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Die
Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einem Stellglied, das
in einem Bewegungsraum eines Antriebsgehäuses axial beweglich
längs einer Bewegungsachse aufgenommen ist, und mit einer Mikrowellenpositionssensoranordnung,
die endseitig am Antriebsgehäuse angeordnet ist und die
eine Koppelsonde zum Aussenden und Empfangen von Mikrowellen zur
Bestimmung der Position des Stellglieds im Bewegungsraum umfasst.
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Bei
der Einkopplung bzw. Auskopplung von Mikrowellen in einen bzw. aus
einem Hohlleiter erfolgt üblicherweise eine Wellentypwandlung.
Von einer Hochfrequenzschaltung, die einen Mikrowellengenerator
und eine Hochfrequenz-Empfangselektronik enthält, wird
eine TEM-Welle (transversalelektromagnetische Welle) abgegeben.
Diese TEM-Welle breitet sich entlang von Mikrowellenleitungen, insbesondere
Mikrostreifenleitungen oder Koaxialleitungen, die vom Charakter
her aus zwei elektrischen Leitern bestehen, bis zu einer Koppelsonde
aus. Mittels der als Antenne dienenden Koppelsonde wird die TEM-Welle
in die Hohlleiterwelle überführt und kann von
dort aus den Hohlleiter durchlaufen. Für die Messgenauigkeit
der Mikrowellenpositionssensoranordnung ist es vorteilhaft, wenn
die jeweils an der Koppelsonde stattfindende Umwandlung der TEM-Welle
in die Hohlleiterwelle und der Hohlleiterwelle in die TEM-Welle
sowie die Leitung der Hohlleiterwelle im Hohlleiter möglichst
reflexionsfrei und mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad
erfolgt und eine Reflexion von der Hohlleiterwelle zumindest nahezu
ausschließlich an dem Stellglied erfolgt, dessen Position
bestimmt werden soll.
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Die
Ausbreitung der Hohlleiterwelle im Hohlleiter kann in unterschiedlichen
Feldmustern erfolgen, die auch als Moden oder Wellentypen bezeichnet
werden. Für jeden Mode existiert eine kritische Frequenz,
unterhalb der er nicht mehr ausbreitungsfähig ist. Diese
kritische Frequenz ist von Mode zu Mode verschieden und hängt
von den Dimensionen des Querschnitts des Hohlleiters ab. Der Mode
mit der bezogen auf einen bestimmten Hohlleiterquerschnitt kleinsten
kritischen Frequenz wird als Grundmode bezeichnet. In einem Hohlleiter
mit kreisrundem Querschnitt trifft dies auf die H11-Welle oder den H11-Mode
zu. Der nächsthöhere Mode, das heißt
der Mode mit der zweitkleinsten kritischen Frequenz, wird als E01-Welle
oder E01-Mode bezeichnet.
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Gewöhnlich
wird angestrebt, dass nur ein einziger Mode in einem Hohlleiter
ausbreitungsfähig ist, da es beim gleichzeitigen Vorhandensein
mehrerer Moden zu Interferenzerscheinungen kommt, bei denen sich
die einzelnen Moden im ungünstigsten Fall gegenseitig auslöschen
können. Zur Vermeidung derartiger Interferenzen wird die
Frequenz für die Hohlleiterwelle im Allgemeinen so tief
gewählt, dass nur ein einziger Mode, nämlich der
Grundmode, ausbreitungsfähig ist. Dieser Grundmode wird
dann zur Übertragung der Hochfrequenzenergie verwendet, was
zudem eine kostengünstige Gestaltung der Komponenten der
Mikrowellenpositionssensoranordnung ermöglicht.
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Ausgehend
von den vorstehenden Erläuterungen erscheint es daher zunächst
naheliegend, auch für eine Mikrowellenpositionssensoranordnung in
einem Linearantrieb den Grundmode, das heißt eine H11-Welle,
zu verwenden. Da die H11-Welle an Grenzschichten zwischen einem
Dielektrikum und Luft zu einem erheblichen Teil reflektiert wird,
sollten derartige Grenzschichten vermieden werden, was in einem
insbesondere pneumatisch betreibbaren Linearantrieb Schwierigkeiten
aufwirft. Reflexionen der H11-Welle treten auch auf, wenn im Hohlleiter
ein zentrales Hindernis angeordnet ist, da bei der H11-Welle die
größte Leistungsdichte in der Mitte des Hohlleiters
konzentriert ist, so dass derartige Hindernisse bei Verwendung der
H11-Welle vermieden werden sollten.
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Aus
der
DE 102 05 904
A1 ist eine Einkoppelsonde bekannt, die als mittiger konzentrischer Monopol
mit einer Dachkapazität in Form einer Scheibe an einer
Stirnseite eines Pneumatikzylinders ausgebildet ist. Häufig
sind jedoch ein konzentrischer Lufteinlass und/oder eine konzentrische
zylindrische Ausnehmung zur Aufnahme eines Endlagendämpfungselements
an der Stirnseite des Zylinders vorgesehen, so dass die bekannte
Einkoppelsonde aus der mittigen Achse heraus verschoben werden müsste. Dies
würde jedoch zur Anregung von unerwünschten Moden,
insbesondere des ausbreitungsunfähigen Grundmodes, führen,
so dass die bekannte Koppelsonde für solche Zylinder nicht
verwendbar ist.
