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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen inkrementellen Antrieb, insbesondere
für ein
analoges Zeigerinstrument eines Kraftfahrzeuges, mit einer drehbaren
Achse.
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In
modernen Kraftfahrzeugen sind üblicherweise
in einem Armaturenbrett verschiedene Zeigerinstrumente integriert,
die einem Fahrer eine Vielzahl von Informationen, wie beispielsweise
Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Drehzahl des Motors oder Tankfüllgrad signalisieren.
Aus Gründen
der Verkehrssicherheit müssen
diese Instrumente im ständigen Blickfeld
des Fahrers angeordnet sein, wodurch der zur Verfügung stehende
Einbauraum im Armaturenbrett oftmals stark eingegrenzt bzw. nicht
ausreichend ist.
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Zeigerinstrumente
weisen in der Regel Motoren beziehungsweise Drehspulen- oder Dreheisen-Antriebe
sowie Kreuzspul-Antriebe auf. Als Motoren kommen sowohl Gleichstrom-Motoren
als auch Schrittmotoren zum Einsatz. Beide Motorenarten weisen Untersetzungsgetriebe
auf, so dass sich eine Position eines Zeigers in kleinsten Schritten
bzw. Winkeln verändern
lässt.
Mittels über
digitale Schaltungen angesteuerte Schrittmotoren werden die Zeiger
kontrolliert und ohne Abgleich an die einem Messwert entsprechende
Position eines Zifferblattes bewegt. Gebräuchliche Zeigerantriebe sind
in der Regel so konzipiert, dass für alle Anwendungen eine ausreichende
Verstell- bzw. Anzeigedynamik erreicht werden kann. Die hierfür konzipierten
Antriebe werden aus fertigungstechnischen Gründen auch für Zeigerinstrumente mit geringer
Anzeigedynamik verwendet. Anzeigeinstrumente mit geringer bis sehr geringer
Anzeigedyna mik sind bekannter Weise zum Beispiel die Anzeigen für den Tankfüllstand
oder die Öltemperatur.
Nachteilig bei den oben aufgeführten Zeigerinstrumenten
ist der im Verhältnis
zur Zeigerfahne eines Zeigers benötigte große Bauraum zur Unterbringung
des Antriebs bzw. des Motors. Weiterhin sind hohe Herstellungskosten
aufgrund einer großen
Anzahl an Bauteilen und eines erhöhten Montageaufwandes nachteilig.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen inkrementellen Antrieb
vorzusehen, der einen reduzierten Bauraum bei gleichzeitiger Vereinfachung
des Aufbaus und Reduzierung des Fertigungsaufwands benötigt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen inkrementellen Antrieb, insbesondere für ein analoges Zeigerinstrument
eines Kraftfahrzeuges, mit einer drehbaren Achse gelöst, wobei
der Antrieb einen elektromechanisch bewegten Kulissenantrieb aufweist,
mittels dessen die Achse angetrieben wird.
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Der
inkrementelle Antrieb weist den Vorteil auf, dass er einen sehr
kompakten Aufbau ermöglicht und
beim Einbau beispielsweise in ein Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs
ein sehr geringes Raumvolumen benötigt.
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Als
besonders vorteilhaft erweist sich der Kulissenantrieb, der ein
axial angeordnetes Kulissenrad, welches beispielsweise über am Kulissenrad
angeordnete Zapfen in einer Kulisse auf- oder abwärts geführt wird,
aufweist und durch eine vertikale, in Achsrichtung verlaufende Hubbewegung
auf- und abwärts
bewegt wird. Die Hubbewegung wird über einen gepolten Strom durch
einen Elektromagneten in Verbindung mit einem an der Achse angeordneten Permanentmagneten
erzielt, so dass ein vorteilhaft an der Achse angeordnetes Zeigemittel
in Abhän gigkeit
der Hubrichtung rechts- oder linksdrehend um einen definierten Winkelschritt
verstellt wird. Die Größe des Winkelschrittes
ist abhängig
von der Konstruktion des Kulissenantriebs und ermöglicht die
Abbildung von groben bis feinen Rasterstrukturen auf einem Ziffernblatt.
