彩色輪的製作方法
2023-08-07 15:28:41
專利名稱：彩色輪的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種彩色輪，該彩色輪用在投影機中，用於產生色序的照明。
背景技術：
上述類型的彩色輪在一些應用中使用，在這些應用中在快速更替中需要周期性的顏色更換。用於使用這樣的部件的光學系統的例子是用於產生圖像的裝置或者顯示裝置。用於電視機的背投或者正投投影機是典型的應用。
為了產生快速的顏色更換，以快速的順序將彩色濾光器加入到光學的照明路徑(Beleuchtungsweg)中。為此目的，使用帶有支座的部件，在所述支座上布置了濾光扇形段，所述濾光扇形段一起形成圓形的圓周。該部件形成彩色轉子(Farbrotor)，其中所述扇形段的一部分突出超過所述支座。所述扇形段的突出超過支座的部分形成彩色環，該彩色環設置裝入光學路徑中。在所述應用中，所述彩色轉子圍繞著其中心軸線旋轉。通過所述彩色轉子的快速旋轉將所述濾光扇形段交替引入所述光學路徑中並且將其再度引出，由此產生所期望的快速的顏色更換。為了將所述轉子置於旋轉之中，將其布置在馬達的傳動軸上。所述彩色轉子與所述馬達一起形成彩色輪。
因為用於產生圖像的裝置必須能夠產生高質量的圖像，所以顏色更換必須非常快速地進行。這意味著，所述濾光扇形段必須以很高的速度穿過光束的光學路徑。因此，所述彩色轉子必須快速旋轉。作為結果出現加速度，所述加速度超過重力加速度g幾百倍。相應高的力作用於所述轉子上並且尤其作用於濾光扇形段上。在圖像質量非常好時，所出現的加速度絕對超過1000g。此外，需要所述彩色轉子的很好的平衡，用於保證彩色輪的較長的使用壽命。用於產生圖像的裝置也必須滿足在光強方面的非常高的要求。這一點只能用功率強的光源來實現。由於這些功率強的光源，所述裝置相應地經受高達100℃的高溫。
另一方面，彩色輪經常必須經受至少短時間出現的-20℃的或者甚至更低的溫度。投影機-以及與投影機一起所述彩色輪-可能在運輸時經受這樣低的溫度。這樣低的溫度在出售之前存放產品時也會出現。
出於這個原因，所述濾光扇形段在支座上的固定的強度以及所述濾光扇形段的顏色穩定性必須滿足非常苛刻的要求。顯示應用的在所謂的低價位中的大的應用範圍只有當能夠以很低的價格且以高質量製造彩色輪時才能實現。
具有相對於圓周圓形布置的濾光扇形段的用於應用在圖像產生裝置中的顏色轉子在EP 0615142A2中得到說明。在該部件中將所述濾光扇形段安裝在玻璃環上。如果將這個在該專利文件中所說明的元件置入光學路徑中，那麼光線就一定通過在其中存在著膠粘劑的區域來傳播。大多數膠粘劑經不住典型地在那裡出現的光強度。此外，所述玻璃環導致附加的光損失，由此降低整個裝置的經濟性。
在US 5,868,482中，扁平的濾光扇形段如此布置在支座上，從而沿旋轉方向在所述濾光扇形段之間的區域沒有因光學上不透明的材料而中斷。所述濾光扇形段以在條形的指向旋轉軸線的方向的區域中的表面粘合的形式固定在所述支座上。表面粘合僅僅在旋轉中心的方向上存在於狹窄的環形區域中，使得所述濾光扇形段的表面的主要組成部分從旋轉軸線向外看作為可用的透明的環形區域保持未被佔用的狀態。在此可以完全避免用於固定的附加的元件。
US 6,705,733基於相同的方案，但說明了一種附加的處於濾光扇形段上的碟片。這個碟片的外側面包括溝槽，該溝槽可以用於彩色輪的平衡。在此根本沒有討論溫度差，並且關於溫度波動的問題沒有得到解決。在此也沒有討論材料性能。