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Aus
der nicht vorveröffentlichten
EP 07011246 der Anmelderin ist es
bekannt, in einem Pneumatikzylinder, der mit einem Endlagendämpfungselement
ausgerüstet ist, eine Mikrowellen-Antennenanordnung vorzusehen,
die aus zwei symmetrisch zueinander angeordneten Monopolen gebildet ist,
die mit gleichphasigen Hochfrequenzsignalen gespeist werden, wodurch
sich jedoch ein erheblicher technischer Aufwand im Hinblick auf
die Leitung und Bereitstellung der Hochfrequenzsignale ergibt. Zudem
ist die Gleichphasigkeit der von den beiden Monopolen ausgesendeten
Hohlleiterwellen nur mit aufwändigen Maßnahmen
zu gewährleisten.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Linearantrieb
mit einer Mikrowellenpositionssensoranordnung zu schaffen, der bei einfachem
hochfrequenztechnischen Aufbau eine Integration einer Endlagendämpfungseinrichtung
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Linearantrieb
der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Koppelsonde
in axialer Richtung beabstandet zum Bewegungsraum angeordnet ist
und zwischen der Koppelsonde und dem Bewegungsraum wenigstens zwei
Speisehohlleiter zur Leitung von Mikrowellen ausgebildet sind, die
jeweils gleichartige Übertragungseigenschaften für
die Mikrowellen aufweisen, wobei jeder Speisehohlleiter eine zur axialen
Begrenzung des Bewegungsraums ausgebildete Stirnwand mit einer Mündungsöffnung
durchsetzt und die voneinander beabstandet angeordneten Mündungsöffnungen
der Speisehohlleiter in radial außenliegenden Bereichen
der Stirnwand angeordnet sind.
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Die
beiden Speisehohlleiter und die jeweils zugeordneten Mündungsöffnungen
in der Stirnwand dienen dazu, die von einer gemeinsamen Koppelsonde
ausgehenden Mikrowellen in den Bewegungsraum einzukoppeln. Die Speisehohlleiter
ermöglichen eine Beabstandung der Koppelsonde vom Bewegungsraum
in axialer Richtung, sie stellen hierzu eine Hohlleiterverbindung
zwi schen der Koppelsonde und dem Bewegungsraum bereit und sind für
eine reflexionsarme Leitung der Mikrowellen von der Koppelsonde
in den Bewegungsraum ausgebildet. Die Speisehohlleiter ermöglichen
es, einen zentralen, radial innenliegenden Bereich der Stirnwand
frei zu gestalten, da die Hohlleiterwellen aus den radial außenliegend
an der Stirnwand ausgebildeten Mündungsöffnungen
in den Bewegungsraum austreten. Die in der Stirnwand eingebrachten
Mündungsöffnungen können auch als Aperturen
bezeichnet werden. Aus den Aperturen werden an der Koppelsonde ausgekoppelte
Hohlleiterwellen, die durch die Speisehohlleiter geleitet wurden,
derart in den Bewegungsraum ausgekoppelt, dass sich dort die gewünschte E01-Hohlleiterwelle
ausbildet.
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Sowohl
die Geometrien der wenigstens zwei Speisehohlleiter als auch die
Geometrien der jeweils zugeordneten Mündungsöffnungen
sind derart gewählt, dass für die Hohlleiterwellen
kein Unterschied besteht, durch welchen der wenigstens zwei Speisehohlleiter
sie zwischen Koppelsonde und Bewegungsraum geleitet werden. Die
Gleichartigkeit der Übertragungseigenschaften der Speisehohlleiter
für die Hohlleiterwellen betrifft insbesondere die Laufzeiteigenschaften,
die in den wenigstens zwei Speisehohlleitern zumindest nahezu identisch
sind.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stirnwand
zumindest bereichsweise von einem Koppelteil gebildet wird, das
zumindest bereichsweise die Mündungsöffnungen
der Speisehohlleiter begrenzt. Das Koppelteil ist als separates
Bauteil ausgeführt, das in das Antriebsgehäuse
montiert wird. Durch Änderung der Geometrie des Koppelteils
kann in einfacher Weise Einfluss auf die Geometrien der Mündungsöffnungen
und gegebenenfalls auf die Geometrie der Speisehohlleiter genommen
werden, sofern Wandbereiche des Koppelteil zumindest abschnittsweise
wenigstens einen der Speisehohlleiter begrenzen.
