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Die
Erfindung betrifft einen magnetischen oder induktiven Sensor zur Erfassung
einer Kolbenposition gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, sowie die Verwendung eines solchen Sensors.
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Derartige
Sensoren werden häufig an einem Gehäuse eines
Arbeitszylinders angeordnet und haben sich zur genauen Positionsbestimmung
durch berührungsloses Erfassen der Stellung von z. B. Pneumatik-
oder Hydraulikkolben innerhalb des Arbeitszylinders bewährt.
Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 008 157 A1 bekannt. Dieser
bekannte Sensor kann zwei bestimmte Kolbenpositionen erfassen. Einfachere
Sensoren erfassen jeweils nur eine Kolbenposition.
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Die
elektrische Versorgung des Sensors sowie die Übertragung
des Schaltsignals erfolgt über eine elektrische Leitung.
Die Verlegung der Anschlussleitungen ist sehr material- und zeitaufwändig,
da die Sensoren typischerweise in Industrierobotern eingesetzt werden
und an einem einzigen Roboter bereits eine Vielzahl solcher Sensoren
eingesetzt werden müssen. Kabelbäume mit 20 bis
30 Leitungen kommen häufig vor. Die Leitungen werden dann über
Schleppketten an den beweglichen Teilen geführt. Leitungsbrüche
sind die häufigste Ausfallursachen bei diesen Sensoren
(ca. 80% der Ausfälle). Auch die Anbindung zwischen Sensorgehäuse
und Anschlusskabel stellt im Bezug zur Dichtheit ebenfalls einen
Schwachpunkt dar.
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Es
gibt von einigen Herstellern Demonstratoren bzw. Pilotanlagen, in
denen drahtlose Sensoren betrieben werden. So bietet ABB drahtlose
Sensoren an, deren Energieversorgung über riesige Leiterschleifen
induktiv eingekoppelt wird, wobei die Leiterschleifen die gesamte
Roboterzelle umspannen. Derartige Leiterschleifen sind sehr platz-,
montage- und kostenaufwändig und die eingestrahlte Energie
ist sehr hoch.
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Weiter
sind batteriebetriebene Funksensoren bekannt, die über
die bekannten Nachteile verfügen wie begrenzte Lebensdauer
und somit erhöhte Wartungskosten und keine ausreichende
Anlagenverfügbarkeit. Bei der Vielzahl der an einem Industrieroboter
notwendigen Sensoren ist dies nicht realisierbar.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung einen verbesserten magnetischen
oder induktiven Sensor zur Erfassung einer Kolbenposition von außerhalb
eines Arbeitszylinders bereitzustellen, der kabellos arbeiten kann
und dabei einfach, kompakt und kostengünstig aufgebaut
ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Der
erfindungsgemäße magnetische oder induktive Sensor
weist eine Auswerteeinheit zur Erfassung einer Kolbenposition entlang
eines Hubwegs eines Kolbens auf, wobei der Kolben einen als Dauermagneten
ausgebildeten Kolbenmagneten trägt, dessen Position von
der Auswerteeinheit erfassbar ist und wobei die Auswerteeinheit
ein der Kolbenposition repräsentierendes Signal abgeben
kann. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Energieversorgung
der Auswerteeinheit eine Energieversorgungseinheit vorgesehen ist,
die wenigstens ein Piezoelement und wenigstens einen Energiewandlermagneten
aufweist, der bei Bewegung des Kolbens auf das Piezoelement wirkt
und dass das Signal drahtlos von dem Sensor an eine übergeordnete Steuerung übertragbar
ist.
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Bei
einer Bewegung des Kolbens wird über den Kolbenmagneten
und durch die magnetische Kopplung eine Kraft auf den Energiewandlermagneten
ausgeübt. Diese Kraft wird dann auf das Piezoelement übertragen
und in an sich bekannter Weise am Piezoelement eine elektrische
Spannung erzeugt. Die so erzeugte Energie kann genutzt werden, um
den Sensor zu betreiben, das heißt die Kolbenposition zu
erfassen und ein die Kolbenposition repräsentierendes Signal
an einen Empfänger einer übergeordneten Steuerung
zu übertragen.
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Aufgrund
der sensoreigenen, autarken Energieversorgung ist für den
Betrieb des Sensors weder eine Batterie noch eine Anschlussleitung
notwendig. Das reduziert nicht nur den Montage- und Installationsaufwand
erheblich, sondern es sind weder Schleppketten noch Kabelkanäle
erforderlich. Durch den somit möglichen Verzicht auf sämtliche
Kabel für den erfindungsgemäßen Sensor
wird die Verfügbarkeit der Anlage, in der die Sensoren
eingesetzt werden, erheblich erhöht und Stillstandszeiten
der Anlage reduziert, da ein Ausfall durch Leitungsbrüche nicht
mehr auftreten kann. Daneben sind neue Anwendungen mit frei bewegbaren,
also ungebundenen Magnetsensoren möglich.
