DE102008022090A1

DE102008022090A1 - Spindelpositionsgeber

Info

Publication number: DE102008022090A1
Application number: DE102008022090A
Authority: DE
Inventors: Manfred Arnold
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2008-05-05
Filing date: 2008-05-05
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Zur Bestimmung der Lage der Gewindespindel eines elektrischen Linearantriebs werden mittels ortsfester Sensoreinrichtungen entlang des Verstellwegs der Gewindespindel die Durchgänge der Gewindespitzen detektiert. Die Sensoreinrichtungen können insbesondere induktive, kapazitive, optische und Hall-Sensoren umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Linearantriebe, bei denen die Drehbewegung des Rotors über ein Gewinde in eine translatorische Bewegung einer Gewindespindel übersetzt wird. Eine solche Gewindespindel besteht aus einem zylinderförmigen Rundstab, auf dessen Außenseite eine profilierte Einkerbung in Form einer Wendel umläuft.
Solche elektrischen Linearantriebe finden beispielsweise in der Fahrzeugtechnik zum Anpassen der Leuchtrichtung eines Frontscheinwerfers an die Kurvenrichtung (so genanntes dynamisches Kurvenlicht) Verwendung.
Zur Bestimmung der Linearposition der Gewindespindel eines solchen Linearantriebs entlang ihres Verstellwegs finden sowohl Winkelpositionsgeber als auch lineare Positionsmessgeräte Verwendung. Eine Übersicht der geläufigen Typen gibt beispielsweise die DE 691 22 297 T2 .
Winkelmessgeber, beispielsweise Resolver, wandeln die relative Winkellage zwischen Rotor und Stator in eine elektrische Messgröße um und gestatten bei Kenntnis des Übersetzungsverhältnisses des Spindelantriebs, der Gewindesteigung und der Anfangsposition der Spindel eine Bestimmung der momentanen Spindelposition entlang ihres Verstellwegs.
Ein Nachteil solcher Winkelmessgeber liegt darin, dass die zugehörigen Sensoreinrichtungen direkt am Stator bzw. Rotor angebracht werden müssen und dort wertvollen Bauraum beanspruchen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass ein Winkelmessgeber keine direkte Möglichkeit bietet, die Absolutposition der Gewindespindel zu bestimmen; diese muss indirekt aus der Anfangsposition der Spindel und der Relativbewegung zum Anfangspunkt berechnet werden.
Mit einem linearen Positionsmessgerät, z. B. einem Glasmaßstab, induktivem Längenmessfühler oder einem linear veränderlichen Magneten, lässt sich direkt die Position der Gewindespindel ermitteln. Beispielsweise könnte die Gewindespindel positionsabhängig magnetisiert und ihre Lage nach dem aus der DE 199 28 557 A1 offenbarten Verfahren bestimmt werden. Die Herstellung einer Gewindespindel mit geeignetem räumlichen Verlauf der magnetischen Induktion ist allerdings sehr aufwendig. Andere lineare Positionsmessverfahren machen es gleichfalls notwendig, Sensoreinrichtungen oder zumindest Teile davon direkt an der Gewindespindel anzubringen. Daraus folgt neben einem erhöhten Herstellungsaufwand erneut auch ein unerwünschter Zuwachs an Gewicht und Abmessungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Bestimmung der Lage einer Gewindespindel eines Linearantriebs anzugeben, das bei zufrieden stellender Messpräzision möglichst einfach und Platz sparend ist und die geschilderten Nachteile vermeidet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 15 gelöst, bei denen mittels ortsfester Sensoreinrichtungen entlang des Verstellwegs der Gewindespindel die Durchgänge der Gewindespitzen detektiert werden. Ist die Anfangsposition der Spindel bekannt, ergibt sich aus der Zahl der Durchgänge der Gewindespitzen ein Maß für die momentane Spindelposition.
Indem vorhandene Bauteile des Linearantriebs in das Detektionsverfahren einbezogen und die Gewindespitzen direkt erfasst werden, wird der Bedarf für zusätzliche Sensoreinrichtungen gering gehalten. Auch wird kein wertvoller Bauraum am Stator oder Rotor beansprucht. Darüber hinaus lässt sich auf einfache Weise die Absolutposition der Gewindespindel referenzieren, z. B. durch Aufbringen einer geeigneten Markierung an der Gewindespindel. Je nach der zum Einsatz kommenden Sensoreinrichtung kann eine solche Markierung beispielsweise aus einer Einkerbung oder Bohrung in der Gewindespindel oder aus einer Aussparung im Gewindegang oder aus einer farblichen Markierung oder aus einer reflektierenden Fläche bestehen.
Oft ist nicht nur die Position der Gewindespindel entlang ihres Verstellwegs von Interesse, sondern auch ihre Geschwindigkeit oder Beschleunigung. Aus der relativen zeitlichen Lageänderung lassen sich diese Größen ohne weitere Schwierigkeit durch Bildung von Differenzenquotienten ermitteln.
Bei Ermittlung der Lage an mindestens zwei Positionen entlang des Verstellwegs der Spindel lässt sich außerdem aus der zeitlichen Abfolge der aufgenommenen Signale auf einfache Weise die Bewegungsrichtung der Gewindespindel bestimmen. Dazu werden zwei Sensoreinrichtungen bevorzugt so entlang des Verstellwegs der Spindel positioniert, dass in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung das erste Sensorsignal dem zweiten vorauseilt bzw. nacheilt. Soweit zweckmäßig, können mehrere voneinander unabhängige Sensoreinrichtungen darüber hinaus auch zur Erhöhung der Messgenauigkeit beitragen.
Hinsichtlich der relativen räumlichen Anordnung mehrerer Sensoreinrichtungen entlang des Verstellwegs der Spindel besteht eine große Gestaltungsfreiheit; sie kann sich insbesondere am gewählten Sensortyp sowie am verfügbaren Bauraum orientieren. Die Sensoreinrichtungen können auf jeder Seite der Gewindespindel und unter unterschiedlichen Winkeln zur Gewindekerbe platziert sein.
Wie nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen detailliert beschrieben, können zur Bestimmung der Spindelposition bevorzugt berührungslose Sensoren, wie insbesondere induktive, kapazitive, optische oder Hallsensoren, verwendet werden. Solche berührungslosen Sensoren ermöglichen eine hohe Messpräzision bei geringem Verschleiß. Jedoch sind neben berührungslosen Messgebern auch Messgeber in direktem physischem Kontakt zur Gewindespindel geeignet.
Die Sensoreinrichtungen sind dabei in räumlicher Nähe zur Spindeloberfläche außerhalb des Außendurchmessers der Spindel ortsfest entlang des Verstellwegs angeordnet. Kommen mehrere Sensoreinrichtungen zur Lagebestimmung zum Einsatz, müssen sie nicht zwangsläufig demselben Typ angehören.