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Dadurch,
dass der Antrieb digital ansteuerbar ist, kann das Zeigermittel
in vorteilhafter Weise schrittweise an die dem Messwert einer Schaltungsanordnung
entsprechende analoge Position auf dem Ziffernblatt gebracht werden.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, dass axial, ober- und unterhalb des Permanentmagneten
elastische Elemente angeordnet sind, in die der Permanentmagnet
eingespannt ist. In Abhängigkeit
einer Stromrichtung eines dem Elektromagneten zugeführten Stroms
wird der Permanentmagnet angezogen oder abgestoßen. In beiden Fällen werden
die elastischen Elemente jeweils gegenläufig entlastet und belastet. Im
stromlosen Zustand des Elektromagneten ist der Permanentmagnet dergestalt
in den elastischen Elementen eingespannt, dass er eine Neutralstellung einnimmt
und eine axiale Ausrichtung des Zeigemittels bewirkt. In diesem
Zustand stehen die Zapfen des Kulissenrads mit der Kulisse nicht
im Eingriff. Der Permanentmagnet ist weiterhin in den elastischen Elementen
dergestalt eingespannt, dass eine durch eine Reibung verursachte
Hemmung durch Stöße an das
Zeigerinstrument verursachte Fehlschritte verhindert.
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In
vorteilhafter Weise kann mittels in Achslagerungen vorgesehenem
viskosen Dämpfungsgel die
Schrittbewegung des Zeigemittels so gedämpft werden, dass eventuell
auftretende Sprungbewegungen des Zeigemittels nicht sichtbar sind.
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Eine
besonders günstige
Ausführungsform der
Erfindung ist dadurch gegeben, dass die Achse aus transparentem
lichtleitendem Material hergestellt ist. Über eine auf einer Leiterplatte
angeordnete Lichtquelle kann Licht in die Achse eingekoppelt werden,
so dass ein an der Achse angeordnetes Ziffernblatt als auch das
Zeigemittel beleuchtet werden können.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des inkrementellen Antriebes sieht vor,
dass der Kulissenantrieb eine ortsfeste Führungskulisse und ein bewegliches
Kulissenelement aufweist, das Kulissenelement ein erstes Führungselement
aufweist, welches Führungselement
mit der Führungskulisse
zumindest zeitweise im Eingriff steht, wobei das Kulissenelement
mit einer Antriebskraft beaufschlagt wird, so dass sich das Kulissenelement
in Richtung der Antriebskraft bewegt und gleichzeitig die Führungskulisse
das Kulissenelement mittels des Führungselementes auf Grund der
Bewegung in Richtung der Antriebskraft in eine Vorschubrichtung
führt.
Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung liegt in der wiederholbar
präzisen
Positionierung des Kulissenelementes, dessen Position eindeutig
durch die ortsfeste Führungskulisse
bestimmt ist. Das Kulissenelement bewegt sich hierbei vorzugsweise
rotatorisch, so dass die Vorschubrichtung eine Drehrichtung des
Kulissenelementes ist. Das Kulissenelement weist zweckmäßig eine
in Richtung der Antriebskraft gerichtete translatorische Bewegungsfreiheit
auf, so dass die Translation des Kulissenelementes eine Drehung desselben
in Abhängigkeit
von der Position des Führungselementes
in der Führungskulisse
vollzieht. Je nach Ausgestaltung der Führungskulisse und des Führungselementes
kann das Kulissenelement gleichsam in einer bestimmten Position
verriegelt werden und ist auf diese Weise gegen ein ungewolltes
Verstellen in Folge von Erschütterungen
gesichert.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausbildung der Führungskulisse sieht vor, dass
schräg
zur Vorschubrichtung orientierte Gleitführungen vorgesehen sind, die
mit dem Führungselement
zusammenwirken. Die Schräge
der Gleitführungen
verhindert eine Bewegung des Kulissenelementes in Vorschubrichtung,
ohne dass sich das Kulissenelement in Richtung der Antriebskraft
bewegt, da dass Führungselement
an der jeweiligen Gleitführung
anliegt.
