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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsbestimmungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, Stellpositionen eines Aktuators oder eines Ventils zu bestimmen. Die Positionsbestimmungsvorrichtung umfasst einen Sensor und ein Referenzmittel, wobei das Referenzmittel in Abhängigkeit von der Stellposition des Aktuators oder des Ventils relativ zum Sensor bewegbar ist. Das Referenzmittel weist eine Messfläche auf, die abschnittsweise in einem Erfassungsbereich des Sensors angeordnet ist. Dabei variiert der im Erfassungsbereich des Sensors angeordnete Abschnitt der Messefläche in Abhängigkeit von der Relativposition des Referenzmittels zum Sensor. Zur Bestimmung der Stellposition des Aktuators oder des Ventils ist der Sensor dazu ausgebildet, den Abstand zu dem im Erfassungsbereich befindlichen Abschnitt der Messflächen zu detektieren.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Proportionalventil und einen Aktuator, welche jeweils die eingangs beschriebene Positionsbestimmungsvorrichtung aufweisen.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Positionsbestimmungsvorrichtungen bekannt, die als Inkrementalgeber oder als Schrittzähler ausgebildet sind. Derartige Positionsbestimmungsvorrichtungen bedingen bei Systemstart einen Initialisierungsvorgang. Im Rahmen des Initialisierungsvorgangs wird der zu überwachende Aktuator oder das zu überwachende Ventil in eine Start-, End- und/oder eine Referenzposition bewegt (Referenzfahrt). Sobald sich der zu überwachende Aktuator oder das zu überwachende Ventil in einer dieser Positionen befindet, wird die aus dem Stand der Technik bekannte Positionsbestimmungsvorrichtung initialisiert bzw. „genullt“. Jede auf den Initialisierungsvorgang folgende Änderung der Stellposition des zu überwachenden Aktuators oder des zu überwachenden Ventils wird ausgehend von der Start-, End- und/oder der Referenzposition bestimmt.
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Im Betrieb eines Aktuators und/oder eines Ventils kann es allerdings dazu kommen, dass Systeme, die mit der Positionsbestimmungsvorrichtung verbunden sind (z.Bsp: Stromversorgung, Steuerungs- / Regelungselektronik), temporär ausfallen und/oder neu gestartet werden müssen. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Positionsbestimmungsvorrichtungen macht ein solcher Ausfall und/oder Neustart einen erneuten Initialisierungsvorgang und dementsprechend auch eine erneute Referenzfahrt des Aktuators oder des Ventils erforderlich. Die Wiederholung eines Initialisierungsvorgangs beeinflusst den Betrieb des zu überwachenden Aktuators oder des zu überwachenden Ventils in einer ungewünschten bzw. negativen Art und Weise. Der Aktuator bzw. das Ventil steht während der Referenzfahrt nicht für seine eigentliche Verwendung zur Verfügung.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörige Positionsbestimmungsvorrichtung zu schaffen, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere ist es eine erste Aufgabe der Erfindung, eine Positionsbestimmungsvorrichtung vorzuschlagen, die zur Initialisierung keine Referenzfahrt des zu überwachenden Aktuators oder des zu überwachenden Ventils benötigt. Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, ein Proportionalventil bereitzustellen, dass ohne Referenzfahrt betrieben werden kann. Analog dazu ist es eine dritte Aufgabe der Erfindung, einen Aktuator bereitzustellen, der ohne Referenzfahrt betrieben werden kann.
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Die erste Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 13 gelöst. Die dritte Aufgabe wird mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 15 gelöst. Jeweils vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die erfindungsgemäße Positionsbestimmungsvorrichtung ist dazu ausgebildet die Stellposition eines Aktuators oder eines Ventils, insbesondere eines Proportionalventils, zu erfassen. Beispielsweise kann die Positionsbestimmungsvorrichtung dazu ausgebildet sein in einem Fahrzeug verwendet zu werden, um die Stellposition eines Aktuators oder eines Ventils im Fahrzeug zu erfassen. Der Aktuator oder das Ventil kann vorzugsweise in einem Antriebsstrang des Fahrzeugs, vorzugsweise im Motor und/oder Getriebe des Fahrzeugs, in einem Hydraulikkreis des Fahrzeugs und/oder im Fahrwerk des Fahrzeugs vorgesehen sein.
