DE20003631U1

DE20003631U1 - Einrichtung zum Orten eines bewegbaren Körpers in einem vorgegebenen Raum

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Publication number: DE20003631U1
Application number: DE20003631U
Authority: DE
Original assignee: Kuhnke GmbH
Current assignee: Kuhnke GmbH
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 2010-03-01

Description

Kuhnke GmbH
Lütjenburger Straße 101
23714 Malente

Einrichtung zum Orten eines bewegbaren Körpers in einem vorgegebenen Raum

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Orten eines bewegbaren Körpers in einem vorgegebenen Raum mit endseitigen Stirnseiten durch sich vom Ort des Körpers im Raum abhängig ändernde, messtechnisch erfassbare und auswertbare maxwell'sche Felder.

Derartige Geräte werden u. a. an/in Aktoren eingesetzt, die einen Körper in einem vorgegebenen Raum enthalten, der auf einer begrenzten Strecke translatorisch bewegbar ist. Ein solcher Körper ist beispielsweise der Kolben oder Schlitten einer Aktor-Einheit, wobei der den Körper umhüllende, vorgegebene Raum aus einem Zylinderrohr gebildet ist, das aus einem magnetisch nicht leitendem Werkstoff besteht. Der im Raum bewegbare Körper ist zum Aufbringen maxwelFscher Felder mit einem Permanentmagneten bestückt, dessen Feldlinien nach außerhalb des Raumes die magnetisch nichtleitende Raumwand durchdringen. Außerhalb des Raumes sind an vorgegebenem Ort ein oder mehrere Sensoren angeordnet, welche bei Erreichen des Ortes die die Raum-

wandung durchdringenden Feldlinien erfaßt und als Signal auswertet. Hierbei kann der Aktor fluidisch oder elektrisch betrieben sein.

Ein fluidisch betriebener Aktor weist als im Raum bewegbaren Körper einen im Raum radial druckdichten, translatorisch beweglich gelagerten Kolben auf, dem durch wechselseitige Druckbeaufschlagung und Druckentlastung eine translatorische Bewegung entlang seiner Bewegungsstrecke aufgezwungen wird.

Ein elektrisch betriebener Aktor der betreffenden Gattung weist beispielsweise als Körper einen entlang seiner Bewegungsstrecke geführten, translatorisch bewegbaren Schlitten auf, der an seinen Stirnseiten durch ein Umlenkmittel gefangen ist. Das Umlenkmittel kann z. B. ein Seilzug oder ein Zahnriemen sein, der über den Antrieb eines Elektromotors und in Verbindung mit einer Umlenkrolle den Schlitten eine translatorische Bewegung ausführen lässt. Vorzugsweise ist zur Signalabfrage auch hier der Schlitten mit einem Permanentmagneten bestückt, der mit einem ortserkennenden Sensor in vergleichbarer Weise, wie bei einem fluidischen Aktor, zusammenwirkt.

Bei diesen zitierten Ausführungen ist nachteilig, dass der Sensor jeweils radial an der äußeren Seite des den Körper umhüllenden Raumes angeordnet ist. Der hierdurch beanspruchte Platzbedarf macht den Aktor mit montiertem Sensor für radial beengte Einbauverhältnisse ungeeignet.

Es sind weiterhin Einrichtungen zum Orten eines bewegbaren Körpers in einem vorgegebenen Raum bekannt, bei denen eine kontinuierliche Abfrage der jeweiligen Position des Körpers in dem Raum möglich ist. In einer technisch einfachen Ausführung weist der Körper eine Schleifeinrichtung auf, die entlang der Bewegungsstrecke des Körpers mit einem Linearpotentiometer derart zusammenwirkt, dass sich jeweils ein ortszugehöriger elektrischer Widerstand als Messsignal einstellt.

Hierbei ist nachteilig, dass das Potentiometer einerseits durch die Schleifeinrichtung auf der Widerstandsbahn verschleißbehaftet ist, andererseits, dass ein erheblicher gerätetechnischer Aufwand erforderlich ist, dieses Messsystem gegenüber Umwelt- und Verschmutzungseinflüssen, die vor allem auch innerhalb des Raumes auftreten, so ausreichend zu kapseln, dass keine ungewollten Widerstandsänderungen auftreten.

Die DE 31 16 333 C2 beschreibt eine Einrichtung der genannten Gattung, welche die Positionen des Körpers in einem Raum durch eine Sende/Empfangseinrichtung ermittelt. Hier wird eine Sende- und Empfangseinrichtung zum Raum hin adaptiert, wobei Schallwellen, Lichtwellen oder magnetische Wellen gezielt ausgesandt und von dem Körper reflektiert werden. Das Aussenden geschieht impulsweise. Durch eine Messung der Laufzeit des Signales ergibt sich ein Rückschluss auf den augenblicklichen Ort des bewegbaren Körpers im Raum. Nachteilig bei dieser Ausführung ist ein recht erheblicher gerätetechnischer und messtechnischer Aufwand. Weiterhin erfordert diese Messanordnung einen gewissen Mindestabstand des Körpers bezogen auf die die Wellen aussendende Einrichtung.