Im Folgenden werden einige alternative Detektionsverfahren beschrieben.
Sind die Gewindespitzen magnetisch leitend, lässt sich die Lage der Gewindespindel beispielsweise dadurch bestimmen, dass die Gewindespindel einem konstanten Magnetfeld ausgesetzt wird, wie es beispielsweise von einer mit Gleichstrom durchflossenen Erregerspule erzeugt wird. Abhängig vom räumlichen Abstand zu den Gewindespitzen sowie von Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit der Spindel ändert sich der magnetische Fluss in einem gleichfalls in räumlicher Nähe zur Gewindespindel angeordneten Messkreis. Die im Messkreis induzierte Spannung liefert ein Maß für den Abstand zwischen Spule und Gewindespitzen und damit für die Lage der Gewindespindel. Der Betrag der induzierten Spannung und damit die Nachweisempfindlichkeit des Verfahrens nehmen mit steigender magnetischer Leitfähigkeit der Gewindespitzen zu. Besonders geeignet sind daher Gewindespitzen aus Metallen mit großer Permeabilitätszahl, beispielsweise Weicheisen oder Ferromagnetika.
Dieses Verfahren eignet sich zur Erfassung der Bewegung der Gewindespindel, weil die Gewindespindel nur bei Bewegung eine Spannung im Messkreis induziert.
Um sowohl bei bewegter als auch bei ruhender Spindel eine Lagebestimmung vornehmen zu können, kann eine elektrisch leitende Gewindespindel einem zeitlich veränderlichen magnetischen Feld ausgesetzt werden, wie es beispielsweise von einer mit einer Wechselstromquelle verbundenen Erregerspule erzeugt wird. Es wird dadurch in den leitenden Gewindespitzen ein elektrisches Wirbelfeld induziert, das seinerseits ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses Sekundärfeld induziert in einem Messkreis eine Spannung, die ein Maß für den Abstand zu den Gewindespitzen und somit für die Lage der Spindel darstellt.
In einer modifizierten Ausführung kann statt des Betrags der im Messkreis induzierten Spannung auch die Phasendifferenz zwischen ausgesandtem und empfangenem Signal bestimmt werden. Sie liefert gleichfalls ein Maß für den Abstand zu den Gewindespitzen und damit für die Lage der Spindel.
In einer weiteren Ausführung kann im Falle magnetisch leitender Gewindespitzen die Lage der Spindel auch dadurch bestimmt werden, dass die Gewindespitzen in räumlicher Nähe zu einem mit einer Wechselspannungsquelle verbundenen Resonanzkreis angeordnet werden und in Abhängigkeit von der Lage der Gewindespindel dessen Resonanzfrequenz verstimmen. Die Verstimmung wird bevorzugt als Phasendifferenz aufgenommen und liefert unabhängig vom Bewegungszustand der Spindel ein Maß für den Abstand zwischen Schwingkreis und Gewin despitzen. Abermals sind der Effekt und die Nachweisempfindlichkeit besonders groß bei Gewindespitzen aus Materialien mit hoher Permeabilitätszahl.
Sind die Gewindespitzen magnetisiert, lässt sich in einer weiteren Ausführungsform mittels einer Sensoreinrichtung direkt das von der Lage der Gewindespindel abhängige magnetische Feld bestimmen. Die Magnetisierung wird dabei vorzugsweise erzeugt, indem die ferromagnetischen Gewindespitzen an einer von der Position der Sensoreinrichtung verschiedenen Position entlang des Verstellwegs einem permanenten magnetischen Feld ausgesetzt werden. Auch diese Ausführung hat den Vorteil, dass sich die Lage einer sowohl ruhenden als auch bewegten Spindel feststellen lässt.
Falls die Gewindespitzen elektrisch leitend oder dielektrisch sind, lässt sich in einer weiteren Ausführungsform die Lage der Gewindespindel auch kapazitiv bestimmen. Dabei wird die Gewindespindel einem elektrischen Feld ausgesetzt, das sie abhängig vom räumlichen Abstand zwischen Gewindespitzen und Sensoreinrichtung beeinflusst. Das resultierende elektrische Feld wird detektiert und liefert ein direktes Maß für die Lage der Spindel. Auch mit dieser Ausführungsform kann die Lage einer sowohl ruhenden als auch bewegten Spindel detektiert werden.
Die Sensoreinrichtungen der bisher beschriebenen Ausführungen sind sämtlich robust und unempfindlich gegenüber Stößen und Verschmutzungen. Sie eignen sich daher insbesondere für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik.
Neben den beschriebenen Sensoreinrichtungen können jedoch zur Lagebestimmung der Gewindespindel auch optische Sensoren eingesetzt werden, die sich durch hohe Präzision und geringen Raumbedarf auszeichnen.
Ist beispielsweise die Oberfläche der Gewindespindel lichtreflektierend und wird sie mit Lichtsignalen bestrahlt, lässt sich aus der Laufzeit oder aus der Phasendifferenz der reflektier ten Lichtsignale direkt auf den Abstand zwischen Sensoreinrichtung und Gewindespindel schließen und daraus die Lage der Gewindespindel bestimmen.
In einer verwandten Ausführung kann anstelle der Laufzeit- oder Phasendifferenz auch die Winkeldifferenz zwischen ausgesandtem und empfangenem Licht detektiert und daraus die Lage der Gewindespindel ermittelt werden.
Die Durchgänge der Gewindespitzen können auch mittels einer oder mehrerer Lichtschranken bestimmt werden. Zur Erhöhung der Messauflösung kann es wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen vorteilhaft sein, die Durchgänge der Gewindespitzen an mehreren Positionen entlang des Verstellwegs der Spindel zu messen, die gegeneinander um jeweils ein nicht ganzzahliges Vielfaches des Abstands zweier Gewindespitzen versetzt sind.