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Unter dem Begriff „AI<tuator“ wird im Folgenden eine antriebstechnische Vorrichtung verstanden, die ein Eingangssignal, vorzugsweise ein elektrisches Eingangssignal, in eine mechanische Bewegung und/oder in eine Veränderung einer physikalischen Größe, wie beispielsweise Druck oder Temperatur, umsetzt. Beispielsweise sind Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder, Elektrozylinder, und/oder Elektromotoren, insbesondere Schrittmotoren, Aktuatoren im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Erfindungsgemäß umfasst die Positionsbestimmungsvorrichtung einen Sensor und ein Referenzmittel. Der Sensor weist einen Erfassungsbereich auf, wobei der Sensor innerhalb des Erfassungsbereichs bevorzugt eine physikalische Größe erfassen bzw. detektieren kann. Bei der zu erfassenden bzw. zu detektierenden physikalischen Größe handelt es sich um einen Abstand zwischen dem Sensor und dem Referenzmittel, insbesondere um einen Abstand zwischen dem Sensor und einem Abschnitt einer Messefläche des Referenzmittels. Der Sensor kann beispielsweise ein optischer Abstandssensor und/oder ein elektromagnetische Abstandssensor sein.
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Das Referenzmittel ist vom Sensor beabstandet und relativ zum Sensor bewegbar. Dabei ist die Relativposition des Referenzmittels in Bezug auf den Sensor von der Stellposition des Aktuators oder des Ventils abhängig. Mit anderen Worten kann eine Änderung der Stellposition des Aktuators oder eine Änderung der Stellposition des Ventils eine Änderung, vorzugsweise eine unmittelbare Änderung, der Relativposition des Referenzmittels in Bezug auf den Sensor bewirken. Vorteilhafterweise ist das Referenzmittel mit einem Bauteil des Aktuators, insbesondere mit einem Übertragungsmittel des Aktuators, oder einem Bauteil des Ventils, insbesondere mit einem Steuerkolben des Ventils, dreh- und verschiebefest verbunden.
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Das erfindungsgemäße Referenzmittel weist eine Messfläche auf, die abschnittsweise im Erfassungsbereich des Sensors angeordnet ist. Dabei variiert der im Erfassungsbereich befindliche Abschnitt der Messfläche in Abhängigkeit von der Relativposition des Referenzmittels in Bezug auf den Sensor. Beispielsweise ist in einer ersten Relativposition ein erster Abschnitt der Messefläche im Erfassungsbereich des Sensors angeordnet. Nimmt das Referenzmittel eine von der ersten Relativposition abweichende zweite Relativposition ein, befindet sich vorzugsweise ein vom ersten Abschnitt unterschiedlicher zweiter Abschnitt im Erfassungsbereich des Sensors. Das Referenzmittel ist so ausgebildet, dass sich der Abstand zwischen der Messfläche und dem Sensor innerhalb des Erfassungsbereichs in Abhängigkeit von der Relativposition des Referenzmittels zum Sensor ändert. Anders formuliert kann der erste Abschnitt, wenn sich der erste Abschnitt im Erfassungsbereich befindet, einen anderen Abstand zum Sensor aufweisen, wie der zweite Abschnitt, wenn sich der zweite Abschnitt im Erfassungsbereich befindet.
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Unter einem „Abschnitt der Messfläche“ wird im folgenden ein Teilbereich der Messfläche verstanden, der für den Sensor erfassbar bzw. detektierbar ist. Die Größe des Abschnitts kann in Abhängigkeit von der Sensibilität und/oder dem Auflösungsvermögen des Sensors variieren. Die Größe des Abschnitts ist insbesondere vom Erfassungsbereich des Sensors abhängig. Handelt es sich bei dem Sensor beispielsweise um einen Lichtsensor, kann der im Erfassungsbereich des Lichtsensors befindliche Abschnitt der Messflächen in Abhängigkeit vom Brennpunkt des Lichtsensors beliebig klein sein.