Aus der DE 31 23 572 C2 ist eine Einrichtung zum Orten eines bewegbaren Körpers bekannt, bei dem entlang der Bewegungsstrecke des Körpers Magnetspeicherspurengruppen auf einen Träger aufgebracht sind. Durch einen Schreib-Lese-Lösch-Kopf wird die jeweils ortsbezogene Abhängigkeit des Körpers erkannt und ausgewertet. Hierbei besteht die Möglichkeit, einzelne Spurengruppen von außerhalb des Raumes mit entsprechenden Kodierungen bzw. Programmen wahlweise zu beschreiben bzw. zu löschen und neu zu beschreiben. Auch diese Ausführung erfordert gerate- und messtechnischen Aufwand.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zum Orten eines beweglichen Körpers in einem vorgegebenen Raum vorzuschlagen, welche sowohl verschleißfreie, punktuelle bzw. kontinuierliche Messungen mit hoher Genauigkeit ermöglicht und gleichzeitig gegen Umwelteinflüsse im weitesten Sinne geschützt ist. Außerdem soll die Einrichtung die radialen Abmessungen eines Aktors entlang der Bewegungsstrecke des Körpers im Raum nicht vergrößern. Ferner soll sie preiswert herstellbar und für Großserien geeignet sein.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass dem Raum mindestens eine, maxwell'sche Felder leitende Flussleiteinrichtung entlang wenigstens eines Teiles der möglichen Bewegungsstrecke des Körpers im Raum zugeordnet ist, dass das jeweils ortsdefinierende Feld stirnseitig, bzw. wenigstens nahe einer Stirnseite des Raumes aus der Flussleiteinrichtung austritt, ferner, dass das ortsdefinierende Feld durch einen, außerhalb des Raumes, an der Austrittsseite des Feldes aus der Flussleiteinrichtung zugeortnetem Sensor erfaßt und eine dem Sensor nachgeordnete Auswerteschaltung stirnseitig bzw. wenigstens nahe einer Stirnseite des Raumes und des Sensor angeordnet ist.

Der erfindungsgemäße Gedanke wird im folgenden beispielhaft anhand eines fluidischen Aktors, einer sogenannten Kolben-Zylindereinheit beschrieben. Bei einer solchen Kolben-Zylindereinheit ist der Raum z. B. durch ein kreisrundes oder elliptisch ausgeformtes Zylinderrohr mit vorgegebener Wanddicke und entsprechender Längserstreckung aus magnetisch nichtleitendem Werkstoff gebildet. Innerhalb des Raumes ist ein translatorisch bewegbarer Körper in Form eines Kolbens angeordnet, der z. B. mit einer, aus dem Raum austretenden Kolbenstange zur Kraftabgabe schlüssig verbunden ist. Die den Raum axial begrenzenden Stirnseiten des Zylinderrohres sind je mit einem Abschlussteil, einem sogenannten Zylinderdeckel, druckdicht verschlossen, wobei wenigstens eines der Abschlussteile eine Durchbrechung aufweist, die von der Kolbenstange vom Rauminneren her nach außen durchdrungen ist.

Um in einer ersten Ausführung den Erfindungsgedanken zu realisieren, ist das Zylinderrohr aus magnetisch nichtleitendem Werkstoff gewählt, ebenso auch die stirnseitigen Abschlussteile. Durch entsprechende fluidische Ansteuerung bewegt sich der Körper im Raum unter Bildung zweier veränderbarer Räume. Diese Änderung der Raumgröße erfolgt bei gleichbleibendem Zylinderrohrinnendurchmesser in Längserstreckung des Raumes und ist jeweils abhängig von dem augenblicklichen Ort des Körpers im Raum.

Durch eine Wandung vom Raum getrennt, weist das Zylinderrohr Flussleiteinrichtungen auf, wovon wenigstens eine an einer Stirnseite des Rohres abschließt. An dieser Stirnseite der Flussleiteinrichtung wird beispielsweise durch einen Permanentmagneten, bzw. durch einen Elektromagneten ein magnetisches Feld auf die Flussleiteinrichtung eingebracht, welches sich innerhalb der Flussleiteinrichtung entsprechend ausbreitet und an deren Oberfläche Streufelder austreten läßt. Diese Streufelder werden im Raum durch eine dem bewegbaren Körper zugeordnete Flussleiteinrichtung aufgenommen, in eine weitere Flussleiteinrichtung eingespeist und über letztere einem Sensor zugeführt. Der Sensor und der eingesetzte Magnet stehen ihrerseits über eine weitere Flussleiteinrichtung in Wirkverbindung, so dass sich ein geschlossener Kreis des magnetischen Flusses ergibt. Ein auswertbares Signal ist immer dann gegeben, wenn dieser Kreis gestört wird, d. h., unterbrochen bzw. geschlossen, verstärkt, bzw. geschwächt wird. Eine Unterbrechung dieses Kreises läßt sich beispielsweise erreichen, wenn eine der Flussleiteinrichtungen eine ortsdefinierte Länge aufweist, welche kürzer als die Bewegungsstrecke des Körpers ist. Überschreitet der Körper aufgrund seiner Bewegung die längenbegrenzende Strecke der Flussleiteinrichtung, ist der Flusskreis unterbrochen, und dieses wird als Signal durch den Sensor erkannt. Ändert sich die Bewegungsrichtung des Körpers, fährt der Körper wieder in den Flusskreis ein und schließt diesen, wodurch das Signal des unterbrochenen Flusskreises invertiert wird.