如果要按照US 5,868,482將所述濾光扇形段粘貼在支座上，那麼膠粘劑的選擇就特別引人關注，因為這種選擇應該依賴於所述彩色輪的工作轉速進行。
處於4000Umin(Umin＝每分鐘轉數)和小於10000Umin之間的工作轉速稱為小轉速。典型地在這個用於彩色輪的範圍內使用7200Umin的轉速。與此相反，在10000Umin到25000Umin的範圍內的轉速稱為大轉速。典型地實現的工作轉速為14400Umin。
如果使用軟的膠粘劑，那麼所述濾光扇形段就容易在工作轉速高的情況下鬆脫。硬的膠粘劑保持更好。但是應力分析尤其是對在低溫時的存放進行的模擬表明，硬的膠粘劑更多地導致彩色輪發生故障。這是玻璃破裂的結果。
因此存在著對基於典型材料的彩色輪的需求，其一方面適合於高工作轉速並且另一方面基本上可以無後果地經受住處於-20℃和+80℃之間的溫度波動。
發明內容
因此，本發明的任務是，滿足對這樣的彩色輪以及對用於製造這樣的彩色輪的方法的需求。
為什麼出現玻璃破裂的假設涉及扇形段基片(比如玻璃)和支座(比如鋁)的材料的不同的熱膨脹係數(CTE＝coefficient of thermalexpansion(熱膨脹係數))。
本發明的任務可以通過以下方式得到解決，即改進US 5,868,482的彩色輪，使得扇形段沒有直接粘貼到可轉動地得到支承的支座上。根據本發明，在所述扇形段和所述可轉動地得到支承的支座之間插入附加的碟片，其中所述附加的碟片具有與所述扇形段的CTE接近且優選相同的CTE。
因此，按本發明的彩色輪是具有馬達和轉子的彩色輪，其中所述轉子包括由具有第一熱膨脹係數CTE1的材料製成的支座並且所述轉子包括具有不同於第一熱膨脹係數CTE1的第二熱膨脹係數CTE2的透明的扇形段，並且所述扇形段藉助於固定地連接著扇形段的碟片固定在所述支座上，使得所述扇形段的一部分突出超過所述碟片和支座，並且所述扇形段的突出的部分一起形成一個環形的透明的區域，其中所述碟片材料的熱膨脹係數CTE3要麼基本上等於CTE2要麼適用 按照一種實施方式，所述碟片材料基本上與扇形段材料相同。
作為碟片材料，比如也可以考慮金屬。優選這種材料是鋼並且尤其優選使用不鏽鋼。
所述支座基本上可以是鋁支座並且所述扇形段材料基本上可以是玻璃和/或塑料。
為將所述扇形段固定在碟片上，比如可以使用第一膠粘劑並且為將所述碟片固定在支座上比如可以使用第二膠粘劑，其中優選通過所述第一膠粘劑產生的連接明顯比通過所述第二膠粘劑產生的連接牢固。
另一種按本發明的彩色輪是具有馬達和轉子的彩色輪，其中所述轉子包括由具有第一熱膨脹係數CTE1的材料製成的支座並且所述轉子包括具有不同於第一熱膨脹係數CTE1的第二熱膨脹係數CTE2的透明的扇形段，並且所述扇形段藉助於支座塗層固定在支座上，使得所述扇形段的一部分突出超過支座並且所述扇形段的突出的部分一起形成一個環形的透明的區域，其中對於所述支座塗層的熱膨脹係數來說適用 要麼CTE4＝CTE2要麼 塗層材料比如基本上可以是鈦。
作為支座材料，比如基本上可以考慮鋁並且作為扇形段材料比如基本上可以考慮玻璃和/或塑料。
