekte Fokussierung zu erreichen, um einer festen Einheit 102, die innerhalb eines Gehäuses 101 gehalten wird. Die Einheiten 102 und 103 in Kombination weisen einen Schwingspulenmotor auf, wie beschrieben werden wird. Die bewegliche Einheit 103 enthält Lagerteile, die auf Achsen 104a und 104b verschiebbar sind, die in dem Gehäuse 101 befestigt sind und sich in einer Richtung parallel zur Längsachse des Schwingspulenmotors erstrecken.
Der Schrittmotor 122 wird verwendet, um die Position der Zoom-Linse 121 über einen relativ weiten Bereich zu verändern, um eine Zoom-Funktion auszuführen, um sowohl Tele-Aufnahmen und Weitwinkel-Aufnahmen zu ermöglichen. Der Bewegungsbereich der Einheit 103 ist relativ klein im Vergleich zu demjenigen des Schrittmotors 122, wodurch die Verwendung eines Schwingspulenmotors zur Ausführung von Fokussierungseinstellungen vereinfacht wird.
Wie insbesondere in Fig. 2 illustriert ist, ist die feste Einheit 102 des Schwingspulenmotors in dem Gehäuse 101 angeordnet und bildet eine Statorstruktur. Die bewegliche Einheit 103 ist der Statorstruktur angepaßt und auf den Achsen 104a und 104b in Axialrichtung (d.h. entlang der Längsachse) dieser Struktur verschiebbar. Wie illustriert, besteht die Statorstruktur aus zwei Sätzen von Rahmenplatten 109 und 110, die hier als äußere und innere Rahmenplatten bezeichnet werden. Die innere Rahmenplatte 110 ist als im wesentlichen rechteckige Röhre ausgebildet und die äußeren Rahmenplatten 109 bestehen aus rechteckigen Plattenteilen, die parallel und beabstandet von den inneren Ralimenplatten sind. Eine rechteckige Verbindungsplatte 108 weist von dieser ausgehende äußere Rahmenplatten 109 auf, wobei diese äußeren Rahmenplatten um 90º gebogen sind und so senkrecht zur Verbindungsplatte 108 sind. Die inneren Ralimenplatten 110 sind mit der Verbindungsplatte 108 so befestigt, daß ein Magnetflußweg beispielsweise von der äußeren Rahnnenplatte 109 durch die Verbindungsplatte 108 zu der inneren Rahmenplatte 110 gebildet wird. Die Verbindungsplatte weist eine zentrale Öffnung 107 einer rechteckigen Form konzentrisch mit dem Inneren der rechteckigen Röhre auf, die durch die inneren Rahnnenplatten 110 gebildet wird. Vorzugsweise ist ein rechteckförmiger Magnet 106 an jeder der äußeren Rahmenplatten 109 befestigt. In dem illustrierten Ausführungsbeispiel ist ein Magnet 106 beispielsweise durch geeigneten Klebstoff mit der Oberfläche einer äußeren Rahmenplatte 109 verbunden, die gegenüber der Oberfläche der inneren Rahmenp latte 110 ist. Anders ausgedrückt ist ein Magnet 106 an der Innenfläche einer äußeren Rahmenplatte 109 verbunden und von einer Außenfläche der gegenübe?liegenden inneren Rahmenplatte 110 beabstandet, um so eine Lücke zwischen dem Magneten und der inneren Ralunenplatte zu definieren. Jeder der Magnete 106 ist in Richtung von deren jeweiliger Dicke polarisiert, so daß der magnetische Fluß den Weg von dem Magneten zu der inneren Rahmenplatte 110 über die Verbindungsplatte 108 zu der äußeren Rahmenplatte 109 und dann zum Magneten 106 durchquert.
Die bewegliche Einheit 103 wird durch einen Linsenhalterahmen 112 gebildet, an dem ein Spulenkörper 113 befestigt ist, auf das eine Spule 118 gewickelt ist, um sich wie dargestellt in axiale Richtung zu erstrecken. Der Linsenhalterahmen kann aus Metall bestehen, an dem ein Rahmenhalter 114 befestigt ist. Der Rahmenhalter und der Linsenhalterahmen können eine aus einem Stück ausgebildete Konstruktion sein oder als geeignet verbundene separate Teile ausgebildet sein. Der Rahmenhalter 114 ist eine rechteckige Platte mit einer zentralen Öffnung, die wenigstens so groß wie der Durchmesser einer auf einer zylindrischen Röhre 115 befestigten und gehaltenen Linse 111 ist, die wiederum durch den Rahmenhalter 114 gehalten wird. Ein Paar Lager 116a und 116b ist an der Röhre 115 befestigt, wobei sich die Lager radial nach außen erstrecken, um die Achsen 104a bzw. 104b aufzunehmen. Die Kombination des Rahmenhalters 114 und der Röhre 115 bilden den Linsenhalterahmen 112, der auf den Achsen 104a und 104b beweglich ist. Da der Spulenkörper 113 an dem Linsenhalterahmen 112 befestigt ist, ist der Spulenkörper auch gleitend in axialer Richtung der illustrierten Anordnung bewegbar. Die Lager 116a und 116b weisen Durchgangslöcher 117a bzw. 117b auf, durch welche sich die Achsen 104a und 104b erstrecken.
Der Spulenkörper 113 besteht aus Kunststoff und ist als im wesentlichen rechteckige Röhre mit einem rechteckigen zentralen hohlen Abschnitt darin ausgebildet. Der Spulenkörper weist einen äußeren Wickelschlitz auf, in den die Spule 118 gewickelt ist. Es sei angemerkt, daß der rechteckige röhrenförmige Spulenkörper in die Lücke zwischen den Magneten 106 und die inneren Rahmenplatten 110 der Statorstruktur paßt, so daß die Spule durch den magnetischen Fluß gelangt, der in der Lücke durch die Magneten 106 erzeugt wird. So passen die inneren Rahmenplatten 110 innerhalb des zentralen hohlen Abschnitts des Spulenkörpers 113 und der Spulenkörper 113 paßt wiederum in die Lücke zwischen den inneren Rahmenplatten und den Magneten 106.
Die Spule 118 ist mit geeigneten (nicht dargestellten) Verbindungen gekoppelt, so daß ein Ansteuerstrom dieser zugeführt werden kann. In Abhängigkeit von der Richtung dieses Stromes wird eine Kraft proportional zur Größe des Stromes und zum magnetischen Fluß der Magneten 106 auf die Spule ausgeübt, wodurch die Spule 118, der Spulenkörper 113 und der Linsenhalterahmen 112 in die entsprechende Richtung bewegt werden. Das heißt, infolge des der Spule zugeführten Stromes wird die bewegliche Einheit 103 axial bezüglich der festen Einheit 102 eingetrieben.