Weist beispielhaft ein Aktor mehrere Flussleiteinrichtungen jeweils unterschiedlicher Länge mit je einem zugeordneten Sensor auf, ist jeder dieser Flussleiteinrichtungen wenigstens auch ein definiertes Signal, ortsabhängig vom bewegbaren Körper, zugeordnet.

In anderer Anwendung ist zwischen der Flussleiteinrichtung und dem bewegbaren Körper ein Übertragungsstück mit hoher Leitfähigkeit für die verwendeten Felder eingefügt. Dieses Übertragungsstück ist von den Stirnseiten her entlang der Bewegungsstrecke des Körpers verschiebbar und an vorgegebenem Ort fixierbar.

Bei Übereinstimmung des Ortes des Übertragungsstückes und des bewegbaren Körpers ergibt sich ein erhöhter Fluss im Kreis, der durch den Sensor erkannt und der Auswerteschaltung zugeführt wird.

In wiederum anderer Ausführung ist die Kolben-Zylindereinheit mit mehreren verschiebbaren, also einstellbaren Übertragungsstücken versehen. Die Einstellung auf einen bestimmten Ort kann nach Gesichtspunkten der Zweckmäßigkeit bzw. der Erfordernisse von einer oder beiden Stirnseiten der Kolben-Zylindereinheit her erfolgen. Mit einer solchen Kolben-Zylindereinheit ist. z. B. eine definierte Anschlagposition des Kolbens an dem jeweiligen stirnseitigen Abschlussteil einstellbar und abfragbar.

Werden die Übertragungsstücke an Orten vor der Anschlagposition des Kolbens eingestellt, so wird auch an diesen Positionen ein Nutzsignal ausgegeben. Dieses Signal beeinflußt z. B. ein Ventil, das einen definiert gesteuerten Gegendruck in den mit der Entlüftung korrespondierenden Raum einspeist. Hierdurch wird die ursprüngliche Bewegungsenergie des Kolbens gemindert, so dass ein relativ weicher Endanschlag erfolgt.

In weiterer Ausgestaltung ergibt sich über die Bewegungsstrecke des Körpers ein sich ortsbezogen änderndes Signal, wodurch stets der augenblickliche Ort des Körpers im Raum lokalisierbar ist. Hierbei kann man beispielsweise so verfahren, dass die das Feld erzeugende Einrichtung, z. B. ein Permanentmagnet, dem bewegbaren Körper zugeordnet ist und somit die Bewegungsstrecke des Körpers entlang der Bewegungsachse mit durchfährt. Der Raum steht wiederum wenigstens mit einer Flussleiteinrichtung in Wirkverbindung, wobei die Flussleiteinrichtung so ausgebildet ist, dass die aus der das Feld erzeugende Einrichtung austretenden Streufelder einen über die gesamte Bewegungsstrecke sich proportional zur Strecke ändernden Messluftspalt überwinden müssen. Dieses ist dadurch erreichbar, indem beispielsweise die Bewegungsstrecke des Körpers und die den Messluftspalt bildende Oberfläche der Flussleiteinrichtung unter einem vorgegebenen Winkel derart verlaufen, dass sich das am Sensor messbare Signal als vorzugsweise proportionales Signal, bezogen auf die zu durchfahrende Strecke, ändert. Dieses Signal gibt somit kontinuierlich Auskunft über den augenblicklichen Ort des Körpers im Raum.

In wiederum anderer Ausgestaltung ist die Flussleiteinrichtung mit wechselnden Erhebungen und Vertiefungen in definiertem Abstand versehen, so dass Sensoren jeweils über die Bewegungsstrecke hinweg eine definierte Anzahl von Signalen erhalten. Aus den Signalen lassen sich Rückschlüsse auf den Ort des Körpers ziehen, und aus der zeitlichen Impulsfolge läßt sich die Geschwindigkeit des Körpers im Raum ableiten.

In weiterer Ausführung des erfindungsgemäßen Gedankens sind mehrere Flussleiteinrichtungen vorgesehen, die jeweils in entsprechender Wirkverbindung mit der das Feld erzeugenden Einrichtung stehen und ortsabhängig definiert unterschiedliche Signale, gegebenenfalls unterschiedlichen Sensoren, zur Verfügung stellen. Diese unterschiedlichen Signale sind einer Auswerteschaltung zugeführt, deren Resultierende den augenblicklichen Ort des Körpers im Raum definiert. Dieses kann u. a. geschehen, indem sich entlang der Bewe-

