DE10050531C2 - Druckkompensierter Linearweggeber mit Schubstange als Bewegungsglied - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearweggeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Linearweggeber geht beispielsweise aus der US 4 479 107 A hervor.

Aus der EP 0 516 965 A1 ist eine Druckausgleichsein­ richtung an einer hermetisch gekapselten Wägezelle zur Neutralisierung eines Über- oder Unterdrucks innerhalb der Kapselung gegenüber deren Außenraum bekannt, wobei eine Druckausgleichsmembrane an einem Schutzgehäuse ab­ dichtend, aber ohne nennenswerten Widerstand und nicht gegen eine Vorspannung verformbar angeordnet und aus extrem biegeweichem Material hergestellt ist sowie eine im Verhältnis zu der Abmessung der Kapselung große Flä­ che aufweist. Eine solche Druckausgleichseinrichtung kann nicht ohne weiteres in einem Linearweggeber vor­ liegender Art eingesetzt werden.

Linearweggeber weisen ein Weggebergehäuse auf, in dem ein Schubelement, meist eine Schubstange, linear beweg­ lich angeordnet ist. Das Schubelement wird dabei durch eine Durchgangsbohrung in das Weggebergehäuse einge­ führt.

Im Falle eines potentiometrischen Weggebers weist die Schubstange im Innenraum des Weggebergehäuses einen Schleiferträger mit Schleifkontakten auf, die mit ein Potentiometer bildenden Widerstands- und Leiterbahnen zusammenwirken und ein von der Stellung des Schubele­ mentes im Gehäuse abhängiges elektrisches Signal be­ reitstellen. Denn durch die Änderung der Lage des Ab­ griffspunktes auf der Widerstandsbahn wird eine Ände­ rung der von der Widerstandsbahn abgegriffenen Spannung erzielt. Die abgegriffene Spannung wird dann meist ei­ ner Auswerteschaltung zugeführt, welche der jeweiligen Stellung des Schubelementes entsprechende Signale ab­ gibt.

Die bekannten Linearweggeber bzw. -wegaufnehmer haben den Nachteil, dass sich aufgrund der Bewegung der Schubstange das Volumen der Schubstange, welches in das Gehäuseinnere eintaucht, ändert. Dies bewirkt im Innern des Potentiometergehäuses wiederum eine Änderung des Gesamtluftvolumens. Dadurch ändert sich der Luftdruck im Innern des Gehäuses gegenüber der Umgebung. Da das Gehäuse selbst hermetisch gegen störende Umweltmedien abgedichtet ist, entspannt sich das entstandene Druck­ gefälle über die einzige Schwachstelle, nämlich die zwischen Schubstange und Potentiometergehäuse angeord­ nete Dichtmanschette, also im Bereich des Austritts der Schubstange aus dem Gehäuse. Da es nach dem Stand der heutigen Dichtungstechnik bislang keine praktikable Lö­ sung hinsichtlich der Lebensdauer und der Dichtheit des Gehäuses, hinsichtlich der zwischen der Schubstange und der Dichtmanschette auftretenden Reibungskräfte sowie hinsichtlich der Kosten der Dichtmanschette gibt, ent­ steht beim Herausfahren der Schubstange aus dem Gehäuse aufgrund des sogenannten "Luftpumpeneffektes" kurzzei­ tig ein Unterdruck im Gehäuse, der dazu führt, dass Luft aus der Umgebung in das Innere des Weggebergehäu­ ses gesaugt wird und damit auch die Schubstange etwa benetzendes Öl oder Wasser. Diese in das Gehäuse ein­ dringenden Stoffe führen häufig zu einem verfrühten Ausfall des Weggebers, beispielsweise aufgrund eines durch die Stoffe bedingten elektrischen Kurzschlusses.