Jedoch sind die Grenzen der bidirektionalen axialen Bewegung der beweglichen Einheit 103 durch das Anliegen des freien Endes des Spulenkörpers 113 gegen die Verbindungsplatte 108 und auch durch das Anliegen des freien oder vorderen Endes der inneren Rahmenplatten 110 gegen den Rahmenhalter 114 beschränkt. Es ist wichtig, daß die Spule 118 immer innerhalb der Lücke zwischen den Magneten 106 und den inneren Rahmenplatten 110 angeordnet ist und sich nicht von diesen vorwärts erstreckt. Daher ist die axiale Bewegung der beweglichen Einheit 103 durch die axiale Länge h des Rahmenhalters 114 beschränkt. Um einen größeren Bewegungsbereich und somit einen größeren Grad der Fokuseinstellung zu erlauben, muß die Länge h vergrößert oder alternativ die axiale Länge des Spulenkörpers 113 vergrößert werden, so daß sich die Spule tiefer in die Lücke zwischen den Magneten 106 und den inneren Platten 110 erstreckt. Natürlich ist es, um eine größere axiale Bewegung der beweglichen Einheit 103 zu ermöglichen, notwendig, die axiale Länge der festen Einheit 102 zu erhöhen. So wird die Gesamtlänge der motorgetriebenen Linsenanordnung, die die in Fig. 2 gezeigte Schwingspulenanordnung verwendet und damit die gesamte axiale Länge des Objektivtubus, in der die Anordnung angeordnet ist, größer, wenn der Einstellungsbereich erhöht werden soll. Im Ergebnis erhöht sich genauso das Gewicht der einstellbaren Linsenanordnung.
Ferner müssen in der in Fig. 2 gezeigten Anordnung die freien oder vorderen Enden der äußeren Rahmenplatten 109 und der inneren Rahmenplatten 110 geöffnet bleiben, um es der Spule 118 zu erlauben, sich innerhalb der Lücke dazwischen zu bewegen. Das heißt, das vordere Ende der Lücke kann nicht geschlossen werden. Daher ist es für die freien oder vorderen Enden der inneren und äußeren Platten nicht möglich, daß sie magnetisch in einem Magnetflußweg geringer Reluktanz verbunden werden, wie der durch eine Platte ähnlich der Verbindungsplatte 108 gebildete Weg geringer Reluktanz. Daher ist der magnetische Flußweg innerhalb der Statorstruktur unidirektional, d.h. er erstreckt sich nur in eine Richtung in jeder der äußeren Platten 109 und er erstreckt sich genauso nur in einer Richtung in jeder der inneren Platten 110, wodurch die magnetische Effizienz der Statorstruktur verringert wird. Um die magnetische Effizienz zu verbessern, müssen die inneren und/oder die äußeren Platten dicker gemacht werden, was dazu führt, daß die gesamte Anordnung größer in ihrer Ausdehnung und ihrem Gewicht wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektromagnetische Antriebsvorrichtung mit einer verringerten Gesamtgröße und verringertem Gesamtgewicht und mit einer speziellen Anwendung in einer motorgetriebenen Linsenanordnung vorzuschlagen, um eine Fokussierung und/oder ein Zoomen der Linsenelemente auszuführen.
Eine weitere Aufgabe der Erfmdung ist es, eine Vorrichtung des genannten Typs vorzuschlagen, die für eine gegebene Größe und ein gegebenes Gewicht einen größeren Bewegungsbereich erlaubt und so einen größeren Bereich von Linseneinstellungen erlaubt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung des genannten Typs vorzuschlagen, die eine Statorstruktur einer verbesserten magnetischen Effizienz aufweist, die trotzdem von vergleichsweise kompakter Größe und leichtem Gewicht ist.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung des genannten Typs vorzuschlagen, um die Linse einer Kamera einzustellen, was zu einer Kamera von kompakter Größe und verringertem Gewicht führt.
Verschiedene andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich und die neuen Merkmale werden insbesondere in den beiliegenden Ansprüchen herausgestellt.
Erfindungsgemäß wird eine wie in Anspruch 1 definierte elektromagnetische Linearantriebsvorrichtung vorgeschlagen. Die erfindungsgemäße elektromagnetische Linearantriebsvorrichtung enthält einen Stator, der ein im wesentlichen rechteckförmiges magnetisches Joch mit inneren und äußeren Rahmenplatten aufweist, die voneinander beabstandet sind, um dazwischen eine Lücke zu bilden, wobei ein Verbindungsteil vorgesehen ist, um einen magnetischen Flußweg zwischen den inneren und ußeren Rahmenplatten zu bilden. Wenigstens ein Magnet ist an einer jeweiligen der inneren und äußeren Rahmenplatten befestigt, um den Magnetfluß zu erzeugen. Ein Spulenkörper ist innerhalb der Lücke zwischen den inneren und äußeren Rahmenplatten angeordnet und hat eine darum gewickelte Spule, die sich in einer Richtung parallel zur Längsachse des rechteckigen röhrenförmigen Jochs erstreckt. Ein angetriebenes Teil, das an dem Spulenkörper befestigt und koaxial mit diesem ist, weist Öffnungen auf, um die inneren Rahmenplatten des Jochs aufzunehmen, so daß, wenn die Spule aktiviert wird, den Spulenkörper in die Lücke zu bewegen, sich die innere Rahmenplatte in und durch den Spulenkörper und in und durch die Öffnungen des Antriebsteils erstreckt. Lagerelemente sind an der durch den Spulenkörper und das angetriebene Teil gebildeten Struktur befestigt und erstrecken sich nach außen, um eine feste Achse aufzunehmen, wodurch es der Struktur erlaubt wird, in axialer Richtung zu gleiten. Wenigstens eine der Ecken des rechteckigen röhrenförmigen Jochs ist ausgeschnitten, um einen offenen Abschnitt zu bilden, durch welchen sich die Lagerelemente bewegen können.
Vorzugsweise ist ein ringförmiges Rahmenteil mit den Endabschnitten der inneren und äußeren Rahmenplatten beabstandet von dem Verbindungsteil gekoppelt, um eine Magnetflußverbindung zu ermöglichen und einen Magnetflußweg zwischen den inneren und äußeren Rahmenplatten aufzubauen. Daher erstreckt sich der Fluß durch jede der inneren und äußeren Rahmenplatten in zwei Richtungen, wodurch die magnetische Effizienz der Statorstruktur verbessert wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein Positionsdetektor mit der beweglichen Struktur gekoppelt, die durch den Spulenkörper und das angetriebene Teil gebildet wird, wodurch eine Erfassung der Position der beweglichen Struktur relativ zu dem Stator erlaubt wird. Vorzugsweise weist der Positionsdetektor einen Magneten und eine Erfassungsspule auf, wobei eine von diesen fest und die andere an einem Lager befestigt ist, um außerhalb von dem rechteckigen röhrenförmigen Joch angeordnet zu sein. In einer bevorzugten Anordnung ist die Erfassungsspule fest außerhalb des rechteckigen röhrenförmigen Jochs angeordnet und der Magnet des Positionsdetektors ist mit dem Lagerelement gegenüber der Erfassungsspule angeordnet und gegenüber dieser beweglich.
Als ein Merkmal dieser Erfindung bilden die äußeren Rallmenplatten in Endansicht eine im wesentlichen rechteckige äußere Ralimenstruktur und die inneren Rahmenplatten bilden in Endansicht eine im wesentlichen rechteckige Ralunenstruktur. Wenn eine der inneren Rahmenplatten und der äußeren Rahmenplatten als ein jeweiliges Paar angesehen wird, ist ein Magnet an einer Oberfläche jedes Paares der Rahmenplatten befestigt. Vorzugsweise ist der Magnet in der Lücke zwischen den inneren und äußeren Rahmenplatten eines Paares angeordnet, wobei eine Oberfläche des Magneten an den inneren oder äußeren Rahmenplatten eines Paares, wie der äußeren Rahmenplatte, befestigt ist, und die andere Oberfläche des Magneten weist zu der anderen Rahmenplatte des Paares.