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Zweckmäßig wird
die Größe eines
Bewegungsinkrements des Antriebes durch die Ausdehnung einer Gleitführung in
Vorschubrichtung beziehungsweise Umfangsrichtung definiert. Sinnvoll
ist es hierbei, einzelne erste Gleitführungen und einzelne zweite
Gleitführungen
jeweils abwechselnd in Vorschubrichtung anzuordnen. Für einen
reibungsarmen und hemmungsfreien Ablauf ist es zweckmäßig, wenn
die ersten Gleitführungen
mit der Vorschubrichtung einen stumpfen Winkel zwischen 20° und 70° einschließen, die
zweiten Gleitführungen
mit der Vorschubrichtung einen stumpfen Winkel zwischen 20° und 70° einschließen und
die ersten Gleitführungen mit
den zweiten Gleitführungen
einen stumpfen Winkel zwischen 20° und
70° einschließen. Beste
Ergebnisse werden erzielt bei Winkeln zwischen 40° und 50°, besonders,
wenn eine Bewegung des inkrementellen Antriebes in und entgegen
der Vorschubrichtung vorgesehen ist.
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Besonders,
wenn das Führungselement
als zylindrischer Stift mit einer als Gleitführung arbeitenden Mantelfläche des
Zylinders ausgebildet ist, ist ein Abstand benachbarter Gleitführungen
in Vorschubrichtung sinnvoll, der geringer ist als der Radius der Zylinderform
des Führungselementes.
Ein störungsfreier
Ablauf ist sichergestellt, wenn erste und zweite Gleitführungen
in Vorschubrichtung direkt aneinander angren zend oder sogar mit
einem Überlappungsbereich
angeordnet sind. Eine ebene Gestaltung der Gleitführungen
hat sich als konstruktiv einfache Lösung bewährt. Dient der erfindungsgemäße Antrieb zum
Vorschub des Zeigers eines Zeigerinstrumentes, kann das Kulissenelement
mit dem Zeiger ein Bauteil bilden oder selbst als Zeiger ausgebildet
sein.
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Mit
Vorteil erstreckt sich die Führungskulisse entlang
eines Kreissegmentes, dreht sich das Kulissenelement um eine in
Richtung der Achse verlaufende Drehachse, ist der geometrische Mittelpunkt des
Kreissegmentes Bestandteil der Drehachse, sind Gleitführungen
der Führungskulisse
schräg
zur Umfangsrichtung orientiert und eine das Kulissenelement bewegende
Antriebskraft zur Drehachse radial orientiert. In erster Näherung ist
damit die tangential orientierte Vorschubrichtung im Rahmen eines
Bewegungsinkrementes senkrecht zu der das Kulissenelement bewegenden
Antriebskraft orientiert, was bewirkt, dass die Präzision der
Winkelposition des Kulissenelementes nahezu unabhängig von
der Höhe
der Antriebskraft ist. Auch das Behaarungsvermögen des Kulissenelementes bei
mechanischen Störeinflüssen, wie
zum Beispiel Schwingungen, ist hierbei unabhängig von der Antriebskraft.
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Mit
Vorteil ist das entlang einer Vorschubrichtung bewegbar gelagerte
Kulissenelement beschränkt
auf einen translatorischen Freiheitsgrad beweglich zwischen zwei
Stellungen zusätzlich
gelagert und kann sich zwischen einer ersten Stellung und einer
zweiten Stellung hin und her bewegen, wobei für den Fall, dass eine Richtungsumkehr
des inkrementellen Antriebes gewünscht
ist, vorzugsweise zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung des
Kulissenelementes eine neutrale Stellung vorgesehen werden kann.
Das Kulissenelement kann in direkter Verbindung mit einem Magneten,
insbesondere einem Permanentmagneten, stehen und im Zusammenwirken
mit einer ansteuerbaren Spule und gegebenenfalls einem die Neutralstellung
zentrierenden elastischen Element zwischen der ersten und der zweiten
Stellung beziehungsweise der ersten Stellung, der neutralen Stellung
und der zweiten Stellung translatorisch hin und her bewegt werden.