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gungsstrecke des Körpers ein Messluftspalt ortsabhängig vergrößert, während sich ein weiterer Messluftspalt einer weiteren Flussleiteinrichtung verringert. Als Ausführung einer Flussleiteinrichtung mit sich änderndem Luftspalt ist beispielhaft ein magnetisch leitendes Bauteil gewählt, das sich entsprechend der Bewegungsstrecke keilförmig bzw. kegelförmig verjüngt. Eine derartige Flussleiteinrichtung ist besonders dann sinnvoll, wenn die Bewegungsstrecke auf kurze Distanzen beschränkt ist. Ist die Bewegungsstrecke größer, hat es sich bewährt, Flussleiteinrichtungen an ihrer Messoberfläche mit definiert beabstandeten Erhebungen und Vertiefungen zu versehen. Als Beispiel einer einfachen Ausgestaltung ist hier ein im Querschnitt rundes, magnetisch leitendes Teil gewählt, welches eine gewindeähnliche Struktur mit definierter Außenoberfläche und definierter Steigung aufweist. Beim Durchfahren des Körpers werden somit ebenfalls definierte Pulsfolgen abgegeben. Es ist aufgabenbezogen von Vorteil, auch mehrere gattungsgemäße Messeinrichtungen gleichzeitig zu verwenden, wobei vorzugsweise ein sich längserstreckender Versatz der jeweils zu messenden Erhebung gewählt wird, um z. B. eine gegenseitige Phasenverschiebung von 90° zu erreichen. Hierdurch - und über die Auswerteschaltung ist eine entsprechend genauere Ortung des Körpers im Raum erreichbar und seine Bewegungsrichtung erkennbar.

In einer weiteren Anwendung ist die Kolbenstange eines fluidischen Aktors als bewegbare Flussleiteinrichtung ausgeführt. Hierbei ist der Körper in beschriebener Weise mit einer das Feld erzeugenden Einrichtung, z. B. einem permanentmagnetischen Ring, bestückt, so dass ein Teil des Feldes über die Kolbenstange und den kolbenstangenseitigen Abschlussteil, dem von der Kolbenstange durchdrungenen Zylinderdeckel, dem Sensor zugeführt wird. Hierbei ist sowohl der kolbenstangenseitige Abschlussteil, wie auch die Kolbenstange selbst, magnetisch leitend. Weiterhin ist wenigstens eine zusätzliche Flussleiteinrichtung zugeordnet, die entweder einen sich ändernden Messluftspalt bewirkt, oder aber auf der zu messenden Oberfläche Erhebungen und Vertiefungen definierten Abstandes aufweist.

Eine äußerst kompakte Bauweise ergibt sich, wenn sowohl die das Feld erzeugende Einrichtung, wie auch der das Feld messende Sensor stirnseitig des Raumes angeordnet sind. Hierbei ist von besonderem Vorteil, wenn wenigstens der Sensor und die Auswerteelektronik eine gemeinsame Baueinheit bilden, die möglichst auch noch die das Feld erzeugende Einrichtung z. B. einen Elektromagneten aufnimmt. Eine solche Baueinheit lässt sich platzsparend im absperrenden Abschlussteil des Raumes integrieren. Je nach konstruktiver Ausgestaltung lässt sich gegebenenfalls durch den Einsatz einer flexiblen Leiterplatte für die Auswerteschaltung, den Sensor und die das Feld erzeugende Einrichtung, zusätzlicher Bauraum einsparen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Orten eines bewegbaren Körpers in einem vorgegebenen Raum beschränkt sich selbstverständlich nicht nur auf fluidische Aktoren mit Kolbenstange. Vielmehr ist es auch möglich, den Ort beispielsweise des Körpers in einem kolbenstangenlosen fluidischen Zylinder definiert und stetig zu erfassen.

In einer anderen Anwendung kommt der erfinderische Gedanke bei einem Gerät mit elektromotorischem Antrieb zur Anwendung, bei welchem ein translatorisch bewegbarer Schlitten mit einer motorisch angetriebenen Mitnehmereinheit verbunden ist. Hierbei ist ebenfalls der jeweils augenblickliche Ort des Schlittens abfragbar, und die Messwerte werden der Auswerteschaltung zugeführt.

In wiederum anderer Ausführung ist die vorgeschlagene Einrichtung einem passivem Gerät zugeordnet, welches durch einen Aktor angetrieben ist. Beispielhaft ist die Mechanik eines Auslegers genannt, dessen Bewegungen motorisch bzw. elektromagnetisch bewirkt wird. Auch hier ist die jeweils augenblickliche Position des Auslegers bzw. eines am Ausleger verfahrbaren Schlittens durch eine gattungsgemäße Einrichtung erfassbar.

Die das Feld erzeugende Einrichtung stellt sogenannte maxwell'sche Felder als Messgröße zur Verfügung, die am Ort des Körpers im Raum definierte ortsbezogene Größen annehmen und als solche von dem Sensor erfasst werden. Diese Felder können elektrischer oder/und magnetischer Art sein, wobei die Sensoren für das jeweiligen Wirkprinzip geeignet sein müssen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus Unteransprüchen. Anhand der Zeichnung wird die Einrichtung zum Orten eines bewegbaren Körpers in einem vorgegebenem Raum in beispielhafter Anwendung mit einem fluidischen Aktor, einer sogenannten Kolben-Zylindereinheit, beschrieben.