Mit den Sensoreinrichtungen können jeweils elektronische Auswerteeinrichtungen, Einheiten zur Spannungsversorgung und auch Speichereinheiten, die unter anderem die Position oder Geschwindigkeit der Gewindespindel speichern, verbunden sein. Werden mehrere Sensoreinrichtungen eingesetzt, können sie sich Auswerteeinrichtungen, Speichereinheiten und die Spannungsversorgung sowie weitere Komponenten auch teilen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsbestimmung der Lage einer Gewindespindel sowie die zugehörigen erfindungsgemäßen Vorrichtungen lassen sich am Besten anhand der Beschreibung der nachfolgenden Zeichnungen verstehen. Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 den Aufbau eines Linearantriebs mit Gewindespindel und Sensoreinrichtungen;
2a einen Teil einer Gewindespindel in Seitenansicht;
2b eine Gewindespindel in Aufsicht;
3a einen Teil einer Gewindespindel und eine benachbarte Gleichstromsensoreinrichtung in Seitenansicht;
3b eine Gewindespindel und zwei benachbarte Gleichstromsensoreinrichtungen in Aufsicht;
3c das ausgewertete Detektorsignal zweier um eine Vierteldrehung versetzt in der Nähe einer Gewindespindel angeordneter Gleichstromsensoreinrichtungen;
4a einen Teil einer Gewindespindel und eine benachbarte induktive Wirbelstromsensoreinrichtung in Seitenansicht;
4b eine Gewindespindel und zwei benachbarte induktive Wirbelstromsensoreinrichtungen in Aufsicht;
4c das ausgewertete Detektorsignal zweier um eine Vierteldrehung versetzt in der Nähe einer Gewindespindel angeordneter induktiver Wirbelstromsensoreinrichtungen;
5a einen Teil einer Gewindespindel und eine benachbarte Phasensensoreinrichtung in Seitenansicht;
5b eine Gewindespindel und zwei benachbarte Phasensensoreinrichtungen in Aufsicht;
5c das ausgewertete Detektorsignal zweier versetzt in der Nähe einer Gewindespindel angeordneter Phasensensoreinrichtungen;
6a einen Teil einer Gewindespindel und eine benachbarte Resonanzkreis-Sensoreinrichtung in Seitenansicht;
6b eine Gewindespindel und zwei benachbarte Resonanzkreis-Sensoreinrichtungen in Aufsicht;
6c das ausgewertete Detektorsignal zweier um eine Vierteldrehung versetzt in der Nähe einer Gewindespindel angeordneter Resonanzkreis-Sensoreinrichtungen;
7a einen Teil einer Gewindespindel und eine benachbarte Hallsensoreinrichtung in Seitenansicht;
7b eine Gewindespindel und zwei benachbarte Hallsensoreinrichtungen in Aufsicht;
7c das ausgewertete Detektorsignal zweier versetzt in der Nähe einer Gewindespindel angeordneter Hallsensoreinrichtungen;
7d einen Ausschnitt einer Gewindespindel und eine benachbarte Hallsensoreinrichtung mit magnetischer Vorspannung in Seitenansicht;
7e die Hallsensoreinrichtung mit magnetischer Vorspannung und Flusskonzentrator der 7d in perspektivischer Ansicht;
7f einen Ausschnitt einer Gewindespindel und zwei benachbarte Hallsensoreinrichtungen mit gemeinsamer magnetischer Vorspannung in Seitenansicht;
8a einen Teil einer Gewindespindel und eine benachbarte kapazitive Sensoreinrichtung in Seitenansicht;
8b eine Gewindespindel und zwei benachbarte kapazitive Sensoreinrichtungen in Aufsicht;
8c das ausgewertete Detektorsignal zweier um eine Vierteldrehung versetzt in der Nähe einer Gewindespindel angeordneter kapazitiver Sensoreinrichtungen;
9a einen Teil einer Gewindespindel und eine benachbarte Lichtsensoreinrichtung in Seitenansicht;
9b eine Gewindespindel und eine benachbarte Lichtschrankensensoreinrichtung in Seitenansicht;
9c das ausgewertete Detektorsignal zweier versetzt in der Nähe einer Gewindespindel angeordneter Lichtschrankensensoreinrichtungen.
1 zeigt einen Linearantrieb mit einem Gehäuse 20, einem Stator 22, einem Rotor 24 und einer mit dem Rotor 24 über ein Gewinde verbundenen Gewindespindel 26. Die Drehbewegung des Rotors 24 wird über eine Gewindemutter 28 in Form einer Blechscheibe in eine translatorische Bewegung der Gewindespindel 26 übersetzt. Je nach Drehrichtung des Rotors 24 wird die Gewindespindel 26 in der einen oder anderen Richtung entlang eines Verstellwegs verschoben; eine Drehbewegung führt die Gewindespindel dabei nicht aus. Der Linearantrieb ist mit weiteren Einzelheiten in der DE 10 2005 054 912 A beschrieben.
1 zeigt außerdem eine Sensoreinrichtung 30 zur Bestimmung der Position der Gewindespindel 26 entlang ihres Verstellwegs. Die Sensoreinrichtung 30 ist mit dem Gehäuse 20 des Linearantriebs verbunden und derart angeordnet, dass die Gewindespitzen beim Verfahren der Gewindespindel 26 an der Sensoreinrichtung 30 vorbeibewegt werden. Die Funktionsweise unterschiedlicher Sensoreinrichtungen wird im Folgenden detailliert mit Bezug auf die 3 bis 9 erläutert. Mit der Sensoreinrichtung 30 können eine Versorgungsspannungsquelle, eine Ansteuer- und Auswerteeinheit sowie eine Speichereinheit zur Speicherung der Gewindespindelposition verbunden sein; sie sind in 1 nicht gezeigt.
Wie in 2a und 2b illustriert, besteht die Gewindespindel 26 aus einem zylindrischen Rundstab 32, auf dem ein Gewinde 34 in Form einer umlaufenden Schraubenlinie aufgebracht ist. 2a zeigt eine solche Gewindespindel in Seitenansicht, 2b in Aufsicht, wobei der Innenradius mit 36, der Außenradius mit 38 und die Symmetrieachse mit 40 bezeichnet sind. Die Oberfläche der Spindel wird durch das Gewinde abwechselnd in Gewindespitzen 42 und Gewindekerben 44 geteilt. Mit l sei im Folgenden der Abstand zweier aufeinander folgender Gewindespitzen, gemessen parallel zur Symmetrieachse 40 der Spindel, bezeichnet. Der Abstand zweier aufeinander folgender Gewindekerben beträgt dann gleichfalls l. In Abhängigkeit vom gewünschten Verstellweg kann sich das Gewinde 34 über die gesamte Länge oder nur über einen Abschnitt des Rundstabs 32 erstrecken.