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Vorteilhaft
ist es, wenn an einem radial innenliegenden Bereich der Stirnwand
eine zum Stellglied offene Ausnehmung ausgebildet ist, die insbesondere
ein Eintauchen eines Dämpfungskolbens oder einer Befestigungsmutter
des Stellglieds ermöglicht. Die Ausnehmung kann in dem
zentralen, radial innenliegenden Bereich der Stirnwand angeordnet werden,
da durch die erfindungsgemäßen Speisehohlleiter,
deren Mündungsöffnungen radial außenliegend
an der Stirnwand angeordnet sind, eine nahezu freie Gestaltung dieses
zentralen Bereichs ermöglicht wird. Beispielsweise ist
die Ausnehmung zur Aufnahme eines am Stellglied angebrachten Dämpfungskolbens
oder einer zur Befestigung einer Kolbenstange an einem Kolben dienenden
Befestigungsmutter ausgebildet.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
dem Stellglied und einem radial innenliegenden Bereich der Stirnwand
Endlagendämpfungsmittel zugeordnet, die für eine
Abbremsung des Stellglieds bei Annäherung an die Stirnwand
eingerichtet sind. Beispielsweise ist an der Stirnwand, insbesondere
in dem Koppelteil, eine zum Stellglied hin offene Dämpfungsbohrung
ausgebildet. Die Dämpfungsbohrung ermöglicht ein
Eintauchen eines am Stellglied angebrachten Dämpfungskolbens
und bildet zusammen mit dem am Stellglied vorgesehenen Dämpfungskolben
fluidisch wirkende Endlagendämpfungsmittel, die zum Abbremsen
des Stellglieds bei Annäherung an die Stirnwand dienen.
Die Endlagendämpfungsmittel bewirken, dass das Stellglied kurz
vor Erreichen der Endlage sanft abgebremst wird und verhindern damit
ein hartes Aufschlagen des Stellglieds an der Stirnwand.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung
als Dämpfungsbohrung ausgebildet ist, in der ein Dichtring
angeordnet ist, der von einer dem Stellglied zugewandten Stirnseite
der Stirnwand um einen Betrag beabstandet ist, der wenigstens 10%,
vorzugsweise wenigstens 20%, des maximalen Durchmessers des Bewegungsraums
beträgt. Der Dichtring dient zur Abdichtung des in die
Dämpfungsbohrung eintauchenden Dämpfungskolbens,
um die gewünschte Abbremsung durch die fluidische Dämpfungseinrichtung
zu gewährleisten und ist hierzu üblicherweise
lageveränderlich im Koppelteil aufgenommen. Der Dichtring ist
typischerweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, das dielektrische
Eigenschaften aufweist und somit, insbesondere aufgrund seiner Lageveränderlichkeit,
eine Beeinflussung der Mikrowellen hervorrufen kann. Um diesen Einfluss
des Dichtrings auf das Messergebnis der Mikrowellensensoranordnung zu
reduzieren, ist dieser zurückversetzt von der Stirnseite
des Koppelteils in der Dämpfungsbohrung angeordnet. Der
Durchmesser der Dämpfungsbohrung ist zwar üblicherweise
so klein, dass sich in der Dämpfungsbohrung keine Hohlleiterwelle
ausbreiten kann. Gleichwohl herrscht in der Dämpfungsbohrung ein
exponentiell gedämpftes elektromagnetisches Feld vor. Durch
die Rückverlagerung des Dichtringes ist dieser in einem
Bereich der Dämpfungsbohrung angeordnet, der praktisch
feldfrei ist. Dadurch sind Messfehler der Mikrowellenpositionssensoranordnung,
die durch eine Wechselwirkung zwischen dem Dichtring und dem elektromagnetischen
Feld in der Dämpfungsbohrung hervorgerufen werden könnten, minimal.
Ein vorteilhafter Abstand zwischen dem Dichtring und der dem Stellglied
zugewandten Stirnseite des Koppelteils beträgt wenigstens
10% des maximalen Durchmessers des Bewegungsraums.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der Querschnitt wenigstens eines Speisehohlleiters
ausgehend von der Koppelsonde in Richtung des Bewegungsraums von einem
schlitzförmigen, insbesondere rechteckigen, Profil in ein
zumindest im Wesentlichen ringabschnittsförmiges Profil übergeht.
Durch die Änderung des Profils des Speisehohlleiters wird
einerseits eine kompakte Anordnung des Speisehohlleiters im Antriebsgehäuse
ermöglicht, andererseits stellt ein derartig ausgebildeter
Speisehohlleiter eine reflexionsarme Leitung der Hohlleiterwellen
zwischen der Koppelsonde und dem Bewegungsraum sicher. Die bevorzugt
als E01-Welle ausgeprägte Holleiterwelle kann sich vorteilhaft
in dem üblicherweise mit kreisrundem Querschnitt ausgebildeten
Bewegungsraum im Antriebsgehäuse, in dem das Stellglied
linear bewegt wird, ausbreiten und wird durch die Profiländerung
des Speisehohlleiters reflexionsarm in die Koppelsonde eingekoppelt.
