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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Aktuator, insbesondere
eine motorisierte Gasfeder. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, betrifft
die vorliegende Erfindung eine motorisierte Gasfeder zur Verwendung
bei einer motorisierten Hecktür.
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Bei
Fahrzeugen mit Heckklappe und bei Cabrios wird das Öffnen und
Schließen
der Tür
bzw. des Daches zumindest durch Gasfedern unterstützt. Moderne
Autos sind mit Heckklappen und Stoff- bzw. Faltdächern versehen, die sich automatisch öffnen und
schließen
können.
Bei solchen automatischen Systemen muss man die Stellung eines sich
im Inneren eines Zylinders der Gasfeder bewegenden Kolbens kennen,
um den Kolben zum Öffnen
oder Schließen
der Tür
oder des Daches genau steuern zu können. Im Stand der Technik
ist eine Lösung
bekannt, bei der auf einem hydraulischen Arbeitskolben, der sich
translatorisch bewegt, eine schraubenförmige Magnetisierung vorliegt,
wobei die Magnetisierung erfasst wird, um die Stellung des Kolbens
zu ermitteln.
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Das
automatische Öffnen
und Schließen
von Hecktüren
und Stoff- bzw. Faltdächern
kann mit einer Gasfeder erreicht werden, bei der der Kolben mit
einem Gewinde versehen ist, das in ein entsprechendes Gewinde im
Inneren des Zylinders eingreift, und bei der ein Motor vorgesehen
ist, der den Kolben in Drehung versetzen kann. Die Drehbewegung
des Kolbens führt
zu einer zusätzlichen
Translationsbewegung des Kolbens relativ zu dem Zylinder. Das im Inneren
des Zylinders bereitgestellte Gas wird dadurch auf bekannte Weise
komprimiert und/oder verdrängt.
Das Gewinde hat eine Steigung, die groß genug ist, um eine manuelle
Verschiebung des Kolbens in Bezug auf den Zylinder zu erlauben,
z.B. falls keine Energie für
den Motor zur Verfügung
steht.
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Ein
Problem bei bestehenden Gasfedern besteht darin, dass die absolute
Stellung des Kolbens und/oder der Kolbenstange nicht leicht, genau
und zuverlässig
zu messen ist. Bei einer motorisierten Gasfeder mit einer Kombination
aus einer Dreh- und Translationsbewegung des Kolbens ist dieses
Problem sogar noch gravierender.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Bewusstsein der vorstehenden Probleme
entwickelt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt somit einen Aktuator bereit, der Folgendes
umfasst: eine Kolbenstange mit einer Magnetisierung, einen mit der
Kolbenstange verbundenen Kolben, einen Zylinder, der so ausgeführt ist,
dass er den Kolben in einer Weise aufnimmt, dass sich der Kolben
bei einer Drehung des Kolbens relativ zu dem Zylinder translatorisch
relativ zu dem Zylinder bewegt, und einen Stellungssensor zum Erfassen
der Stellung der Kolbenstange, wobei der Stellungssensor die Magnetisierung
der Kolbenstange erfasst. Dadurch kann die Stellung der Kolbenstange
und/oder des Kolbens leicht erfasst und der Motor des Aktuators
entsprechend gesteuert werden.