Wenn als Merkmal der Erfindung jeder Magnet eine Dicke Lm (mm), eine Länge Wm (mm) hat, sich in einer Richtung parallel zur Längsachse erstreckt und die Restflußdichte Br (Tesla) ist, wenn die Lücke eine Länge Lg (mm), wenn die mittlere Restflußdichte der Magneten Brx (Tesla) ist und die mittlere Länge der Magneten Wmx (mm) ist, dann ist (Lm/Lg) x (Br/Brx) x (Wm/Wmx) ≥ 0,05. In einem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist Brx = 0,8 und Wmx = 20.
Als ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist das an dem Spulenkörper befestigte angetriebene Teil ein Linsenhalteteil, auf dem eine Linse gehalten ist. Vorzugsweise wird das Linsenhalteteil von dem Spulenkörper in radial nach innen orientierter Richtung gelagert.
In einer bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfmdung ist die Antriebsvorrichtung in eine Kamera eingebaut, um eine Fokussierungs- und/oder Zoom- Steuerung der darin enthaltenen einstellbaren Linsenelemente auszuführen.
Die folgende detaillierte Beschreibung, die anhand eines Beispiels gegeben wird und nicht dazu gedacht ist, die vorliegende Erfindung darauf zu beschränken, wird am besten zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden, in denen:
Fig. 1 eine Expiosionsansicht einer bekannten Linsenanordnung ist, die für eine Kamera entwickelt wurde;
Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Abschnitts der in Fig. 1 gezeigten Elemente ist:
Fig. 3 eine Perspektivansicht einer bekannten Kamera ist, bei der die in Fig. 1 gezeigte Linsenanordnung verwendet wird;
Fig. 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Videokamera ist, bei der die in Fig. 4 gezeigte Erfindung Anwendung findet;
Fig. 6A und 6B Front- und Querschnittsansichten der in Fig. 4 gezeigten Statorstruktur sind;
Fig. 7A und 7B Front- und Querschnittsansichten der in Fig. 4 gezeigten Statorstruktur sind;
Fig. 8A und 8B Front- und Querschnittsansichten der mit dem Stator von Fig. 4 zusammengebauten beweglichen Einheit sind;
Fig. 9A und 9B Front- und Seitenansichten eines ringförmigen Joches sind, das als Teil in der in Fig. 4 gezeigten Statorstruktur enthalten ist;
Fig. 10 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der in Fig. 4 gezeigten Statorstruktur ist; und
Fig. 11 bis 15 graphische Repräsentationen sind, die zur Beurteilung der durch die vorliegende Erfindung erreichten verbesserten Leistungsfähigkeit nützlich sind.
In Bezug auf die Beispiele, in denen gleiche Bezugszeichen durchgängig benutzt werden und insbesondere auf die Fig. 4, 6A bis 6B, 7A bis 7B, 8A bis 8B und 9A bis 9B wird sichtbar, daß die elektromagnetische Antriebsvorrichtung aus einer festen Einheit 2 und einer beweglichen Einheit 3 besteht. Die feste Einheit 2 ist in einem Gehäuse 1 eingebaut, welches an einer anderen Vorrichtung, wie dem Objektivtubus der in Fig. 5 gezeigten Kamera befestigt ist. Es sei jedoch erwähnt, daß das Gehäuse 1 in anderen Geräten vorgesehen sein kann, in denen eine lineare Bewegung gewünscht ist und nicht auf die Verwendung in Zusammenhang mit einer Videokamera beschränkt ist. Es wird auch angemerkt, daß das Gehäuse 1, wenn erwünscht, weggelassen werden kann.
Der Einfachheit halber ist die vorliegende Diskussion auf die Anwendung der illustrierten Vorrichtung zur Einstellung der Position einer Linse gerichtet. Jedoch sind andere Anwendungen denkbar und die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine Linsenantriebsanordnung beschränkt.
Die feste Einheit 2 enthält eine Statorstruktur aufweisend ein im wesentlichen rechteckiges, röhrenförmiges, magnetisches Joch bestehend aus äußeren Rahmenplatten 9, inneren Rahmenplatten 10, die von den äußeren Ralunenplatten beabstandet diesen gegenüberliegen, um dazwischen eine Lücke zu formen und aufweisend eine Verbindungsplatte 8 zum Verbinden der äußeren und inneren Rahmenplatten und um einen Magnetflußweg hindurch zu ermöglichen. Vorzugsweise sind die Verbindungsplatte 8 und die äußeren Rahmenplatten 9 als eine einheitliche Konstruktion gebildet aus einem geeigneten magnetischen Material und vor deren Zusammenbau können sich die äußeren Rahmenplatten als Beine von der Verbindungsplatte 8 erstrecken und werden dann um 90º in die dargestellte Position gebogen. Es ist sichtbar, daß die Ecken, die sonst zwischen den benachbarten äußeren Rahmenplatten 9 bestehen würden, ausgeschnitten sind, um einen offenen Abschnitt zwischen den benachbarten äußeren Rahmenplatten zu bilden. Es ist ebenfalls sichtbar, daß die Verbindungsplatte 8 eine im wesentlichen rechteckige Öffnung 7 aufweist und daß die inneren Rahmenplatten 10 sich von der Verbindungsplatte 8 in axialer Richtung erstrecken und an der Kante der Öffnung 7 angeordnet ist. Als Referenzpunkt kann man sich die Verbindungsplatte 8 als im hinteren Abschnitt des rechteckigen röhrenförmigen Jochs angeordnet denken und die äußeren Rahmenplatten 9 und inneren Rahmenplatten 10 erstrecken sich von der Verbindungsplatte nach vorne. Die inneren Rahmenplatten bilden eine rechteckige Röhre und die Ecken benachbarter innerer Rahmenplatten sind ausgeschnitten, um offene Abschnitte parallel zu den offenen Abschnitten in den äußeren Rahmenplatten zu bilden.
Man kann sich eine äußere Rahmenplatte 9 und eine gegenüberliegende innere Rahmenplatte 10 als Paar von Rahmenplatten denken und der Abstand zwischen den Platten des Paares definiert eine Lücke 11. Vorzugsweise ist die Lücke 11 zwischen jedem Paar von Platten gleichmäßig und so zeigt jede Lücke die gleiche Lückenlänge. Ebenfalls ist es bevorzugt, daß die Länge jeder der äußeren Rahmenplatten, d.h. die Länge in Axialrichtung gleich ist und die Breite aller äußeren Rahmenplatten ebenfalls gleich ist. Ähnlich ist die Länge aller der inneren Rahmenplatten 10 gleich und die Breite aller dieser inneren Ralhnenplatten ist ebenfalls gleich. Es ist jedoch nicht notwendig, daß die inneren und äußeren Rahnnenplatten in einem Paar gleiche Längen und Breiten haben, obwohl, wie beschrieben werden wird, solche Rahmenplatten gleiche Längen zeigen.