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Vorzugsweise
ist der Querschnitt des Endbereichs des Speisehohlleiters mit einem
Maximaldurchmesser ausgeführt, der zumindest im Wesentlichen
dem Innendurchmesser des im Antriebsgehäuse ausgebildeten
Bewegungsraums entspricht, da hierdurch eine reflexionsarme Aus-
und Einkopplung von Hohlleiterwellen aus dem und in den Speisehohlleiter
erfolgen kann. Besonders bevorzugt ist der Übergang vom
rechteckigen Profil zum kreisringabschnittsförmigen Profil
im Speisehohlleiter stetig ausgeführt, um Reflexionen an
Querschnittssprüngen zu vermeiden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erster
Kanalabschnitt des Speisehohlleiters senkrecht zur Bewegungsachse ausgerichtet
ist und in einer parallel zur Bewegungsachse ausgerichteten Querschnittsebene
einen schlitzförmigen, insbesondere ovalen oder rechteckigen
Querschnitt, aufweist. Vorzugsweise ist die Koppelsonde zentral,
also radial innenliegend, vorzugsweise konzentrisch zur Mittellängsachse
des Antriebsgehäuses angeordnet. Für eine kompakte
Bauweise des Linearantriebs ist es in diesem Fall vorteilhaft, wenn
die Hohlleiterwellen auf kurzem Weg in die radial außenliegenden
Bereiche des Antriebsgehäuses geleitet werden, um von dort
aus durch die Mündungsöffnungen der Speisehohlleiter
in den Bewegungsraum ausgekoppelt zu werden. Dies wird durch den
ersten Kanalabschnitt des Speisehohlleiters gewährleistet,
in dem sich die Hohlleiterwellen in einer senkrecht zur Bewegungsachse
und zur Mittellängsachse des Antriebsgehäuses
ausbreiten. Durch einen rechteckigen Querschnitt des ersten Kanalabschnitts
wird eine einfache Aufbauweise für das Speisehohlleitersystem
sichergestellt. Die radial nach außen versetzte Anordnung
der Mündungsöffnungen der Speisehohlleiter ist
erforderlich, wenn eine zentrisch im Antriebsgehäuse angeordnete
Dämpfungsbohrung umgangen werden muss.
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Bevorzugt
ist für einen zweiten Kanalabschnitt des Speisehohlleiters,
der kommunizierend mit dem ersten Kanalabschnitt verbunden ist,
in senkrecht zur Bewegungsachse ausgerichteten, zueinander beabstandeten
Querschnittsebenen ein Übergang vom schlitzförmigen,
insbesondere rechteckigen, Profil in das ringabschnittsförmige
Profil vorgesehen. Durch diesen allmählichen Querschnittsübergang
wird eine reflexionsarme Leitung der Hohlleiterwellen zwischen der
Koppelsonde und dem Bewegungsraum erreicht.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die ersten Kanalabschnitte und die zweiten Kanalabschnitte
der Speisehohileiter jeweils symmetrisch, insbesondere punktsymmetrisch
oder spiegelsymmetrisch, zur Bewegungsachse, insbesondere zu einer
die Bewegungsachse umfassenden Spiegelebene, angeordnet sind. Dadurch
wird eine homogene und symmetrische Weiterleitung der Hohlleiterwellen
erreicht.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Speisehohileiter U-förmig gefaltet kommunizierend
zu einem Speisehohlleitersystem angeordnet sind. Durch die gefaltete
Anordnung der Kanalabschnitte treten die an von der Koppelsonde
in den ersten Kanalabschnitt abgestrahlten Hohlleiterwellen an den
dem Bewegungsraum zugewandten Endbereichen der spiegelbildlich gegenüberliegenden
zweiten Kanalabschnitte mit einer um 180° verschobenen
Phase aus, wodurch in vorteilhafter Weise eine E01-Welle im Bewegungsraum
des Stellglieds angeregt wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Koppelsonde als stabförmiger, mit einer zur Bereitstellung
der Mikrowellen eingerichteten Hochfrequenzschaltung gekoppelter
Innenleiter ausgebildet ist und in den ersten Kanalabschnitt hineinragt.
Der Innenleiter ist vorzugsweise in direkter elektrischer Verbindung
oder kapazitiv mit der zur Bereitstellung der Mikrowellen eingerichteten
Hochfrequenzschaltung gekoppelt. Der vorzugsweise als monopolartige
Koppelsonde ausgebildete Innenleiter dient als Übertragungsglied zwischen
der Hochfrequenzschaltung und dem als Rechteckhohlleiter ausgebildeten
ersten Kanalabschnitt. Eine Stirnfläche des Innenleiters
kann einer Stirnfläche des Koppelteils gegenüberliegen
und insbesondere mit dieser elektrisch leitend verbunden sein. Dadurch
wird ein einfacher Aufbau der Mikrowellenpositionssensoranordnung
ermöglicht.
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Besonders
bevorzugt verjüngt sich ein freier Querschnitt des Speisehohlleiters
ausgehend vom Bewegungsraum in Richtung der Koppelsonde. Dadurch
wird eine Wellenwiderstandsanpassung erreicht, so dass die H10-Wellen
im Speisehohlleitersystem reflexionsarm in die Koppelsonde eingekoppelt
werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Speisehohlleiter
wenigstens ein Einsatzteil aus einem dielektrischen Material, insbesondere
Kunststoff, angeordnet, das für eine abdichtende Abtrennung
des Speisehohlleiters vom Bewegungsraum ausgebildet ist. Dem Einsatzteil
kommt insbesondere die Aufgabe zu, die durch Relativbewegung zwischen
Stellglied und Antriebsgehäuse auftretenden Verschmutzungen
von der Mikrowellenpositionssensoranordnung fernzuhalten, um unerwünschte
Einflüsse auf das Messergebnis für die Positionsermittlung
des Linearantriebs zu vermeiden. Vorzugsweise sind das Koppelteil,
das Einsatzteil und das Antriebsgehäuse derart ausgebildet,
dass der dadurch berandete Speisehohlleiter zumindest teilweise
gasgefüllt ist. Dadurch lässt sich eine reflexionsarme
Ausbreitung der Hohlleiterwellen gewährleisten.