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Vorzugsweise
handelt es sich um eine schraubenförmige Magnetisierung mit einer
Steigung, die von der Steigung des Gewindeeingriffs zwischen dem
Kolben und dem Zylinder verschieden ist. Des weiteren ist die Magnetisierung
in derselben Richtung schraubenförmig
wie der Gewindeeingriff zwischen dem Kolben und dem Zylinder. Mehr
bevorzugt ist die Differenz zwischen der Steigung der Magnetisierung
und der Steigung des Gewindeeingriffs zwischen Kolben und Zylinder
1/n; n ist dabei die Zahl der Umdrehungen des Kolbens zwischen einer Stellung,
in der er vollständig
in den Zylinder eingefahren ist, und einer Stellung, in der er vollständig ausgefahren
ist. Wenn sich der Kolben in Bezug auf den Zylinder bewegt, ändert sich
die Richtung der Magnetisierung bei Betrachtung an jedem Punkt,
der in Bezug auf den Zylinder feststehend ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
die beiden Steigungen verschieden sind. Die Orientierung der Magnetisierung
kann durch den Sensor erfasst werden und gibt die Stellung der Kolbenstange
in Längsrichtung
an. Die Richtung der Magnetisierung beschreibt insbesondere einen
Kreis, wenn die Kolbenstange von einer vollständig eingefahrenen Stellung
in eine vollständig
ausgefahrene Stellung, und umgekehrt, verschoben wird. Daher besteht
eine proportionale Beziehung zwischen der Richtung der Orientierung
der Magnetisierung und der Stellung der Kolbenstange und des Kolbens.
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Die
Steigung der Magnetisierungshelix kann auch dergestalt sein, dass
die von dem Magnetisierungssensor festgestellte maximale Verschiebung nur
einen Teil eines Kreises beschreibt. Die Magnetisierung kann entweder
entlang der Länge
der Kolbenstange oder lokal an einem Punkt induziert werden. Auf
diese Weise kann der Sensor entweder viele Stellungen der Kolbenstange
oder nur eine Stellung der Kolbenstange erfassen. Wenn nur eine
Stellung erfasst werden muss, wird dies dadurch erreicht, dass nur
der Bereich der Kolbenstange magnetisiert wird, wo die Stellungsinformation
erforderlich ist.
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Der
Sensor kann ein proportionaler oder ein nicht-proportionaler Hall-Effekt-Sensor sein. Ein
normaler Hall-Effekt-Sensor kann zusammen mit einer magnetischen
Vorrichtung verwendet werden, um das Magnetfeld zu transportieren.
Alternativ sind ein paar analoge Hall-Effekt-Zellen ungefähr im 90°-Winkel zueinander
in einer zu der Stange orthogonalen Ebene angeordnet. Dadurch kann
der tatsächliche Winkel
durch Überwachung
der Sinus- und Kosinus-Werte berechnet werden.
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Das
Drehmoment zum Drehen kann durch jedes geeignete Antriebsmittel,
zum Beispiel einen Elektromotor oder eine Motoruntersetzung, auf
die Kolbenstange aufgebracht werden.
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Vorzugsweise
wird ein Gasvolumen im Inneren des Zylinders bereitgestellt, wobei
der Kolben auf das Gasvolumen wirkt, um den Druck des darin befindlichen
Gases zu ändern,
wenn er in dem Zylinder verschoben wird. Mit dem Gasvolumen werden
die Vorteile einer Gasfeder realisiert, indem es die Verschiebung
des Kolbens in dem Zylinder zum Ausfahren, d.h. zum Öffnen einer
Heckklappe, unterstützt, wodurch
das Ausmaß der
Motorunterstützung
reduziert wird.
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Die
motorisierte Gasfeder kann in jedem System implementiert werden,
das einen angetriebenen Aktuator erfordert, zum Beispiel bei einer
Hecktür
für ein
Fahrzeug oder bei einem Stoff- oder Faltdach für ein Cabrio.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und aus den beigefügten Zeichnungen;
darin zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines vorderen Endes eines Aktuators mit
einem Stellungssensor gemäß der Erfindung;
und
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2 eine
schematische Ansicht der Vorderseite des Zylinders des Aktuators
mit einem daran befestigten Sensor.
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Die
Erfindung wird nun anhand von 1 und 2 beschrieben. 1 zeigt
einen Aktuator, der hier als Gasfeder ausgebildet ist. Es versteht sich,
dass der Aktuator auch ohne Druckgas funktioniert.
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Die
Gasfeder hat eine lang gestreckte Kolbenstange 11 und einen
Zylinder 12. Die Kolbenstange 11 ist an einem
Ende mit einem Kolben 13 versehen, der in den Zylinder 12 passt,
und die Kolbenstange 11 wird in dem Zylinder 12 durch
die Öffnung 14 aufgenommen.