為製造按本發明的彩色輪，比如根據以下步驟進行處理 -選擇具有第一熱膨脹係數CTE1的支座材料， -提供一定數量的優選由具有與CTE1不同的第二熱膨脹係數CTE2的玻璃或者塑料製成的扇形段， -提供具有熱膨脹係數CTE3的碟片，其中適用要麼CTE3＝CTE2要麼 -優選藉助於粘合將所述扇形段固定在所述碟片上，使得所述扇形段的一部分突出超過所述碟片並且所述扇形段的突出的部分形成一個環形的區域， -提供具有可轉動地得到支承的由所選出的支座材料製成的支座的馬達，其中所述支座的圓周小於所述由扇形段的突出的部分形成的環形的區域， -基本上定心地將所述支座固定在所述碟片的與扇形段對置的一側。
具體實施例方式 下面示範性地並且藉助於圖片對本發明進行詳細解釋。其中
圖1A是本發明的第一實施方式的分解圖。圖1B是按圖1A的實施方式的組裝的形式。在此示出了彩色轉子1，該彩色轉子1具有可轉動地得到支承的支座3、彩色濾光扇形段5、5』、5」以及碟片7。
所述可轉動地得到支承的支座3可以容易地製造並且具有微小的重量。出於這個原因，它典型地由鋁製成。鋁在20℃時具有大約23·10-6/K的CTE。以下以縮寫方式引用CTE，「23的CTE」指的是「在20℃時為23·10-6/K」。
所述彩色濾光扇形段5、5』、5」通過給透明的玻璃板塗上薄膜-幹涉層這種方法來製成。通過這種方式透射可見光譜的一部分並且反射一部分。在給玻璃板塗覆之後，將其裁切成所需要的扇形段形狀。玻璃可以容易並且快速地藉助於刻刮和折斷來裁切。這就是為什麼典型地用玻璃來製造濾光扇形段的原因之一。玻璃的CTE在20℃時典型地處於0.5和10之間。在這裡所討論的實施例中使用BK7-玻璃。BK7具有7.1的CTE。
所述可轉動地得到支承的鋁支座3和所述由玻璃製成的彩色濾光扇形段5、5』、5」因此具有非常不同的熱膨脹係數(CTE)。如果所述由玻璃製成的彩色濾光扇形段5、5』、5」現在藉助於膠粘劑直接粘貼到所述可轉動地得到支承的鋁支座3上，那麼所述膠粘劑必須足夠軟，用於能夠對這種差異進行緩衝。但是在大多數情況下，膠粘劑的強度直接與其硬度有關。
根據本發明的第一實施方式，將所述由玻璃製成的彩色濾光扇形段5、5』、5」粘貼到由玻璃製成的碟片7上。所述由玻璃製成的碟片7具有和所述由玻璃製成的濾光扇形段5、5』、5」相同的CTE。出於這個原因，可以使用硬的且強力的膠粘劑，用於將所述彩色濾光扇形段5、5』、5」固定在碟片7上。所述碟片7可以是環形的碟片-或者更常見-是圓形的碟片。所述碟片7的直徑小於所述由彩色濾光扇形段構成的彩色濾光環的直徑。因此，所述彩色濾光扇形段形成外部的透明的透光的環。與如在EP 0615146A2中所說明的現有技術相反，光線不一定通過兩塊玻璃碟片及可能的粘合層傳播。另外，與US 5,868,482相比，粘合區可以選擇得更小，因為可以使用更硬的並且由此更強力的膠粘劑。
這個組裝好的環現在可以固定在所述可轉動地得到支承的鋁支座3上。相對於離心力，所述碟片7使所述濾光扇形段5、5』、5」得到加固和穩定。在所述可轉動地得到支承的鋁支座3和所述碟片7之間的連接因此僅僅必須經受住旋轉力，在此需要所述旋轉力用於將組裝好的環置於旋轉之中並且保持旋轉。這種連接遠不如在所述彩色濾光扇形段5、5』、5」和碟片7之間的連接那樣苛求。出於這個原因，甚至在具有高工作轉速的應用中可以使用較弱的膠粘劑用於將所述碟片7固定在所述可轉動地得到支承的鋁支座3上。因此存在著這種可能性，也就是使用軟的膠粘劑，該膠粘劑可以使在所述支座3的鋁和所述碟片7的玻璃之間的CTE-差的影響得到緩衝。