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Des
Weiteren ist eine völlige Kapselung des Sensors möglich,
was insbesondere in Anlagen für die Lebensmittelindustrie,
bei der aggressive Reinigungsmittel eingesetzt werden oder auch
in Anwendungen mit Explosionsschutzbedingungen vorteilhaft ist.
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Einen
weiteren Vorteil stellt der mit der Kabelfreiheit einhergehende
einfache Austausch von Sensoren dar.
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Eine
Spannungserzeugung am Piezoelement findet statt, wenn auf das Piezoelement
eine Druckkraft oder eine Zugkraft wirkt. Die Verformung des Piezoelementes
spielt sich im μm-Bereich ab und ist daher vernachlässigbar.
Damit kann der Sensor ohne bewegte Teile ausgebildet werden, wodurch keinerlei
mechanische Abnutzung auftritt. Die erzeugte Energie ist außerdem
weitestgehend unabhängig von der Geschwindigkeit des Kolbenmagneten
und damit weitestgehend unabhängig von der Geschwindigkeit,
mit der sich der Kolben im Arbeitszylinder bewegt. Daraus ergibt sich
auch eine hohe Lebensdauer, und kompakte Bauformen sind realisierbar.
Das eröffnet die Möglichkeit, den erfindungsgemäßen
Sensor in bekannter Weise (wie beispielsweise in
DE 196 43 413 A1 oder
DE 196 53 222 A1 beschrieben)
in vorhandene Befestigungsnuten an einem Arbeitszylinder zu platzieren.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist die Wirkrichtung des Energiewandlermagneten
senkrecht zum Hubweg. Der Energiewandlermagnet wird dann beim Vorbeifahren
des Kolbenmagnets in einer Phase zum Kolbenmagneten hingezogen und
in einer anderen Phase vom Kolbenmagneten abgestoßen, so dass
beide Vorgänge zur Energieerzeugung genutzt werden können.
Vorteilhafterweise ist die magnetische Ausrichtung des Energiewandlermagneten
dabei senkrecht zum Hubweg. Zu bemerken ist, dass die Energieerzeugung
unabhängig ist von der Polrichtung des Kolbenmagneten und
des Energiewandlermagneten, wobei vorteilhafterweise die magnetische
Ausrichtung des Kolbenmagneten in Richtung des Hubwegs liegt.
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Auch
der Energiewandlermagnet ist bevorzugt ein Dauermagnet.
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In
einer konstruktiv einfachen Variante übt der Energiewandlermagnet
bei Bewegung des Kolbens Druck auf das Piezoelement aus. Dieser
kann vorteilhafterweise erhöht werden, indem der Energiewandlermagnet
den Druck über einen Hebel auf das Piezoelement ausübt.
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Eine
Erhöhung des Drucks kann auch dadurch erreicht werden,
dass der Energiewandlermagnet linear beweglich gelagert ist und
bei Bewegung des Kolbenmagneten der Energiewandlermagnet entlang
seiner Lagerung verschoben wird und das Piezoelement einen Anschlag
bildet. Beim Anschlag des Energiewandlermagneten wirkt zusätzlich
das Trägheitsmoment des Energiewandlermagneten auf das
Piezoelement, was einen erheblichen Spannungsimpuls im Piezoelement
induzieren kann, da in der Regel die Kolben an Arbeitszylindern
von Industrierobotern und dergleichen sich sehr schnell bewegen
und der Energiewandlermagnet, insbesondere wenn seine Polrichtung
senkrecht zum Kolbenmagneten liegt und er in bzw. gegen die Polrichtung
linear verschiebbar ist, sich sehr abrupt bewegt und entsprechend stark
an das Piezoelement anschlägt, was eine entsprechend hohe
Spannung induziert.
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Alternativ
könnte der Energiewandlermagnet bei Bewegung des Kolbens
eine Biegekraft auf das Piezoelement ausüben, um eine elektrische
Spannung am Piezoelement zu erzeugen.