Der Kolben 13 hat außen
ein Schraubengewinde 15, das in ein auf der Innenseite des
Zylinders 12 vorgesehenes Innengewinde 16 eingreift.
Die Gewinde 15 und 16 sind reversibel; d.h. der
Kolben 13 kann sich in beide Richtungen entlang der Länge der
Innenseite des Zylinders 12 bewegen, wenn die Stange relativ
zu dem Zylinder gedreht wird und wenn die Stange und der Zylinder
translatorisch aufeinander zu gedrückt werden. Der Zylinder 12 definiert
einen mit einem komprimierbaren Fluid, zum Beispiel Druckgas, gefüllten Hohlraum.
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Die
Kolbenstange 11 ist mit einer Magnetisierung versehen.
Die Magnetisierung verläuft
auf einem spiralförmigen
Weg um die Kolbenstange herum. In 1 ist die
Magnetisierung als punktierte Linie M angedeutet, die die Lage des
Nordpols der Magnetisierung angibt.
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Ein
Magnetfeldsensor 19 ist auf dem Zylinder 12 gleich über der Öffnung 14 auf
der jeweiligen Stirnfläche
des Zylinders vorgesehen.
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Zu
der Gasfeder gehört
ein Elektromotor (nicht dargestellt), der dazu ausgelegt ist, den
Kolben 13 und die Kolbenstange 11 relativ zu dem
Zylinder 12 in Drehung zu versetzen. Aufgrund des Gewindeeingriffs 15, 16 zwischen
dem Zylinder 12 und dem Kolben 13 führt eine
solche Drehung dazu, dass der Kolben und die Kolbenstange entlang
einer mittigen Längsachse
des Zylinders 12 verschoben werden. Weil die Gewinde 15 und 16 reversibel
sind, kann sich der Kolben 13 entweder in Richtung zu oder
weg von der Öffnung 14 relativ
zu dem Zylinder 12 bewegen, so dass sich die Kolbenstange 11 in
und aus dem Zylinder 12 bewegt, und die Gasfeder kann länger oder
kürzer
werden. Ferner erlaubt dies eine manuelle Betätigung des Kolbens, ohne dass
ein Elektromotor vorhanden ist. Wenn der Kolben 13 von
der Öffnung 14 wegbewegt
wird, wird das Fluid in dem durch den Zylinder 12 definierten
Hohlraum weiter komprimiert, und wenn der Kolben 13 auf
die Öffnung 14 zu
bewegt wird, wird der Druck des Fluids verringert.
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Um
die geometrischen Einzelheiten des Erfindungskonzepts genauer zu
beschreiben, ist ein virtueller Punkt A am Rand der Öffnung 14,
gleich unter dem Sensor 19 definiert. Würde man die Oberflächenabschnitte
der Kolbenstange, die während
der Verschiebung der Kolbenstange gleich unter dem Punkt A hindurchlaufen,
auf der Kolbenstange markieren, wäre eine spiralförmige Linie
H zu sehen, wobei die Steigung der Helix mit der Steigung der Gewinde 15, 16 identisch
ist. Die in der Kolbenstange 11 induzierte Magnetisierung
M definiert eine Helix mit einer Steigung, die hier jedoch von der
Steigung der Helix H etwas verschieden ist. Insbesondere ist die Steigung
der Magnetisierung um 1/n größer als
die Steigung der Helix H, wobei n die Zahl der Umdrehungen der Kolbenstange
zwischen einer vollständig eingefahrenen
und einer vollständig
ausgefahrenen Stellung ist. Wenn die Kolbenstange 11 relativ
zu dem Zylinder 12 angetrieben wird, ändert sich die Orientierung
der Magnetisierung am Ort des Sensors 19. In der in 1 gezeigten
Stellung der Kolbenstange ist der Nordpol der Magnetisierung zum
Sensor 19 ausgerichtet. Wenn der Kolben nun in den Zylinder
eingefahren wird, d.h. in 1 nach links
bewegt wird, bewegt sich der vom Sensor 19 "gesehene" Nordpol nach rechts
bzw. dreht sich bei Betrachtung von 1 im Uhrzeigersinn.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass
die Steigung der spiralförmigen Magnetisierung
M etwas größer ist
als die Steigung der spiralförmigen
Linie H. Nachdem der Kolben den gesamten Hub von einer vollständig ausgefahrenen in
eine vollständig
eingefahrene Stellung ausgeführt hat,
hat sich der Nordpol der Magnetisierung um fast 360° zur Mittellinie
der Kolbenstange "gedreht". Diese Änderung
in der Orientierung der Magnetisierung wird von dem Sensor 19 erfasst,
so dass die Stellung der Kolbenstange und folglich des Kolbens ermittelt werden
kann. In der Praxis wird eine Änderung
der Orientierung in der Größenordnung
von 300° herangezogen,
um genau zu sein und eine Verwechslung zwischen der vollständig eingefahrenen
und der vollständig
ausgefahrenen Stellung zu vermeiden.