Jedes Paar äußerer und innerer Rahmenplatten weist einen Magneten 6 auf. Vorzugsweise ist jeder Magnet an einer äußeren Fläche einer inneren Rahmenplatte, d.h. der Oberfläche der inneren Rahmenplatte 10 befestigt, die der äußeren Rahmenplatte 9 gegenüberliegt Ebenfalls ist jeder Magnet in Richtung seiner Dicke polarisiert, so daß ein Flußweg beispielsweise von einem Magneten 6, einer äußeren Rahmenplatte 10 zur inneren Rahmenplatte 9 über die Verbindungsplatte 8 und dann über die Lücke zurück zum Magneten aufgebaut wird. Alternativ kann jeder Magnet 6 aus mehreren Magneten aufgebaut sein. Als weitere Alternative kann nur ein Paar von Magneten (beispielsweise obere und untere Magneten) vorgesehen sein.
Eine Vorder- und Querschnittsansicht der innerhalb des Gehäuses 1 eingebauten festen Einheit 10 ist in den Fig. 6A bzw. 6B illustriert. Es ist sichtbar, daß Achsen 4a und 4b innerhalb des Gehäuses 1 eingebaut sind, die sich parallel zur Längsachse der festen Einheit erstrecken und außerhalb des rechteckigen röhrenförmigen Jochs angeordnet sind.
Die bewegliche Einheit 3 besteht, wie in den Fig. 4 und 7A bis 7B gezeigt ist, aus einem Spulenkörper 14, an dem ein Linsenhalter 13 befestigt ist. Der Linsenhalter 13 ist an dem Spulenkörper in einer radial nach innen gerichteten Richtung gelagert. Obwohl hier ein Linsenhalter beschrieben ist, sei angemerkt, daß der Linsenhalter durch ein anderes angetriebenes Teil ersetzt werden kann, dessen Position einstellbar sein soll. In dem illustrierten Ausführungsbeispiel ist jedoch eine Linse 12 an dem Linsenhalter 13 befestigt und letztere wird durch einen Ring 16 oder einen Tubus gebildet. Der Linsenhalter 13 und insbesondere der Tubus 16 werden von dem Spulenkörper 14 durch Lagerungsarme 18a und 18b und durch Verstärkungsbeine 19 gelagert, wie beschrieben werden wird.
Der Spulenkörper 14 hat eine im wesentlichen rechteckige Form mit einem offenen inneren oder einem hohlen Abschnitt 23 (Fig. 7B). Der Spulenkörper kann als rechteckige Röhre gedacht werden, dessen äußere Oberfläche mit einem Wickelschlitz ausgebildet ist, in den eine Spule 24 gewickelt wird. Wie am besten aus den Fig. 4 und 7B sichtbar wird, erstreckt sich die Spule 24 in dem Wickelschlitz in axialer Richtung. Der Spulenkörper 14 kann aus Kunststoff bestehen.
Da der Linsenhalter 13 von dem Spulenkörper 14 mittels der Lagerarme 18a und 18b und der Verstärkungsbeine 19 gelagert ist, werden Öffnungen 35 zwischen dem Spulenkörper und dem Linsenhalter gebildet, wie am besten in Fig. 7A gezeigt ist. Wie unten beschrieben wird, sind diese Öffnungen ausgebildet, die inneren Rahmenplatten 10 und Magneten 6 des rechteckigen röhrenförmigen Jochs aufzunehmen.
Die Lagerarme 18a und 18b erstrecken sich vom Linsenhalter 13 radial nach außen und die Verstärkungsbeine 19 erstrecken sich genauso radial von diesen nach außen. Vorzugsweise wechseln sich die Lagerarme und Verstärkungsbeine ab und sind voneinander um 90º beabstandet. Die Verstärkungsbeine 19 enden in Befestigungsabschnitten 19a, welche an dem Spulenkörper 14 befestigt sind, wie in den Fig. 4 und 7A gezeigt ist. Der Lagerarm 18a ist mit einer L-förmigen Nut 31 an seiner hinteren Fläche ausgebildet, wie am besten in Fig. 8B gezeigt ist, und eine Stufe 32 mit einer L- förmigen Endfläche ist an der hinteren Fläche der Lagerplatte 18b ausgebildet, wie am besten aus Fig. 7B entnommen werden kann. Die Nut 31 hat eine Tiefe, die der Dicke des Spulenkörpers entspricht, und der Spulenkörper wird in diese Nut eingefügt. Der Spulenkörper wird auch auf die Stufe 32 des Lagerarmes 18b aufgesetzt, wie in Fig. 7B gezeigt ist. Es sei angemerkt, daß, wenn der Spulenkörper 14 und der Linsenhalter 13 zusammengebaut werden, eine Ecke des Spulenkörpers in die Nut 31 des Lagerarmes 18b eingefügt wird und die diametral gegenüberliegende Ecke des Spulenkörpers auf der Stufe 32 der Lagerplatte 18b aufsitzt. Ferner berühren die verbleibenden Ecken des Spulenkörpers die Befestigungsabschnitte 19a der Verstärkungsbeine 19 und ein geeignetes Klebemittel wie ein geeigneter Klebstoff wird verwendet, um den Spulenkörper an den Lagerarmen und den Befestigungsbeinen zu befestigen.
Die Lagerarme 18a und 18b sind mit Durchgangslöchern 17a bzw. 17b versehen, um die Achsen 4a und 4b aufzunehmen, wie in Fig. 8B gezeigt ist. Das obere Ende des Lagerarmes 18a endet in einem Magnetbefestigungsabschnitt 20, der mit einem Stift zur Aufnahme des Magneten 22 versehen ist. Vorzugsweise stützt sich der Magnet gegen eine sich aufwärts erstreckende Wand 21 des Magnetbefestigungsabschnitts 20 ab, wie am besten in Fig. 8A sichtbar ist. Der Magnet 22 wirkt mit einer Erfassungsspule 34 zusammen, um einen Positionsdetektor zur Erfassung der Axialposition der Linse 12 zu bilden. Die Erfassungsspule 34 ist, wie am besten aus den Fig. 8A und 8B ersichtlich ist, an einer Innenfläche des Gehäuses 1 befestigt, um dem Magneten 22 gegenüberzuliegen. Es sei erwähnt, daß, wenn der Spulenkörper 14 in Axialrichtung gleitet und so den Linsenhalter 13 und die Linse 12 antreibt, die Axialposition dieser Struktur durch die Erfassungsspule 34 erfaßt wird, in der ein Strom induziert wird, wenn der Magnet 22 sich gegenüber dieser bewegt. Der Magnet 22 ist in seiner Längsrichtung polarisiert, so daß, wenn sich der Magnet an der Spule 34 vorbeibewegt, die Spule die Bewegung gegenüber dieser von abwechselnden Nord- und Südpolen erfaßt.
