SPIEGELANTRIEB FÜR PROJEKTIONSSYSTEME UND ZUGEHÖRIGES VERFAHREN
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Antrieb, um einen Spiegel zwischen Winkelstellungen alternierend auszulenken. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Spiegelantriebe zur Verwendung in einem
Projektionssystem, um einen Spiegel zwischen zwei Winkelstellungen, die relativ zum Ruhezustand geneigt sind, alternierend zu bewegen, wobei der Antrieb eine einfache Kombination aus Permanentmagnet und Schwingspulen verwendet.
Im vorliegenden Zusammenhang wird der Spiegel zwischen zwei Positionen bewegt, um die Pixeldichte eines projizierten Bildes zu verdoppeln. Dies geschieht durch zwei wechselnde Halbbilder, deren jedes die halbe Pixelzahl des Gesamtbildes hat. Die Halbbilder werden, bedingt durch die Bewegung des Spiegels, leicht gegeneinander versetzt. Beispielsweise kann ein Halbbild einen Versatz nach unten relativ zum anderen Halbbild haben, der der Hälfte der Pixelgröße entspricht. Das menschliche Auge integriert die zwei aufeinander folgenden Bilder, um ein einziges Gesamtbild zu kreieren.
Während die benötigte Schwingungsamplitude typischerweise sehr klein ist, kommen sehr hohe Beschleunigungen zustande, die beispielsweise 12G oder mehr betragen.
Die Motoren, die bisher in dieser Art von Anwendung verwendet wurden, um solche Kräfte zu verwirklichen, umfassten eine Vielzahl von Magneten und eine Vielzahl von beweglichen Teilen. Die Figuren 1A und 1 B zeigen einen solchen Motor 1 gemäß dem Stand der Technik, der verwendet wird um einen Spiegel in einem Projektor anzutreiben. Die Figur 1A zeigt ein zusammengebautes Bauteil 1 und Figur 1 B zeigt
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die Explosionsansicht des Bauteils aus Figur 1A. Um die für den Antrieb des Spiegels notwendigen Kräfte zu erreichen, werden zwei Schwingspulen 4, vier Dauermagnete 14 und fünf Stahlteile (vier Stahlplatten 12 und eine Basis 16) benötigt.
Wie anhand der Figuren gesehen werden kann, werden also viele teure Komponenten benötigt, deren Zusammenbau schwierig ist und die aufgrund der Komplexität die Gefahr einer Fehlfunktion umfassen.
Es besteht daher das Bedürfnis nach einem elektromagnetischen Antrieb, welcher lediglich ein einfaches Bauteil, das einen Dauermagneten und Spulen umfasst, um eine Oberfläche zwischen zwei nahe beieinander liegenden Winkelpositionen bei hoher Frequenz zu rotieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen elektromagnetischen Antrieb anzugeben, der ein einfaches Bauteil, das einen Dauermagneten und Spulen umfasst, um eine Oberfläche zwischen zwei nahe beieinander liegenden Winkelpositionen bei hoher Frequenz zu rotieren. Der Antrieb sollte insbesondere für die Rotation eines Spiegels zwischen zwei Winkelpositionen relativ zu einem Ruhezustand geeignet sein.
Die Lösung der Aufgabe wird mittels einer einfachen Kombination aus einem Permantentmagneten und Schwingspulen erzielt.
Erfindungsgemäß wird ein elektromagnetischer Antrieb zur alternierenden Auslenkung eines Spiegels zwischen zwei Winkelpositionen aufgebaut mit einem fixen Magnetfeldbauteil und mit einem Spiegelhalter, mit einem um eine Achse beweglich gelagerter Teil, wobei das Magnetfeldbauteil zwei magnetische Pole umfasst und der eine magnetische Pol des Magnetfeldbauteils zwei Öffnungen umfasst und der andere magnetische Pol des Magnetfeldbauteils zwei Arme umfasst, die derart ausgebildet sind, dass in jede der beiden Öffnungen jeweils ein Arm hineinragt, so dass zwischen einem Arm und der Berandung der Öffnung, in die er hineinragt, ein Luftspalt vorhanden ist, den der magnetische Fluss des Magnetfeldbauteils vom einen magnetischen Pol zum anderen überbrückt; und der beweglich gelagerte Teil des Spiegelhalters einen Arm umfasst, an dem ein Spiegel und zu beiden Seiten der Achse jeweils eine Schwingspule angeordnet ist, wobei Spiegelhalter und Magnetfeldbauteil derart zueinander angeordnet sind, dass in jede der beiden Öffnungen jeweils eine der Schwingspulen zumindest teilweise hineinragt und in die jeweils eine Schwingspule ein Arm des anderen magnetischen Pols eingreift, so dass der magnetische Fluss durch Windungen der Schwingspulen tritt.