Eine besonders vorteilhafte Lösung
des Beaufschlagens des Kulissenelementes mit der Antriebskraft sieht
vor, ein Übertragungselement
zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position hin und
her beweglich zu lagern, das Übertragungselement
mit dem Kulissenelement in der Weise zusammenwirken zu lassen, dass
eine Bewegung des Übertragungselementes
in die erste Position eine Bewegung des Kulissenelementes in eine
erste Stellung bewirkt und ein Bewegen des Übertragungselementes in die
zweite Position eine Bewegung des Kulissenelementes in eine zweite
Stellung bewirkt. Zusätzlich
kann das Übertragungselement
noch die Zentrierung des Kulissenelementes in eine neutrale Position,
gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines elastischen Elementes, vorsehen.
Das Übertragungselement
ist dabei vorzugsweise drehbar gelagert und kippt zwischen einer
ersten Position und einer zweiten Position, gegebenenfalls unter
Zwischenschaltung einer neutralen Position hin und her.
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Ist
eine Richtungsumkehr des inkrementellen Antriebes gewünscht, ist
es zweckmäßig, wenn das
Kulissenelement neben dem ersten Führungselement ein zweites Führungselement
aufweist. Bevorzugt stehen diese jeweils abwechselnd mit der Führungskulisse
in Eingriff. Hierbei kommt es zwischen ersten Gleitführungen
der Führungskulisse und
dem ersten Führungselement
abwechselnd mit zweiten Gleitführungen
und zweiten Führungselementen
zur Anlage. Ausgehend von der neutralen Position des Übertragungselementes
beziehungsweise der neutralen Stellung des Kulissenelementes hängt es von
der anfängli chen
Bewegung des Kulissenelementes in die erste oder die zweite Stellung ab,
ob sich der inkrementelle Antrieb in oder entgegen der Vorschubrichtung
bewegt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
in den Unteransprüchen
angegebenen vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung können gemäß der Erfindung
in beliebiger Zusammenstellung auch vorteilhaft miteinander kombiniert
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines
Zeigerinstrumentes mit einem erfindungsgemäßen Antrieb,
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2 eine detaillierte Schnittdarstellung
des in 1 dargestellten
Antriebs,
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3 eine schematische Teilansicht
auf die Stirnseite eines in eine Kulisse eingreifenden Kulissenrades,
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4 eine Teilansicht einer
Draufsicht auf die Kulisse und das Kulissenrad der 2,
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5a bis 5i Phasenbilder von Drehbewegungen des
Kulissenrads in der Kulisse.
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6 eine schematische Darstellung
einer Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Zeigerinstrument,
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7 eine schematische Schnittdarstellung des
Zeigerinstrumentes der 6,
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8 eine schematische Darstellung
der Funktionsweise der Antriebsanordnung des inkrementellen Antriebes
in einem Längsschnitt
eines Zeigerinstrumentes und
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9 eine schematische Darstellung
des Zusammenwirkens der Führungskulisse
mit den Führungselementen
eines Kulissenelementes in verschiedenen Bewegungsphasen (9a – 9f).
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Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung
eines Zeigerinstrumentes 1 mit einem erfindungsgemäßen inkrementellen
Antrieb 2. Das Zeigerinstrument 1 ist auf einer
Leiterplatte 3 angeordnet, die hier nicht gezeigte Schaltungsanordnungen
aufweist, die das Zeigerinstrument 1 mit Spannung bzw.
gepolten Strömen
versorgen und eine Übertragung
der Messwerte an das analoge Zeigerinstrument 1 bewirken.
An einer Achse 4 sind koaxial der Antrieb 2, ein
Ziffernblatt 5 und ein Zeigemittel 6, beispielsweise
ein Zeiger, angeordnet. Über
den Antrieb 2 kann das Zeigemittel 6 in einem
möglichen
Verdrehwinkel von 0° bis
360° in beliebigen
Winkelschritten zur Anzeige von auf dem Ziffernblatt 5 abgebildeten
Analogwerten verdreht werden.
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In
der 2 ist eine Schnittdarstellung
des detaillierten Aufbaus des in der 1 dargestellten Antriebs 2 dargestellt.
Oberhalb der Leiterplatte 3 sind axial an der Achse 4 Spulen 7 eines
Elektromagneten 8 angeordnet. Der Elektromagnet 8 weist
einen Spulenkörper 9 auf,
der einen axial angeordneten Permanentmagneten 10 umschließt. Pol
und Gegenpol des Permanentmagneten 10 sind axial auf seiner
Ober- und Unterseite ausgerichtet. Innerhalb des Spulenkörpers 9 ist
wei terhin axial ein Kulissenrad 11 angeordnet, dessen äußere Zapfen 12 bei
einer Bestromung des Elektromagneten 8 in eine am Spulenkörper 9 ausgebildete
Kulisse 13 eingreifen. Zur Bestromung sind am Spulenkörper 9 Anschlussstifte 14 vorgesehen.