Obgleich diese Problematik bereits viele Jahre bekannt ist, existieren bislang keine befriedigenden Lösungen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Linearweggeber der eingangs bestimmten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass die vorgenannten Nachteile, insbesondere der genannte Luftpumpeneffekt, d. h. das Eindringen von fluiden Stoffen insbesondere durch die Dichtöffnung in das Gehäuseinnere aufgrund der genann­ ten Druckschwankungen wirksam vermieden werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhän­ gigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Besonderheit der Erfindung liegt darin, bei einem eingangs genannten Linearweggeber in dem Gehäuse wenig­ stens eine Druckausgleichsöffnung vorzusehen, die mit­ tels einer elastischen Membran nach außen hin abgedich­ tet ist. Vorzugsweise ist im Innenraum des Gehäuses ei­ ne Druckausgleichskammer vorgesehen, die wenigstens ei­ ne nach außen führende Durchgangsöffnung und eine den Gehäuseinnenraum nach innen hin abdichtende elastische Membran aufweist.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Membran kann dabei entweder außerhalb oder innerhalb des Gehäuses angeord­ net sein und beispielsweise eine Ballon- oder Schlauch­ form aufweisen. Mit einer an die jeweiligen Anforderun­ gen angepassten Formgebung der Membran kann erreicht werden, dass die Membran im Gehäuse etwa auftretende Druckschwankungen nahezu kräftefrei kompensiert.

Die bevorzugt in einer Druckausgleichskammer angeordne­ te, insbesondere schlauchförmig ausgebildete elastische Membran kann bereits bei geringen, zwischen dem Innen­ raum des Gehäuses und der Umgebung vorliegenden Druc­ kunterschieden zu den Seiten hin expandieren oder kol­ labieren, und das insbesondere nahezu kräftefrei. Hier­ durch wird ein vollständiger Druckausgleich etwa kurz­ zeitig in dem Gehäuse auftretender Druckdifferenzen er­ möglicht. Ein Austausch der durch eine Bewegung der Membran verdrängten Luft zwischen dem Gehäuseinnenraum und der Umgebung erfolgt dabei über eine Druckaus­ gleichsöffnung. Aufgrund der länglichen Ausbildung der Membran können auch großvolumige Druckdifferenzen rasch und vollständig ausgeglichen werden.

Gleichzeitig stellt die elastische Membran eine stoff­ dichte oder sogar hermetische Abtrennung des Gehäusein­ nenraumes von der Umgebung sicher.

Daher verlängert sich die Lebensdauer des Weggebers be­ trächtlich und er kann überdies in extrem feuchten oder anderweitig aggressiven Umgebungen sicher eingesetzt werden. Die Haltbarkeit hängt bei solchen kritischen Anwendungen dann im Wesentlichen allein von der Wider­ standskraft der Membran ab und kann durch Verwendung chemisch besonders resistenter Membranmaterialien ent­ sprechend verlängert werden.

Es versteht sich, dass die Erfindung - über den genann­ ten Einsatzbereich hinaus - grundsätzlich überall dort einsetzbar ist, wo in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter oder Gehäuse kurz- oder mittelfristig ein Druckunterschied zur Umgebung auftritt, der über Schwachstellen abrupt oder über einen Zeitraum ausge­ glichen wird, oder ein solcher Druckunterschied von der Umgebung abgeschottet werden soll. Beispielsweise kann die Erfindung zum Druckausgleich in einer Tintenstrahl­ patrone oder dergleichen verwendet werden. Bei Tinten­ strahlpatronen wird zu diesem Zweck heutzutage übli­ cherweise ein Labyrinth eingesetzt, was allerdings dazu führt, dass die Tinte schneller austrocknet, als dies bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Membranlösung der Fall wäre.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispielen eingehender erläutert, aus denen sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben. In den Zeichnungen werden glei­ che oder funktional gleiche Merkmale mit identischen Bezugszahlen bezeichnet.

Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1a, b einen axialen Längsschnitt a. und einen axialen Querschnitt b. entlang der ge­ zeigten Linie A-A durch ein erstes Aus­ führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen potentiometrischen Linearweggebers;

Fig. 2 eine der Fig. 1a entsprechende Darstel­ lung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 3 eine der Fig. 1a entsprechende Darstel­ lung eines dritten Ausführungsbeispiels; und

Fig. 4a, b der Fig. 1b entsprechende Darstellungen zweier weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Weggebers.