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Die erfindungsgemäße Positionsbestimmungsvorrichtung hat den Vorteil, dass jedem gemessenen Abstand eine bestimmte Relativposition des Referenzmittels in Bezug auf den Sensor zugeordnet werden kann. Somit kann Anhand des gemessenen Abstands auch die Stellposition des Aktuators oder des Ventils bestimmt werden, ohne dass es einer nachteiligen Referenzfahrt durch den Aktuator oder durch das Ventil bedarf.
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Vorzugsweise ist in jeder Relativposition des Referenzmittels ein Abschnitt der Messfläche im Erfassungsbereich des Sensors angeordnet. Dies bewirkt vorteilhafterweise, dass über den Sensor zu jeder Zeit ein Abstand detektiert werden kann. Dementsprechend kann die Stellposition des Aktuators oder des Ventils vollkommen unabhängig von einer Referenzfahrt und/oder eines Initialisierungsvorgangs bestimmt werden.
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Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform kann jedem durch den Sensor gemessenen Abstand eine Stellposition des Aktuators oder des Ventils unmittelbar und/oder eineindeutig zugeordnet werden. Dies hat den Vorteil, dass durch den Sensor keine Abstandsmessungen erfolgen können, denen mehrere Stellpositionen zugeordnet werden können. Dadurch wird die Fehleranfälligkeit der Positionsbestimmungsvorrichtung minimiert.
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Das Referenzmittel weist bei einer weiteren Ausführungsform der Positionsbestimmungsvorrichtung eine Kulisse, insbesondere eine Messl<ulisse auf. Vorzugsweise bildet eine Außenfläche der Kulisse, insbesondere eine dem Sensor zugewandte Außenfläche der Kulisse, die Messfläche. Die Kulisse kann eine spezifische Struktur, Kontur und/oder Form des Referenzmittels sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kulisse eine an einem Grundkörper des Referenzmittels angebrachte Struktur, Kontur und/oder Form sein. Beispielsweise kann die Kulisse eine mit dem Grundkörper verbundene, insbesondere unlösbar oder lösbar verbundene Struktur, Kontur und/oder Form sein. Dies hat den Vorteil, dass für unterschiedliche Verwendungsformen unterschiedliche Kulissen bereitgestellt werden können. Eine lösbar mit dem Grundkörper verbundene Kulisse hat zusätzlich den Vorteil, dass die Kulisse nachträglich an die erforderliche Verwendung angepasst werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Kulisse eine einteilig mit dem Grundkörper ausgebildete, insbesondere mit dem Grundkörper urgeformte, Struktur, Kontur und/oder Form sein. Dies bewirkt, dass das Referenzmittel kostengünstig und einfach hergestellt werden kann.
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Die Messfläche kann eine in Bewegungsrichtung des Referenzmittels stetig ansteigende oder abfallende Fläche sein. Dies hat den Vorteil, dass sich der Abstand zwischen der Messefläche und dem Sensor bei einer Bewegung des Referenzmittels ändert. Alternativ oder zusätzlich kann die Messfläche insgesamt oder zumindest abschnittsweise konkav und/oder konvex geformt sein. Dies hat den Vorteil, dass die Stellposition des Aktuators oder des Ventils in bestimmten Bereichen mit einer höheren Auflösung bzw. genauer bestimmt werden kann.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Positionsbestimmungsvorrichtung kann das Referenzmittel in Bezug auf den Sensor um eine Drehachse drehbar sein. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei der zu bestimmenden Stellposition um eine Drehwinkelposition handelt. Bei einer solchen Ausführungsformen kann der Sensor orthogonal zur Drehachse des Referenzmittels ausgerichtet sein. Das heißt, dass sich der Erfassungsbereich des Sensors im Wesentlichen orthogonal zur Drehachse erstreckt. Eine solche Anordnung ist insbesondere für Aktuatoren oder Ventile mit geringem axialen Bauraum von Vorteil. Alternativ kann der Sensor parallel zur Drehachse des Referenzmittels ausgerichtet sein. Dabei kann sich der Erfassungsbereich des Sensors im Wesentlichen parallel zur Drehachse erstrecken. Eine solche Anordnung ist insbesondere für Aktuatoren oder Ventile mit geringem radialen Bauraum von Vorteil. Unter dem vorstehenden Begriff „im Wesentlichen“ wird eine Abweichung von weniger als 10° verstanden.