Das Kulissenrad 11 und die Kulisse 13 stellen
einen Kulissenantrieb dar, der durch eine vertikale, in Achsrichtung
eines hier nicht gezeigten Zeigers verlaufende Hubbewegung betrieben wird.
Ober- und unterhalb des Permanentmagneten 10 sind als Tellerfedern
ausgebildete elastische Elemente 15 vorgesehen, die am
Spulenkörper 9 anliegen.
Der Permanentmagnet 10 ist in den elastischen Elementen 15 eingespannt
und nimmt eine mittige Neutralposition ein, von der aus der Permanentmagnet 10 axial
auf- und abwärts
bewegt werden kann, so dass die angetriebene Achse 4 in
zwei Drehrichtungen drehbar ist. Ein von einer hier nicht gezeigten Schaltungsanordnung
der Leiterplatte 3 den Anschlussstiften 14 der
Spulen 7 des Elektromagneten 8 zugeführter gepolter
Strom bewirkt eine abstoßende
oder anziehende Kraftausübung
auf den Permanentmagneten 10 durch den Elektromagneten 8.
Die damit erzeugte Hubbewegung in axialer Richtung bewirkt, dass
der in den elastischen Elementen 15 eingespannte Permanentmagnet 10 ein
elastisches Element 15 belastet und ein elastisches Element 15 entlastet.
In Abhängigkeit
der Hubrichtung wird die Achse 4 und damit das Zeigemittel 6 um
einen definierten Winkelschritt rechts- oder linksdrehend bewegt.
Die Größe des Winkelschritts
ist abhängig
von der Konstruktion des Kulissenantriebs und kann für sehr feine
Raststrukturen des Zifferblattes 5 bei Winkelgrößen von
3° und für grobe
Raststrukturen bei Winkelgrößen von
8° liegen.
Hiermit ergeben sich bei einer Zeigerlänge von beispielsweise 20 mm
Länge Bewegungssprünge von
ca. 1 mm bis 2,8 mm. Je kürzer eine
Zeigerfahne des Zeigers in ihrer Länge ausgeführt ist, desto geringer ist
die in Winkelgraden zurückgelegte
Schrittweite der Zeigerfah ne. Der erfindungsgemäße Antrieb 2 bewirkt
somit einen inkrementellen Antrieb für die Achse 4.
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In
der 3 ist die schematische
Teilansicht auf die Stirnseite des in die Kulisse 13 eingreifenden Kulissenrads 11 dargestellt.
Die Zapfen 12 des Kulissenrads 11 sind gleichmäßig beabstandet
am Kulissenrad 11 ausgebildet und werden durch ein Oberteil 16,
ein Mittelteil 17 und ein Unterteil 18 der Kulisse 13 bewegt.
Eine axiale Bewegung des Kulissenrades 11 bewirkt eine
Bewegung der im Eingriff mit der Kulisse 13 stehenden Zapfen 12 nach
oben oder unten, so dass die Zapfen 12 entlang der abgeschrägten Kanten
des Ober- 16,
Mittel- 17 und Unterteils 18 der Kulisse 13 gleiten.
Hierdurch wird eine axiale Hubbewegung in eine Drehbewegung des
Kulissenrades 11, der Achse 4 und somit eines
axial angeordneten Zeigemittels 6 umgesetzt.
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Die 4 zeigt einen Ausschnitt
einer Draufsicht des Kulissenrades 11 und der Kulisse 13.
Der Kulissenantrieb wird mit nur einer Kulisse 13 betrieben.
Für eine
bessere Kräfteverteilung
können
auch weitere Kulissen 13 im Bereich des Umfangs des Kulissenrads 11 angeordnet
werden.