Der in Fig. 1a in axialer Schnittdarstellung gezeigte potentiometrische Linearweggeber weist ein dreiteiliges Gehäuse auf, das sich aus einem Mittelteil 10, einem Lagerflansch 20 und einem Steckerflansch 30 zusammen­ setzt. An dem Lagerflansch 20 ist in etwa mittig eine Durchgangsbohrung 40 (im Folgenden als "Lagerbohrung" bezeichnet) vorgesehen, in die eine Schubstange 50 axial beweglich eingreift. Die Lagerbohrung 40 weist insbesondere eine Dichtmanschette 60 auf, mittels der das Gehäuse 10-30 nach außen hin abgedichtet ist.

Am Kopfende der Schubstange 50 ist eine Schleifergarni­ tur 70 fest angeordnet, die mit einer auf der Innensei­ te des Gehäusemittelteils 10 angeordneten Widerstands­ bahn 80 und einem Leiter 90 jeweils über einen Schleif­ kontakt 100 (siehe Fig. 1b) elektrisch verbunden ist und mit diesen in bekannter Weise ein Potentiometer bildet. Die Widerstandsbahn 80 und der Leiter 90 sind dabei auf einem Träger 95 angeordnet.

Die Schubstange 50 stellt demnach das Bewegungsglied des Linearweggebers dar. Elektrische Zuleitungen 110, 120, 130 des Potentiometers werden über den Stecker­ flansch 30 elektrisch isoliert nach außen geführt.

Im dargestellten unteren Teil befindet sich eine Druck­ ausgleichskammer 140, die vom Gehäuseinneren über eine Wand 145 getrennt ist. Die Druckausgleichskammer 140 weist zur rechten Seite eine zum Innenraum des Gehäuses 10-30 hin weisende Durchgangsöffnung 150 und zur lin­ ken Seite eine nach außen führende Druckausgleichsboh­ rung 160 auf. In der Druckausgleichskammer 140 ist eine schlauchförmige Membran 170, z. B. ein Plastikschlauch, angeordnet, die im Eingangsbereich 180 der Durch­ gangsöffnung 150 druckdicht befestigt ist.

Bewegt sich nun die Schubstange 50 samt Schleifergarni­ tur in der axialen Richtung, werden aufgrund der Luft­ verdrängung durch die Schleifergarnitur 70 Druckschwan­ kungen im Gehäuseinneren erzeugt. Von besonderer Rele­ vanz ist hierbei die Situation nach dem Herausziehen der Schubstange 50 aus dem Gehäuse 10-30. Dabei wird ein Teil der hier in Linksrichtung verdrängten Luft aus dem Gehäuse 10-30 über die Lagerbohrung 40 und die Dichtmanschette 60 nach außen abgeführt, womit sich in dem Gehäuse 10-30 insgesamt ein Unterdruck ausbildet. Verharrt die Schubstange 50 nun über längere Zeit in dieser Position, führt der Unterdruck dazu, dass an der Schubstangenaußenseite oder im Bereich der Lagerbohrung 40 etwa befindliches Wasser, Öl oder dergleichen durch die Lagerbohrung 40 hindurch in das Geäuseinnere ge­ langt. Sammeln sich nun mit der Zeit solche fluiden Stoffe im Gehäuseinneren an, führt dies mit hoher Wahr­ scheinlichkeit zu einem Ausfall des Potentiometers oder anderer elektrischer Teile.

Die genannten Effekte werden nun in dem Ausführungsbei­ spiel sehr wirksam durch die Druckausgleichskammer 140 samt Membran 170 vermieden. Denn die Membran 170 kann sich aufgrund ihrer schlauchförmigen Gestalt druck- und kräftefrei zu den Seiten hin ausdehnen bzw. zusammen­ ziehen, wie in Fig. 1a durch Pfeile 190 angedeutet ist. Die dabei erforderlichen Luftvolumina werden über die Druckausgleichsbohrung 160 bewegt. Dadurch werden im Gehäuseinneren etwa auftretende Druckdifferenzen be­ reits im Ansatz kompensiert, womit es gar nicht zu den oben beschriebenen Erscheinungen kommen kann. D. h. bei intakter Dichtmaschette 60 kann an der Schubstange 50 kein Austausch fluidischer Medien stattfinden. Gleich­ zeitig dichtet die Membran 170 das Gehäuseinnere wirk­ sam gegen äußere Einflüsse ab, beispielsweise gegen durch die Druckausgleichsbohrung 160 etwa eintretende fluidische Stoffe.