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Bei Ausführungsformen, bei denen das Referenzmittel in Bezug auf den Sensor um eine Drehachse drehbar ist, kann das Referenzmittel eine Außenmantelfläche aufweisen, die sich exzentrisch um die Drehachse erstreckt. Bevorzugt bildet die Außenmantelfläche die Messfläche. Dies hat den Vorteil, dass sich aufgrund der Exzentrizität der Abstand zwischen der Messfläche und dem Sensor ändert, wenn sich das Referenzmittel dreht. Die Außenmantelfläche kann eine Außenmantelfläche einer zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Kulisse des Referenzmittels sein. Vorzugsweise ist die zylindrische, insbesondere kreiszylindrische, Kulisse exzentrisch zur Drehachse angeordnet. Alternativ kann der Querschnitt der zylindrischen Kulisse des Referenzmittels elliptisch ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Stellposition des Aktuators oder des Ventils in bestimmten Bereichen mit einer höheren Auflösung bestimmt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass lineare Bewegungen des Referenzmittels durch den Sensor als nicht lineare Bewegungen erfasst werden können.
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Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann sich die Messfläche schneckenförmig um die Drehachse erstrecken. Mit anderen Worten kann sich der radiale Abstand zwischen der Messfläche und der Drehachse in Umfangsrichtung ändern, insbesondere zunehmen und/oder abnehmen. Dies hat den Vorteil, dass sich der Abstand zwischen der Messfläche und dem Sensor bei einer Drehung des Referenzmittels über 360° ändert, ohne dass ein bestimmter Abstand mehrfach detektiert werden kann. Dadurch ist die Positionsbestimmungsvorrichtung weniger fehleranfällig.
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Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform kann sich die Messfläche spiralförmig bzw. wendelartig um die Drehachse erstrecken. Anders formuliert kann sich die Messfläche schneckenförmig und axial entlang der Drehachse erstrecken. Vorzugsweise ändert sich auch hier der radiale Abstand zwischen der Messfläche und der Drehachse in Umfangsrichtung bzw. in Drehrichtung des Referenzmittels. Dies hat den Vorteil, dass die Stellposition des Aktuators oder des Ventils sowohl in translatorisch, als auch in rotatorischer Hinsicht bestimmt werden kann.
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Bei Ausführungsformen, bei denen das Referenzmittel in Bezug auf den Sensor um eine Drehachse drehbar ist und der Sensor im Wesentlichen parallel zur Drehachse ausgerichtet ist, kann die Messfläche an einer dem Sensor zugewandten axialen Stirnwand des Referenzmittels angeordnet sein. Vorzugsweise ändert sich die axiale Höhe der Messfläche in Umfangsrichtung. Anders formuliert nimmt die axiale Höhe der Messfläche über eine Umdrehung des Referenzmittels zu und/oder ab.
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Das Referenzmittel kann bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Positionsbestimmungsvorrichtung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position translatorisch hin und her bewegbar sein. Bei einer solchen Ausführungsform kann die Messfläche eine dem Sensor zugewandte Außenfläche des Referenzmittels sein. Bevorzugt weist das Referenzmittel eine Kulisse auf, die in und/oder entgegen der Bewegungsrichtung des Referenzmittels eine Steigung und/oder ein Gefälle aufweist. Die Messfläche ist vorzugsweise eine dem Sensor zugewandte Außenfläche der Kulisse.