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Die 5a bis 5i verdeutlichen die aufgrund der axialen
Hubbewegung erzeugte Drehbewegung des Kulissenrads 11 in
der Kulisse 13. Ausgehend von einer in der 5a gezeigten Neutralstellung der Zapfen 12 des
Kulissenrads 11 in der Kulisse 13, bei der an
den Spulen 7 des Elektromagneten 8 kein Strom
anliegt und der Mittelteil 17 der Kulisse 13 in der
Waagerechten von zwei benachbarten Zapfen 12 umgeben ist,
bewirkt ein in einer entsprechenden Stromstärke und Stromrichtung den Spulen 7 zugeführter Strom,
dass der Elektromagnet 8 den Permanentmagneten 10 anzieht
(Takt-1). Dies hat zur Fol ge, dass der Permanentmagnet 10 eine
axiale Hubbewegung in Richtung des Unterteils 18 der Kulisse 13,
wie in der 5b durch
einen Pfeil dargestellt, ausführt.
Der Permanentmagnet 10 spannt ein hier nicht gezeigtes,
in axialer Hubrichtung am Spulenkörper 9 des Elektromagneten 8 unmittelbar
unter dem Permanentmagneten 10 angeordnetes elastisches
Element 15. Weiterhin wird ein hier nicht gezeigtes, unmittelbar über dem
Permanentmagneten 10 angeordnetes elastisches Element 15 entlastet. Die
Zapfen 12 des Kulissenrads 11 werden entsprechend
der Form des Unterteils 18 der Kulisse 13, hier schräg abfallend,
ausgelenkt. Die Auslenkung bewirkt eine Umsetzung der Hubbewegung
in eine rechtsdrehende Drehbewegung der Achse 4 und eines
an der Achse 4 angeordneten Zeigemittels 6 um einen
definierten Winkel. Eine Abschaltung des Elektromagneten 8 (Takt-2)
bewirkt eine Abnahme bzw, einen Abbau eines elektromagnetischen
Feldes des Elektromagneten 8 und der Permanentmagnet 10 vollzieht
eine Hubbewegung nach oben, wobei die Zapfen 12 des Kulissenrades 11 gegen
den Mittelteil 17 der Kulisse 13 geführt werden.
Die Zapfen 12 bewegen sich an die am Ende des Pfeils der 5c gezeigte Position, so
dass die Zapfen 12 in einer weiteren Drehbewegung ausgelenkt
und um einen weiteren Winkelschritt rechtsdrehend bewegt werden.
Das unterhalb des Permanentmagneten 10 angeordnete elastische
Element 15 wird entlastet, das oberhalb des Permanentmagneten 10 angeordnete
elastische Element 15 wird belastet und der Permanentmagnet 10 ist
wiederum zwischen beiden elastischen Elementen 15 in seiner
Neutralposition eingespannt.
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Wird
der Elektromagnet 8 in entgegengesetzter Richtung zum Takt-1
bestromt (Takt-3) und der Strom auf ein Drittel des im Takt-1 zugeführten Nennstroms
reduziert, gleiten die Zapfen 12 am Mittelteil 17 der
Kulisse 13 entlang und erreichen die in der 5d am Ende des Pfeils angedeutete
Position. Ana log zu obiger Ausführung
wird das unmittelbar oberhalb des Permanentmagneten 10 angebrachte elastische
Element 15 gespannt. Die Kraftausübung ist dabei so gering, dass
die Zapfen 12 den Oberteil 16 der Kulisse 13 nicht
erreichen. Wird der Elektromagnet 8 wieder abgeschaltet
(Takt-4), wird das elastische Element 15 entlastet, so
dass die Zapfen 12, wie in 5e mit
dem Pfeil angedeutet, in die Neutralstellung zurückkehren.
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Die 5f zeigt eine in Pfeilrichtung
ausgeführte
Hubbewegung des Permanentmagneten 10 zum Oberteil 16 der
Kulisse 13 bei einer dem Takt-1 entgegen gesetzten Bestromung
des Elektromagneten 8. In diesem Fall bewirkt die Hubbewegung
des Permanentmagneten 10 eine Linksdrehung des auf der
Achse 4 angebrachten Zeigemittels 6. Die Abläufe der
in den 5g bis 5i dargestellten Hubbewegung
entsprechen der Beschreibung der 5c bis 5e mit dem Unterschied, dass
die Umsetzung der Hubbewegung in eine linksdrehende Drehbewegung des
Kulissenrads 11 erfolgt.