Auf die Kolben-Zylindereinheit bezogen, bedeuten die Bezugszeichen:

1 im Raum bewegbarer Körper = Kolben

2 bewegbare Flussleiteinrichtung = Kolbenstange

3 vorgegebener Raum = Zylinderraum

veränderbarer Raum = veränderbarer Zylinderraum

4 den Raum radial begrenzende umfängliche Wandlung mit endlicher Längserstreckung = längenbegrenztes Zylinderrohr

die Längserstreckung des Raumes begrenzende Stirnseite

5.2 = Stirnseite des Zylinderrohres

den Raum stirnseitig absperrendes Abschlussteil = Zylinderdeckel 6.2

7.1 Flussleiteinrichtung > Bewegungsstrecke S des Körpers im Raum

7.2 Flussleiteinrichtung < Bewegungsstrecke S des Körpers im Raum

7.3 Flussleiteinrichtung mit zur Bewegungsachse X-X unter einem Winkel verlaufender Messoberfläche 7.10

7.4 dito. 7.3

7.5 runde Flussleiteinrichtung, unter einem Winkel &agr;, &bgr; zur Achse X - X angeordnet

7.6 dito. 7.5

7.7 Flussleiteinrichtung mit definiert beabstandeten Erhebungen und Vertiefungen

7.10 Messoberfläche der Flussleiteinrichtung

8 Begrenzung des Meßstrecke für punktuelle Signalgabe

9 das Feld erzeugende Einrichtung, z, B. Permanentmagnet, Elektromagnet, ...

9.1 ringförmiger, radial magnetischer Permanentmagnet als Kolbenmagnet

10 Sensor

11 Flussleiteinrichtung für den Rückfluss

11.1 als Flussleiteinrichtung ausgebildeter Zylinderdeckel

12 Auswerteschaltung

13 Erhebung

14 Vertiefung

15 definierter Abstand zwischen Erhebung und Erhebung, bzw. zwischen Vertiefung und Vertiefung

16 das Feld erzeugende Einrichtung, z. B. Permanentmagnet

Fokusiermittel für das Feld (z. B. umfänglich spitz ausgestaltete Eisen-Scheibe

18 Impulsfolgediagramm

19 Zylinderrohrwand

20 Übertragungsstück

21 Einstellmittel

&agr;, &bgr; Wirikelabweichung der Messoberfläche 7.10 der Flussleiteinrichtung bzw. der Achsen X«, Xp zur Bewegungsachse X-X

M₁ - M₄ ortsdefinierender, sich ortsbezogen ändernder Messluftspalt

S Bewegungsstrecke des Körpers im Raum = Kolbenhub

X-X Bewegungsachse des Körpers im Raum = Bewegungsachse des

Kolbens im Zylinderraum F_e Feldlinien
X₀, Xß Achsen der querschnittssymmetrischen Flussleiteinrichtungen 7.5, 7.6

Es zeigen:

Fig. 1 eine Kolben-Zylindereinheit im Längsschnitt in prinzipiellem Aufbau zur punktueilen Signalerkennung,

Fig. 2 und 3 je ein Ausführungsbeispiel für eine kontinuierliche feststellende ortsbezogene Messung des Kolbens im Zylinderraum,

Fig. 4 als weitere Ausgestaltung eine inkremental messende Ausführung, Fig. 5 das Impulsdiagramm gemäß Aufbau nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine Kolben-Zylindereinheit, bestehend aus einem längenbegrenzten Zylinderrohr 4, das einen Kolben 1 radial dichtend, jedoch entlang der Bewegungsachse X-X translatorisch bewegbar aufnimmt. Der Kolben 1 ist mit einer Kolbenstange 2 schlüssig verbunden und das Zylinderrohr 4 ist endseitig an seinen Stirnseiten 5.1 und 5.2 durch jeweils einen Zylinderdeckel 6.1 und 6.2 druckdicht verschlossen. Der Zylinderraum 3 ist durch den Kolben 1 in die veränderbaren Zylinderräume 3.1 und 3.2 aufgeteilt. Durch wechselseitige Druckbeaufschlagung der Zylinderräume 3.1 bzw. 3.2 über die Fluidanschlüsse A₁ bzw. A₂ ist der Kolben 1 einseitig druckbeaufschlagt, während die andere Seite druckentlastet ist, so dass der Kolben unter Abgabe einer, an der Kolbenstange abgreifbaren, nutzbaren Kraft die Bewegungsstrecke S durchfährt.

Um eine solche Kolben-Zylindereinheit einer Positionsabfrage des Kolbens zugänglich zu machen, ist gemäß dem Beispiel das Zylinderrohr 4 aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff, z. B. aus Aluminium, hergestellt. Ebenso sind Deckel 6.2 und/oder Kolbenstange 2 aus magnetisch nichtleitendem Material gefertigt. An geeigneter Stelle weist das Zylinderrohr 4 sich längserstreckende Ausnehmungen auf, in die z. B. runde Flussleiteinrichtungen 7.1, 7.2 aus magnetisch leitendem Werkstoff, z. B. aus Eisen, eingebracht sind.