根據本發明的第二實施方式，所述由玻璃製成的碟片7被金屬碟片所取代，其中選擇一種金屬，該金屬的CTE明顯低於鋁的CTE，但是不小於所述濾光扇形段的CTE。這方面的例子是鐵(CTE＝12.2)、鋼(CTE＝13.0)、鎳(CTE＝13.0)、鉑(CTE＝9.0)、鈦(CTE＝10.8)或者所提到的金屬的合金。關於硬度及在所述可轉動地得到支承的鋁支座上的保持，鈦是一種良好的選擇。不過出於成本原因，優選使用不鏽鋼(SST-410)。其在20℃時具有9.9的CTE。所述由玻璃製成的彩色濾光扇形段藉助於強力的膠粘劑固定在鋼碟片上。這一點是可能的，因為不鏽鋼的CTE類似於玻璃的CTE。與玻璃相反，金屬不是脆性的，而是具有較高的塑性。因此，如果選擇具有足夠厚度的鋼碟片，那麼所述碟片可以剛性地布置在所述可轉動地得到支承的支座上。所述金屬的塑性在溫度變化的情況下導致在總體上較低的應力。所述金屬碟片本身使所述可轉動地得到支承的鋁支座和所述由玻璃製成的彩色濾光扇形段的不同的CTE的效果得到緩衝。
目前為止僅僅談及，所述連接在扇形段和支座之間的碟片可以由玻璃或者金屬製成。也可以取用其它材料，只要這些材料具有合適的CTE用於能夠將所述扇形段可靠地固定在其上面。因此，此外也可以設想使用不同的陶瓷材料或者塑料材料。如果這些材料也還具有足夠的塑性，那麼與支座的連接同樣可以構造成硬的並且因此非常穩定。
圖2A示出了本發明的第三實施方式的分解圖。在圖2A中示出了彩色轉子的一種版本，該彩色轉子具有可轉動地得到支承的鋁支座203、兩個碟片207、209和玻璃濾光扇形段205、205』、205」。在所述實施例中，分別僅僅討論三個扇形段。但是很清楚，整個的方案能夠應用到具有兩個以上的扇形段的彩色輪上。所述玻璃濾光扇形段205、205』、205」被置於第一碟片207和第二碟片209之間。所述碟片的材料是玻璃或者金屬。它擁有明顯低於鋁支座203的CTE的CTE。優選作為碟片材料使用不鏽鋼(SST-410)。
如在圖2A中所示，所述碟片207、209及鋁支座203可以包括鑰匙-鑰匙孔-系統的元件。與此相對應，所述碟片207、209包括非旋轉對稱的中心孔211、213。所述鋁支座203包括形狀匹配的鑰匙元件。
圖2B示出了按圖2A的實施方式的組裝的形式。所述玻璃濾光扇形段205、205』、205」可以與所述第一碟片207或者與所述第二碟片209或者與這兩個碟片粘合在一起。在此要指出，所述鑰匙元件215及所述碟片209可以包括附加的結構，所述附加的結構允許藉助於咬合機構將所述碟片209固定在所述鑰匙元件215上。這種類型的固定在沒有膠粘劑的情況下已經足夠，儘管如此當然可以附加地使用膠粘劑。作為替代方案或者作為所述咬合機構的補充，也可以設置用於焊接的方案，用於將所述碟片209固定在所述鋁支座203上。
關於碟片7、207、307的厚度，可以說，這些碟片必須足夠地厚，用於還能夠很好地操縱它們。在這種情況下，下限在切合實際的情況下為20微米。所述碟片的厚度不受功能上的限制。但人們將優選使用低於5毫米的厚度，以便不將所述彩色輪的尺寸過分擴大。
為了測試所述碟片的何種厚度在特定的材料組合中是足夠的，可以使包括支座、玻璃扇形段和碟片的測試轉子經受從-20℃到+80℃的溫度周期。如果隨後使這些測試轉子以對所設想的應用來說必需的轉速來旋轉，那麼可以確定，它們是否經受得住所述負荷。這樣的測試可以用具有不同的碟片厚度的轉子來實施。
