WO2008019753A1 - Spiegelantrieb für projektionssysteme und zugehöriges verfahren - Google Patents

Spiegelantrieb für projektionssysteme und zugehöriges verfahren Download PDF

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WO2008019753A1
WO2008019753A1 PCT/EP2007/006558 EP2007006558W WO2008019753A1 WO 2008019753 A1 WO2008019753 A1 WO 2008019753A1 EP 2007006558 W EP2007006558 W EP 2007006558W WO 2008019753 A1 WO2008019753 A1 WO 2008019753A1
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magnetic field
field component
magnetic
coils
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PCT/EP2007/006558
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Peter Menard
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Oc Oerlikon Balzers Ag
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/18Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with coil systems moving upon intermittent or reversed energisation thereof by interaction with a fixed field system, e.g. permanent magnets
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/035DC motors; Unipolar motors
    • H02K41/0352Unipolar motors
    • H02K41/0354Lorentz force motors, e.g. voice coil motors
    • H02K41/0358Lorentz force motors, e.g. voice coil motors moving along a curvilinear path
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic drive for alternately deflecting a mirror between angular positions.
  • the invention relates to mirror drives for use in one
  • the mirror is moved between two positions to double the pixel density of a projected image. This is done by two alternating fields, each of which has half the pixel count of the overall picture.
  • the fields are, due to the movement of the mirror, slightly offset from each other. For example, one field may have an offset down relative to the other field that is one-half the pixel size.
  • the human eye integrates the two consecutive images to create a single overall image.
  • FIG. 1A shows an assembled component 1
  • FIG. 1B shows
  • two voice coils 4 four permanent magnets 14 and five steel parts (four steel plates 12 and a base 16) are required.
  • An object of the present invention is therefore to provide an electromagnetic drive comprising a simple component comprising a permanent magnet and coils to rotate a surface between two closely spaced angular positions at a high frequency.
  • the drive should be particularly suitable for rotation of a mirror between two angular positions relative to a resting state.
  • an electromagnetic drive for alternating deflection of a mirror between two angular positions is constructed with a fixed magnetic field component and with a mirror holder, with a movably mounted about an axis part, wherein the magnetic field component comprises two magnetic poles and one magnetic pole of the magnetic field component comprises two openings and the other magnetic pole of the magnetic field component comprises two arms which are designed such that in each of the two openings in each case an arm protrudes, so that between an arm and the boundary of the opening into which it protrudes, an air gap is present, the magnetic Flux of the magnetic field component from one magnetic pole to the other bridges; and the movably mounted part of the mirror holder comprises an arm on which a mirror and a respective voice coil is arranged on both sides of the axis, wherein mirror holder and magnetic field component are arranged such that in each of the two openings in each case one of the voice coils at least partially protrudes
  • the electromagnetic drive is characterized in that the magnetic field component comprises a permanent magnet, a top plate and a bottom plate, and the top plate forms one pole of the magnetic field component and the bottom plate forms the other pole of the magnetic field component.
  • the movable mounting of the movably mounted part is realized via a torsion bar at a periphery of the mirror holder.
  • Peripheral, Torisionsbalken and arm of the mirror holder can be made in one piece, preferably made of a cast aluminum alloy.
  • a first step current will flow in a suitable direction through the voice coils. Due to the force on a current carrying conductor, the coils experience a force vertical to their windings and the magnetic flux passing through the coils, and the forces add up to a torque on the arm of the movably mounted part of the mirror holder and a deflection of the mirror effect in an angular position.
  • a second step the current direction and thus the torque are reversed, so that a deflection of the mirror is effected in a different angular position.
  • the first step and the second step are cyclically repeated.
  • the steps can be repeated in such a rapid sequence that accelerations of> 12G occur on the arm of the movably mounted part of the mirror holder.
  • Voice coils are known. While originally designed for speakers, they are also used to move elements in different components, thereby replacing stepper motors or the like. For example, they are used in hard disk drives to pivot the head-carrying arms in or out of the disk.
  • the voice coils are This is activated by passing current through the windings, producing vertical forces. A magnetic flux, caused by the magnet and two plates, crosses air gaps. As a result, the voice coils move up or down, depending on the current direction.
  • the permanent magnet according to the present invention comprises an upper surface forming a magnetic pole and a lower surface forming the other magnetic pole.
  • the upper surface has openings for receiving the voice coils, and the lower surface has arms extending into the openings of the voice coils. In this way, with only one magnet, a high flux is inventively generated in the gaps around the two voice coil motors of the drive.
  • the magnet in addition to the permanent magnet, the magnet comprises only two parts of a ferromagnetic material, such as stamped steel: a top plate and a bottom plate held together by the permanent magnet such that each of the plates forms a magnetic pole.
  • the top plate has openings to accommodate the voice coils and the bottom plate has arms that protrude into the interior of the voice coils.
  • a still needed holder for the mirror includes a fixed periphery or outer edge, and movable arms mounted on a torsion bar that extends over the periphery. The arms are moved by the voice coils. The mirror is attached from the opposite side of the voice coil and moves with the arms.
  • Figure 1A is an isometric view of a known device for driving a mirror.
  • the component comprises two voice coils, four magnets and five steel parts
  • Figure 1 B (prior art) is an exploded view of the known component of Figure 1A.