Der Kolben 1 ist ebenfalls wenigstens teilweise aus einem Werkstoff gefertigt, der magnetische Feldlinien F_e leitet. Die Flussleitmittel 7.1 und 7.2 sind von der Stirnseite 5.1 in das Zylinderrohr 4 eingebracht. Hierbei erstreckt sich die Flussleiteinrichtung 7.1 z. B. über wenigstens die gesamte Länge der Bewegungsstrecke S und schließt bündig an der Stirnseite 5.1 ab. Parallel zur Flussleiteinrichtung 7.1 ist eine weitere Flussleiteinrichtung 7.2 eingebracht, deren Längserstreckung von dem bündigen Abschluss der Stirnseite 5.1 hin zu ihrem Ende 8 begrenzt ist. Um eine Positionserkennung des Kolbens 1 innerhalb des Zylinderrohres 4 zu ermöglichen, ist eine, maxweH'sche Felder erzeugende Einrichtung erforderlich. Diese Einrichtung ist beispielhaft ein Permanentmagnet 9, dessen Nordpol N an der Stirnseite 5.1 mit der Flussleiteinrichtung 7.1 flächig zur Anlage kommt. Die Flussleiteinrichtung 7.2 weist im Bereich der Stirnseite 5.1 vorzugsweise Berührungskontakt mit einem, maxwellsche Felder erfassenden Sensor 10 auf. Der Sensor 10 ist über eine weitere Flussleiteinrichtung 11 mit dem Südpol S des Permanentmagneten, vorzugsweise unter Berührungskontakt, verbunden. Somit ergibt sich eine Durchflutung der magnetischen Feldlinien F_e vom Nordpol N des Permanentmagneten 9 ausgehend, durch die Flussleiteinrichtung 7.1, den Kolben 1, und von hieraus durch die Flussleiteinrichtung 7.2, den Sensor 10, die weitere Flussleiteinrichtung 11 hin zum Südpol S des Permanentmagneten 9. Somit ist ein magnetisch geschlossener Flusskreis gegeben.

Es ist auch möglich, statt des Permanentmagneten 9 einem Elektromagneten den Vorzug zu geben. Je nach gewähltem Signalauswerteverfahren ist ein Elektromagnet mit einem Gleich- oder Wechselfeld einsetzbar.

Wird der fluidische Anschluss A₁ druckbeaufschlagt und gleichzeitig der Raum 3.2 druckentlastet, verschiebt sich der Kolben 1 mit der Kolbenstange 2 in Richtung des Zylinderdeckels 6.2, wobei der Kolben 1 das Ende 8 der Flussleiteinrichtung 7.2 überfährt. Hierdurch wird der Fluss der Feldlinien am Ende erheblich gemindert bzw. unterbrochen, was durch den Sensor 10 erkannt wird.

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Dieses Erkennungssignal des Sensors 10 wird elektronisch in einer Auswerteschaltung 12 aufbereitet und als Nutzsignal zur Verfügung gestellt.

Der Magnet 9, der Sensor 10 und die Auswerteschaltung 12 sind in bevorzugter Ausführung auf einer gemeinsamen Basisplatte angeordnet. Sowohl ein Pol des Magneten 9, wie auch die zugehörige Sensorfläche berühren vorzugsweise die einander zugekehrten Stirnflächen der jeweils zugeordneten Flussleiteinrichtung 7.1 bzw. 7.2. Elektromagnete sind sinnvoller Weise ebenfalls flächig berührend angeordnet.

Es ist auch möglich, mehrere Flussleiteinrichtungen analog zu der Flussleiteinrichtung 7.2 in unterschiedlichen Längserstreckungen in das Zylinderrohr 4 zu integrieren, wodurch beim Durchfahren des Kolbens am jeweiligen Ende der betreffenden Flussleiteinrichtung ein Signal erzeugt wird.

Je nach Wirkprinzip kann ein Sensor gewählt werden, der entweder ein elektrisches Signal ausgibt, wie beispielsweise ein Hallsensor oder eine Feldplatte, bzw. kann der Sensor auch fluidischer Art sein, so dass ein fluidisches Signal zur Verfügung gestellt wird. Als fluidischer Sensor kann ein entsprechend geartetes, mikromechanisches Sensorventil Verwendung finden, dessen Ventilbetätigungseinheit z. B. durch magnetische Feldlinien beeinflusst wird. Entsprechend ist auch die jeweilige Auswerteschaltung elektrischer bzw. fluidischer Art. Eine fluidische Auswerteschaltung kann beispielsweise aus einem miniaturisiertem Proportionalventil bestehen, das durch das mikromechanische Sensorventil ansteuerbar ist.

Fig. 2 beschreibt eine Kolben- Zylindereinheit, bei welcher der jeweils augenblickliche Ort des Kolbens 1 innerhalb des Zylinderrohres 4 kontinuierlich erfassbar ist. Hierfür sind in das Zylinderrohr 4 die Flussleiteinrichtungen 7.3 und 7.4 eingebracht. Diese Flussleiteinrichtungen unterscheiden sich gegenüber denen nach Fig. 1 dadurch, dass die Flussleiteinrichtungen 7.3 und 7.4 eine

unter einem Winkel &agr;, &bgr; verlaufende Messoberfläche 7.10 aufweisen. Hierdurch ergibt sich über die gesamte Bewegungsstrecke ein sich kontinuierlich, vorzugsweise gleichmäßig ändernder Messluftspalt M₁ bzw. M₂. In diesem Beispiel ist der Kolben 1 mit einem radial magnetisiertem Permanentmagneten 9.1 bestückt, dessen Nordpol nahe der Zylinderrohrwand 19 austritt, während sein Südpol nahe der Kolbenstange 2 austritt. Um einen geschlossenen magnetischen Flusskreis zu erhalten, ist der Zylinderdeckel 6.2 aus magnetisch leitendem Werkstoff hergestellt und somit als Flussleiteinrichtung 11.1 ausgebildet. Die Kolbenstange 2 ist ebenfalls magnetisch leitend. Durch diese beschriebene Anordnung ergeben sich zwei Durchflutungen unterschiedlicher Intensität:

1. Vom Nordpol N des Magneten 9.1 ist zunächst der Messluftspalt Mi zu überwinden, wonach die Feldlinien in die Flussleiteinrichtung 7.3 eindringen und von hieraus über den Sensor 10.1, die weitere Flussleiteinrichtung 6.2 (11.1), die Kolbenstange 2 dem Südpol S des Magneten 9.1 zugeführt werden.

2. Vom Nordpol N ist der Messluftspalt M₂ von den Feldlinien zu überwinden, bevor diese in die Flussleiteinrichtung 7.4 eintreten und von hieraus über den Sensor 10.2, die weitere Flussleiteinrichtung 6.2 (11.1) und die Kolbenstange 2 wieder in den Südpol S eintreten.

Es ist aus Fig. 2 erkennbar, dass die Messluftspalte M₁, M₂ sich kontinuierlich über den Hub gegenläufig ändern. Die aus den Sensoren 10.1 bzw. 10.2 entnommenen Signale werden je nach Aufgabenstellung z. B. einer elektrischen Auswerteschaltung zugeführt, deren Resultierende das Auswertesignal darstellt. Über die gesamte Bewegungsstrecke des Kolbens innerhalb des Zylinderrohres ist somit die jeweilige Position des Kolbens berührungslos erfassbar. Auch hier ist erforderlich, dass das Zylinderrohr 4 und der Zylinderdeckel 6.1 aus magnetisch nichtleitendem Material bestehen. Die Messluftspalte M₁, M₂ können mit einer beliebigen magnetisch nicht leitenden Substanz gefüllt sein.

Eine weitere Ausführungsvariante analog zu Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei bestehen die Flussleiteinrichtungen 7.5 und 7.6 beispielsweise aus querschnittssymmetrischem, rundem, magnetisch leitendem Werkstoff. Die Flussleiteinrichtungen 7.5, 7.6 werden in Ausnehmungen des Zylinderrohres 4 eingebracht, wobei die Ausnehmungen vorzugsweise unter einem Winkel &agr;, &bgr;, bezogen auf die Bewegungsachse X-X verlaufen. Die Messfunktion ist sowohl sichergestellt, wenn die Winkel &agr;, &bgr; gleich bzw. unterschiedlich sind. Zylinderrohr 4 und Zylinderdeckel 6.1 sind aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff hergestellt, während der Zylinderdeckel 6.2 magnetisch leitend ist und als Flussleiteinrichtung 11.1 dient. Ebenso ist auch die Kolbenstange 2 magnetisch leitend.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel. Hier sind zwei Flussleiteinrichtungen 7.7 parallel zur Bewegungsachse X-X angeordnet und mit einem, wenigstens an der Messoberfläche 7.10 eingebrachten Profil, mit Erhebungen 13 und Vertiefungen 14, versehen. Die Muster der Erhebungen und Vertiefungen sind vorzugsweise um eine viertel Periode gegeneinander versetzt, um neben dem Ort auch die Bewegungsrichtung des Kolbens abzufragen und auszuwerten. Bei dieser Ausführung werden über die Bewegungsstrecke S des Kolbens 1 die Anzahl der Erhebungen bzw. Vertiefungen gezählt, wodurch sich beispielsweise ein Impulsfolgediagramm gemäß Fig. 5 ergibt. Diese Anordnung ermöglicht es, wahlweise das Wirkprinzip gemäß Fig. 1 bzw. gemäß Fig. 2 einzusetzen. Die Außenkontur der Flussleiteinrichtung 7.7 kann beispielsweise in Form von gleichbeabstandeten Vertiefungen 14 ausgeführt sein, vergleichbar einer Zahnstange, aber auch in runder, querschnittssymmetrischer Ausführung in Form eines Gewindes mit definierter Steigung. Um eine genauere Aussage über die Kolbenposition zu erhalten, hat es sich bewährt, den Kolben mit einem, an sich bekanntem Fokusiermittel 17.1 zu versehen. In diesem Fokusiermittel werden die Feldlinien gebündelt, so dass eine eindeutige Erkennungen der Erhebung bzw. Vertiefung auf der Oberfläche der Flussleiteinrichtung 7.7 erreicht wird. Über eine zeitliche Verabfolgung und Auswertung der Zählimpul-

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se auf der Bewegungsstrecke läßt sich neben der Ortsbestimmung auch die jeweilige Kolbengeschwindigkeit erfassen.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel, in dem die Einrichtung zum Orten, in diesem Fall wieder eines Kolbens in einem Zylinderrohr, wo zwischen dem mit einem Permanentmagneten 9.1 bestückten Kolben 1 und der Flussleiteinrichtung 7.2 ein durch ein Einstellmittel 21, in diesem Beispiel durch eine Gewindespindel über die Bewegungsstrecke S hinweg einstellbares Übertragungsstück 20 eingebracht ist. Das Übertragungsstück ist magnetisch leitend und überbrückt an seinem Ort einen großen Teil eines ansonsten großen Messluftspaltes. Hierdurch ergibt sich, wenn der Permanentmagnet des Kolbens dem Übertragungsstück benachbart ist, ein erhöhter Fluss, der durch den Sensor 9 erkannt und als Messsignal zur Verfügung gestellt wird.