Bewegt sich die Gewindespindel 26 auf ihrem Verstellweg, wechseln sich an einem ortsfesten Mess- oder Referenzpunkt entlang dieses Weges Gewindespitzen und Gewindekerben periodisch ab. Unter Kenntnis des Abstands l zweier Gewindespitzen und der Bewegungsrichtung lässt sich daher aus der Anzahl der Durchgänge der Gewindespitzen auf die von der Gewindespindel 26 entlang ihres Verstellwegs zurückgelegte Strecke schließen. Die natürliche Zahl n sei eine Maßzahl für die im bisherigen Verlauf der Messung gegenüber einem Mess- oder Referenzpunkt detektierten Durchgänge der Gewindespitzen. Aus dem Signal der Sensoreinrichtung 30 wird zunächst ein Abstandswert x ∊ [0, 1] errechnet, der die Strecke angibt, welche über die zuletzt erfasste Gewindespitze hinaus entlang des Verstellwegs zurückgelegt wurde. Der aktuelle Abstand e der Gewindespindel von ihrem Mess- oder Referenzpunkt errechnet sich dann als e = n·l + x (1)
Unter Kenntnis der Bewegungsrichtung der Spindel und ihrer Anfangsposition ergibt sich daraus ihre aktuelle Lage. Gilt x = 1, wird die Maßzahl n um eine Einheit inkrementiert.
Sind die Gewindespitzen magnetisch leitend, so lässt sich die Gewindespindelposition nach diesem Verfahren beispielsweise dadurch bestimmen, dass die Gewindespitzen einem konstanten Magnetfeld ausgesetzt werden und eine von der Bewegung der Spindel abhängige magnetische Flussänderung detektiert wird.
Die Sensoreinrichtung umfasst in dieser Ausführungsform vorteilhaft eine Erregerspule und eine Messspule auf einem gemeinsamen Eisenkern. Wie in 3a gezeigt, kann nach Art eines Spartrafos eine Spule 46 gleichzeitig als Erreger- und Messspule dienen, wobei getrennte Anschlüsse für Erregerkreis und Messkreis vorgesehen sind. Der Erregerkreis umfasst eine Gleichspannungsquelle, der Messkreis ein Spannungsmessgerät (nicht gezeigt). Wie in 3a gezeigt, wird diese Sensoreinrichtung ortsfest in räumlicher Nähe zum Verstellweg der Gewindespindel 26 derart positioniert, dass beim Verfahren der Spindel der Abstand zwischen Spule 46 und Gewindespitzen 42 variiert. Die Induktivität der Spule ändert sich dabei entsprechend. Die aus der Bewegung der Spindel resultierende Flussänderung induziert im Messkreis der Spule 46 eine Spannung, die sich in ein direktes Maß für den Abstand zwischen Gewindespindel und Sensor überführen lässt. Daraus ergibt sich der Abstandswert x in Gleichung (1). Kurve 1 in 3c zeigt den zeitlichen Verlauf eines solchen Spannungssignals U_Sense für den Fall einer gleichförmig bewegten Spindel. Die Spannungsmaxima 48 entsprechen dabei einem minimalen Abstand zwischen Spule 46 und Gewindespitze 42, die Spannungsminima 50 einem maximalen Abstand. Sind die Anfangsstellung der Spindel, ihre Be wegungsrichtung und der Abstand zweier benachbarter Gewindespitzen bekannt, lässt sich auf diese Weise nach Gleichung (1) die momentane Position der Spindel ermitteln.
3b zeigt in Aufsicht eine Gewindespindel 26, gekennzeichnet durch ihren Außenradius 38, und zwei um eine Vierteldrehung um die Symmetrieachse 40 der Spindel gegeneinander winkelversetzte ortsfeste Sensoreinrichtungen 52 bzw. 54, die in ihrem Aufbau und in ihrer Funktionsweise der oben beschriebenen Sensoreinrichtung mit Erreger- und Messspule 46 entsprechen. Abhängig von der Bewegungsrichtung der Spindel passiert eine Gewindespitze 42 zunächst die Sensoreinrichtung 52 und dann die Sensoreinrichtung 54 oder umgekehrt. 3c zeigt den zeitlichen Verlauf zweier zugehöriger Messsignale 1 bzw. 2, wobei das Signal 1 dem gleichgeformten Signal 2 vorausläuft. Aus der zeitlichen Abfolge der Messsignale lässt sich auf diese Weise die Bewegungsrichtung der Spindel ermitteln.
Hinsichtlich der relativen Anordnung der beiden Sensoreinrichtungen 52 und 54 besteht eine große Variationsfreiheit; sie wird sich unter anderem auch am vorhandenen Bauraum orientieren. Insbesondere ist es weder erforderlich, dass die Sensoreinrichtungen 52 und 54 den gleichen Abstand von der Gewindespindel aufweisen, noch müssen sie in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 40 der Gewindespindel liegen. Der erfindungsgemäße Effekt ergibt sich unter Ausnutzung der Periodizität des Gewindes in gleicher Weise, wenn die beiden Sensoreinrichtungen parallel zur Symmetrieachse 40 der Spindel um einen Abstand vom Betrag x ≠ n·1/2·l gegeneinander verschoben sind, wobei n eine ganze Zahl und l der Abstand zweier Gewindespitzen ist.
Die Position einer ruhenden oder bewegten Gewindespindel mit elektrisch leitenden Gewindespitzen kann auch dadurch bestimmt werden, dass die Gewindespitzen einem zeitlich veränderten Magnetfeld ausgesetzt werden und Wirbelströme ausbilden, deren magnetisches Feld detektiert wird.
4a zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung mit einer Sensoreinrichtung 56, die eine Erregerspule 62 und eine Messspule 64 auf einem gemeinsamen Eisenkern umfasst. Die Erregerspule 62 ist mit einer Wechselspannungsquelle, die Messspule 64 mit einem Spannungsmessgerät verbunden (nicht gezeigt). Wie in der vorangegangenen Ausführungsform wird die Sensoreinrichtung 56 ortsfest in räumlicher Nähe zum Verstellweg einer Gewindespindel 26 derart positioniert, dass beim Verfahren der Spindel der Abstand zwischen Sensoreinrichtung 56 und Gewindespitzen 42 periodisch variiert. Das von der Erregerspule 62 erzeugte magnetische Wechselfeld des Eisenkerns der Spule wird durch die elektrisch leitenden Gewindespitzen 42 beim Verfahren der Spindel, durch den sich ändernden Abstand zwischen Sensoreinrichtung 56 und Gewindespitzen 42, verändert. Das wechselnde Magnetfeld induziert in der Messspule 64 eine Spannung, die mit Hilfe des Spannungsmessgeräts detektiert wird. Die Kurve 1 in 4c zeigt den zeitlichen Verlauf eines Detektorsignals U_Sense, das einer gleichförmig bewegten Spindel entspricht. Die Spannungsmaxima 66 entsprechen dabei einem minimalen Abstand zwischen Sensoreinrichtung 56 und Gewindespitze 42, die Spannungsminima 68 einem maximalen Abstand. Aus dem Spannungssignal U_Sense berechnet sich der Abstandswert x in Gleichung (1) und daraus die aktuelle Spindelposition.