Wenn der Spulenkörper 14, an dem der Linsenhalter 13 befestigt ist, innerhalb des magnetischen Jochs der festen Einheit 2 befestigt ist, sind der Spulenkörper und dessen Spule 24 innerhalb der Lücke zwischen den Magneten 6 und den äußeren Platten 9 angeordnet, wie am besten aus den Fig. 8A und 8B entnommen werden kann. Es sei angemerkt, daß die Magneten 6 und die inneren Rahmenplatten 10 leicht durch die Öffnungen 35 passen, die zwischen dem Spulenkörper und dem Linsenhalter gebildet werden, wodurch erlaubt wird, daß der Spulenkörper sich axial bewegt, wie in Fig. 8B gezeigt ist, wobei die einzige Beschränkung dieser Bewegung durch das Anliegen des hinteren Endes des Lagerarms 18 an dem hinteren Ende des Gehäuses 1 gebildet ist. Bei Abwesenheit dieses Gehäuses wird die Bewegung des Spulenkörpers nach hinten durch das Anliegen des hinteren Endes von diesem an der Verbindungsplatte 8 beschränkt.
Es ist sichtbar, daß die Spule 24 in dem Fluß innerhalb der Lücke 11 der Statorstruktur angeordnet ist. Das heißt, wenn ein Ansteuerstrom der Spule von einer geeigneten (nicht dargestellten) Quelle zugeführt wird, treibt die resultierende, auf den Spulenkörper ausgeübte Kraft, die proportional zum Fluß in der Lücke 11 und der Stärke und Polarität des Stromes durch die Spule 24 ist, den Spulenkörper und den an diesem befestigten Linsenhalter 13 in die Vorwärts(nach außen)- oder Rückwärts(nach innen)-Richtung an. Wenn, wie oben erwähnt, der Spulenkörper sich bewegt, bewegt sich der Magnet 22 gegenüber der Erfassungsspule 34 und erzeugt eine Flußänderung, die durch die Erfassungsspule erfaßt wird und als Maß für die Positionsänderung von Spulenkörper/Linse verwendet wird. Da die Ursprungsposition des Spulenkörpers bekannt ist, wird diese Erfassung der Positionsänderung als Erfassung der tatsächlichen Position des Spulenkörpers verwendet.
Ein Vergleich der Anordnung der beweglichen Einheit 3 mit der festen Einheit 2, wie am besten in Fig. 8B gezeigt ist, mit der Anordnung der beweglichen Einheit 103 mit der festen Einheit 102 im Stand der Technik, wie in Fig. 2 gezeigt, zeigt, daß die Beschränkung des Bewegungsbereichs beim Stand der Technik durch die vorliegende Erfindung vermieden wird. Insbesondere besteht das Anliegen des vorderen Endes des Joches gegen den Rahmenhalter 114 beim Stand der Technik, der die Bewegung der beweglichen Einheit nach hinten beschränkt, bei der vorliegenden Erfindung nicht, da das vordere Ende des Joches einfach durch die Öffnungen 35 zwischen Linsenhalter 13 und Spulenkörper 14 passen. Ferner wird durch Vorsehen von ausgeschnittenen Abschnitten an den Ecken des rechteckigen röhrenförmigen Joches das Gesamtgewicht der Jochanordnung verringert. Als Vergleichsmaßstab ist bei der in Fig. 2 gezeigten Linse des Standes der Technik die Gesamtlänge der festen Einheit 101 plus der axialen Länge des Rahmenhalters 114 in der Größenordnung von 28 mm, um einen Bewegungsbereich von 10 mm zu erlauben, während bei der vorliegenden Erfindung die dem Rahmenhalter 114 zugeordnete axiale Länge wegfällt, was zu einer Länge der festen Einheit 2 von 18 mm führt, um den gleichen Bewegungsbereich von 10 mm zu ermöglichen.
Da das vordere Ende der Jochstruktur der vorliegenden Erfindung einfach durch die Öffnungen 35 paßt, wie in Fig. 8A gezeigt ist, können die vorderen Enden des Joches durch ein ringförmiges Rahmenteil 41 miteinander verbunden werden, wie in den Fig. 9A und 9B gezeigt ist, wodurch ein geschlossener Flußweg am vorderen Ende jedes Paares von Rallmenplatten gebildet wird, wie in Fig. 8B gezeigt ist. Es sei erwähnt, daß dieses ringförmige Rahmenteil nicht mit der axialen Bewegung der beweglichen Einheit 3 interferiert und daß ferner, da das Teil 41 ein ringförmiger Rahmen ist, keine Interferenz mit dem durch die Linse 12 fokussierten Bild besteht. Daher ist der Flußweg durch jede der äußeren Rahmenplatten 9 und durch jede der inneren Rahmenplatten 10 bidirektional, da der Fluß nun in eine Richtung zur und durch die Verbindungsplatte 8 und in der Gegenrichtung zur und durch das ringförmige Rahmenteil 41 gelangen kann. Im Ergebnis wird eine verbsserte magnetische Effizienz erzielt. Das bedeutet, daß für den gleichen Magnetfluß in der Lücke, d.h. für die gleiche Magnetfluß-Verbindungsspule 24 wie die im Stand der Technik verwendete Verbindungsspule 118 die Dicke der inneren und äußeren Rahmen verringert werden kann. So kann das Gesamtgewicht der elektromagnetischen Antriebsvorrichtung entsprechend verringert werden. Beispielsweise ist das Gewicht der herkömmlichen Fokussierungsanordnung, die in Fig. 2 gezeigt ist, in der Größenordnung von 20 g, während das Gewicht der erfindungsgemäßen Fokussierungsanordnung, die die gleiche Antriebskraft wie beim Stand der Technik erreicht, in der Größenordnung von 13 g.
Es wird im folgenden auf Fig. 10 Bezug genommen, in der ein Abschnitt der Jochanordnung, des Spulenkörpers 14 und der Spule 24 illustriert ist. Insbesondere sind eine äußere Rahmenplatte 9, eine innere Rahmenplatte 10, ein Magnet 6 und ein Abschnitt der Verbindungsplatte 8 und ein Abschnitt des ringförmigen Rahmenteils 41 der Jochstruktur illustriert. Es sei angenommen, daß die Dicke des Magneten 6 Lm (mm) und die Dicke der jeweiligen Platten des Joches t ist. Es sei ferner angenommen, daß das Joch eine im wesentlichen gleichförmige Charakteristik hat, aber daß es einen Abschnitt von diesem gibt, der am meisten sättigbar ist und daß die magnetische Flußdichte B dieses am meisten sättigbaren Abschnitts 1,5 Tesla (T) ist. Es ist berücksichtigt, daß das Joch sich auf eine Kombination der äußeren Rahmenplatte 9, der inneren Rahmenplatte 10, der Verbindungsplatte 8 und des ringförmigen Rahmenteils 41 bezieht. Es sei ferner angenommen, daß:
die Dicke der Spule 24 Lc und als ein numerisches Beispiel Lc = 0,5 mm ist;
die Spannung über die Spule 24 Vo und als numerisches Beispiel Vo = 4,5 V ist;
der Widerstand der Spule Ro und als numerisches Beispiel Ro = 33 Ω ist;
die Breite des Magneten 6 (wie am besten aus Fig. 6B ersichtlich ist) und so der inneren und äußeren Rahmenplatten Hm und als numerisches Beispiel Hm = 12,6 mm ist;
der spezifische Widerstand des für die Spule 24 verwendeten Drahtes 1,72 x 10&supmin;&sup5; Ω/mm ist;
das spezifische Gewicht des Magneten 6 7 ist;
das spezifische Gewicht des die Jochstruktur bildenden Materials 7,86 ist;
das spezifische Gewicht des als Spule 24 verwendeten Drahtes 8,93 ist;
das spezifische Gewicht des Magneten 22 4,9 ist; und
die maximale magnetische Flußdichte Bo durch das Joch, die durch den Magneten 6 erzeugt wird, 1,5 T ist.