Vorzugsweise ist der elektromagnetische Antrieb dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldbauteil einen Permanentmagneten, eine obere Platte und eine untere Platte umfasst, und die obere Platte den einen Pol des Magnetfeldbauteils bildet und die untere Platte den anderen Pol des Magnetfeldbauteils bildet.
Vorzugsweise wird die bewegliche Lagerung des beweglich gelagerten Teils über einen Torsionsbalken an einer Peripherie des Spiegelhalters realisiert.
Peripherie, Torisionsbalken und Arm des Spiegelhalters können einstückig, vorzugsweise aus einer gegossenen Aluminiumlegierung gefertigt sein.
Zur Schaltung des Spiegels zwischen zwei Winkelpositionen wird dann folgendermaßen verfahren: In einem ersten Schritt wird man Strom in geeigneter Richtung durch die Schwingspulen fliessen lassen. Aufgrund der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter werden die Spulen eine Kraft vertikal zu ihren Wicklungen und dem magnetischen Fluss, der durch die Spulen tritt, erfahren und die Kräfte sich zu einem Drehmoment auf den Arm des beweglich gelagerten Teils des Spiegelhalters aufsummieren und eine Auslenkung des Spiegels in eine Winkelposition bewirken. In einem zweiten Schritt werden die Stromrichtung und damit das Drehmoment umgekehrt, so dass eine Auslenkung des Spiegels in eine andere Winkelposition bewirkt wird. In einem dritten Schritt werden der erste Schritt und der zweite Schritt zyklisch wiederholt.
Dabei können die Schritte in so rascher Abfolge wiederholt werden, dass am Arm des beweglich gelagerten Teils des Spiegelhalters Beschleunigungen von >12G auftreten.
Schwingspulen sind bekannt. Während sie ursprünglich für Lautsprecher entwickelt wurden, werden sie auch dazu verwendet, Elemente in unterschiedlichen Bauteilen zu bewegen und dadurch Schrittmotoren oder ähnliches zu ersetzen. Beispielsweise werden sie in Festplattenantrieben verwendet, um die den Kopf tragenden Arme über die Platte hinein oder wieder heraus zu schwenken. Die Schwingspulen werden
dadurch aktiviert, dass Strom durch die Wicklungen geschickt wird, wodurch vertikal Kräfte produziert werden. Ein magnetischer Fluß, durch den Magneten und zwei Platten hervorgerufen, überquert Luftspalte. Dadurch bewegen sich die Schwingspulen nach oben oder nach unten, je nach Stromrichtung.
Der Permanentmagnet entsprechend der vorliegenden Erfindung umfasst eine obere Oberfläche, die einen magnetischen Pol bildet sowie eine untere Oberfläche die den anderen magnetischen Pol bildet. Die obere Oberfläche hat Öffnungen um die Schwingspulen aufzunehmen und die untere Oberfläche hat Arme die in die Öffnungen der Schwingspulen hineinragen. Auf diese Art wird erfinderisch mit nur einem Magneten ein hoher Fluss in den Spalten um die zwei Schwingspulen- Motoren des Antriebs herum generiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Magnet zusätzlich zum Dauermagneten lediglich zwei Teile eines ferromagnetischen Materials wie zum Beispiel gestanzten Stahl: Eine obere Platte und eine untere Platte die durch den Dauermagneten derart zusammengehalten werden, dass jede der Platten einen magnetischen Pol bildet. Die obere Platte hat Öffnungen um die Schwingspulen aufzunehmen und die untere Platte hat Arme die ins Innere der Schwingspulen hineinragen. Auf diese Art wird erfinderisch mit nur einem
Permanentmagneten (beispielsweise aus seltenen Erdenn) und zwei Teilen eines ferromeg netischen Materials ein hoher Fluss in den Spalten um die zwei Schwingspulen-Motoren des Antriebs herum generiert.