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Die Steigung und/oder das Gefälle der Kulisse kann stetig ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kulisse eine in Bezug auf den Sensor konkave und/oder konvexe Form aufweisen. Beispielsweise kann die Kulisse einen stetig ansteigenden Abschnitt, einen Abschnitt mit einer größeren stetigen Steigung, einen konkav geformten Abschnitt und/oder einen konvex geformten Abschnitt aufweisen. Mit anderen Worten kann die Kulisse mehrere Teilabschnitte umfassen, die jeweils eine unterschiedliche Form aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Stellposition des Aktuators oder des Ventils in bestimmten Bereichen mit einer höheren Auflösung bzw. genauer bestimmt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass lineare Bewegungen des Referenzmittels durch den Sensor als nicht lineare Bewegungen erfasst werden können.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Proportionalventil welches eine der vorgenannten Positionsbestimmungsvorrichtungen aufweist. Das Proportionalventil ist dazu ausgebildet den Volumenstrom eines Fluids zu regulieren. Das Proportionalventil umfasst ein Gehäuse mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass. Im Gehäuse ist ein Steuerkolben angeordnet, der zwischen einer ersten Kolbenposition und einer von der ersten I<olbenposition abweichenden zweiten I<olbenposition hin und her bewegbar ist. In der ersten I<olbenposition ist der Fluideinlass uneingeschränkt fluidl<ommunizierend mit dem Fluidauslass verbunden. In der zweiten I<olbenposition wird der Fluideinlass durch den Steuerkolben vom Fluidauslass fluidisch getrennt. Vorteilhafterweise kann der Steuerkolben zwischen der ersten I<olbenposition und der zweiten I<olbenposition beliebig viele weitere Kolbenpositionen einnehmen. In den weiteren Kolbenpositionen kann der Volumenstrom des Fluids vorzugsweise unterschiedlich stark gedrosselt werden. Mittels der Positionsbestimmungsvorrichtung kann die Kolbenposition des Steuerkolbens bestimmt werden. Vorzugsweise ist hierfür das Referenzmittel unmittelbar oder mittelbar mit dem Steuerkolben verbunden. Das Proportionalventil kann als Mehrwegeventil, beispielsweise als 3/2-Wegeventil oder als 5/2-Wegeventil, ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann das Proportionalventil dazu ausgebildet sein mehr als zwei Fluidkanäle miteinander fluidisch zu verbinden, fluidisch voneinander zu trennen und/oder den Fluidstrom zwischen den mehr als zwei Fluidkanäle zu drosseln.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Proportionalventils wird der Steuerkolben über eine Antriebswelle eines Aktuators angetrieben. Bei dem Aktuator kann es sich beispielsweise um einen Schrittmotor und/oder um Elel<tromagnetal<tuatoren handeln. Es ist denkbar, dass eine Drehbewegung der Antriebswelle über ein Getriebe in eine translatorische Bewegung des Steuerkolbens umgewandelt werden kann. Vorzugsweise umfasst das Proportionalventil bei einer solchen Ausführungsform mehrere, insbesondere zwei, Positionsbestimmungsvorrichtungen im Sinne der obigen Ausführungen. Beispielsweise kann die Stellposition der Antriebswelle, insbesondere die Drehwinkelposition der Antriebswelle, mittels einer ersten Positionsbestimmungsvorrichtung bestimmt werden. Die Kolbenposition des Steuerkolbens kann durch eine zweite Positionsbestimmungsvorrichtung bestimmt werden. Die Ausführungsform des Proportionalventils mit mehreren Positionsbestimmungsvorrichtungen hat den Vorteil, dass die Kolbenposition des Steuerkolbens in der Zusammenschau der durch die Positionsbestimmungsvorrichtungen gemessenen Abstände hoch genau bzw. mit einer sehr hohen Auflösung bestimmt werden kann.