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Mit
besonderem Vorteil können mehrere Piezoelemente und/oder
Energiewandlermagnete vorgesehen sein, um die Energieausbeute zu
erhöhen. So könnte beispielsweise ein Energiewandlermagnet sandwichartig
zwischen zwei Piezoelementen angeordnet sein, so dass bei Vorbeibewegen
des Kolbenmagneten in einer Phase der Bewegung des Kolbens eine
Kraft auf das eine Piezoelement und in einer weiteren Phase der
Kolbenbewegung eine Kraft in die andere Richtung auf das andere
Piezoelement ausgeübt wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann die Wirkung des Energiewandlermagneten
auf das Piezoelement als Auslöser für das Signal
genutzt werden.
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Wenn
der Sensor ein hermetisch dichtes Gehäuse aufweist, ist
er mit besonderem Vorteil in Arbeitsbereichen einsetzbar, in denen
aggressive oder gefährliche Medien zur Anwendung gelangen,
beispielsweise im Lebensmittelbereich, wo zu Reinigungszwecken aggressive
Reinigungsmittel verwendet werden oder in Applikationen, in denen
explosive Medien eingesetzt werden.
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Mit
besonderem Vorteil ist der erfindungsgemäße Sensor
zur Kolbenlagenbestimmung an einem Pneumatik- oder Hydraulikzylinder
einsetzbar. Dabei könnte der Sensor vollständig
in den Pneumatik- oder Hydraulikzylinder integriert sein, was die
Handhabung und Reinigung eines solchen Zylinders erheblich erleichtert.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Sensors an einem Arbeitszylinder;
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2 eine
schematische Darstellung eines Teils einer Energieversorgungseinheit
des erfindungsgemäßen Sensors an einem Arbeitszylinder;
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3 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
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4 und 5 schematische
Darstellungen weiterer Ausführungsformen.
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Ein
in
1 dargestellter Arbeitszylinder
10, der
ein Pneumatikzylinder eines nicht dargestellten Industrieroboters
sein kann, enthält einen Kolben
12, der mittels
einer Kolbenstange
14 in dem Arbeitszylinder
10 in
Längsrichtung des Zylinders (Pfeil
16) innerhalb
seiner beiden Endstellungen bewegbar ist. Die Kolbenposition ist
mittels eines magnetischen oder induktiven Sensors
20 ermittelbar,
wobei der Kolben
12 einen als Dauermagneten ausgebildeten Kolbenmagneten
22 trägt,
dessen Position der Sensor
20 erfassen kann. Ein derartiger
Sensor
20 ist beispielsweise beschrieben in der
DE 10 2004 046 107
A1 .
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Der
Sensor 20 ist in der Zeichnung (1) nur schematisch
dargestellt und enthält ein induktives oder magnetisches
Sensorelement 24, das auf das Magnetfeld des Kolbenmagneten 22 reagiert, eine
Auswerteeinheit 26, die bevorzugt in einem Mikrocontroller
realisiert ist und in der die Signale des Sensorelementes 24 weiterverarbeitet
werden, sowie gegebenenfalls notwendige Speicher. Der Sensor 20 ist
an dem Arbeitszylinder 10 derart positioniert, dass er
die gewünschte Kolbenposition über das Sensorelement 24 erfassen
kann oder er ist dazu ausgebildet, elektronisch auf bestimmte Kolbenpositionen
eingestellt werden zu können.
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Erfindungsgemäß weist
der Sensor 20 eine Energieversorgungseinheit 28 auf,
die dazu geeignet ist, den Sensor 20 mit elektrischer Energie
zu versorgen und die weiter unten näher erläutert
wird. Des Weiteren weist der Sensor 20 eine Übertra gungseinheit 30 auf,
mittels derer Signale des Sensors 20, die unter anderem
die Kolbenposition anzeigen, an eine übergeordnete Steuerung
drahtlos übertragbar sind.
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In 2 sind
neben dem Arbeitszylinder 10 die wesentlichen Elemente
der Energieversorgungseinheit 28 schematisch dargestellt.
In diesem ersten Ausführungsbeispiel weist die Energieversorgungseinheit 28 einen
als Dauermagneten ausgebildeten Energiewandlermagneten 32 auf,
der sandwichartig zwischen zwei Piezoelementen 34 und 36 angeordnet
ist, beispielsweise mit diesen verklebt sein kann. Bei Bewegung
des Kolbens 12 wird der Kolbenmagnet 22 an dem
Energiewandlermagneten 32 vorbeigeführt, so dass
dieser in verschiedenen Phasen der Bewegung in Richtung des Doppelpfeiles 38 senkrecht
zur Hubbewegung des Kolbens eine Kraft erfährt, wie dies
weiter unten näher erläutert wird. Dadurch übt
der Energiewandlermagnet 32 in den verschiedenen Phasen
Druckkräfte – und wenn die Piezoelemente 34 und 36 und
der Energiewandlermagnet 32 miteinander verklebt sind auch
Zugkräfte – auf das Piezoelement 34 und
das Piezoelement 36 aus. Dadurch werden in den Piezoelementen 34 und 36 Spannungen
induziert, die über geeignete und nur schematisch dargestellte
Leitungen 40 und 42 einer Energieversorgungselektronik 44 zugeführt
werden, um letztendlich den Sensor 20 mit elektrischer
Energie versorgen zu können.
