ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД ИНДИКАТОРНОЙ ГОЛОВКИ ЭЛЕМЕНТА РАСТРОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УКАЗАННОГО ПРИВОДА
ELECTROMECHANICAL DRIVE FOR DETECTING HEAD OF BITMAP IMAGE ELEMENT (VERSIONS) AND ELECTROMECHANICAL DISPLAY MANUFACTURED WITH USE OF ABOVE DRIVE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электроприводам и средствам индикации, и может быть использовано в качестве элемента передачи единицы информации растровых изображений больших форматов.
Уровень техники
Из уровня техники известно устройство индикации в виде электродвигателя-бленкера для использования в цифровых часах бленкерного типа, содержащее магнитопровод с обмоткой управления и ротор в виде диаметрально намагниченного постоянного магнита, размещенного на одном валу с индикатором. Корпус выполнен в виде двух пластин, в которых установлены опоры вала, закрепленные колонками, одна из которых выполнена магнитопроводящей и служит средством фиксации ротора при обесточенной обмотке. Вал и витки обмотки управления размещены параллельно валу ротора, выполненного заодно с индикатором в виде вращающегося магнита с цилиндрической боковой поверхностью (патент РФ №2020607 С1, МГЖ: G09F 11/235, Н02K 37/00, опубликован 30.09.1994 г.).
Из уровня техники известно также устройство, которое может быть использовано в системах визуализации выходных данных вычислительных устройств и отображения информации на стадионах, аэропортах, вокзалах и т.п. Указанное устройство является индикатором и содержит корпус, в котором выполнено смотровое окно, ось, информационный элемент в виде полого цилиндрического стакана, на внутренней поверхности которого размещен один из выступов ограничителя вращения, электропривод, состоящий из постоянного магнита в виде диска и электромагнита с сердечником и катушкой (патент РФ №2018976 С1, МПК: G09F 11/23, опубликован 30.08.1994).
Недостатком указанных аналогов является то, что они имеют только два устойчивых состояния индикаторного элемента (головки, цилиндра), отличаются высокой сложностью выполнения и стоимостью производства.
Наиболее близким аналогом заявленного устройства является устройство индикации в виде электромеханического привода трехцветной индикаторной головки элемента растрового изображения, содержащего основание с гнездами для установки статора, ротора и выводов подключения, статор с магнитопроводом и обмоткой и ротор, расположенные аксиально и обеспечивающие поворот ротора на фиксированный угол, выводы для запайки в печатную плату и элементы крепления на печатную плату. Привод снабжен механизмом фиксации ротора, содержащим зубчатые и шлицевые элементы, расположенные под углом 120° на валу ротора и на корпусе основания, с профилем, обеспечивающим устойчивую фиксацию в одном из трех статичных положений, соответствующих одному из цветов элемента растрового изображения в отсутствие импульсного управляющего сигнала, при этом усилие фиксации задается весом ротора; ротор выполнен в виде прямой трехгранной призмы, ось вращения которой перпендикулярна граням основания и может быть вертикальной или горизонтальной, а вдоль боковых ребер имеются гнезда для установки ферромагнитных вставок, предназначенных для образования магнитной системы статор-ротор, одна из которых имеет отличающиеся от других магнитные свойства, что обеспечивает индивидуальность магнитных свойств системы статор-ротор для одного из статичных положений ротора; боковые грани призмы ротора имеют выпуклую или прямую поверхность, окрашены в заданные цвета и выполняют роль элемента цветопередачи растрового изображения; магнитопровод статора имеет зазор заданной ширины, расположенный параллельно боковым граням ротора и смещенный в направлении поворота на заданный угол от местоположения вставки, находящейся противоположно видимой грани, формирующий магнитное поле заданной конфигурации, воздействующее на магнитопроводящую вставку ротора с вектором силы, меняющим направление в зависимости от положения ротора относительно середины зазора (заявка РФ №2010102003, МПК: Н02K 19/10, G09F 11/02, опубликована 27.07.2011 г.).
Недостатками данного устройства являются однобитовый характер индикации в силу выраженной дискретности установки положений призмы, отсутствие механизма установки начального положения и большая вероятность ошибок при работе из-за наличия участка устройства фиксации, соответствующего неопределенному состоянию системы.
Заявленная группа изобретений направлена на устранение вышеуказанных недостатков.
Раскрытие изобретения
Технический результат, на достижение которого направлена заявленная группа изобретений, заключается в создании электромеханического привода с числом устойчивых состояний, превышающем три, и способного устанавливать элемент индикации в промежуточные положения, соответствующие разным уровням отображаемой цветовой информации, что позволяет формировать глубину выводимого изображения и возможность передачи цветовых оттенков.