Ein noch benötigter Halter für den Spiegel umfasst eine fixierte Peripherie oder äußere Kante sowie bewegliche Arme, die an einem Torsionsbalken montiert sind, der sich über die Peripherie erstreckt. Die Arme werden durch die Schwingspulen bewegt. Der Spiegel ist aus der den Schwingspulen gegenüberliegenden Seite befestigt und bewegt sich mit den Armen.
Es folgt nun eine kurze Beschreibung der Bilder.
Figur 1 A (Stand der Technik) ist eine isometrische Ansicht eines bekannten Bauteils, um einen Spiegel anzutreiben. Das Bauteil umfasst zwei Schwingspulen, vier Magnete und fünf Stahlteile
Figur 1 B (Stand der Technik) ist eine Explosionsansicht des bekannten Bauteils aus Figur 1A.
Figur 2A ist eine isometrische Explosionsansicht, die einen Spiegelantrieb entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
Figur 2B ist eine isometrische Ansicht des Spiegelantriebs aus Figur 2A in assemblierter Form.
Figur 3 zeigt eine isometrische Explosionsansicht des Magnetfeld-Bauteils aus Figuren 2A und 2B.
Figur 4 ist ein Schnitt einer isometrischen Ansicht des in Figur 3B dargestellten Magnetfeld-Bauteils, in assemblierter Form.
Figur 5 ist eine Seitenansicht des Spiegelantriebs der Figuren 2A und 2B im Ruhezustand.
Figur 6 ist eine Seitenansicht des Spiegelantriebs der Figuren 2A und 2B in einer der Winkelpositionen.
Figur 7 ist der Schnitt einer isometrischen Seitenansicht des Spiegelantriebs der Figuren 2A und 2B, im Ruhezustand.
Figur 8 ist der Schnitt einer isometrischen Seitenansicht des Spiegelantriebs der Figuren 2A und 2B, in einer der Winkelpositionen.
Figur 9 ist eine isometrische Seitenansicht, die den beweglichen Teil des Spiegelhalters des Spiegelantriebs der Figur 2A mit mehr Details zeigt.
Es folgt eine genauere Erläuterung der vorliegenden Erfindung, beispielhaft und anhand der Figuren.
Die Bezugszeichen die in den Figuren verwendet werden lassen sich folgendermassen den Teilen zuordnen:
1 Bauteil gemäß Stand der Technik
4 Schwingspulen
12 Stahlplatte
14 Magnete
16 Basis 100 Spiegel
101 Gehäuse des Antriebs
102 Motorbauteil
104 Schwingspulen
105 Magnetfeld-Bauteil 106 Spiegelhalter
108 Spiegel
109 Spiegelarretierung
110 Biegeachse
112 Obere Platte des Magnetfeld-Bauteils 114 Magnet
115 Flusslinien vom Magneten
116 Untere Platte des Magnetfeld-Bauteils 118 Arme der unteren Platte
120 Öffnungen für Schwingspulen 122 Beweglicher Teil des Spiegelhalters
123 Torsionsbalken
124 Arm des beweglichen Teils
125 Peripherie des Spiegelhalters
Figur 2A ist eine isometrische Explosionsansicht, die einen Spiegelantrieb 100 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt. Figur 2B ist eine isometrische Ansicht des Spiegelantriebs 100 aus Figur 2A in assemblierter Form.
Ein Gehäuse 101 bildet die Basis für den Antrieb. Die Spiegelarretierung 109 schnappt in den Spiegelhalter 106 und hält den Spiegel 108 am Halter 106. Das Magnetfeld-Bauteil 105 (besser dargestellt in den Figuren 3 und 4) und die Schwingspulen 104 bilden den Motor 102 des Antriebs. Der Spiegelhalter 106 umfasst einen beweglichen Teil 122 (besser dargestellt in Figur 9), der sich auf einem Torsionsbalken 123 dreht. Der Spiegel 108 ist mit dem beweglichen Teil 122 des Spiegelhalters verbunden und bewegt sich mit diesem.