圖3示出了本發明的第四實施方式的橫截面。在此示出了兩個固定在可轉動地得到支承的鋁支座303上的玻璃扇形段305、305』。所述鋁支座303塗有金屬層307。所述金屬層具有比鋁低得多的CTE。在這種情況下，用於所述金屬層的優選的層材料是鈦。不過，也可以使用其它具有比鋁低的CTE的金屬。所述玻璃扇形段305、305』藉助於硬的且因此潛在強力的膠粘劑粘貼在所述金屬層上。金屬層307由於其塑性可以作為緩衝件起作用，用於降低在所述鋁支座303和玻璃扇形段305、305』之間的應力。為了有效地獲得實用的應力降低，必須選擇足夠厚的金屬層。事實表明，應該選擇至少250納米的層厚度，用於實現能夠感覺到的應力消除。大於20微米的層厚度對經濟的製造過程來說太昂貴。
圖4A到4C示出了本發明的另一種實施方式。目前為止在附圖中僅僅示出了彩色轉子。出於更好的圖示的原因省略了驅動這個轉子的馬達。與此相反，圖4A示出了具有馬達421的彩色輪的分解圖，所述馬達421包括圓柱形的可轉動地得到支承的第一支座423。將環形的第二支座403推到這個第一支座423上。所述第一支座423包括結構401，所述結構401為所述環形的第二支座403形成止擋並且由此將該第二支座403保持到位。
所述環形的第二支座403由兩個具有不同直徑的、通過連接環429相連接的空心圓筒425、427構成。較小的空心圓筒的內表面緊貼著所述第一支座423的外側面。所述連接環429包括上表面431和下表面433。在下表面407上安置了由不鏽鋼(SST-410)製成的碟片407。在此注意，數字「-410」示範性地確定材料類型並且不應該被看作是附圖標記。在所述碟片407上布置了玻璃濾光扇形段405、405』。不鏽鋼(SST-410)具有與鋁相比較更接近於玻璃的CTE的CTE。因此，在所述彩色輪經受溫度波動時向所述玻璃濾光扇形段405、405』施加更少的應力。
可以使用硬的且因此強力的膠粘劑，用於將所述玻璃濾光扇形段405、405』固定在所述碟片407上。與此相反，可以使用軟的膠粘劑，用於將所述碟片固定在所述第二支座403上。圖4B示出了組裝好的彩色輪的橫截面。
在此要注意，如在圖4C中所示，不需要任何膠粘劑用於將所述碟片407固定在所述第二支座403上。當將由不鏽鋼(SST-410)製成的第二碟片435安置在所述玻璃濾光扇形段405、405』上(與所述第一碟片407對置的一側)並且如此選擇所述結構401的幾何形狀，使得所述第二碟片435平放在所述結構401上時，在任何情況下都不需要膠粘劑。如果現在還要使所述第二支座403及結構401牢固地夾緊通過由碟片407、435和玻璃扇形段405、405』構成的組合產生的環，那就要存在穩定的部件。
優選所述彩色輪也包括用於使轉子平衡的手段。在圖4A-4C中所說明的實施方式中就是這種情況。首先所述第二支座403的較大的空心圓筒427與所述連接環429及所述第一支座423的外側面的一部分一起形成環形的容器，可以將用於平衡的材料裝入該容器中。其次附圖還附加地示出了處於所述第一支座423的上基面中的環形的溝437。也可以向該溝中填入用於平衡的材料。通過這種方式甚至能夠在兩個平面上實現所述彩色轉子的平衡。
附圖標記列表 1 彩色轉子 3 支座 5 彩色濾光扇形段 5』彩色濾光扇形段 5」彩色濾光扇形段 7 碟片 203支座 205濾光扇形段 205』 濾光扇形段 205」 濾光扇形段 207碟片 209碟片 211孔 213孔 215鑰匙元件 303支座 305玻璃扇形段 305』 玻璃扇形段 307金屬層 401結構 403第二支座 405濾光扇形段 405』 濾光扇形段 407第一碟片 423第一支座 425空心圓筒 427空心圓筒 429連接環 431上表面 433下表面 435第二碟片