Другим техническим результатом является создание электромеханического привода с механизмом фиксации ротора, использующим в качестве фиксирующего элемента постоянный магнит и обладающим низкой вероятностью установки ротора в неопределенное положение, что значительно повышает достоверность исполнения им команды поворота и уменьшает вероятность появления ошибок при выводе изображений.
Другим техническим результатом является создание электромеханического привода, обеспечивающего возможность определения начального положения ротора, соответствующего режиму «Сброс», и позволяющего осуществить установку устройства в нулевое положение, что дает возможность осуществления очистки экрана.
Для достижения указанных технических результатов в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложен электромеханический привод многопозиционной индикаторной головки элемента растрового изображения, содержащий электромагнитный статор, установленный неподвижно на основании и имеющий магнитопровод с двумя полюсами и однофазную обмотку, ротор, установленный подвижно на оси вращения, и механизм фиксации ротора с постоянным магнитом. При этом, основание имеет гнезда установки магнитопровода статора, обеспечивающие специальными упорными элементами точное позиционирование зубцов магнитопровода ротора относительно магнитной системы статора. На основании имеются также опоры для установки ротора, обеспечивающие возможность легкого выполнения операции установки и снятия ротора. Ротор имеет корпус и многозубцовый замкнутый магнитопровод, число полюсов которого соответствует сумме градаций отображаемых уровней цветовой информации элемента растра, а один из полюсов имеет зубец с отличающимися геометрическими характеристиками, обеспечивающими отличающийся от остальных уровень магнитного потокосцепления. Механизм фиксации состоит из постоянного магнита, зафиксированного на статоре, и многополюсного магнитопровода, установленного на роторе, с угловым шагом, равным шагу ротора.
В одном частном варианте осуществления один из зубцов магнитопровода ротора, соответствующий состоянию «сброс», имеет геометрические характеристики, обеспечивающие уменьшенный уровень магнитного потокосцепления между зубцами ротора и магнитной системой статора. Это обуславливает необходимость использования большей мощности магнитного потока для преодоления моментов фиксации и инерции ротора при исполнении шага из этого положения и обеспечивает возможность установки ротора в положение «сброс» из любого текущего состояния.
В другом частном варианте осуществления один из зубцов магнитопровода ротора, соответствующий состоянию «сброс» элемента, имеет геометрические характеристики, обеспечивающие для указанного зубца увеличенный уровень магнитного потокосцепления в механизме фиксации. Это обуславливает необходимость использования большей мощности магнитного потока для преодоления моментов фиксации ротора при исполнении шага из этого положения и обеспечивает возможность установки ротора в положение «сброс» из любого текущего состояния.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложен электромеханический привод индикаторной головки элемента растрового изображения, содержащий электромагнитный статор, установленный неподвижно на основании и имеющий магнитопровод с двумя полюсами и однофазную обмотку, ротор, установленный подвижно на оси вращения, и механизм фиксации ротора с постоянным магнитом. При этом, основание имеет гнезда установки магнитопровода статора, обеспечивающие специальными упорными элементами точное позиционирование зубцов магнитопровода ротора относительно магнитной системы статора. На основании имеются также опоры для установки ротора, обеспечивающие возможность легкого выполнения операции установки и снятия ротора. Ротор имеет корпус и многозубцовый замкнутый магнитопровод, число полюсов которого соответствует сумме градаций отображаемых уровней цветовой информации элемента растра, при этом, магнитопровод ротора выполнен в форме выштампованной детали с отформованным усиками, являющимися зубцами магнитопровода, а один из усиков отличается своими геометрическими характеристиками, обеспечивающими отличающийся от остальных уровень магнитного потокосцепления. Механизм фиксации состоит из постоянного магнита, зафиксированного на статоре, и многополюсного магнитопровода, установленного на роторе, с угловым шагом, равным шагу ротора.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предложен электромеханический дисплей, содержащий стенки и основание, на котором выполнены держатели ротора и гнезда для установки магнитопроводов статора и магнитов. Отличием указанного дисплея является то, что он выполнен с использованием, по меньшей мере, одного электромеханического привода, описанного выше.
В одном из частных вариантов осуществления магнитопроводы механизма фиксации и ротора могут быть выполнены заодно для упрощения процесса изготовления и установки.
Работа привода основана на создании действующего на многополюсный магнитопровод ротора импульса крутящего момента заданной длительности, соответствующей шагу ротора, со стороны магнитопровода статора, а также тормозящего и фиксирующего моментов со стороны постоянного магнита механизма фиксации и на отличающемся крутящем моменте или фиксирующем моменте в одном из шагов, соответствующем положению ротора в состоянии «сброс».
В качестве элемента фиксации в предложенном приводе используется постоянный магнит, устанавливаемый неподвижно относительно магнитопровода статора и взаимодействующий с зубцами ротора в каждом из шагов. Указанный магнит создает тормозящий и удерживающий моменты и обеспечивает отсутствие неопределенных положений фиксации.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 и 2 показан общий вид электромеханического привода (вариант 1).