Die Auslenkung des Spiegels ist typischerweise sehr klein, in der Größenordnung von 30 bis 60 Bogensekunden (0.007 bis 0.015 Grad). Dies ist einem bistabilen Antrieb ähnlich, in dem der Spiegel, abgesehen von der Ruheposition, zwei versetzte Positionen einnimmt. Dementsprechend wird der Spiegel um +/- 0.015 Grad von der Ruheposition ausgelenkt. Dies ist am besten in den Figuren 5-8 gezeigt. Während die benötigte Schwingungsamplitude damit sehr klein ist, kommen sehr hohe Beschleunigungen zustande, die beispielsweise 12G oder mehr betragen können.
Die Schwingspulen 104 umfassen einen Draht geringen Querschnitts, der um eine Rolle gewickelt ist und die so ausgelegt ist dass die Schwingspulen in die Öffnungen 120 passen. In einer Ausführungsform umfassen die Spulen ca. 80 Drahtwindungen. In der Ausführungsform entsprechend der Figuren 2A und 2B sind die Dimensionen der Spulen folgendermaßen gewählt: 18mm lang x 4 mm breit mal 3 mm hoch. Die
Spulen werden im Beispiel bei 100 bis 500 mA betrieben. (Stromquelle nicht gezeigt).
Figur 3 zeigt eine Explosionsansicht des Magnetfeld-Bauteils 105. Magnetfeld- Bauteil 105 umfasst eine obere Platte 112, lediglich einen Permantentmagneten 114 und eine untere Platte 116. Der Permanenmagnet 114 hält die beiden Platten zusammen und liefert auch den Fluß 115 wie in der Figur 4 gezeigt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Permanentmagnet aus einem Material der seltenen Erden, mit Dimensionen ungefähr 3mm dick und 8mm2 gross. Die untere Platte 116 hat Arme 118, die in die Öffnungen 120 der oberen Platte 112 hineinragen, jedoch einen Luftspalt für die Schwingspulen 104 belassen (siehe Figuren 2A und 2B). Die Platten 112, 116 können aus gestanzten ferromagnetischen Metallplatten gemacht werden. Es werden keine spanbearbeiteten Teile benötigt.
Das Antriebsgehäuse 101 hält die Platten 112, 116 in einer präzisen räumlichen Anordnung zueinander mittels am Gehäuse vorgesehener Elemente, an denen die Platten ausgerichtet sind. Dies ist notwendig, da der magnetische Fluß von der einen zur anderen Platte diese zusammenzieht. Auf den Luftspalt bezogen wird ein Pol durch den inneren Pol gebildet (Arme 118 der unteren Platte) und der andere Pol wird durch die Oberfläche des äußeren Pols (Kanten der Öffnungen 122 der oberen Platte 112) gebildet. Um die Diskussion zu vereinfachen, sei im Folgenden die obere Platte als Nord bezeichnet und die untere Platte als Süd. Allerdings würde die entsprechend andere Polung auch funktionieren.
Man beachte, dass im Zusammenhang mit einem Spiegel, der von der Ruheposition weg in zwei Winkelpositionen bewegt wird, eine Motorkonstante von 0.1 bis 0.2 Grad/A vorteilhaft ist. Das Design, wie es in den Figuren 2A -4 gezeigt ist, weist eine solche Fähigkeit auf. Andere Konfigurationen, z.B. bei denen auf die obere Platte 112 verzichtet wird, führen auch zur Bewegung des Spiegels, wenn auch eventuell mit einer zu kleinen Motorkonstanten.
Figur 4 ist ein Schnitt einer isometrischen Ansicht des Magnetfeld-Bauteils 105, in assemblierter Form. Gezeigt sind auch die Flusslinien 115, hervorgerufen durch den Magneten 114. Die obere Platte ist einer der magnetischen Pole (Nord in diesem Beispiel) und die untere Platte 116 ist der andere Pol (Süd). Der Fluß überbrückt die Luftspalte zwischen den Armen 118 und den Öffnungen 120 und wirkt auf die Schwingspulen 104, die aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt sind. Wird elektrischer Strom durch die Schwingspulen 104 geschickt, dann bewegen diese den beweglichen Teil 122 des Spiegelhalters 106, der sich um den Torsionsbalken 123 dreht. Bei richtiger Wahl der relativen Stromrichtungen durch die Spulen bewegt sich eine Seite nach oben und die andere Seite nach unten (siehe Figuren 6 - 9). Wird die Stromrichtung umgekehrt, so bewegen die Schwingungsspulen den Spiegelhalter in die andere Richtung.