Wenn man nun annimmt, daß der Abstand der Lücke Lg + Lm ist, wobei Lm die Dicke des Magneten (als numerisches Beispiel Lm = 0,2 mm) ist und Lg der Abstand zwischen Magneten 6 und äußerer Rahmenplatte 9 ist, der gesamte Abstand zwischen der äußeren Fläche der äußeren Rähmenplatte 9 und der Innenfläche der inneren Rahmenplatte 10 Le mm (als numerisches Beispiel Le = 4,5 mm) ist, die mittlere Länge pro Wicklung der Spule 24 RLC mm ist, die Länge des Magneten 6 Wm mm ist, der Permeanzkoeffizient des Joches K1 (als numerisches Beispiel K1 = 1,3) ist, der Betriebspunkt entlang der Hysterese-Schleife der Jochstruktur Bd (T) ist und der Magnetfluß in der Lücke zwischen dem Magneten 6 und der äußeren Rahmenplatte 9 Bg (T) ist, dann werden die folgenden Gleichungen realisiert:
Lg = Le - 2 x t - Lm (1)
Lc = Lg - 0,5 - 0,3 - 0,3 (2)
RLC=4 x Hm + 2π(Lm + 0,5 Lg) (3)
Pc = (Lm/Lg) x K1 (4)
Bd = Br/(1 + 1,04/Pc) (5)
B =0,5 x Bd x Wm/(t x K1) (6)
Bg = Bd/K1 (7)
Die Steigung einer Linie von dem Ursprung der Hysterese-Schleife für das Material, aus dem die Rahmenplatten 9 und 10 und die Verbindungsplatte 8 gemacht sind, zum Magnetfluß Bd am Betriebspunkt der Hysterese-Schleife ist Pc, wobei Pc = B/H. Ebenfalls ist in der Gleichung (5) oben der Faktor "1,04" die Steigung einer Linie, die die Tangente zur Hysterese-Schleife am Betriebspunkt Bd ist.
Wenn nun der Durchmesser des als Spule 24 verwendeten Drahtes D1 ist und die Anzahl der zur Bildung der Spule mit einem Widerstand R1 von 33 Ω verwendeten Wicklungen N1 ist, wenn die Länge der Spule 24 We ist (wie in Fig. 10 gezeigt ist) und wenn die Dicke der Spule 14 0,4 mm ist, dann sind
N1 = Lc x (Wc - 0,4 x 2) x Sf/(π x (D1)²/4) (8)
R1 = RLC x N1 x 1,72 x 10&supmin;&sup5; (9)
wobei Sf der Raumfaktor ist, der ein Maß für die Größe des Raumes in dem Wicklungsschlitz des Spulenkörpers 14 ist, der durch den Draht der Spule 24 benutzt wird. Der Raumfaktor Sf kann mathematisch ausgedrückt werden als Sf = (2πr² x N1)/(a x b), wobei r der Radius des Drahtes, aus dem die Spule 24 gebildet ist, a die Tiefe des Wicklungsschlitzes des Spulenkörpers 14 und b die Breite des Wicklungsschlitzes ist. Der Strom Ii durch die Spule 24 und der Leistungsverbrauch W der Spule kann aus den folgenden Gleichungen entnommen werden:
I1 = Vo/R1 = 4,5/33 = 0,136 (A) (10)
W = Vo x R1 = 4,5 x 0,136 = 0,612 (W) (11)
Der Schub in gram-feet, der durch den Strom I1 durch die Spule 24 erzeugt wird, ist aus der folgenden Gleichung ersichtlich:
F = Bg x 4 x Hm x I1 x N1/9,8 (12)
wobei Hm die Breite des Magneten 6 ist.
Das Gewicht MM der Kombination der festen Einheit 2 und der beweglichen Einheit 3 kann wie folgt herausgefunden werden: das Gewicht der Jochstruktur (ohne die Magneten 6) ist als Myo bezeichnet, das Gewicht der Magneten 6 als Mmg, das Gewicht der Spule 24 als Mci, das kumulative Gewicht der Linse 12, des Linsenhalters 13 und des Spulenkörpers 14 ist als Mho bezeichnet (was in der Größenordnung von ungefähr 1 g ist), und das Gewicht des Magneten 22 ist als Mmr bezeichnet, so daß:
Myo = (4 x Hm) x 2 x (Wm + Le) x t x 7,86/1000 (13)
Mmg = 4 x (Hm x Wm x Lm) x 7/1000 (14)
Mci = π x (D1)²/4 x RLC x N1 x 8,93/1000 (15)
Mmr = 2 x 2,5 x Wm x 4,9/1000 (16)
Mho = 1 (17)
MM=Myo + Mmg + Mci + Mmr + Mho (18)
Nun kann der Schub pro Gewichtseinheit als M1 ausgedrückt werden, wobei:
M1 = F/MM (19)
Es sei bezüglich der vorangehenden Gleichungen erwähnt, daß der Schub pro Einheitsgewicht M1 sich als Funktion der Dicke Lm des Magneten 6 verändert. Insbesondere ist die Beziehung zwischen dem Schub pro Gewichtseinheit und der Wert (LmHg) x (Br/0,8) x (Wm/20) in Fig. 11 durch die Kurve M1' illustriert, wobei M1' der Schub pro Gewichtseinheit normalisiert bezüglich eines Scheitelwertes von 1,0 ist. In der illustrierten Kurve ist Br die Rest-Magnetflußdichte der Magneten und es sei angenommen, daß die normale Rest-Magnetflußdichte 0,8 T ist. Wm ist die Länge jedes Magneten (wie in Fig. 10 gezeigt) und es sei angenommen, daß die nominale Länge jedes Magneten 20 mm ist.
Fig. 11 illustriert auch die Kurve F, die die Änderungen des Schubs bei Veränderung der Dicke Lm des Magneten 6 angibt, und die Kurve MM/40 repräsentiert die Art und Weise, in der sich das Gewicht der elektromagnetischen Antriebsvorrichtung bestehend aus den Einheiten 2 und 3 mit der Änderung der Dicke der Magneten ändert (so daß die Kurve MM auf dem gleichen Graph wie die Kurven M1' und F auftaucht, wobei die Kurve, die das Gewicht der elektromagnetischen Ansteuervorrichtung repräsentiert, aus Skalierungs-Gesichtspunkten einfach durch 40 dividiert wird).
Aus Fig. 11 ist entnehmbar, daß der wünschenswerte Schub pro Gewichtseinheit M1' erzeugt wird, wenn die Funktion (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) nicht kleiner als 0,05 ist (die in Fig. 11 illustrierten Kurven sind nicht für die Funktion (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) > 0,3 gezeigt, da dieses eine praktische Grenze für die auf den Spulenkörper 14 gewickelte Spule ist).