На Фиг.3 показан разрез электромеханического привода (вариант 1) в плоскости симметрии статора.
На Фиг.4 показан разрез электромеханического привода (вариант 1) в плоскости симметрии магнита фиксации.
На Фиг.5 показан принцип создания крутящего момента, обеспечивающего преодоление момента инерции покоя ротора, момента трения покоя, момента фиксации постоянного магнита механизма фиксации, и момента трения движения.
На Фиг.6 показан принцип создания отличающегося крутящего момента в одном из шагов ротора, соответствующего положению элемента индикации в режиме «сброс», за счет укороченного зубца ротора, обеспечивающего увеличенный зазор между ним и магнитной системой статора.
На Фиг.7 и 8 показан принцип создания отличающегося от остальных фиксирующего момента в одном из шагов ротора, соответствующего положению элемента индикации в режиме «сброс», за счет коаксиально удлиненного зубца, обеспечивающего уменьшенный зазор между ним и магнитом.
На Фиг.9 и 10 показан внешний вид электромеханического привода во втором варианте выполнения.
На Фиг.11 показан разрез электромеханического привода (вариант 2) в плоскости симметрии статора.
На Фиг.12 показан разрез электромеханического привода (вариант 2) в плоскости симметрии ротора.
На Фиг.13 показан разрез электромеханического привода (вариант 2), на котором видно удлиненный зубец магнитопровода ротора, обеспечивающий увеличенную площадь магнитосцепления с фиксирующим магнитом.
На Фиг.14 показан внешний вид фрагмента конструкционного блока, состоящего из нескольких приводов.
На Фиг.15 показана конфигурация расположения цветовых ячеек и принцип формирования цветовой нонады с использованием нескольких триад электромеханических приводов.
Осуществление изобретения
Конструкция и принцип работы предложенного электромеханического привода, а также возможности его использования в электромеханических дисплеях показаны на Фиг.1-15.
На Фиг.1 и 2 показан общий вид устройства, состоящего из основания, ротора, статора, механизма фиксации, на Фиг.3 показан разрез в плоскости симметрии статора, на Фиг.4 - разрез в плоскости симметрии магнита фиксации.
В качестве основания 1 может использоваться общий корпус конструкции, где применяется привод, и служит для закрепления на нем магнитопровода 5 статора в гнездах 18, имеющих упоры 13, обеспечивающие точность взаимного расположения магнитопроводов ротора и статора, постоянного магнита 7 механизма фиксации в гнезде 14, имеющем упор 15, обеспечивающий точность взаимного расположения магнита относительно магнитопровода ротора, опор 16 ротора, имеющих специальные отверстия 17, обеспечивающие фиксацию оси 4 ротора.
Ротор содержит корпус 3 и многозубцовый магнитопровод 2, укрепленный на корпусе 3 ротора, состоящий из радиальной замкнутой последовательности зубчатых выступов 2' с нанесенным цветовым покрытием 12. В корпусе 3 имеется отверстие 8 для размещения оси поворота 4.
Статор содержит однофазную обмотку 6 и двухполюсный магнитопровод 5 с полюсами 9 и 9′.
Механизм фиксации содержит многозубцовый магнитопровод 10, укрепленный на корпусе 3 ротора, состоящий из радиальной замкнутой последовательности зубчатых выступов 11 с нанесенным цветовым покрытием 12, имеющий угловой шаг, равный шагу магнитопровода ротора, и постоянный магнит 7, укрепленный в гнезде 14 в основании 1 до упора 15 (см. Фиг.1-4).
Работа устройства поясняется чертежами на Фиг.5-7.
На Фиг.5 показан принцип создания крутящего момента Мк, обеспечивающего преодоление момента инерции Ми покоя ротора, момента трения покоя Мтр, момента фиксации Мф постоянного магнита 7 механизма фиксации, момента трения движения Мдв.
Импульс электрического тока I заданной амплитуды А через обмотку 6 статора создает импульс магнитного потока Фв в магнитопроводе 5 статора, который своими силовыми магнитными линиями L замыкается через зубцы 2′ прилегающих полюсов магнитопровода ротора, и их натяжением создавая усилие притяжения и крутящий момент Мк, максимальное время действия которого определяется угловой разницей между положениями плоскостей симметрии зубцов ротора и магнитной системы статора, а величина должна быть достаточна для преодоления указанных моментов и создания момента инерции движения ротора до начала действия момента захвата, создаваемого силой со стороны магнитного поля постоянного магнита фиксации.