Figur 5 ist eine Seitenansicht des Spiegelantriebs 100 im Ruhezustand. Die Spiegelarretierung 109 und das Gehäuse werden aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt. Die Biegeachse 110 ist gezeigt. Figur 6 ist eine Seitenansicht des Spiegelantriebs 100 in einer der Winkelpositionen. Man beachte, dass die Auslenkung in dieser Figur übertrieben groß dargestellt ist, um die Situation besser
zu veranschaulichen. Im Beispiel der Figur 6 fliesst elektrischer Strom (beispielsweise) in eine Richtung der Schwingspule linker Hand und durch die Schwingspule rechter Hand in der Gegenrichtung. Die Schwingspulen 104 produzieren dadurch senkrechte Kräfte, die auf sie zurückwirken und diese in Bewegung setzen. Mit den Spulen wird der an ihnen befestigte Spiegelhalter in
Bewegung gesetzt, entweder nach oben (im Falle der Spule rechter Hand) oder nach unten (im Falle der Spule linker Hand und zwar relativ zum in den Spalten durch den Magneten 114 hervorgerufenen Magnetfeld.
Figur 7 ist der Schnitt einer isometrischen Seitenansicht des Spiegelantriebs 100 im Ruhezustand. Figur 8 ist der Schnitt einer isometrischen Seitenansicht des Spiegelantriebs der Figuren 2A und 2B, in einer der Winkelpositionen wie in Figur 6 dargestellt. Anhand dieser Figuren läßt sich erkennen, dass die Schwingspulen 104 sich nach unten in die Öffnungen 120 und um die Arme 118 der unteren Platte erstrecken. Daher ist der magnetische Fluss zwischen den beiden Platten dort am stärksten, wo er durch die Schwingspulen 104 greift.
Figur 9 ist eine isometrische Seitenansicht, die den beweglichen Teil des Spiegelhalters 122 des Spiegelantriebs 106 mit mehr Details zeigt. Die Schwingspulen 104 sind an den beweglichen Teil 122 montiert und bewegen sich daher zusammen. Der Torsionsbalken 123 verdreht sich, wenn die Spulen ein Drehmoment auf die Arme 124 ausüben. Die Enden des Torsionsbalkens 123 sind an der Peripherie 125 des Spiegelhalters befestigt. Demgegenüber sind die Arme 124 an denen der Spiegel 108 angeordnet ist, gegenüber der Peripherie beweglich.
Aufgrund des Designs wird die Biegung lediglich mit einem einzigen Teil 123, das sich verdreht, erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Torsionsbalken 123 aus einer Aluminiumlegierung (ausgewiesen 380.0) gegossen. Dadurch wird eine gute Balance zwischen Fabrikationskosten, Stärke und Eigenschaften des Teiles erzielt. Der Querschnitt des Balkens ergibt sich im Beispiel zu 1.5mm Breite und 5.0mm Höhe. Der Balken umfasst zwei Teile zu je 11 mm Länge. Damit ist der Balken 22mm lang und erstreckt sich über die Peripherie 125 des Spiegelhalters 106.
In der vorliegenden Beschreibung war immer von lediglich einem Permanentmagneten die Rede. Dies ist insofern nicht einschränkend gemeint, als dass beispielsweise durchaus zwei oder mehrerer Permanentmagneten hintereinander geschaltet werden können und diese einen geschlossenen gesamtmagnetischen Fluss bilden. Auch solche Kombinationen sollen in den Rahmen der vorliegenden Erfindung gezählt werden. Vorzugsweise wird jedoch tatsächlich ein einziger Permanentmagnet verwendet.
Ausserdem wurde im Rahmen der vorliegenden Beschreibung hauptsächlich auf einen Spiegelantrieb abgehoben. Das Konzept lässt sich allerdings auf alles erweitern, was eine Auslenkung mit schneller Frequenz benötigt.
Des Weiteren ist zu beachten, dass es sich bei den Öffnungen 120 für die Schwingspulen nicht tatsächlich um Löcher handeln muss. Dies können beispielsweise auch Aussparungen und oder Schlitze sein.