Fig. 12 illustriert die Beziehung zwischen dem erzeugten Schub pro Einheitsgewicht M1 und der Funktion (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20), wenn sich die Länge Wm des Magneten 6 von 10 mm bis 30 mm ändert und sich die Rest-Magnetflußdichte Br des Magneten von 0,4 T bis 1,2 T ändert. Die vier in Fig. 12 gezeigten Kurven illustrieren, wie sich ein erzeugter Schub pro Gewichtseinheit in dem Fall ändert, wenn Wm = 10 mm und Br = 0,4 T, wenn Wm = 30 mm und Br = 0,4T, wenn Wm= 10 mm und Br = 1,2 T, bzw. wenn Wm = 30 mm und Br = 1,2 T ist. Für alle diese Kurven erkennt man, daß ein wünschenswerter Schub pro Gewichtseinheit erzeugt wird, wenn die Funktion (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) nicht kleiner als 0,05 ist.
Bei einer praktischen Anwendung sollte der für die bewegliche Einheit 3 zu erzeugende Schub F vorzugsweise in der Größenordnung von 20 gf sein. Wenn das Gesamtgewicht der elektromagnetischen Ansteuervorrichtung, d.h. das kumulative Gewicht der festen Einheit 2 und der beweglichen Einheit 3 durch MM repräsentiert ist, ist das zur Erzeugung eines Schubes von 20 gf erforderliche Gewicht der Vorrichtung als MA repräsentiert und kann aus der folgenden Gleichung aufgefunden werden:
MA = (MM/F) x 20 (20)
Fig. 13 illustriert die Beziehung zwischen dem Gewicht MA, das erforderlich ist, um einen Schub von 20 gf zu erzeugen und der Funktion (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) und illustriert auch die Beziehung zwischen dem Gewicht MM der elektromagnetischen Antriebsvorrichtung und dieser Funktion wie auch die Beziehung zwischen dem durch diese Vorrichtung erzeugten Schub F und der Funktion. In den illustrierten Kurven ist die Länge Wm des Magneten 6 bzw. die magnetische Flußdichte Br des Magneten zu 20 mm bzw. 0,8 T festgehalten. Es wird aus Fig. 13 deutlich, daß, wenn (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) nicht kleiner als 0,05 ist, ein wünschenswerter Wert des zur Erzeugung eines Schubs von 20 gf erforderlichen Gewichts MA erhalten wird.
Es sei bezüglich der vorangehenden Diskussion erwähnt, daß ein zufriedenstellend hoher Schub pro Einheitsgewicht M1 bei einem verringerten Gewicht MM der Antriebsvorrichtung erhalten werden kann, wenn (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) nicht kleiner als 0,05 ist. Daher kann das Gesamtgewicht der Antriebsvorrichtung, die zur Einstellung der Linse wie zur Fokussierung und zum Zoomen verwendet wird, verringert werden.
Die in den Fig. 11 bis 13 illustrierten Kurven werden erhalten, wenn das ringförmige Rahmenteil 41 die vorderen Endabschnitte der inneren und äußeren Rahmenplatten verbindet, wie beispielsweise in der in Fig. 8 gezeigten Konfiguration. Es sei jedoch erwähnt, daß, auch wenn dieses ringförmige Rahmenteil nicht verwendet wird, eine zufriedenstellende Gewichtsverringerung der Ansteuervorrichtung erreicht wird, wenn die Funktion (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) nicht kleiner als 0,05 ist. Natürlich verringert sich, wenn das ringförmige Rahmenteil nicht vorgesehen ist, das Gewicht Myo der Statorstruktur, so daß das Gewicht der festen Einheit 2 verringert wird.
Die Beziehung zwischen Änderungen des normalisierten Schubs pro Gewichtseinheit M1' als Funktion von (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20), während sich die Länge des Magneten Wm von 10 mm bis 30 mm ändert, und während die Rest-Magnetflußdichte Br des Magneten sich von 0,4 T bis 1,2 T ändert, ist in Fig. 14 illustriert. Die vier in Fig. 14 illustrierten den normalisierten Schub pro Gewichtseinheit M1' in dem Fall, wenn Wm = 10 mm und Br = 0,4 T, wenn Wm = 30 mm und Br = 0,4 T, wenn Wm = 10 mm und Br = 1,2 T bzw. wenn Wm = 30 mm und Br = 1,2 T. Aus diesen Kurven wird ersichtlich, daß, auch wenn sich die Länge des Magneten 6 von 10 mm zu 30 mm ändert und die Rest-Magnetflußdichte des Magneten sich von 0,4 T zu 1,2 T ändert, ein wünschenswerter Schub pro Gewichtseinheit M1 trotzdem erhalten wird, wenn die Funktion (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) nicht kleiner als 0,05 ist.
Fig. 15 illustriert die Beziehung zwischen dem Gewicht MA der zur Erzeugung eines Schubs von 20 gf erforderlichen Antriebsvorrichtung, das Gesamtgewicht MM der Antriebsvorrichtung und den durch eine solche Vorrichtung erzeugten Schub F als Funktion von (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20), wenn das ringförmige Rahmenteil 41 nicht in der Statorstruktur vorgesehen ist. Es wird sichtbar, daß die in Fig. 15 gezeigten Kurven ziemlich ähnlich zu den in Fig. 13 gezeigten Kurven sind. Da jedoch das ringförmige Rahmenteil 41 nicht verwendet wird, ist die Rest-Magnetflußdichte Br verringert. Jedoch wird, wie durch die Kurven von Fig. 15 demonstriert wird, auch ohne dieses ringförmige Rahmenteil ein wünschenswerter Schub F, ein zufriedenstellend verringertes Gewicht MM und ein verringertes zur Erzeugung eines Schubs von 20 gf erforderliches Gewicht MA erhalten, wenn die Funktion (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) nicht kleiner als 0,05 ist. Daher kann der Schub pro Einheitsgewicht Ml zufriedenstellend hoch sein, was zu einem verringertem Gewicht MM führt, das erforderlich ist zur Erzeugung eines gewünschten Schubs F.
Bei der vorangegangenen Funktion (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) wurde eine nominale Restflußdichte von 0,8 und eine nominale Magnetlänge von 20 mm angenommen. Aufgrund von Herstellungstoleranzen ist anzunehmen, daß sich die Rest- Magnetflußdichte von verschiedenen Magneten ändert und daß ähnlich die Länge jedes Magneten nicht exakt die gleiche ist. Daher würde eine genauere Funktion (Lm/Lg) x (Br/Brx) x (Wm/Wmx) sein, wobei Brx die mittlere Rest-Magnetflußdichte aller Magneten und Wmx die mittlere Länge aller Magneten ist, die, wie erwähnt, von den Nominalwerten Br = 0,8 bzw. Wm = 20 abweichen können. Trotzdem werden ein gewünschter Schub, ein zufriedenstellender Schub pro Gewichtseinheit und ein zufriedenstellendes Gesamtgewicht und zufriedenstellendes Gewicht zur Erzeugung eines Schubs von 20 gf alle erhalten, wenn (Lm/Lg) x (Br/(Brx) x (Wm/Wmx) ≥ 0,5 ist.
Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Schwingspulenanordnung kann das angetriebene Teil, wie eine Linse 12 und ein Linsenhalter 13, über eine längere Distanz durch die Antriebsvorrichtung bewegt werden, deren Gewicht gleich oder kleiner als das Gewicht der aus dem Stand der Technik bekannten Ansteuervorrichtung ist, die beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist.