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Vorteilhaft
ist es, wenn das Einsatzteil im zweiten Kanalabschnitt, insbesondere
in der Mündungsöffnung, angeordnet ist. Der zweite
Kanalabschnitt grenzt unmittelbar benachbart an den Bewegungsraum,
so dass eine Anordnung des Einsatzteils in diesem Kanalabschnitt
einen möglichst vollständig von Verschmutzungen
und anderen Einflüssen ungestörten Verlauf der
Hohlleiterwellen im Speisehohlleiter ermöglicht. Besonders
bevorzugt erstreckt sich das Einsatzteil in einem unmittelbar an
den Bewegungsraum angrenzenden Bereich des Speisehohllei ters über
dessen gesamten Querschnitt, füllt also die Mündungsöffnung
vollständig aus, um dadurch die gewünschte Abdichtwirkung
hervorzurufen.
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Vorteilhaft
ist es, wenn das Einsatzteil einen sich mit abnehmendem Abstand
zum Stellglied vergrößernden Anteil des jeweiligen
freien Querschnitts des Speisehohlleiters ausfüllt. Dadurch
wird ein reflexionsarmer Übergang für die Hohlleiterwellen
zwischen dem Material des Einsatzteils und dem ansonsten gasgefüllten
Speisehohlleiter sowohl für die sich im Speisehohlleiter
in Richtung des Stellglieds ausbreitenden Hohlleiterwellen als auch
für die in entgegengesetzter Richtung verlaufenden Hohlleiterwellen
gewährleistet.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einsatzteil
wenigstens eine Rippe, insbesondere eine Vielzahl von im Wesentlichen
parallel zur Bewegungsachse erstreckten Rippen, aufweist. Die Rippe
dient der erfindungsgemäßen Querschnittsvergrößerung
für das Einsatzteil in Richtung des Stellglieds. Vorzugsweise
sind mehrere Rippen vorgesehen, deren größte Ausdehnung
sich vorzugsweise jeweils parallel zur Bewegungsrichtung erstreckt,
so dass Längsachsen der Rippen jeweils parallel zueinander
ausgerichtet sind. Derartige Rippen lassen sich beispielsweise an
einem als Kunststoffspritzgussteil ausgebildeten Einsatzteil mit gerin gem
Aufwand verwirklichen. Anstelle von Rippen kann auch eine Anordnung
von anderen, in Richtung der Koppelsonde verjüngt ausgebildeten,
insbesondere pyramiden- oder kegelförmigen, Zapfen zur Verwirklichung
einer allmählichen Zunahme des durch das Dielektrikum ausgefüllten
Querschnittsanteils vorgesehen werden.
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Vorteilhaft
ist es, wenn sich die Rippen ausgehend von einer Frontplatte des
Einsatzteils in Richtung der Koppelsonde, vorzugsweise keilförmig,
verjüngen. Durch die erfindungsgemäße
Verjüngung der Rippen wird die gewünschte Verringerung
des Querschnittsanteils für das Einsatzteil bezogen auf
den Querschnitt des Speisehohlleiters in Richtung der Koppelsonde
erreicht. Dadurch wird ein vorteilhafter Übergang für
die Hohlleiterwellen zwischen dem vollständig überwiegend
gasgefüllten ersten Kanalabschnitt und dem endseitig benachbart
zum Bewegungsraum vollständig mit dielektrischem Material verschlossenen
zweiten Kanalabschnitt erreicht.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der Dämpfungskolben aus Kunststoff hergestellt
ist. Dadurch ist der Einfluss des Dämpfungskolbens auf
die elektromagnetische Feldverteilung im Bewegungsraum minimal, insbesondere
wenn der Dämpfungskolben in die Dämpfungsbohrung
eintaucht.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Stellglied und/oder das Antriebsgehäuse
zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt
und/oder mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen sind.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt. Dabei zeigt:
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1 einen
Längsschnitt durch einen Linearantrieb,
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2 eine
perspektivische Darstellung eines Einsatzteils für den
Linearantrieb gemäß der 1,
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3 eine
zweite perspektivische Darstellung des Einsatzteils für
den Linearantrieb gemäß der 1,
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4 einen
ersten Querschnitt durch den Linearantrieb gemäß der 1,
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5 einen
zweiten Querschnitt durch den Linearantrieb gemäß der 1,
-
6 einen
dritten Querschnitt durch den Linearantrieb gemäß der 1,
und
-
7 einen
vierten Querschnitt durch den Linearantrieb gemäß der 1.
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Ein
in der 1 dargestellter, insbesondere als Pneumatikzylinder
ausgeführter, Linearantrieb 10 umfasst ein beispielsweise
als Zylindergehäuse ausgeführtes Antriebsgehäuse 12 und
ein im Antriebsgehäuse 12 schiebebeweglich angeordnetes,
exemplarisch als Kolbenanordnung 14 ausgebildetes Stellglied.