4b zeigt in Aufsicht eine Gewindespindel 26, gekennzeichnet durch ihren Außenradius 38, und zwei um eine Vierteldrehung um die Symmetrieachse 40 der Spindel gegeneinander winkelversetzte ortsfeste Sensoreinrichtungen 58 und 60, die in Aufbau und Funktionsweise der gerade beschriebenen Sensoreinrichtung 56 entsprechen. 4c zeigt den zeitlichen Verlauf der zugehörigen Detektorsignale 1 und 2 im Fall einer gleichförmig bewegten Spindel. Wie bei der Beschreibung der vorangegangenen Ausführungsform erläutert, lässt sich aus der zeitlichen Abfolge der Signale die Bewegungsrichtung der Spindel bestimmen. Die obige Erläuterung zur relativen Anordnung der Sensoreinrichtungen gilt ebenfalls entsprechend.
In einer modifizierten Ausführung kann statt des Absolutwerts der im Messkreis induzierten Spannung die Phasendifferenz zwischen ausgesandtem und empfangenem Signal bestimmt werden. Wie in 5a illustriert, können dabei Erregerspule und Messspule auch in einer gemeinsamen Spule 70 zusammengefasst sein. Die Phasendifferenz zwischen ausgesandtem und empfangenen Signal variiert beim Verfahren der Gewindespindel 26 periodisch mit dem Abstand zwischen Spule 70 und Gewindespitzen 42 und wird durch eine Vorrichtung zur Erfassung der Phasendifferenz (nicht gezeigt), die mit der Spule 70 verbunden ist, in ein Auswertesignal überführt, aus dem sich der Abstandswert x in Gleichung (1) errechnen lässt. Kurve 1 in 5c zeigt schematisch den Verlauf der Phasendifferenz bei gleichförmig bewegter Gewindespindel.
Wie in 5b illustriert, können zur Bestimmung der Bewegungsrichtung der Spindel erneut zwei um eine Vierteldrehung um die Symmetrieachse 40 der Gewindespindel gegeneinander winkelversetzte Sensoreinrichtungen 72 und 74 dienen, die in Aufbau und Funktion der gerade beschriebenen Sensoreinrichtung mit gemeinsamer Spule 70 entsprechen. 5c zeigt den zeitlichen Verlauf der Phasenverschiebung der Detektorsignale 1 und 2 bei gleichförmig bewegter Spindel 26. Wie oben beschrieben, ergibt sich die Bewegungsrichtung aus der zeitlichen Abfolge der Signale; die Diskussion zur relativen Anordnung der Sensoreinrichtungen 72 und 74 gilt vollständig entsprechend.
In einer weiteren Ausführungsform kann im Falle magnetisch leitender Gewindespitzen die Lage einer sowohl ruhenden als auch bewegten Gewindespindel auch aus der Verstimmung eines Resonanzkreises ermittelt werden.
6a zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung mit einer Sensoreinrichtung, die neben einer Wechselspannungsquelle und einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Phasendifferenz einen Resonanzkreismit mindestens einer Spule 76 umfasst. Wie in 6a illustriert, ist die Sensoreinrichtung wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ortsfest in räumlicher Nähe zum Verstellweg der Gewindespindel 26 derart positioniert, dass beim Verfahren der Spindel der Abstand zwischen der Spule 76 und den Gewindespitzen 42 periodisch variiert. In Abhängigkeit von diesem Abstand ändert sich die Induktivität der Spule 76. Die Bewegung der magnetisch leitenden Gewindespitzen 42 verstimmt auf diese Weise den Resonanzkreis. Diese Verstimmung lässt sich als Phasendifferenz zwischen Erreger – und Antwortsignal messen und gestattet den Rückschluss auf den Abstand zwischen Spule 76 und Gewindespitzen 42 und daraus auf den Abstandswert x in Gleichung (1). Die Kurve 1 in 5c zeigt den zeitlichen Verlauf der Phasendifferenz Phi im Fall einer gleichförmig bewegten Spindel 26.
6b zeigt in Aufsicht eine Gewindespindel 26, die durch ihren Außenradius 38 gekennzeichnet ist, und zwei um eine Vierteldrehung um die Symmetrieachse 40 der Spindel gegeneinander winkelversetzte ortsfeste Sensoreinrichtungen 78 und 80, die in ihrem Aufbau und in ihrer Funktionsweise der gerade beschriebenen Sensoreinrichtung mit Spule 76 entsprechen. 6c zeigt den zeitlichen Verlauf der zugehörigen Detektorsignale 1 und 2 für den Fall einer gleichförmig bewegten Spindel. Wie anhand der vorangehenden Ausführungsformen erläutert, lässt sich aus der zeitlichen Abfolge der Signale die Bewegungsrichtung der Spindel bestimmen; die obige Erläuterung zur relativen Anordnung der Sensoreinrichtungen gilt entsprechend.
Sind die Gewindespitzen magnetisiert, lässt sich direkt das von der Lage der Gewindespindel abhängige magnetische Feld bestimmen.
7a zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung mit ferromagnetischen Gewindespitzen 42, einer Sensoreinrichtung, die einen Hallsensor 82 umfasst, und einem Magneten 88. Der Hallsensor 82 ist ortsfest in räumlicher Nähe zum Stellweg der Gewindespindel 26 derart positioniert, dass beim Verfahren der Spindel der Abstand zwischen Hallsensor 82 und Gewindespitzen 42 variiert. Der Magnet 88 ist an der Gewindespindel angeordnet, z. B. auf ein Stirnende der Gewindespindel aufgeklebt, und magnetisiert so die Gewindespindel.
Passieren die magnetisierten Gewindespitzen 42 den Hallsensor 82, gibt dieser ein periodisch sich veränderndes Spannungssignal ab. Die magnetische Induktion am Ort des Hallsensors 82 variiert dabei mit dem Abstand zwischen Hallsensor 82 und Gewindespitzen 42. Kurve 1 in 7c zeigt den zeitlichen Verlauf eines solchen Detektorsignals, wiederum für den Fall einer gleichförmig bewegten Spindel 26. Die Spannungsmaxima 90 entsprechen einem minimalen Abstand zwischen Hallsensor 82 und Gewindespitze 42, die Spannungsminima 92 einem maximalen Abstand. Sind die Anfangsposition der Spindel, ihre Bewegungsrichtung und der Abstand zwischen zwei benachbarten Gewindespitzen bekannt, lässt sich wiederum aus dem Spannungssignal nach Gleichung (1) die momentane Position der Spindel 26 entlang ihres Verstellwegs ermitteln.