Mit der Erfindung werden damit die IP-Klassifizierung und die Öldichtheit des Weggebers deutlich verbessert. Insbesondere in kritischen Einsatzsituationen des Weg­ gebers, beispielsweise in extrem feuchter oder öliger Umgebung, wird die Lebensdauer des Weggebers um ein Vielfaches verlängert.

Die Fig. 1b zeigt einen entlang der in Fig. 1a darge­ stellten Schnittlinie A-A durchgeführten Schnitt durch den Linearweggeber. Die gezeigte Ausführung der Druck­ kammer 140 mit der Wand 145 stellt selbstverständlich nur eine von vielen denkbaren Varianten dar, wie auch aus den folgenden Figuren noch deutlicher wird. Der ge­ zeigte Schnitt verdeutlicht zudem das Zusammenspiel zwischen Widerstandsbahn 80 und Leiter 90, die jeweils mit elektrisch getrennten Schleifkontakten 100, 100' beaufschlagt sind.

Es ist erwähnenswert, dass eine der nach außen geführ­ ten Zuleitungen 110-130 mit einem Ende der Wider­ standsbahn 80 und eine zweite der Zuleitungen 110-130 mit dem anderen Ende der Widerstandsbahn 80 verbunden ist. Der Leiter 90 stellt dabei lediglich eine Schleif­ verbindung zum Schleifkontakt 100' her und benötigt deshalb nur eine der Zuleitungen 110-130.

Ferner versteht sich, dass die schlauchförmige Membran 170 grundsätzlich auch auf Seiten der Druckausgleichs­ bohrung 160 dichtend befestigt sein kann, wobei der Ef­ fekt jedoch dem oben beschriebenen Effekt gleichwirkend ist.

In dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist anstelle einer schlauchförmigen Membran 170 eine lammellenartig oder dergleichen geformte Membran 200 vorgesehen, welche axial gesehen etwa mittig in der Druckausgleichskammer 140 angeordnet ist und an den Wänden 10, 145 dichtend befestigt ist. Je nach vorlie­ genden Druckverhältnissen in dem Gehäuse 10-30 bewegt sich die Membran 200 nahezu kräftefrei entweder nach links 210 oder nach rechts 220 und kompensiert die Druckschwankungen über den entsprechenden Volumenstrom durch die Druckausgleichsbohrung 160.

Das in der Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel weist eine außerhalb des Gehäuses 10-30 angeordnete ballon- oder sackförmige oder, wie in diesem Beispiel, mit Aus­ stülpungen 310 versehene Membran 300 auf. Die Ausstül­ pungen 310 können sich nahezu kräftefrei öffnen oder schließen und ermöglichen somit einen Druckausgleich etwa wie in den vorherigen Beispielen.

Die Fig. 4a und 4b zeigen zwei Ausführungsvarianten, bei denen insbesondere die ausgleichbaren Luftvolumina gegenüber den vorher beschriebenen Ausführungen noch erhöht sind. Im Beispiel a. sind an der Innenseite des Gehäuses 10-30 eine Anzahl von in etwa identischen Druckausgleichskammern 400 vorgesehen, die jeweils Mem­ branen der in Fig. 1a und b gezeigten Form aufweisen. Im Beispiel b. ist eine ebenfalls an der Gehäuseinnen­ seite angeordnete, durchgehende Druckausgleichskammer 420 vorgesehen, die anstelle einer schlauchförmigen ei­ ne taschenförmige Membran 430 aufweist. Diese Ausfüh­ rungsformen kommen insbesondere bei extrem langge­ streckten, jedoch mit kleinem Durchmesser ausgebildeten Weggebern in Betracht, da hier aufgrund des relativ langen Verschiebeweges der Schubstange die bewegten Luftmassen ebenfalls zunehmen.

Anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele soll die Formenvielfalt und der Variantenreichtum des erfin­ dungsgemäßen Linearweggebers aufgezeigt werden, wobei der Fachmann, ohne erfinderisches Dazutun, weitere hier nicht beschriebene Varianten in Betracht ziehen wird, die in ihrem Grundkonzept jedoch mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmen.

Obgleich zudem die vorbeschriebenen Ausführungsbeispie­ le sich ausschließlich auf potentiometrische Linearweg­ geber beziehen, erschließt sich die Erfindung ohne Wei­ teres für den Fachmann auch bei ähnlichen Weggebern, bei denen eine Erfassung der Position eines entspre­ chenden oder ähnlichen Schubelementes beispielsweise durch induktive, kapazitive, oder optische Messverfah­ ren erfolgt. Auch im Falle optischer Messverfahren be­ steht ein Bedarf, das Gehäuseinnere nicht mit fluiden Stoffen zu verunreinigen.

Claims (10)

1. Linearweggeber mit einem Gehäuse (10-30) mit we­ nigstens einer Dichtöffnung (40), durch die ein in das Gehäuse (10-30) axial verschiebliches und als Bewegungsglied ausgebildetes Schubelement (50) hindurchgeführt ist, welches im Innenraum des Ge­ häuses (10-30) Mittel (70-100) zur Erfassung der Position des Schubelementes (50) in dem Gehäu­ se (10-30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10-30) wenigstens eine Druck­ ausgleichsöffnung (160) aufweist, die mittels ei­ ner elastischen Membran (170, 200, 300) nach au­ ßen hin abgedichtet ist.

2. Linearweggeber nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass im Innenraum des Gehäuses (10-30) mindestens eine Druckausgleichskammer (140, 400, 420) vorgesehen ist, die wenigstens eine nach au­ ßen führende Druckausgleichsöffnung (160) und we­ nigstens eine den Gehäuseinnenraum nach innen hin abdichtende elastische Membran (170, 200, 300) aufweist.

3. Linearweggeber nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die mindestens eine Druckausgleich­ kammer (140, 400, 420), vorzugsweise in der axia­ len Richtung des Gehäuses (10-30), länglich aus­ gebildet ist und auf der einen axialen Seite mit dem Innenraum des Gehäuses (10-30) verbunden ist und auf der anderen axialen Seite die Druckaus­ gleichsöffnung (160) aufweist.

4. Linearweggeber nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die mindestens eine Druckaus­ gleichskammer (140, 400, 420) im Bereich der In­ nenwand des Gehäuses (10-30) angeordnet ist.

5. Linearweggeber nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die elastische Membran (170, 200, 300) im Bereich einer der beiden axialen Sei­ ten der Druckausgleichskammer (140, 400, 420) an­ geordnet und schlauchförmig ausgebildet ist.

6. Linearweggeber nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die elastische Membran (170, 200, 300) im Wesentlichen axial mittig angeordnet und schlauchförmig, lamellenförmig oder derglei­ chen ausgebildet ist.

7. Linearweggeber nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Druckausgleichskammer (140, 400, 420) durch einen Schlauch mit dem Gehäuse (10-­ 30) verbunden ist.

8. Linearweggeber nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichs­ kammer (140, 400, 420) als ein im Bereich der Ge­ häuseinnenwand mindestens teilweise umlaufender Hohlraum ausgebildet ist und die elastische Mem­ bran (170, 200, 300) in diesen taschenförmig ein­ greift bzw. in diesem taschenförmig ausgebildet ist.

9. Linearweggeber nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schubelement (50) im Gehäuse (10-30) im Wesentlichen radial mittig und die mindestens eine Druckausgleichskammer (140, 400, 420) radial außen angeordnet ist.

10. Potentiometrischer Linearweggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (70-100) zur Erfassung der Posi­ tion des Schubelementes (50) durch eine an dem Schubelement(59), insbesondere kopfseitig, ange­ ordnete Schleifergarnitur (70), die mit im Innen­ raum des Gehäuses (10-30) angeordneten Wider­ stands-/Leiterbahnen (80, 90) zusammenarbeiten, gebildet sind.