Es sei auch erwähnt, daß, obwohl zwei Achsen mit kreisförmigem Querschnitt in Fig. 4 gezeigt sind, Achsen mit anderen Querschnitten verwendet werden können. Auch kann, wenn gewünscht, nur eine einzige Achse vorgesehen sein.
Innerhalb des Umfangs der Ansprüche sind Modifikationen möglich.

Claims

1. Elektromagnetische Linearantriebsvorrichtung aufweisend eine Statoreinrichtung (2), aufweisend ein im wesentlichen rechteckiges röhrenförmiges magnetisches Joch (8, 9, 10) mit äußeren Rahmenplatten (9), inneren Rahmenplatten (10) gegenuber und beabstandet von den äußeren Rahmenplatten, um eine Lücke (11) dazwischen zu bilden, ein Verbindungsteil (8) zur Verbindung der äußeren und inneren Rahmenplatten, und um einen Magnetflußweg durch diese bereitzustellen, und wenigstens einen Magnet (6), der an einer der ußeren und inneren Rahmenplatten befestigt ist, um den magnetischen Fluß zu erzeugen, wobei das rechteckige röhrenförmige magnetische Joch eine Längsachse und auch Ecken aufweist, wobei wenigstens eine der Ecken ausgeschnitten ist, um einen offenen Abschnitt zu bilden; eine bewegbare Einrichtung (3), die innerhalb der Lücke (11) zwischen den äußeren und inneren Rahmenplatten gleitend ist und ein Antriebsteil bestehend aus einem Spulenkörper (14), der innerhalb der Lücke (11) angeordnet ist und einer auf den Spulenkörper gewickelten Spule (24), die sich in einer Richtung parallel zu der Längsachse erstreckt, wobei ein angetriebenes Teil (12, 13) koaxial zu dem Spulenkörper (14) angeordnet und an diesem befestigt ist und Öffnungen (35) zum Einfugen der inneren Rahmenplatten (10) der Jocheinrichtung aufweist, so daß, wenn die Spule (24) aktiviert ist, die bewegbare Einrichtung (3) in die Lücke (11) zu bewegen, die inneren Rahmenplatten (10) sich in und durch den Rahmenkörper (14) und in und durch die Öffnungen (35) des angetriebenen Teiles erstrecken; eine feste Welle (4a, 4b), die sich parallel zu der Längsachse des rechteckigen röhrenförmigen magnetischen Jochs erstreckt; und eine Lagereinrichtung (18a), die an der bewegbaren Einrichtung (3) befestigt ist und sich von dieser im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse nach außen erstreckt und durch den offenen Abschnitt der wenigstens einen Ecke des rechteckigen röhrenförmigen magnetischen Jochs erstreckt, wobei die Lagereinrichtung (18a) auf der festen Welle (4a) gleitend bewegbar ist und diese aufnimmt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Joch ferner ein ringförmiges Rahmenteil (41) aufweist, das mit den Endabschnitten von äußerer (9) und innerer (10) Rahmenplatte entfernt von dem Verbindungsteil (8) gekoppelt ist, wobei das ringförmige Rahmenteil (41) eine Magnetflußverbindung zwischen den äußeren und inneren Rahmenplatten ermöglicht, und einen Magnetflußweg hindurch aufbaut.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend eine Positionserfassungseinrichtung (22), die mit der bewegbaren Einrichtung (3) zur Erfassung der Position der bewegbaren Einrichtung relativ zu der Statoreinrichtung (2) gekoppelt ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Positionserfassungseinrichtung einen Magnet (22) und eine Erfassungspule (34) aufweist, von denen eine(s) fest und der/die andere an der Lagereinrichtung (18a) befestigt und außerhalb des rechteckigen röhrenförmigen magnetischen Jochs (8, 9, 10) angeordnet ist, wobei eine Bewegung der bewegbaren Einrichtung (3) eine Relativbewegung zwischen dem Magnet (22) und der Erfassungsspule (34) der Erfassungseinrichtung hervorruft.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Erfassungsspule (34) außerhalb des rechteckigen röhrenförmigen magnetischen Jochs (8, 9, 10) fest angeordnet ist und der Magnet (22) der Erfassungseinrichtung an der Lagereinrichtung (18a) gegenüber der Erfassungsspule (34) befestigt und gegenüber dieser beweglich ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die äußeren Rahmenplatten (9) eine im wesentlichen rechteckige äußere Rahmenstruktur bilden, die inneren Rahmenplatten (10) eine im wesentlichen rechteckige innere Rahmenstruktur bilden, jede der inneren und äußeren Rahmenplatten eine jeweilige Fläche parallel zu der Längsachse besitzen und ein jeweiliges Paar von Rahmenplatten bilden, und ein Magnet (6) an einer Fläche jedes Paars von Rahmenplatten befestigt ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei jeder Magnet (6) in der Lücke angeordnet ist, wobei eine Oberfläche davon mit einer der Rahmenplatten eines jeweiligen Paares befestigt ist und dessen andere Oberfläche auf die andere Rahmenplatte des Paares weist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei jeder Magnet eine Dicke Lm (mm), eine Länge Wm (mm) sich in einer Richtung parallel zu der Längsachse erstreckend und eine Restflußdichte Br (Tesla) aufweist, wobei die Lücke eine Länge Lg (mm) aufweist; die mittlere Restflußdichte der Magneten Brx (Tesla) und die mittlere Länge der Magneten Wmx (mm) ist; und wobei (Lm/Lg) x (Br/Brx) x (Wm/Wmx) ≥ 0,05 ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die äußeren Rahmenplatten in einem Stück mit dem Verbindungsteil ausgebildet sind und das letztere eine im wesentlichen rechteckige Öffnung aufweist, deren äußerer Umfang an den inneren Rähmenplatten befestigt ist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das angetriebene Teil durch den Spulenkörper in radial nach innen gerichteter Richtung gelagert ist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend eine zweite feste Achse parallel zu der erstgenannten Achse und eine zweite an der bewegbaren Einrichtung befestigte und von dieser sich nach außen erstreckende Lagereinrichtung, die sich durch den offenen Abschnitt der anderen Ecke des rechteckigen röhrenförmigen magnetischen Jochs erstreckt und die zweite feste Achse aufnimmt.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei erste und zweite feste Achse außerhalb des rechteckigen röhrenförmigen magnetischen Jochs angeordnet sind.

13. Elektromagnetisch angetriebene Fokussierungsvorrichtung aufweisend eine Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das an dem Spulenkörper befestigte angetriebene Teil eine Linsenhalterung zur Halterung einer Linse ist.

14. Elektromagnetisch angetriebene Fokussierungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, wenn auf Anspruch 7 rückbezogen, wobei jeder Magnet eine Dicke Lm (mm), eine Länge Wm (mm) sich in einer Richtung parallel zur Längsachse erstreckend, und eine Restflußdichte Br (Tesla) aufweist; wobei die Lücke eine Länge Lg (mm) hat; und wobei (Lm/Lg) x (Br/0,8) x (Wm/20) ≥ 0,05 ist.

15. Kamera aufweisend eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 14 zur Bewegung der Linse.