7b zeigt in Aufsicht eine Gewindespindel 26, gekennzeichnet durch ihren Außenradius 38, und zwei um eine Vierteldrehung um die Symmetrieachse 40 der Spindel gegeneinander winkelversetzte ortsfeste Hallsensoreinrichtungen 84 und 86, die in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise der gerade beschriebenen Hallsensoreinrichtung 82 entsprechen. 7c zeigt den zeitlichen Verlauf der zugehörigen Detektorsignale 1 und 2 im Falle einer gleichmäßig bewegten Spindel. Wie anhand der vorangehenden Ausführungsformen erläutert, lässt sich aus der zeitlichen Abfolge der Signale die Bewegungsrichtung der Spindel bestimmen. Die obige Erläuterung zur relativen Anordnung der Sensoreinrichtungen gilt entsprechend.
7d zeigt einen Ausschnitt einer Gewindespindel 26 und eine eng benachbarte Sensoreinheit 93 in Seitenansicht. Die Sensoreinheit 93 ist in 7e in perspektivischer Ansicht vergrößert dargestellt. Die Sensoreinheit 93 umfasst einen Hallsensor 94, der auf seiner der Gewindespindel 26 zugewandten Seite mit einem ferromagnetischen Flusskonzentrator 96 und auf seiner der Gewindespindel 26 abgewandten Seite mit einem Permanentmagneten 98 zur magnetischen Vorspannung verbunden ist. Durch die magnetische Vorspannung wird der Einfluss von Streufeldern begrenzt. Sind zur Bestimmung der Bewegungsrichtung der Spindel oder zur Erhöhung der Messauflösung mehrere Hallsensoren vorgesehen, können ihre Detektoreinheiten auf einem gemeinsamen ferromagnetischen Leitblech 100 angebracht sein, das dann zur gleichzeitigen magnetischen Vorspannung mehrerer Sensoren dient. 7f zeigt in unmittelbarer räumlicher Nähe zu einer Gewindespindel 26 ein ferromagnetisches Leitblech 100 mit zwei Hall-Sensoren 94, 95 und einem zur gemeinsamen magnetischen Vorspannung der beiden Detektoreinheiten dienenden Permanentmagneten 102 auf der der Gewindespindel 26 zugewandten Seite des Leitblechs. Wie anhand der ersten Ausführungsform erläutert, sind die beiden Hall-Sensoren 94 und 95 zur Bestimmung der Bewegungsrichtung der Gewindespindel 26 entlang der Symmetrieachse 40 auf dem Leitblech 100 um einen Abstand x vom Betrag x ≠ (n/2)·l gegeneinander versetzt, wobei l den Abstand zweier Gewindespitzen 42 bezeichnet und n Element der Menge der ganzen Zahlen ist.
Die Position einer ruhenden oder bewegten Gewindespindel mit elektrisch leitenden oder dielektrischen Gewindespitzen kann dadurch bestimmt werden, dass die Gewindespitzen einem elektrischen Feld ausgesetzt werden und eine von der Spindellage abhängige resultierende elektrische Feldstärke detektiert wird.
8a zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung mit einer Sensoreinrichtung, die neben einer Stromquelle und einem Spannungsmessgerät (beide nicht gezeigt) einen Kondensator 104 umfasst. Wird der Kondensator über die Stromquelle geladen und ist seine Plattengeometrie geeignet gewählt, so umschließt das erzeugte statische elektrische Feld die Gewindespitzen 42 der Gewindespindel 26 zumindest teilweise. Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen wird die Sensoreinrichtung ortsfest in räumlicher Nähe zum Stellweg der Gewindespindel 26 derart positioniert, dass beim Verfahren der Spindel der Abstand zwischen Kondensator 104 und Gewindespitzen 42 periodisch variiert. In Abhängigkeit von der Lage der Spindel 26 beeinflussen die dielektrischen oder metallischen Gewindespitzen 42 das Feld des Kondensators 104. Die resultierende Feldstärke kann aus der Kondensatorspannung bestimmt werden und liefert ein direktes Maß für den Abstand zwischen Kondensator 104 und Gewindespitzen 42. Die Kurve 1 in 8c zeigt ein zeitlich periodisches Kondensatorspannungssignal, das einer gleichförmig bewegten Spindel 26 entspricht. Die Spannungsmaxima 110 entsprechen dabei einem maximalen Abstand zwischen Kondensator 104 und Gewindespitze 42, die Spannungsminima 112 einem minimalen Abstand. Sind die Anfangsstellung und Bewegungsrichtung der Spindel 26 und der Abstand zwischen zwei benachbarten Gewindespitzen 42 bekannt, lässt sich auf diese Weise nach Gleichung (1) aus dem Spannungssignal der Abstandswert x und daraus die momentane Position der Spindel entlang ihres Verstellwegs ermitteln.
8b zeigt in Aufsicht eine Gewindespindel 26, gekennzeichnet durch ihren Außendurchmesser 38, und zwei um eine Vierteldrehung um die Symmetrieachse 40 der Spindel gegeneinander verschobene ortsfeste Sensoreinrichtungen mit Kondensatoren 106 und 108, die in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise der gerade beschriebenen Sensoreinrichtung mit dem Kondensator 104 entsprechen. 8c zeigt den zeitlichen Verlauf der ausgewerteten Spannungssignale 1 und 2 der Kondensatoren 106 und 108 im Fall einer gleichmäßig bewegten Spindel 26. Wie anhand der vorangehenden Ausführungsformen erläutert, lässt sich aus der zeitlichen Abfolge der Signale die Bewegungsrichtung der Spindel 26 bestimmen; die Erläuterung zur relativen Anordnung der Sensoreinrichtungen gilt entsprechend.
Neben den beschriebenen Ausführungsformen können zur erfindungsgemäßen Lagebestimmung der Gewindespindel auch optische Sensoren eingesetzt werden.
Eine erste optische Ausführung zeigt 9a. In Nähe einer Gewindespindel 26 mit reflektierender Oberfläche ist eine optische Sensoreinrichtung 114 angeordnet, die einen Lichtsender 116 und einen Lichtempfänger 118 umfasst. Vom Lichtsender 116 emittierte Lichtstrahlen 120 werden an der Oberfläche der Gewindespindel 26 reflektiert, und die reflektierten Lichtstrahlen 122 werden vom Lichtempfänger 118 detektiert. Lichtsender 116 und Lichtempfänger 118 sind dabei derart angeordnet, dass die Lichtlaufzeit mit dem Abstand zwischen Sensoreinrichtung 114 und Gewindespitzen 42 variiert. Die Phasen- oder Laufzeitmessung liefert dann unter Verwendung von Gleichung (1) ein direktes Maß für die Stellung der Gewindespindel. Alternativ kann statt der Phasenlage der Lichtsignale auch die Phasenlage eines aufmodulierten Hochfrequenzsignals bestimmt werden. Die Mehrdeutigkeit bei der Bestimmung der Phasenlage kann durch eine Frequenzmodulation umgangen werden.