  • Figure 2A is an exploded isometric view showing a mirror drive according to the present invention.
  • Figure 2B is an isometric view of the mirror drive of Figure 2A in assembled form.
  • FIG. 3 shows an exploded isometric view of the magnetic field component of FIGS. 2A and 2B.
  • FIG. 4 is a sectional view of an isometric view of the magnetic field component shown in FIG. 3B, in assembled form.
  • Figure 5 is a side view of the mirror drive of Figures 2A and 2B at rest.
  • Figure 6 is a side view of the mirror drive of Figures 2A and 2B in one of the angular positions.
  • Figure 7 is a section of an isometric side view of the mirror drive of Figures 2A and 2B, at rest.
  • Figure 8 is a section of an isometric side view of the mirror drive of Figures 2A and 2B in one of the angular positions.
  • Figure 9 is an isometric side view showing the movable part of the mirror holder of the mirror drive of Figure 2A in more detail.
  • FIG. 2A is an exploded isometric view showing a mirror drive 100 according to the present invention.
  • FIG. 2B is an isometric view of the mirror drive 100 of FIG. 2A in assembled form.
  • a housing 101 forms the basis for the drive.
  • the mirror lock 109 snaps into the mirror holder 106 and holds the mirror 108 on the holder 106.
  • the magnetic field member 105 (better shown in Figures 3 and 4) and the voice coils 104 form the motor 102 of the drive.
  • the mirror holder 106 includes a movable part 122 (better shown in FIG. 9) that rotates on a torsion bar 123.
  • the mirror 108 is connected to the moving part 122 of the mirror holder and moves therewith.
  • the deflection of the mirror is typically very small, on the order of 30 to 60 arc seconds (0.007 to 0.015 degrees). This is similar to a bistable drive in which the mirror, apart from the rest position, occupies two staggered positions. Accordingly, the mirror is deflected by +/- 0.015 degrees from the rest position. This is best shown in Figs. 5-8. While the required oscillation amplitude is thus very small, very high accelerations are achieved, which may be 12G or more, for example.
  • the voice coils 104 comprise a small cross-section wire wound around a pulley and designed to fit the voice coils into the openings 120. In one embodiment, the coils comprise about 80 turns of wire. In the embodiment according to FIGS. 2A and 2B, the dimensions of the coils are chosen as follows: 18 mm long x 4 mm wide by 3 mm high. The Coils are operated in the example at 100 to 500 mA. (Power source not shown).
  • FIG. 3 shows an exploded view of the magnetic field component 105.
  • Magnetic field component 105 comprises an upper plate 112, only a permanent magnet 114 and a lower plate 116.
  • the permanent magnet 114 holds the two plates together and also provides the flux 115 as in FIG shown.
  • the permanent magnet is made of a rare earth material having dimensions of about 3mm thick and 8mm 2 .
  • the lower plate 116 has arms 118 which protrude into the openings 120 of the upper plate 112 but leave an air gap for the voice coils 104 (see Figures 2A and 2B).
  • the plates 112, 116 may be made of stamped ferromagnetic metal plates. No machined parts are needed.
  • the drive housing 101 holds the plates 112, 116 in precise spatial relation to one another by means of housing-provided elements on which the plates are aligned. This is necessary because the magnetic flux from one to the other plate contracts them.
  • one pole is formed by the inner pole (arms 118 of the lower plate) and the other pole is formed by the surface of the outer pole (edges of the openings 122 of the upper plate 112).
  • the upper plate is referred to as north and the lower plate as south.
  • an engine constant of 0.1 to 0.2 degrees / A is advantageous.
  • the design as shown in Figures 2A-4 has such a capability.
  • Other configurations, eg where the upper plate 112 is omitted, also result in movement of the mirror, albeit possibly with too small a motor constant.
  • FIG. 4 is a section of an isometric view of the magnetic field component 105 in assembled form. Shown are also the flux lines 115 caused by the magnet 114.
  • the top plate is one of the magnetic poles (north in this example) and the bottom plate 116 is the other pole (south).
  • the flux bridges the air gaps between the arms 118 and the openings 120 and acts on the voice coils 104, which are not shown for clarity.
  • voice coils 104 When electrical current is passed through the voice coils 104, they move the movable portion 122 of the mirror holder 106, which rotates about the torsion bar 123.
  • the relative current directions through the coils are properly selected, one side moves up and the other side down (see Figures 6-9). If the current direction is reversed, the vibration coils move the mirror holder in the other direction.
  • FIG. 5 is a side view of the mirror drive 100 at rest.
  • the Spiegelarret ist 109 and the housing are not shown for clarity.
  • the bending axis 110 is shown.
  • FIG. 6 is a side view of the mirror drive 100 in one of the angular positions. Note that the deflection in this figure is exaggerated to better the situation to illustrate.
  • electric current for example
  • the voice coils 104 thereby produce vertical forces that act on them and set them in motion. With the coils of the mirror holder attached to them in
  • FIG. 7 is a section of an isometric side view of the mirror drive 100 in the resting state.
  • FIG. 8 is a section of an isometric side view of the mirror drive of FIGS. 2A and 2B, in one of the angular positions as shown in FIG. From these figures it can be seen that the voice coils 104 extend down into the openings 120 and around the arms 118 of the lower plate. Therefore, the magnetic flux between the two plates is strongest where it engages through the voice coils 104.
  • Figure 9 is an isometric side view showing the moving part of the mirror holder 122 of the mirror drive 106 in more detail.
  • the voice coils 104 are mounted on the movable part 122 and therefore move together.
  • the torsion bar 123 twists when the coils exert a torque on the arms 124.
  • the ends of the torsion bar 123 are attached to the periphery 125 of the mirror holder.
  • the arms 124, on which the mirror 108 is arranged are movable relative to the periphery. Due to the design, the bend is achieved with only a single part 123 that twists.
  • the torsion bar 123 is cast from an aluminum alloy (designated 380.0).
  • the cross section of the beam results in the example to 1.5mm width and 5.0mm height.
  • the beam comprises two parts, each 11 mm in length.
  • the beam is 22mm long and extends over the periphery 125 of the mirror holder 106.
  • voice coil openings 120 need not actually be holes. These can for example also be recesses and or slots.