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In
den in der vorliegenden Erfindung aufgeführten Ausführungsbeispielen sind jeweils
zwei, den Permanentmagneten 10 einspannende elastische Elemente 15 vorgesehen.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Vielmehr
kann der Permanentmagnet 10 auch mit einem einzelnen, Ober-
oder unterhalb des Permanentmagneten 10 angeordneten elastischen
Element 15 zusammenwirken. Bei dieser Ausführungsform
wird das Kulissenrad 11 über eine entsprechende Bestromung
des Elektromagneten 8 gezielt in eine Neutralstellung zurückgebracht.
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Die
Darstellung der 6 zeigt
ein Zeigerinstrument 101 erfindungsgemäßer Ausführung mit einem um eine Drehachse 105 drehbaren
Zeiger 106, der eine zentrale Abdeckung 107 und
eine anzeigende Zeigerfahne 108 aufweist. Die Zeigerfahne 108 weist
zur Anzeige auf eine kreissegmentförmige Skalierung 109.
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Ein
erfindungsgemäßer inkrementeller
Antrieb 110 mit einer Führungskulisse 111 und
in 6 nicht sichtbaren
Führungselementen
an der Zeigerfahne 108, die gleichzeitig ein erfindungsgemäßes Kulissenelement 130 verkörpert, treibt
die Bewegung des Zeigers 106 in eine Vorschubrichtung 112,
welche parallel zur Umfangsrichtung der Bewegung der Zeigerfahne 108 verläuft, an.
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7 zeigt das Zeigerinstrument 101 der 6 in einem Längsschnitt
quer durch eine Hauptplatine 120 und ein sich parallel
zu der Hauptplatine erstreckendes Zifferblatt 121. Die
Hauptplatine 120 ist mit SMD-Bauteilen bestückt, und
eine elektromagnetische Spule 122 ist an ihr befestigt
und kontaktiert. Senkrecht zu der Hauptplatine 120 und
dem Zifferblatt 121 verläuft die Drehachse 105 des
Zeigers 106. An der Zeigerfahne 108 erstrecken
sich in Richtung des Zifferblattes 121 zwei Führungselemente 123, 124,
welche mit der in 6 dargestellten
Führungskulisse 111 zusammenwirken.
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8 zeigt die Arbeitsweise
der Antriebsanordnung 125 des in den 6 und 7 dargestellten Zeigerinstrumentes 101.
Zur Bewegung des Zeigers 106 mittels des erfindungsgemäßen inkrementellen Kulissenantriebes
ist eine radial zur Drehachse 105 orientierte Bewegung
des gleichzeitig als Kulissenelement 130 ausgebildeten
Zeigers 125 erforderlich, damit die in 8 nicht dargestellten Führungselemente 123, 124 in
der ebenfalls in 8 nicht
dargestellten Führungskulisse 111 für eine Bewegung
des Zeigers in oder entgegen der Vorschub richtung 112 sorgen.
Hierzu ist der drehbare Zeiger 108 zusätzlich beschränkt, auf
einen translatorischen Freiheitsgrad in Richtung einer radial orientierten
Antriebskraft 131 verschieblich gelagert. Je nach Richtung
des Vorschubs ist die Antriebskraft 131 positiv oder negativ. Die
dargestellte Antriebsanordnung 125 umfasst das Kulissenelement 130,
die Spule 122 und ein verschwenkbar gelagertes Übertragungselement 132. Das
verschwenkbar gelagerte Übertragungselement 132 ist
zwischen einer ersten Position, einer neutralen Position und einer
zweiten Position um eine Schwenkachse 133 senkrecht zur
Drehachse 105 gelagert. Bestandteil des Übertragungselementes 132 ist
ein Permanentmagnet 135 in Stabform. Solange die Spule 122 keine
Ansteuerung erfährt,
bewirkt ein nicht dargestelltes elastisches Element, dass sich das Übertragungselement 132 in
einer neutralen Position 136 zwischen der ersten Position 137 und
der zweiten Position 138 befindet. Bei einer Beaufschlagung
der Spule 122 mit einer Spannung einer ersten Polarität wechselt
das Übertragungselement 132 aus
der neutralen Position 136 in eine erste Position 137,
da der Permanentmagnet 135 auf Grund seiner Polarität von der
magnetisierten Spule 122 angezogen beziehungsweise abgestoßen wird. Nicht
dargestellte Mitnehmerelemente an dem als Kulissenelement 130 ausgebildeten
Zeiger 106 bewirken eine Bewegung des Kulissenelementes 130 aus
einer neutralen Stellung 140 in eine erste Stellung 141 auf
Grund der vorbeschriebenen Bewegung des Übertragungselementes 132.