Ferner kann die Position der Gewindespindel 26 statt aus der Laufzeit oder Phasenlage auch aus der Winkeldifferenz zwischen den emittierten Lichtsignalen 120 und den reflektierten Lichtsignalen 122 ermittelt werden, auch als Triangulationsverfahren bekannt.
Eine alternative Ausführung zeigt 9b. Die Sensoreinrichtung umfasst eine Lichtschranke mit einem Lichtsender 124 und einem Lichtempfänger 126, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Gewindespindel 26 derart angeordnet sind, dass die vom Lichtsender 124 ausgesandten und vom Lichtempfänger 126 detektierten Lichtsignale 128 die Gewindespindel 26 in einem Abstand von ihrer Symmetrieachse 40 passieren, der zwischen Innenradius 36 und Außenradius 38 liegt. Insbesondere können der Lichtsender 124 und der Lichtempfänger 126 so angeordnet sein, dass die Lichtsignale die Gewindespindel 26 auf einer Linie parallel zur Gewindekerbe 44 passieren.
Alternativ könnte am Ort des Lichtsenders 124 eine kombinierte Sender-Empfänger-Einheit und am Ort des Lichtempfängers 126 ein Spiegel zur Strahlumkehr vorgesehen sein.
Wird die Gewindespindel 26 entlang ihres Verstellwegs bewegt, wird der Lichtstrahl 128 abwechselnd von den Gewindespitzen 42 blockiert oder kann die Spindel 26 in der Gewindekerbe 44 passieren.
9c zeigt den zeitlichen Verlauf eines Auswertesignals im Fall einer gleichförmig bewegten Spindel. Es ergibt sich ein rechteckförmiger Verlauf mit scharfen Sprüngen zwischen zwei Niveaus 1 und 0, wobei das Niveau 0 einem durch eine Gewindespitze 42 der Gewindespindel 26 blockierten Strahlengang und das Niveau 1 einem durch eine Gewindekerbe 44 freigegebenen Strahlengang entspricht. Die Anzahl der Niveauwechsel von Niveau 0 zu Niveau 1 gibt daher direkt die Zahl der durchlaufenen Gewindespitzen an.
Aufgrund des steilen Verlaufs des Auswertesignals an den Signalflanken liefert das beschriebene Verfahren allerdings nur begrenzte Information über die genaue Position der Gewindespindel entlang ihres Verstellwegs; die Messauflösung ist auf den halben Abstand l/2 Gewindespitzen begrenzt und somit von der Steigung des Gewindes abhängig.
Zur Erhöhung der Messauflösung können mehrere gleichartige Sensoreinrichtungen, die in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise der gerade beschriebenen Lichtschranken-Sensoreinrichtung entsprechen, entlang des Verstellwegs der Gewindespindel 26 jeweils um einen Abstand z gegeneinander versetzt angeordnet werden, wobei z ein nicht ganzzahliges Vielfaches des Abstands l zweier Gewindespitzen ist. Die Sensoreinrichtungen liefern dann bei Bewegung der Spindel der Form nach identische, aber zeitlich gegeneinander verschobene Auswertesignale, so dass die Niveausprünge zeitlich versetzt auftreten. 9c zeigt zwei solche zeitlich verschobenen Signale. Aus der Anzahl der erfolgten Niveausprünge lässt sich auf diese Weise die über eine Gewindespitze hinaus zurückgelegte Strecke x in Gl. (1) genauer bestimmen. Stehen b Sensoreinrichtungen zur Verfügung, ist die Messauflösung durch l/b begrenzt, wobei l wiederum den Abstand zweier Gewindespitzen bezeichnet. Aus der zeitlichen Folge der Niveausprünge lässt sich auf die Bewegungsrichtung der Spindel 26 schließen.
Selbstverständlich dienen die erfindungsgemäßen Ausführungen und insbesondere die Figuren nur der beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Ausführung variieren, ohne dass sich das zugrunde liegende Funktionsprinzip ändert. Insbesondere können neben den beschriebenen auch andere physikalische Effekte zur Detektion des Durchgangs der Gewindespitzen nutzbar gemacht werden. Auch ist die Erfindung ihrem Prinzip nach nicht auf die Gewindespindeln von Linearantrieben begrenzt, sondern zur Detektion der Lage eines jeden ein Gewinde aufweisenden und entlang eines Verstellwegs beweglichen Bauteils geeignet.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zusammenfassung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

20: Gehäuse
22: Stator
24: Rotor
26: Gewindespindel
28: Gewindemutter
30: Sensoreinrichtung
32: zylindrischer Rundstab
34: Gewinde
36: Innenradius einer Gewindespindel
38: Außenradius einer Gewindespindel
40: Symmetrieachse einer Gewindespindel
42: Gewindespitze
44: Gewindekerbe
46: Erreger- und Messspule
48: Spannungsmaximum eines Gleichstromsensorsignals
50: Spannungsminimum eines Gleichstromsensorsignals
52, 54: Gleichstromsensoreinrichtungen
56, 58, 60: Wirbelstromsensoreinrichtungen
62: Erregerspule einer Wirbelstromsensoreinrichtung
64: Messspule einer Wirbelstromsensoreinrichtung
66: Spannungsmaximum eines Wirbelstromsensorsignals
68: Spannungsminimum eines Wirbelstromsensorsignals
70, 72, 74: Kombinierte Erreger- und Messspule
76: Spule eines Resonanzkreises
78, 80: Resonanzkreis-Sensoreinrichtung
82, 84, 86: Hallsensor
88: Magnet
90: Spannungsmaximum eines Hallspannungssignals
92: Spannungsminimum eines Hallspannungssignals
93: Sensoreinheit
94, 95: Detektoreinheit eines Hallsensors
96: Flusskonzentrator eines Hallsensors
98: Vorspannungsmagnet
100: ferromagnetisches Leitblech
102: Permanentmagnet
104, 106, 108: Kondensator einer kapazitiven Sensoreinrichtung
110: Spannungsmaxima eines Kapazitivsensorsignals
112: Spannungsminima eines Kapazitivsensorsignals
114: Lichtsensoreinrichtung
116: Lichtsender
118: Lichtempfänger
120: emittiertes Lichtsignal
122: reflektiertes Lichtsignal
124: Lichtsender einer Lichtschranke
126: Lichtempfänger einer Lichtschranke
128: Lichtsignal einer Lichtschranke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69122297 T2 [0003]
- DE 19928557 A1 [0006]
- DE 102005054912 A [0057]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Lage einer Gewindespindel (26) eines Linearantriebs, bei dem sich die Spindel durch ein Gewinde angetrieben in Richtung ihrer Mittelachse linear bewegt, um diese Mittelachse jedoch keine Drehbewegung ausführt, wobei die Durchgänge der Gewindespitzen (42) relativ zu einem Messpunkt detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion berührungslos erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zeitlichen Änderung der Lage der Gewindespindel (26) ihre Geschwindigkeit und/oder ihre Beschleunigung bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Detektion an mindestens zwei Positionen entlang der Gewindespindel (26) die Bewegungsrichtung der Gewindespindel (26) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (26) an einer oder mehreren Stellen zur Referenzierung der Lage markiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) magnetisch leitend sind, einem Magnetfeld ausgesetzt werden und zur Bestimmung der Lage der Gewindespindel eine von