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Abstract

Ein magnetischer Antrieb verwendet lediglich einen Permanentmagneten und zwei Schwingspulen um einen Spiegel, relativ zu einem Ruhezustand zwischen zwei Winkelpositionen alternieren zu lassen. Ein Magnetfeld-Bauteil lässt magnetischen Fluss auf die Schwingspulen wirken. Eine obere Platte und eine untere Platte werden durch einen Permanentmagneten gehalten, so dass jede Platte einen magnetischen Pol bildet. Mittels Stromfluss durch die Windungen werden die Schwingspulen aktiviert, was zu einem magnetischen Feld um die Spulen herum führt. Als Folge bewegen sich die Spulen nach oben oder nach unten, entsprechend der Vorgabe durch den Stromfluss. Ein Spiegelhalter umfasst eine feste Peripherie und bewegliche Arme, die mit einem Torsionsbalken verbunden sind, der die Peripherie überspannt. Die Arme werden durch die Schwingspulen bewegt und verdrehen den Torsionsbalken. Dadurch wird auch der an den Armen befestigte Spiegel bewegt.

Description

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
BESTAHQUNQ6KOP£ 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.

Claims

Ansprüche
1. Ein elektromagnetischer Antrieb zur alternierenden Auslenkung eines Spiegels zwischen zwei Winkelpositionen, 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.
2. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1 , 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.
3. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die bewegliche Lagerung des beweglich gelagerten Teils über einen Torsionsbalken an einer Peripherie des Spiegelhalters realisiert ist.
4. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass
Peripherie, Torisionsbalken und Arm des Spiegelhalters einstückig, vorzugsweise aus einer gegossenen Aluminiumlegierung gefertigt sind.
5. Verfahren zur Schaltung eines Spiegels zwischen zwei Winkelpositionen mittels eines elektromagnetischen Antrieb gemäß Anspruch 1, wobei man in einem ersten Schritt Strom in geeigneter Richtung durch die Schwingspulen fliessen lässt und so aufgrund der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter, die Spulen eine Kraft vertikal zu ihren Wicklungen und zu 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; und in einem zweiten Schritt die Stromrichtungen und damit das Drehmoment umkehrt, so dass eine Auslenkung des Spiegels in eine andere Winkelposition bewirkt wird; und in einem dritten Schritt der erste Schritt und der zweite Schritt zyklisch wiederholt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte in so rascher Abfolge wiederholt werden, dass am Arm des beweglich gelagerten Teils des Spiegelhalters Beschleunigungen von >12G auftreten.
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