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Bei dem Proportionalventil kann es sich insbesondere um ein Luftventil handeln. Alternativ kann es sich bei dem Proportionalventil um ein Hydraulikventil handeln. Das Proportionalventil kann für die Verwendung in Fahrzeugen vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Proportionalventil Bestandteils eines Fahrwerks, insbesondere eines Fahrwerks für ein Kraftfahrzeug, sein. Davon unabhängig kann das Ventil in einem Antriebsstrang des Fahrzeugs, vorzugsweise im Motor und/oder Getriebe des Fahrzeugs, und/oder in einem Hydraulikkreis des Fahrzeugs vorgesehen sein.
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Davon unabhängig betrifft die Erfindung auch einen Aktuator, der eine Positionsbestimmungsvorrichtung im Sinne der obigen Ausführungen aufweist. Der Aktuator umfasst eine Antriebseinrichtung, beispielsweise einen Elektromotor, einen Hydraulikantrieb oder einen Pneumatikantrieb. Die Antriebseinrichtung ist dazu ausgebildet ein Übertragungsmittel des Aktuators anzutreiben. Zur Bestimmung der Stellposition des Aktuators und insbesondere zur Bestimmung der Stellposition des Übertragungsmittels ist das Referenzmittel der Positionsbestimmungsvorrichtung mit der Übertragungsmittel verbunden. Vorzugsweise ist das Referenzmittel unmittelbar und/oder dreh- und verschiebefest mit dem Übertragungsmittel verbunden. Alternativ kann das Referenzmittel auch mittelbar, also über andere Bauteile mit dem Übertragungsmittel verbunden sein.
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Die oben beschriebenen, unterschiedlichen und beispielhaften Merkmale können erfindungsgemäß miteinander kombiniert werden, soweit dies technisch sinnvoll und geeignet ist. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen:
- 1 Eine Schnittansicht eines Aktuators mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Positionsbestimmungsvorrichtung;
- 2 Eine perspektivische Teildarstellung des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels der Positionsbestimmungsvorrichtung;
- 3 Eine perspektivische Schnittansicht des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels der Positionsbestimmungsvorrichtung;
- 4 Eine perspektivische Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Positionsbestimmungsvorrichtung;
- 5 Eine perspektivische Schnittansicht des in 4 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels der Positionsbestimmungsvorrichtung;
- 6 Eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Positionsbestimmungsvorrichtung;
- 7 Eine perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Positionsbestimmungsvorrichtung.
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Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt einen Aktuator 7, dessen Stellposition durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Positionsbestimmungsvorrichtung 1 bestimmt wird. Der Aktuator 7 umfasst eine Antriebseinrichtung 8 und ein Übertragungsmittel 9, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel als Antriebswelle 9 ausgebildet ist. Im Betrieb des Aktuators 7 treibt die Antriebseinrichtung 8 das Übertragungsmittel 9 an. Das heißt, dass das Übertragungsmittel 9 durch die Antriebseinrichtung 8 in eine Drehbewegung versetzt wird. Das Übertragungsmittel 9 dreht sich um eine Drehachse D. Die Antriebseinrichtung 8 kann ein Schrittmotor 8 oder ein anders gearteter Motor 8 sein.
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Die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 umfasst einen Sensor 2 und ein Referenzmittel 4. Das Referenzmittel 4 ist drehunbeweglich und verschiebefest mit dem Übertragungsmittel 9 verbunden. Das heißt, dass eine Drehbewegung des Übertragungsmittel 9 unmittelbar zu einer Drehbewegung des Referenzmittels 4 führt. Die Drehachse D des Übertragungsmittels 9 entspricht der Drehachse D des Referenzmittels 4.
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Darüber hinaus weist die Positionsbestimmungsvorrichtung 1 einen Sensor 2, insbesondere einen Abstandssensor 2, auf, dessen Erfassungsbereich 3 auf das Referenzmittel 4, insbesondere auf eine Messfläche 6 des Referenzmittels 4, gerichtet ist.