Die Kolbenanordnung 14 ist in einer beispielsweise mit
kreisrundem Querschnitt im Antriebsgehäuse 12 ausgebildeten
Zylinderbohrung 16 schiebebeweglich aufgenommen, die sich
in Längsrichtung des Antriebsgehäuses 12 erstreckt.
In einem in der 1 links dargestellten Endbereich
ist in der Zylinderbohrung 16 ein Führungseinsatz 18 festgelegt, der
zur Führung der Kolbenanordnung 14 dient und der
das Antriebsgehäuse 12 endseitig verschließt.
In einem dem Führungseinsatz 18 entgegengesetzten Endbereich
des Antriebsgehäuses 12 schließt sich an
die Zylinderbohrung 16 eine Antennenausnehmung 20 an.
Die Antennenausnehmung 20 dient als äußere
Begrenzung der Kanäle der nachstehend näher beschriebenen
Mikrowellenpositionssensoranordnung 22 und weist einen
in Längsrichtung variierenden Querschnitt auf, wie dies
in den 4 bis 7 näher dargestellt
ist.
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Die
Kolbenanordnung 14 umfasst eine zylindrische Kolbenstange 24,
die konzentrisch zur Zylinderbohrung 16 angeordnet ist
und die einen einstückig angeformten, scheibenförmig
ausgebildeten Kolben 26 trägt. Der Kolben 26 ist
mit mehreren, nicht näher bezeichneten, radial außenliegend
angeordneten Dicht- und Gleiteinrichtungen für eine schiebebewegliche,
abdichtende Kopplung mit der Zylinderbohrung 16 versehen.
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An
einer der Kolbenstange 24 entgegengesetzten Stirnseite
des Kolbens 26 ist ein hohlzylindrischer Dämpfungskolben 28 angebracht,
der mit einer Befestigungsschraube 30 am Kolben 26 festgelegt ist.
Der Dämpfungskolben 28 ist dazu vorgesehen, bei
einer Bewegung der Kolbenanordnung 14 in Richtung der Antennenausnehmung 20 in
eine Dämpfungsbohrung 32 eingeschoben zu werden,
die in einem Koppelteil 34 ausgebildet ist und die zusammen
mit dem Dämpfungskolben 28 eine pneumatische Endlagendämpfung
bildet. Das Koppelteil 34 ist in der Antennenausnehmung 20 festgelegt,
die bereichsweise entsprechend dem peripheren Querschnitt des Koppelteils 34 ausgebildet
ist. Das Koppelteil 34 und die Antennenausnehmung 20 bilden eine
Antennenanordnung.
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Die
Funktion des Dämpfungskolbens 28 besteht darin,
bei Einfahren in die Dämpfungsbohrung 32 ein Fluidvolumen
abzuschließen und somit eine Abbremsung der Kolbenanordnung 14 zu bewirken. Für
eine Dichtwirkung zwischen Dämpfungskolben 28 und
Dämpfungsbohrung 32 ist ein Dichtring 40 vorgesehen,
der in einer umlaufenden Nut in der Dämpfungsbohrung 32 angeordnet
ist und der exemplarisch von einem Sicherungsring 42 gehalten
wird. Der Dichtring 40 ist in der Nut derart längs
der Mittellängsachse 36 verschiebbar, dass er
bei Einfahren des Dämpfungskolbens 28 in die Dämpfungsbohrung 32 eine
zumindest nahezu vollständige Abdichtung zwischen Dämpfungsbohrung 32 und
Dämpfungskolben 28 bewirkt. Das in der Dämpfungsbohrung 32 vom
Dämpfungskolben 28 eingeschlossene Fluid kann
durch eine nicht näher dargestellte Drosselbohrung entweichen
und ermöglicht damit die sanfte Abbremsung der Kolbenanordnung 14.
Beim Ausfahren des Dämpfungskolbens 28 aus der
Dämpfungsbohrung 32 wird der Dichtring 40 derart
in der Nut verschoben, dass zumindest nahezu keine Dichtungswirkung
zwischen Dämpfungsbohrung 32 und Dämpfungskolben 28 vorliegt
und die Kolbenanordnung 14 ohne Dämpfungswirkung
ausgefahren werden kann. Der Dichtring 40 ist gegenüber
einer der Kolbenanordnung 14 zugewandten Stirnseite des
Koppelteils 34 zurückversetzt angeordnet, um keine
störende Wirkung auf die sich in der Zylinderbohrung 16 ausbreitenden
Hohlleiterwellen auszuüben.
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Das
Antriebsgehäuse 12, das Koppelteil 34 und
eine endseitig am Antriebsgehäuse 12 angebrachte
Abschlussplatte 44 begren zen ein Kanalsystem 46,
das bereichsweise gasgefüllt ist und das zur Leitung von
Hohlleiterwellen dient, die zur Bestimmung der Position der Kolbenanordnung 14 relativ zum
Antriebsgehäuse 12 genutzt werden. In dem Kanalsystem 46 sind
in den 2 bis 7 näher dargestellte
Einsatzteile 50 angeordnet, um eine räumliche
Trennung des Kanalsystems 46 gegenüber dem von
der Zylinderbohrung 16 und der Kolbenanordnung 14 begrenzten
Bewegungsraum 48 zu gewährleisten.