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Dies
ist in 2 näher
dargestellt. Die Nadel des Magnetfeldsensors 19 erfasst
die Verschiebung der Magnetisierung M in Bezug auf den Punkt A als Auslenkung.
Der Sensor 19 kann dann kalibriert werden, so dass die
Auslenkung der Nadel bei jeder Stellung der Kolbenstange bekannt
ist. Daher können
die absolute Lage jedes Punkts auf der Kolbenstange 11 und
somit der Grad des Ausfahrens des Kolbens ermittelt werden.
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Wenngleich
die vorliegende Erfindung oben anhand einer speziellen Ausführungsform
beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt,
und dem Fachmann werden zweifellos Alternativen in den Sinn kommen,
die im Rahmen der Ansprüche
liegen.
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Zum
Beispiel kann die Magnetisierung M in einem örtlich begrenzten Bereich vorgesehen
sein, so dass eine einzige Position auf der Kolbenstange ermittelt
werden kann, oder die gesamte Länge
der Kolbenstange kann magnetisiert sein, so dass Positionen auf
der gesamten Länge
der Kolbenstange ermittelt werden können.
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Alternativ
kann die Kolbenstange feststehend sein und der Zylinder kann sich
drehen. In diesem Fall befindet sich der Sensor am besten in dem Kolben,
und die Magnetisierung befindet sich in dem Zylinder. In der Tat
macht es keinen Unterschied, welches Teil gedreht wird, der Kolben
oder der Zylinder. Den Zylinder zu drehen, während die Stange festgehalten
wird, wird Vorteile bei der Produktion bieten. Der Kolben und die
Kolbenstange müssen
aus qualitativ hochwertigem Stahl hergestellt werden, der im Allgemeinen
schwer zu magnetisieren ist. Der Zylinder wird jedoch aus normalem
Stahl hergestellt, der leicht zu magnetisieren ist.
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Als
weitere Alternative ist es möglich,
eine variable Steigung der Magnetisierung zu verwenden. Dadurch
kann pro linearem Wert ein bedeutend größerer Winkel an Stellen zugewiesen
werden, wo dies erforderlich ist. Die Steuerung motorbetriebener Öffnungen
erfordert zum Beispiel oft eine größere Genauigkeit bei der Überwachung
der Stellung in der Nähe
des geschlossenen Endes des Weges, um Steigung zu verhindern. In
der Nähe
der Stellung, in der die Stange ganz in den Zylinder hineingeschoben wird,
wird die Steigung der spiralförmigen
Magnetisierung kleiner gemacht, so dass der letzte Abschnitt des
Einfahrens der Gasfeder einem relativ großen messbaren Winkel für den Sensor
entspricht. Dies lässt
einen auch genauer wissen, wann die Öffnung mit ihren Dichtungen
in Kontakt kommt, und der Einklemmschutz kann zu einem späteren Zeitpunkt
vor diesem Kontakt abgeschaltet werden.