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Bevorzugt
liegt die magnetische Ausrichtung des Kolbenmagneten 22 in
Richtung des Hubweges, also in Richtung des Pfeils 16 und
die magnetische Ausrichtung des Energiewandlermagneten 32 senkrecht
zum Hubweg. Bewegt sich nun der Kolben 12 mit seinem Kolbenmagneten 22 aus
der in 2 dargestellten Ausgangsstellung nach rechts,
wird der Nordpol des Energiewandlermagneten 32 zunächst vom
Südpol des Kolbenmagneten 22 angezogen, so dass
in dieser Phase über den Energiewandlermagneten 32 eine
Druckkraft auf das Piezoelement 36 ausgeübt wird
und dieses eine elektrische Spannung an die Energieversorgungselektronik 44 liefern
kann. Bei weiterer Bewegung des Kolbens 12 nähert
sich der Nordpol des Kolbenmagneten 22 dem Nordpol des
Energiewandlermagneten 32 an, und die bis dahin anziehende
Kraft zwischen den beiden Magneten wandelt sich in eine abstoßende
Kraft, so dass in dieser Phase der Bewegung der Energiewand lermagnet 32 in
der Darstellung der 2 eine Kraft nach oben auf das
Piezoelement 34 ausüben wird. Dadurch wird eine
Spannung in dem Piezoelement 34 induziert, die wiederum
an die Energieversorgungselektronik 44 abgeführt
wird.
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Prinzipiell
wäre es genauso möglich, dass die Wirkrichtungen
der Magnete parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind.
So könnte beispielsweise der Energiewandlermagnet in Richtung des
Hubweges ausgerichtet sein, also um 90° in die eine oder
andere Richtung verdreht gegenüber der Darstellung in 2.
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Die
elektrische Spannung und damit die Energie, die gewonnen werden
kann, ist dabei unabhängig von der Geschwindigkeit, mit
der sich der Kolben 12 im Arbeitszylinder 10 bewegt,
sondern ist abhängig von der Kraft, die der Energiewandlermagnet 32 auf
die Piezoelemente 34 und 36 ausüben kann. Auch
ist diese Art der Energieerzeugung weitgehend unabhängig
von der Polrichtung des Kolbenmagneten 22 und des Energiewandlermagneten 32.
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In 3 ist
eine alternative Ausführungsform zu der nach 2 dargestellt.
Hier ist der Energiewandlermagnet 32 linear beweglich gelagert,
so dass er sich in Richtung des Doppelpfeiles 38 frei bewegen
kann. Die Lagerung kann beispielsweise dadurch realisiert sein,
dass der Energiewandlermagnet 32 in einem Röhrchen 46,
das länger ist als der Energiewandlermagnet 32,
gehalten ist. Bei Bewegung des Kolbenmagneten 22 reagiert
der Energiewandlermagnet 32 wie oben beschrieben, wobei
er sich jetzt entlang seiner Lagerung in dem Röhrchen 46 in
Richtung 38 bewegen kann und somit nur Druckkräfte
auf das Piezoelement 34 oder 36 ausüben
kann. Dabei bilden die Piezoelemente 34 und 36 jeweils
Anschläge des Verschiebeweges des Energiewandlermagneten 32.
In realen Anwendungen bewegt sich der Kolben 12 relativ
schnell und entsprechend abrupt wird der Energiewandlermagnet 32 von einem
Anschlag (Piezoelement 34 oder 36) zum anderen
Anschlag (Piezoelement 36 oder 34) verschoben,
wobei aufgrund der Trägheit des Energiewandlermagneten 32 eine
starke Erhöhung des Drucks im Moment des Anschlags auf
das betreffende Piezoelement erfolgt. Dadurch wird ein erheblich
erhöhter Spannungsimpuls im Piezoelement induziert. Selbstverständlich
kann auch nur ein Piezoelement an einem Ende des Verschiebeweges
vorgesehen sein. Auch Kombi nationen von Anordnungen der hier separat
aufgeführten Ausführungsformen sind denkbar. So
kann beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel nach 3 der
Verschiebeweg und die Polrichtung des Energiewandlermagneten um
90° gedreht sein, wie oben auch zu 2 ausgeführt.