權利要求
1.具有馬達和轉子的彩色輪，
其中，所述轉子包括由具有第一熱膨脹係數CTE1的材料製成的支座並且所述轉子包括具有不同於第一熱膨脹係數的第二熱膨脹係數CTE2的扇形段，並且所述扇形段藉助於固定地連接著扇形段的碟片固定在所述支座上，使得所述扇形段的一部分突出超過所述碟片和支座，並且所述扇形段的突出的部分一起形成環形的區域，其中所述碟片材料的熱膨脹係數CTE3要麼基本上等於CTE2要麼適用
2.按權利要求1所述的彩色輪，其特徵在於，所述碟片材料基本上與扇形段材料相同。
3.按權利要求1所述的彩色輪，其特徵在於，所述碟片材料是金屬，優選是鋼並且尤其優選是不鏽鋼。
4.按權利要求1到3中任一項所述的彩色輪，其特徵在於，所述支座基本上是鋁支座並且所述扇形段材料基本上是玻璃和/或塑料。
5.按前述權利要求中任一項所述的彩色輪，其特徵在於，為將所述扇形段固定在所述碟片上使用第一膠粘劑並且為將所述碟片固定在所述支座上使用第二膠粘劑，其中通過所述第一膠粘劑產生的連接明顯比通過所述第二膠粘劑產生的連接牢固。
6.具有馬達和轉子的彩色輪，其中，所述轉子包括由具有第一熱膨脹係數CTE1的材料製成的支座並且所述轉子包括具有不同於第一熱膨脹係數的第二熱膨脹係數CTE2的透明的扇形段，並且所述扇形段藉助於支座塗層固定在支座上，使得所述扇形段的一部分突出超過支座並且所述扇形段的突出的部分一起形成環形的透明的區域，其中對於所述支座塗層的熱膨脹係數來說適用
要麼CTE4＝CTE2要麼
7.按權利要求6所述的彩色輪，其特徵在於，所述塗層材料基本上是鈦。
8.按權利要求7所述的彩色輪，其特徵在於，所述支座材料基本上是鋁並且所述扇形段材料基本上是玻璃和/或塑料。
9.用於製造彩色輪的方法，具有以下步驟
-選擇具有第一熱膨脹係數CTE1的支座材料，
-提供一定數量的優選由具有與CTE1不同的第二熱膨脹係數CTE2的玻璃或者塑料製成的扇形段，
-提供具有熱膨脹係數CTE3的碟片，其中適用要麼CTE3＝CTE2要麼
-優選藉助於粘合將所述扇形段固定在所述碟片上，使得所述扇形段的一部分突出超過所述碟片並且所述扇形段的突出的部分形成環形的區域，
-提供具有可轉動地得到支承的由所選擇的支座材料製成的支座的馬達，其中所述支座的圓周小於所述由扇形段的突出的部分形成的環形的區域，
-基本上定心地將所述支座固定在所述碟片的與扇形段對置的一側。
10.按權利要求9所述的方法，其特徵在於，將按照根據權利要求9實施的方法步驟的彩色輪進行平衡。
全文摘要
本發明涉及一種用於色序投影機的彩色輪。按本發明的彩色輪能夠在不受損壞的情況下經受從-20℃到+80℃的溫度波動。為此，沒有將具有一種熱膨脹係數的濾光扇形段直接粘貼在具有極為不同的熱膨脹係數的支座上而是粘貼在碟片上，該碟片擁有與所述濾光扇形段相類似的熱膨脹係數。因此與所述碟片的連接可以具有非常大的剛度並且具有相應的強度。然後才將所述碟片與所述支座相連接。在這裡不需要如此剛性的和強力的連接，因為不承受任何離心力。
文檔編號H04N9/31GK101529922SQ200780031206
公開日2009年9月9日 申請日期2007年7月24日 優先權日2006年8月24日
發明者M·庫西克, M·米爾布恩, A·曼 申請人:奧爾利康貿易股份公司(特呂巴赫)