Bewegung und Lage der Gewindespindel abhängige magnetische Flussänderung detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) elektrisch leitend sind, durch Erzeugung eines zeitlich veränderliches Magnetfelds in den Gewindespitzen (42) ein zeitlich veränderlicher elektrischer Wirbelstrom induziert wird und ein durch diesen Wirbelstrom erzeugtes, von der Lage der Gewindespindel (26) abhängiges zeitlich veränderliches magnetisches Feld detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) magnetisch leitend sind und die von der Lage der Gewindespindel (26) abhängige Induktivität eines Resonanzkreises bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) magnetisch sind und ein von der Lage der Gewindespindel (26) abhängiges magnetisches Feld detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) ferromagnetisch sind und von einer oder mehreren von den Detektorpositionen verschiedenen Positionen aus magnetisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) elektrisch leitend oder dielektrisch sind, einem elektrischen Feld ausgesetzt werden und dieses beeinflussen und zur Bestimmung der Lage der Gewindespindel (26) eine von der Lage der Gewindespindel abhängige resultierende Feldstärke detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Gewindespindel (26) lichtreflektierend ist und mit Lichtsignalen bestrahlt wird, reflektierte Lichtsignale detektiert werden und aus einer Winkeldifferenz zwischen ausgesandtem und empfangenem Licht die Lage der Gewindespindel (26) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Durchgänge der Gewindespitzen (42) mittels einer oder mehreren Lichtschranken (124, 126) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Messauflösung und/oder zur Richtungsbestimmung und/oder zur Rauschunterdrückung die Aussendung und Detektion der Lichtsignale unabhängig voneinander an mehreren Positionen erfolgt, die entlang der Gewindespindel um ein jeweils nicht ganzzahliges Vielfaches des Abstandes zweier Gewindespitzen gegeneinander versetzt sind.
Vorrichtung zur Bestimmung der Lage einer Gewindespindel (26) eines Linearantriebs, mit: einer entlang ihrer Symmetrieachse (40) beweglichen Gewindespindel (26) mit in Form einer Schraubenlinie umlaufenden Gewindespitzen (42) und einer Sensoreinrichtung (30), die in Nähe der Spindeloberfläche außerhalb des Außendurchmessers des Gewindes (34) ortsfest angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Durchgänge der Gewindespitzen zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) magnetisch leitend sind und die Sensoreinrichtung (30) eine mit einer Spannungsquelle verbundene Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und eine mit einem Spannungsmessgerät verbundene Messspule zur Detektion einer magnetischen Flussänderung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (30) nach Art eines Spartrafos nur eine Spule (46) mit. Ausgängen sowohl für den Erregerkreis als auch für den Messkreis aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) elektrisch leitend sind und die Sensoreinrichtung (30; 56) eine mit einer Wechselspannungsquelle verbundene Erregerspule (62) zur Erzeugung eines elektrischen Wirbelfeldes in den Gewindespitzen und eine mit einem Spannungsmessgerät verbundene Messspule (64) zur Detektion einer magnetischen Flussänderung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) elektrisch leitend sind und die Sensoreinrichtung (30) eine mit einer Wechselspannungsquelle verbundene Spule (70; 72, 74) zur Erzeugung eines elektrischen Wirbelfeldes in den Gewindespitzen (42) und zur Detektion einer magnetischen Flussänderung umfasst, an die eine Vorrichtung zur Erfassung der Phasendifferenz gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) magnetisch leitend sind und die Sensoreinrichtung (30; 78, 80) einen mit einer Wechselspannungsquelle verbundenen Resonanzkreis mit zumindest einer Spule (76) und eine Vorrichtung zur Erfassung einer Phasendifferenz zur Messung der Verstimmung des Resonanzkreises umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) magnetisch sind und die Sensoreinrichtung (30) mindestens einen Magnetsensor (82; 84, 86) zur Bestimmung der magnetischen Flussdichte umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) ferromagnetisch sind, entlang der Oberfläche der Gewindespindel (26) ein oder mehrere Magneten (88) zur Magnetisierung der Gewindespindel angebracht sind und die Sensoreinrichtung (30) mindestens einen Magnetsensor (82; 84; 86) zur Bestimmung der magnetischen Flussdichte umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (30) mindestens einen Magnet (98; 102) zur magnetischen Vorspannung wenigstens eines Magnetsensors (82; 84, 86) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 21, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (30) einen ferromagnetischen Flusskonzentrator (96) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespitzen (42) elektrisch leitend oder dielektrisch sind und die Sensoreinrichtung (30) einen mit einer Stromquelle und einem Spannungsmessgerät verbundenen Kondensator (104; 106, 108) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Gewindespindel (26) lichtreflektierend ist und die Sensoreinrichtung (30) einen Lichtemitter (116) und einen Lichtempfänger (118) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (30) eine Lichtschranke umfasst, deren Lichtsender (124) und Lichtempfänger (126) dergestalt angeordnet sind, dass die Lichtsignale die Gewindespindel in einem Abstand von der Symmetrieachse (40) der Gewindespindel (26) passieren, der zwischen Innen- (36) und Außenradius (38) liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoreinrichtungen (30) entlang der Symmetrieachse (40) der Gewindespindel (26) um jeweils ein nicht ganzzahliges Vielfaches des Abstands zweier Gewindespitzen (42) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gleichartige Sensoreinrichtungen (30; 94, 95) gegeneinander um einen Abstand vom Betrag x verschoben sind, wobei x ≠ (n/2)·l ist und n eine ganze Zahl und l der Abstand zweier Gewindespitzen (42) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr gleichartige Magnet-Detektoreinheiten (94, 95) auf einem gemeinsamen zur magnetischen Vorspannung dienenden ferromagnetischen Leitblech (100) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder in der Gewindespindel (26) eine Markierung angebracht ist, die mittels der Sensoreinrichtungen (30) detektierbar ist und die Bestimmung der Absolutposition der Gewindespindel zulässt.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung aus einer Einkerbung oder Bohrung in der Gewindespindel (26) besteht.