На Фиг.6 показан принцип создания отличающегося крутящего момента Мкр в одном из шагов ротора, соответствующего положению элемента индикации в режиме «сброс», за счет укороченного зубца 2у ротора, обеспечивающего увеличенный зазор между ним и магнитопроводом 5 статора, удлиняющих магнитные линии Ly в зазоре, создающие крутящий момент Мкр, что обуславливает его меньшую по сравнению с остальными величину при равных управляющих воздействиях I, или наоборот, для создания равных крутящих моментов требуется большая величина управляющего воздействия I, что и обеспечивает избирательность системы к величине воздействий и определяет условия нахождения ротора в положении «сброс» до большего уровня воздействия.
На Фиг.8 показан принцип создания отличающегося от остальных (см. Фиг.7), фиксирующего момента Мф в одном из шагов ротора, соответствующего положению элемента индикации в режиме «сброс», за счет коаксиально удлиненного зубца 2у, обеспечивающего уменьшенный зазор Zy между ним и магнитом 7 и укороченные магнитные линии в зазоре, определяющие величину фиксирующего момента Мф, что обуславливает его большую по сравнению с остальными величину Мф ув, обеспечивающую избирательность системы к величине воздействий и определяет условие нахождения ротора в положении «сброс» до прихода большего по мощности воздействия А.
На Фигурах 9-13 показан вариант исполнения привода с иной конфигурацией электромагнитной системы ротора, создающей крутящий и фиксирующий моменты, отличающейся более высокой технологичностью изготовления и количеством используемого материала. Данный вариант иллюстрирует второй аспект осуществления изобретения в виде электромеханического привода.
Магнитопровод ротора выполнен в форме выштампованной детали с отформрванными усиками 2′′, являющимися зубцами магнитопровода, причем один из них имеет большую аксиальную длину (см. позицию 19 на Фиг.13.
Для данного варианта исполнения электромеханической системы характерно отличие в способе создания большего удерживающего момента, заключающегося в увеличении площади магнитосцепления между удлиненным зубцом и фиксирующим магнитом 7, что позволяет захватывать большее количество магнитных силовых линий фиксирующего магнита этим зубцом, чем определяется больший удерживающий момент по отношению к остальным зубцам, имеющим меньшую аксиальную длину.
Практическое использование предложенного электромеханического привода для отображения растровой информации проиллюстрировано на Фиг.14 и 15.
На Фиг.14 показан вариант выполнения конструкционного блока, объединяющего несколько электромеханических приводов. Указанный блок содержит стенки и основание, на котором выполнены держатели для ротора, гнезда установки магнитопроводов статора и магнитов, другие необходимые конструкционные элементы, светопрозрачную переднюю крышку, герметично соединяемую со стенками, заднюю крышку и отсек размещения электронных узлов.
В зависимости от желаемых размеров из необходимого количества единиц указанного конструкционного блока формируют конечную матрицу устройства отображения, т.е. электромеханический дисплей.
Конструкционный блок также имеет матричную компоновку из заданного количества строк и столбцов, в которые коммутируются электроприводы (ячейки) по своим выводам, и которые расположены по заданным геометрическим осям, определяющим порядок расположения ячеек.
Конструкционный блок представляет собой функционально законченное устройство, позволяющее осуществлять с его помощью вывод черно-белого растра с разрешением, определяемым физическими размерами активной зоны ячейки и количеством строк для черно-белого растра, и цветового растра с разрешением, соответствующим размеру цветовой нонады, образованной тремя триадами ячеек, цветовые грани которых окрашены в соответствующие используемой колориметрической системе цвета, сдвинутых диагонально на одну ячейку по строкам и столбцам, при этом число строк и столбцов в блоке должно отвечать условию кратности трем.
В свою очередь блоки можно выстраивать в матрицу блоков для отображения растровой информации с разрешением, определяемым суммарным числом строк матрицы.
На Фиг.14 изображен внешний вид фрагмента блока, отражающий характер компоновочных решений и его структуру.
Блок содержит основание 23, переднюю светопрозрачную крышку 22, заднюю крышку 24, держатели роторов 25, в которые установлены роторы 20, образующие строки матрицы, и роторы 21, образующие столбцы матрицы. Основание 23 делит общий объем блока на два независимых отсека: отсек роторов 27, отсек статоров 26, каждый из которых изолирован друг от друга и герметизирован, что существенно повышает надежность работы блока и облегчает его ремонт, благодаря сохранению герметичности отсека роторов 27 при повреждении в отсеке статоров 26.
На Фиг.15 показана конфигурация расположения цветовых ячеек и принцип формирования цветовой нонады.
Цветовые грани ячеек располагаются линейными триадами 29-30-31, сдвинутыми на один шаг пикселизации по горизонтали (на данном примере вправо) и по вертикали (на данном примере вниз), что улучшает визуальное восприятие цветового растра. Преобразование форматов отображения цветного растра в соответствующий представленному расположению триад осуществляется на условном формировании цветовой нонады 28 из трех прилегающих триад 29-30-31.