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Durch
eine Ausnehmung in der Abschlussplatte 44 ragt ein konzentrisch
zur Mittellängsachse 36 angeordneter Innenleiter 54 in
das Kanalsystem 46 hinein. Der Innenleiter 54 ist
durch eine Isolationsbuchse 56 elektrisch gegenüber
der Abschlussplatte 44 isoliert und ist mit einer Hochfrequenzschaltung 58 verbunden,
die als elektronische Schaltung auf einer Leiterplatte 60 verwirklicht
ist. Die Hochfrequenzschaltung 58 umfasst neben einem nicht
näher bezeichneten Oszillator zur Bereitstellung hochfrequenter
Signale eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Mikrowellen,
die über den Innenleiter 54 eingekoppelt werden.
Die exemplarisch an der nach außen gewandten Stirnseite
der Abschlussplatte 44 angebrachte Hochfrequenzschaltung 58 kann
alternativ auch abseits des Antriebsgehäuses 12 angeordnet sein
und durch einen geeigneten Wellenleiter, insbesondere mit einem
Koaxialkabel, für die Übertragung der Mikrowellen
mit dem Innenleiter 54 gekoppelt sein.
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Das
Kanalsystem 46 ist bei der vorliegenden Ausführungsform
der Erfindung spiegelsymmetrisch zu einer Spiegelebene ausgeführt,
die die Mittellängsachse 36 der Kolbenanordnung 14 umfasst
und die senkrecht zur Darstellungsebene der 1 ausgerichtet
ist.
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Das
Kanalsystem 46 umfasst erste Kanalabschnitte 62,
die sich im Wesentlichen senkrecht zur Mittellängsachse 36 erstrecken
und zweite Kanalabschnitte 64, die sich im Wesentlichen
parallel zur Mittellängsachse 36 erstrecken.
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Die
im Antriebsgehäuse 12 vorgesehene Antennenausnehmung 20 weist
in einem dem Bewegungsraum 48 entfernten Bereich einen
im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wie dies in der 7 näher
dargestellt ist. In Richtung des Bewegungsraums 48 nimmt
die Antennenausnehmung 20 einen zumindest nahezu kreiszylindrischen
Querschnitt an, wie dies aus den 6, 5 und 4 hervorgeht.
Zur Aufnahme des Koppelteils 34 weist die Antennenausnehmung 20 zwei
seitliche Nuten auf, die sich mit zunehmendem Abstand zum Bewegungsraum 48 keilförmig
aufweiten. Durch eine korrespondierende Gestaltung des Koppel teils 34 wird somit
in dieser Richtung eine Verjüngung des Kanalsystems 46 erreicht.
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Wie
aus der 7 entnommen werden kann, begrenzen
das Koppelteil 34 und das Antriebsgehäuse 12 beidseitig
der Spiegelebene jeweils einen Schachtabschnitt mit rechteckigem
Querschnitt, der einen Endbereich des zweiten Kanalabschnitts 64 bildet.
Zusammen mit den ersten Kanalabschnitten 62 bilden die
zweiten Kanalabschnitte 64 das zur Spiegelebene symmetrische,
insgesamt in etwa U-förmige oder hufeisenförmige
Kanalsystem 46 aus.
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Ausgehend
vom rechteckigen Schachtabschnitt findet längs des zweiten
Kanalabschnitts 64 in Richtung des Bewegungsraums 48 ein
Querschnittsübergang des vom Antriebsgehäuse 12 und
vom Koppelteil 34 begrenzten zweiten Kanalabschnitts 64 statt,
weshalb der zweite Kanalabschnitt 64 auch als Speisehohlleiter
bezeichnet werden kann. Bei dem Querschnittsübergang wird
der rechteckige Schachtabschnitt in Richtung der Mittellängsachse 36 in
einen im Wesentlichen kreisringabschnittsförmigen Querschnitt überführt,
wie dies den 6, 5 und 4 zu
entnehmen ist. Im Zuge des Querschnittsübergangs findet
zudem in Richtung des Bewegungsraums 48 auch eine Vergrößerung
des lichten Querschnitts des zweiten Kanalabschnitts 64 statt.
Für diese Querschnittsvergrößerung ist
das Koppelteil 34 in Richtung des Bewegungsraums 48 keilförmig
verjüngt ausgebildet, wobei mittig in der keilförmigen Geometrie
eine zylindrische Hülse einstückig angeformt ist,
die die Außenwand für die Dämpfungsbohrung 32 bildet.
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Der
erste Kanalabschnitt 62 weist in einer Querschnittsebene,
die parallel zur oben angeführten Spiegelebene ausgerichtet
ist, einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Der erste
Kanalabschnitt 62 wird von einer der Kolbenanordnung 14 zugewandten
Oberfläche 52 der Abschlussplatte 44 und
von einer gegenüberliegenden Stirnfläche 38 des
Koppelteils 34 begrenzt. Wie der 1 entnommen
werden kann, ist der erste Kanalabschnitt 62 ausgehend
von der Mittellängsachse 36 bereichsweise keilförmig
ausgebildet. Der senkrecht zur Mittellängsachse 36 ausgerichteten
Oberfläche 52 der Abschlussplatte 44 liegt
ein mit spitzem Winkel gegenüber der Mittellängsachse 36 ausgerichteter,
im Wesentlichen ebener Stirnflächenabschnitt 66 des
Koppelteils 34 gegenüber. An diesen keilförmigen
Abschnitt schließt sich ein quaderförmiger Abschnitt
an, der durch die Oberfläche 52 der Abschlussplatte 44 und
der Stirnfläche 38 des Koppelteils 34 sowie durch
parallele Seitenflächen 68, 70 des Antriebsgehäuses 12 begrenzt
wird.