Claims

1. Einrichtung zum Orten eines bewegbaren Körpers (1) in einem vorgegebenen Raum (3) mit endseitigen Stirnseiten (5.1, 5.2) durch sich vom Ort des Körpers (1) im Raum (3) abhängig ändernde, messtechnisch erfassbare und auswertbare maxwell'sche Felder, dadurch gekennzeichnet, dass dem Raum (3) mindestens eine, maxwell'sche Felder leitende Flussleiteinrichtung (7.1-7.6) entlang wenigstens eines Teiles der möglichen Bewegungsstrecke (S) des Körpers (1) im Raum (3) zugeordnet ist, dass das jeweils ortsdefinierende Feld stirnseitig, bzw. nahe wenigstens einer Stirnseite (5.1, 5.2) des Raumes (3) aus der Flusslelteinrichtung austritt, ferner, dass das Feld durch einen, außerhalb des Raumes (3), an der Austrittsseite des Feldes aus der Flussleiteinrichtung zugeordnetem Sensor (10) erfasst und eine dem Sensor nachgeordnete Auswerteschaltung (12) stirnseitig bzw. wenigstens nahe einer Stirnseite (5.1, 5.2) des Raumes (3) und des Sensors (10) angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleiteinrichtung (7.1-7.6) gegenüber dem Raum (3) wenigstens teilweise durch eine Wand (19) getrennt ist.

3. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Flusslelteinrichtung (7.3, 7.4 bzw. 7.5, 7.6) so ausgeformt bzw. so angeordnet ist, dass wenigstens über einen Teil der möglichen Bewegungsstrecke (S) des Körpers (1) im Raum (3) ein sich ortsbezogener ändernder Messluftspalt (M₁, M₂ bzw. M₃, M₄) zwischen dem Körper (1) und der Flussleiteinrichtung gebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) und die Auswerteschaltung (12) eine einstückige Baugruppe sind.

5. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) und die Auswerteschaltung (12) wenigstens teilweise auf einer flexiblen Leiterplatte als eine einstückige Baugruppe angeordnet sind.

6. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) innerhalb des Raumes (3) mit wenigstens einer Flussleiteinrichtung (2) mechanisch- und die magnetischen bzw. maxwell'schen Felder leitend, verbunden ist, und dass die Flussleiteinrichtung (2) wenigstens einen Abschluss (6.1, 6.2) der Stirnseite (5.1, 5.2) nach außerhalb des Raumes (3) bewegbar durchdringt.

7. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Raum (3) mehr als eine Flussleiteinrichtung (7.1 und 7.2, bzw. 7.3 und 7.4, bzw. 7.5 und 7.6), je einander beabstandet, zugeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als einer Flussleiteinrichtung je ein Sensor (10.1, 10.2) zugeordnet ist und dass die vom Sensor (10.1, 10.2) erkannten Messsignale als Resultierende über eine Sensorbrückenschaltung gebildet ist und die Resultierende in der Auswerteschaltung (12) weiter aufbereitet wird.

9. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleiteinrichtung (7.5, 7.6) im Querschnitt symmetrisch ist und die Bewegungsachse (X X) des Raumes (3) zur Mittellinie (X_α X_β) der Flussleiteinrichtung (7.5, 7.6) jeweils derart unter einem Winkel (α, β) verlaufen, und dass sich zwischen dem Körper (1) und der Flussleiteinrichtung (7.5, 7.6) über wenigstens einen Teil der Bewegungsstrecke (S) des Körpers (1) im Raum (3) ein sich ortsabhängig ändernder Messluftspalt (M₃, M₄) ausbildet.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel (α, β) wenigstens annähernd gleich sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel (α, β) unterschiedlich sind.

12. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messoberfläche (7.10) der Flussleiteinrichtung (7.7) im Wechsel mit definiert beabstandeten und geformten Erhebungen (13) und Vertiefungen (14) versehen ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (13) und Vertiefungen (14) der wenigstens angenäherten Form eines Gewindes mit definierter Steigung entspricht.

14. Einrichtung nach Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleiteinrichtung (7.7) parallel beabstandet zur Bewegungsachse (X-X) angeordnet sind.

15. Einrichtung nach Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (Xα Xβ) der Flussleiteinrichtung (7.7) unter einem Winkel (α, β) verlaufen.

16. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Flussleiteinrichtung und dem bewegbaren Körper (1) wenigstens ein Übertragungsstück (20) mit hoher Leitfähigkeit für die verwendeten Felder angeordnet ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsstück (20) entlang der Bewegungsstrecke (S) des Körpers (1) einstellbar und fixierbar ist.

18. Einrichtung nach Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Übertragungsstückes (20) von einer Stirnseite (5.1, 5.2) her erfolgt.