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Den
weiteren Ausführungsbeispielen, die in den 4 und 5 dargestellt
sind, liegt das gleiche Grundprinzip wie zu dem Ausführungsbeispiel nach 2 erklärt,
zu Grunde, dass nämlich über den Kolbenmagneten 22 auf
den Energiewandlermagneten 32 jeweils eine Kraft ausgeübt
wird, die jetzt aber in anderer Weise in eine mechanische Druckkraft
auf die Piezoelemente umgewandelt wird.
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In
dem Ausführungsbeispiel nach 4 ist der
Energiewandlermagnet 32 an einem Ende eines Hebelarms 50 angeordnet
und das andere Ende des Hebelarms 50 liegt fest an einem
Punkt 52. Nach der Darstellung in 3 sind oberhalb
und unterhalb des Hebelarms 50 die beiden Piezoelemente 34 und 36 angeordnet,
so dass bei Ausübung einer Kraft in Richtung des Doppelpfeiles 38 auf
den Energiewandlermagneten 32 über den Hebelarm 50 entweder
eine Druckkraft auf das Piezoelement 34 bei Kraftausübung
nach oben oder Druck auf das Piezoelement 36 über
den Hebelarm 50 bei Kraftausübung auf den Energiewandlermagneten 32 nach
unten ausgeübt wird. In analoger Weise, wie in dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel
nach 2, wird die über die Druckausübung
auf die Piezoelemente induzierte Spannung der Energieversorgungselektronik 44 zugeführt.
Aufgrund der Hebelwirkung des Hebelarms 50 können
mit dieser Ausführungsform größere Kräfte
auf die Piezoelemente 34 und 36 ausgeübt
und damit höhere Spannungen zur Energieversorgung erzeugt
werden. Auch könnten mehrere Energiewandlermagnete 32 an
dem Hebelarm 50 angeordnet werden zur weiteren Erhöhung
der Kraft auf die Piezoelemente 34 und 36.
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In
dem weiteren in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist lediglich ein Piezoelement 34 vorgesehen, dass an seinem
einen Ende fest eingespannt ist und an dessen anderem Ende 62 der
Energiewandlermagnet 32 angeordnet ist, der zur Kraftvergrößerung
eventuell über einen Hebelarm 64 mit dem Ende 62 verbunden
ist. Wird jetzt bei Vorbeibewegen des Kolbenmagneten 22 eine
Kraft auf den Ener giewandlermagneten 32 wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen
ausgeübt, erfährt das Piezoelement 34 eine
Biegekraft, was wiederum eine elektrische Spannung induziert, die
an die Energieversorgungselektronik 44 abgeführt
wird. In der Zeichnung in 4 ist die
Biegebewegung des Piezoelements 34 durch die gebogene Form
des Doppelpfeiles 38 angedeutet.
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Auch
für die weiteren Ausführungsformen nach 3 und 4 gilt,
dass die elektrische Spannung und damit die Energie, die gewonnen
werden kann, unabhängig von der Kolbengeschwindigkeit und
unabhängig von der Polrichtung des Kolbenmagneten 22 und
des Energiewandlermagneten 32 ist.
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Die
Ausführungsform nach 5 hat den weiteren
Vorteil, dass sie sehr kompakt gebaut werden kann, da der sandwichartige
Aufbau entfällt.
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Da
es in einfachen Anwendungen häufig vorkommt, dass ein Kolbenpositionssignal
nur nach Bewegung eines Kolbens notwendig ist, kann in einer Ausführungsform
der Erfindung das Kolbenpositionssignal ausgelöst werden,
wenn die Energieversorgungseinheit aktiv ist, wenn also eine Wirkung
des Energiewandlermagneten auf das Piezoelement durch die Bewegung
des Kolbens erfolgt. In einem solchen Fall könnte das Sensorelement 24 entfallen und
der Sensor 20 insgesamt noch kostengünstiger ausgestaltet
werden. Allerdings wäre es dann vermutlich notwendig, den
Sensor 20 korrekt an dem Arbeitszylinder zu positionieren,
damit ein Schaltsignal bei der gewünschten Kolbenpositionen
auftritt.
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Da
der erfindungsgemäße Sensor 20 vollständig
kabellos arbeitet, kann ein Gehäuse des Sensors hermetisch
dicht ausgestaltet werden. Er könnte sogar vollständig,
mit Ausnahme einer Antenne, in einen Pneumatik- oder Hydraulikzylinder
integriert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006008157
A1 [0002]
- - DE 19643413 A1 [0013]
- - DE 19653222 A1 [0013]
- - DE 102004046107 A1 [0028]