In kinematischer Umkehr bewirkt eine Umkehrung der Polarität der Betriebsspannung
der Spule 122 eine Bewegung des Kulissenelementes 130 beziehungsweise
Zeigers 106 in eine zweite Stellung 142.
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Die
Darstellungen der 9a–c zeigen
das Zusammenwirken eines ersten Führungselementes 123 und
eines zweiten Führungselementes 124 mit der
Führungskulisse 111 im
Rahmen der Bewegung des inkrementellen Antriebes 110 in
Vorschubrichtung 112. Die 9d–f zeigen
entsprechende Darstellungen für
eine Bewegung entgegen der Vorschubrichtung 112. In allen
Darstellungen ist die Radialrichtung mit 150 beziffert.
Die Führungskulisse 111 besteht
aus in Vorschubrichtung 112 jeweils abwechselnd angeordneten
ersten Gleitführungen 151 und
zweite Gleitführungen 152,
an denen in den verschiedenen Bewegungsphasen des Antriebs 110 die zylindrisch
ausgebildeten Führungselemente 123, 124 an
Gleitführungen
entlang gleiten. Für
eine Bewegung in Vorschubrichtung bewegt sich das nicht dargestellte
Kulissenelement 130 mit den beiden Führungselementen 123, 124 zunächst entgegen
der Radialrichtung 150 und wirkt mit der Gleitführung 152 in
der Weise zusammen, dass sich das Kulissenelement 130 in
Vorschubrichtung 112 bewegt. Eine anschließende Bewegung
des Kulissenelementes 130 in Radialrichtung 150 bewirkt
ein Anliegen an einer zweiten Gleitführung 152, was der
Bewegung weiteren Vorschub leistet. Die Anzahl der Bewegungszyklen
bestimmt die Länge
des in Vorschubrichtung 112 zurückgelegten Weges des Kulissenelementes 130. Diese
Bewegungssequenz ist in den 9a–c dargestellt.
Beginnt der Bewegungszyklus mit einer Bewegung des Kulissenelementes 130 in
Radialrichtung 150, erfährt
selbiges einen Vorschub entgegen der Vorschubrichtung 112,
wie in den 9d–f dargestellt.
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Der
vorgeschlagene Antrieb kann insbesondere Verwendung in analogen
Zeigerinstrumenten finden, deren Anzeige im Betrieb über lange
Zeiten eine statische Zeigerposition annimmt. Aufgrund seiner kompakten
Bauweise benötigt
er einen geringen Bauraum und kann für Anzeigen mit geringer Dynamik,
die keine hohen Anforderungen an die Auflösung der Analogwert-Anzeige
stellen, zum Einsatz kommen.
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- 4
- Achse
- 101
- Zeigerinstrument
- 105
- Drehachse
- 106
- Zeiger
- 107
- Abdeckung
- 108
- Zeigefahne
- 109
- Skalierung
- 110
- Inkrementeller
Antrieb
- 111
- Führungskulisse
- 112
- Vorschubrichtung
- 120
- Hauptplatine
- 121
- Zifferblatt
- 122
- Spule
- 123,124
- Führungselement
- 125
- Antriebsanordnung
- 130
- Kulissenelement
- 131
- Antriebskraft
- 132
- Übertragungselement
- 133
- Schwenkachse
- 135
- Permanentmagneten
- 136
- neutralen
Position
- 137
- ersten
Position
- 138
- zweiten
Position
- 140
- neutralen
Stellung
- 141
- erste
Stellung
- 142
- zweite
Stellung
- 150
- Radialrichtung
- 151
- erste
Gleitführung
- 152
- zweite
Gleitführung