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Die 2 und 3 zeigen das in 1 abgebildete Ausführungsbeispiel der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 jeweils in einer perspektivischen Darstellung. Zum besseren Verständnis des Aufbaus des Referenzmittels 4 wird nunmehr auf die 2 und 3 Bezug genommen.
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Das Referenzmittel 4 umfasst im ersten Ausführungsbeispiel einen zylindrischen Grundkörper 5. Im Erfassungsbereich 3 des Sensors 2 weist der Grundkörper 5 eine zylindrische, insbesondere kreiszylindrische, Kulisse auf. Die Mittelachse der Kulisse ist in Bezug auf die Drehachse D parallel versetzt ist. Die Kulisse wird in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel axial durch kreiszylindrische Formen des Grundkörpers 5 begrenzt, deren Mittelachsen koaxial zur Drehachse D angeordnet sind. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass der Grundkörper 5 ausschließlich als zylindrische, insbesondere kreiszylindrischen, Kulisse ausgebildet ist, deren Mittelachse zur Drehachse D parallelversetzt ist. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn der axiale Bauraum begrenzt ist. Je nach Anwendungsfall kann die Kulisse des Grundkörpers 5 auch einen elliptischen Querschnitt aufweisen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die Außenmantelfläche der Kulisse des Grundkörpers 5 die Messfläche 6. Aufgrund der Exzentrizität der Mittelachse der Kulisse des Grundkörpers 5 in Bezug auf die Drehachse D ändert sich der Abstand zwischen der Messfläche 6 und dem Sensor 2, sobald das Referenzmittel 4 seine Relativposition zum Sensor 2 ändert.
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Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die in 1 gezeigte Antriebseinrichtung 8 das Übertragungsmittel 9 antreibt. Dabei wird das Referenzmittel 4 entsprechend der Drehbewegung des Übertragungsmittels 9 in Bezug auf den Sensor 2 verdreht. In der Folge bewegt sich auch die Messfläche 6 in Bezug auf den Sensor 2, so dass ein anderer Abschnitt der Messfläche 6 in den Erfassungsbereich 3 hinein gedreht wird. Dadurch vergrößert oder verkleinert sich der Abstand zwischen dem Sensor 2 und Messfläche 6 im Erfassungsbereich 3.
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Der Sensor 2 ist dazu ausgebildet, den Abstand zwischen dem Sensor 2 und der Messfläche 6 im Erfassungsbereich 3 zu detektieren. Der gemessene Abstand kann dann entweder unmittelbar und/oder mittelbar über nachgeschaltete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtungen verarbeitete und/oder ausgewertet werden. Der gemessene Abstand korreliert dabei direkt mit einer Stellposition des Aktuators 7, insbesondere mit einer Drehwinkelsteilung des Übertragungsmittels 9.
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Das in den 1-3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist dazu geeignet Drehwinkelsteilungen des Übertragungsmittels 9 im Bereich von 0° bis 180° eineindeutig zu bestimmen. Das heißt, dass jeder Drehwinkelsteilung des Übertragungsmittels 9 im Bereich von 0° bis 180° ein spezifischer Abstand zwischen den Sensor 2 und der Messfläche 6 zugeordnet werden kann.
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Ein in die 4 und 5 gezeigtes zweites Ausführungsbeispiel der Positionsbestimmungsvorrichtung 1, ist zur Bestimmung der Stellposition des Aktuators 7, insbesondere zur Bestimmung der Drehwinkelsteilung des Übertragungsmittels 9, über einen Bereich von 0° bis 360° geeignet. Das zweite Ausführungsbeispiel der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 weist ein Referenzmittel 4 auf, welches einen Grundkörper 5 mit einer schneckenförmigen Kulisse umfasst. Der radiale Abstand zwischen der Außenmantelfläche und der Mittelachse der schneckenförmigen Kulisse ändert sich in Umfangsrichtung. In dem in 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt der radiale Abstand zwischen der Außenmantelfläche und der Mittelachse der schneckenförmigen Kulisse von 0° bis 360° stetig zu.