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Die
in den zweiten Kanalabschnitten 64 angeordneten, in den 2 und 3 näher
dargestellten Einsatzteile 50 sind aus Kunststoff hergestellt und
weisen jeweils eine dem Bewegungsraum 48 zugewandte Frontplatte 72 auf.
Die geschlossene Stirnfläche der Frontplatte 72 gewährleistet
eine Abschottung des Bewegungsraums 48 gegenüber
einem vom Antriebsgehäuse 12 und dem Koppelteil 34 begrenzten,
die beiden Kanalabschnitte 62 und 64 umfassenden
Antennenraum 74. An einer dem Bewegungsraum 48 entgegengesetzten
Oberfläche der Frontplatte 72 ragen keilförmig
ausgebildete Rippen 76 ab. Die Rippen 76 verjüngen
sich mit zunehmendem Abstand von der Frontplatte 72. Sie
sind bei der dargestellten Ausführungsform der Einsatzteile 50 in gleicher
Teilung an der Frontplatte 72 befestigt und weisen die
gleiche Länge auf.
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Endbereiche
der Rippen 76 reichen bis kurz vor den in 7 dargestellten
rechteckigen Querschnitt des zweiten Kanalabschnitts 64.
Schmalseiten 78, 80 der Rippen 76 liegen
am Koppelteil 34 bzw. am Antriebsgehäuse 12 an.
Dadurch werden mehrere durch die Rippen 76 voneinander
getrennte, vorzugsweise luftgefüllte, Räume gebildet,
die sich in Richtung des Bewegungsraums 48 verjüngen.
Durch diese Ausgestaltung der Einsatzteile 50 wird erreicht, dass
die vom ersten Kanalabschnitt 62 eintreffenden elektromagnetischen
Wellen reflexionsarm in das aus einem dielektrischen Material hergestellte
Einsatzteil 50 eingekoppelt werden, um anschließend am Übergang
zur Zylinderbohrung 16 in Richtung der Kolbenanordnung 14 möglichst
vollständig ausgekoppelt zu werden.
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Die
Mikrowellenpositionssensoranordnung 22 umfasst den als
Monopol dienenden Innenleiter 54, die ersten und zweiten
Kanalabschnitte 62 und 64 sowie die in den Kanalabschnitten 64 angeordneten Einsatzteile 50.
Von der Hochfrequenzschaltung 58 bereitgestellte elektromagnetische
Wellen werden vom Innenleiter 54 durch die Abschlussplatte 44 in das
Kanalsystem 46 geleitet und dort ausgekoppelt. Von dort
aus durchlaufen sie das Kanalsystem 46 und treten nach
Passieren der jeweiligen Frontplatte 72 als Hohlleiterwelle
in den jeweiligen Bewegungsraum 48 aus. Dabei ergänzen
sich die beiden in den jeweiligen zweiten Kanalabschnitten 64 vorherrschenden
H10-Hohlleiterwellen zu einer einzigen E01-Hohlleiterwelle im Bewegungsraum 48.
An der Kolbenanordnung 14 reflektierte elektromagnetische Wellen
werden durch die jeweilige Einsatzteile 50 hindurch in
die Kanalabschnitte 62, 64 und von dort aus in
den Innenleiter 54 eingekoppelt und können von
der Auswerteeinrichtung in der Hochfrequenzschaltung 58 zur
Ermittlung der Position der Kolbenanordnung 14 verwendet
werden. Aufgrund des aus der Hochfrequenztechnik bekannten Reziprozitätstheorems
ist eine Anordnung zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen im
Allgemeinen gleichermaßen zum Empfang elektromagnetischer
Wellen geeignet.
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Durch
die U-förmige Anordnung der Kanalabschnitte 62 und 64 wird
erreicht, dass die aus den zweiten Kanalabschnitten 64 durch
die Frontplatten 72 in den Bewegungsraum 48 ausgekoppelten
Hohlleiterwellen um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind, so
dass sich im Bewegungsraum 48 die bevorzugte E01-Welle
ausbildet, die sich in der kreiszylindrisch ausgebildeten Zylinderbohrung 16 besonders
reflexionsarm von der Stirnseite her anregen lässt.
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Die
Bestimmung der Position der Kolbenanordnung 14 im Antriebsgehäuse 12 erfolgt
vorzugsweise durch Auswertung von Interferenzen, wie sie zwischen
den vom Innenleiter 54 abgestrahlten und den an der Kolbenanordnung 14 reflektierten
und vom Innenleiter 54 empfangenen elektromagnetischen
Wellen hervorgerufen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10205904
A1 [0006]
- - EP 07011246 [0007]