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Davon unabhängig entspricht die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels der Positionsbestimmungvorrichtung 1 den in den 1 bis 3 gezeigtem ersten Ausführungsbeispiel.
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6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Positionsbestimmungsvorrichtung 1. Das dritte Ausführungsbeispiel ist zur Bestimmung der Stellposition des Aktuators 7, insbesondere zur Bestimmung der Drehwinkelsteilung des Übertragungsmittels 9, über einen Bereich von 0° bis 360° geeignet. Das dritte Ausführungsbeispiel ist insbesondere für Verwendungen von Vorteil, bei denen ein begrenzter radialer Bauraum zur Verfügung steht.
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Die in 6 gezeigte Positionsbestimmungsvorrichtung 1 unterscheidet sich in Bezug auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele dahingehend, dass der Erfassungsbereich 3 des Sensors 2 im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Referenzmittels 4 ausgerichtet ist. Die Messfläche 6 ist an einer dem Sensor 2 zugewandten axialen Stirnfläche des Grundkörpers 5 angeordnet. Die axiale Höhe der Messfläche 6 ändert sich dabei in Umfangsrichtung. Bei der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 gemäß 6 nimmt die axiale Höhe der Messfläche 6 in Umfangsrichtung stetig zu. Alternativ sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die axiale Höhe der Messfläche 6 in Umfangsrichtung unregelmäßig zunimmt.
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Davon unabhängig entspricht die Funktionsweise des dritten Ausführungsbeispiel der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 denen der vorangegangenen Ausführungsbeispiele.
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7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Positionsbestimmungsvorrichtung 1. Das vierte Ausführungsbeispiel ist insbesondere zur Bestimmung von translatorisch veränderlichen Stellpositionen geeignet. Mögliche translatorische Bewegungsrichtungen verlaufen beim vierten Ausführungsbeispiel längsseits des Referenzmittels 4. Die translatorische Bewegung des Referenzmittels 4 erfolgt dabei innerhalb einer imaginären Bewegungsebene.
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Bei der in 7 dargestellten Positionsbestimmungsvorrichtung 1 ist die Messfläche 6 eine dem Sensor zugewandte Außenfläche einer Kulisse. Die Kulisse ist auf den Grundkörper 5 aufgesetzt oder mit diesem einstückig ausgebildet, insbesondere urgeformt. Der orthogonale Abstand zwischen der Messfläche 6 und der imaginären Ebene ändert sich in Bewegungsrichtung des Referenzmittels 4.
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Bei einer translatorischen Bewegung des Referenzmittels 4 ändert sich der im Erfassungsbereich befindliche Abschnitt der Messfläche 6. Mit anderen Worten wird bei einer Verschiebung des Referenzmittels 4 ein anderer Abschnitt der Messfläche 6 in den Erfassungsbereich geschoben. Dadurch ändert sich bei einer translatorischen Bewegung des Referenzmittels 4 auch der Abstand zwischen dem Sensor 2 und der Messfläche 6.
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Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen detektiert der Sensor 2 den Abstand zwischen dem Sensor 2 und der Messfläche 6 im Erfassungsbereich. Der gemessene Abstand kann dann entweder unmittelbar und/oder über nachgeschaltete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtungen verarbeitete und/oder ausgewertet werden. Der gemessene Abstand korreliert direkt mit einer Stellposition des Aktuators oder des Ventils, insbesondere mit einer Stellposition eines Steuerkolbens des Aktuators oder des Ventils.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Positionsbestimmungsvorrichtung
- 2
- Sensor
- 3
- Erfassungsbereich
- 4
- Referenzmittel
- 5
- Grundkörper
- 6
- Messfläche
- 7
- Aktuator
- 8
- Antriebseinrichtung
- 9
- Übertragungsmittel
- D
- Drehachse
