DE19624233C1 - Vorrichtung zur linearen Wegaufnahme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur linearen Wegaufnahme mit

• - Flußstücken, die einen ersten Luftspalt und einen zu diesem senkrecht liegenden zweiten Luftspalt ausbil­ den,
• - einem Sensor, der im zweiten Luftspalt angeordnet ist,
• - einem Magnetelement, das an einem Bolzen angeordnet und im ersten Luftspalt gegenüber dem Sensor linear verschiebbar ist,
• - einer Leiterplatte, die mit dem Sensor verbunden ist und
• - einem Außengehäuse, aus dem der Bolzen teilweise her­ ausragt.

Ein der eingangs genannten Vorrichtung zugrunde liegen­ des Prinzip der linearen Wegaufnahme mit einem Magnet­ element ist aus der WO 93/23 720 bekannt. Dieser Wegauf­ nehmer besteht aus einem ferromagnetischen Teil, der einen Hauptspalt aufweist, in dessen Inneren sich ein schmales, längs des Hauptspalts linear beweglich ange­ ordnetes Magnetelement befindet, und eine Meßvorrichtung zur Messung der magnetischen Induktion mittels eines Sen­ sors. Dieser Sensor befindet sich in einem zu vorgenann­ tem Hauptspalt senkrechten Nebenspalt.

Nachteilig ist, daß die Vorrichtung zur linearen Wegauf­ nahme unveränderlich ist im Hinblick auf die Stellung des Sensors relativ zum Außengehäuse und daß deshalb eine Meßbereichsoptimierung nicht vorgenommen werden kann. Weiterhin ist der Wegaufnehmer und seine Montage aufgrund seines komplexen Aufbaus aufwendig.

Aus der DE 32 42 537 Al ist ein induktiver Wegaufnehmer bekannt. Er besteht aus einem Spulenkörper, der teilweise im verlängerten, ferritischen Druckrohr geführt ist.

Mittels einer von außen einstellbaren Schraube wird eine Fein- und Nachjustierung des Spulenkörpers gegenüber dem Kern nur deshalb vorgenommen, um auftretende Druck- und Dichtigkeitsprobleme zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine Vorrichtung zur linearen Wegaufnahme der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, daß die Stellung des Sensors relativ zum Außengehäuse einfach zu justieren ist und damit ein Arbeiten im optimalen Meßbereich erleichtert wird und daß sie einfach und präzise zu montieren ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß durch eine Halteeinrichtung Fluß­ stücke und Sensor aufgenommen werden, so daß sich die Endmontage erleichtert und zugleich mit einer hohen Präzision durchführbar ist. Durch die Verschiebbarkeit der Halteeinrichtung im Außengehäuse läßt sich der Sen­ sor gegenüber dem Magneten einfach und genau einjustie­ ren. Darüber hinaus sind Wartung und Reparatur einfach und schnell durchzuführen.

Vorteilhaft ist es, wenn in der Außengehäuseinnenwand wenigstens eine Führungsnut parallel zur Bolzenachse vorhanden ist, in die ein Steg der Halteeinrichtung wenigstens teilweise eingreift und mittels wenigstens einer Einstellschraube mit einem Lager im Außengehäuse verschiebbar und festsetzbar ist. Dadurch wird die Hal­ teeinheit auf einfache Art und Weise mit hoher Präzision im Außengehäuse positioniert. Weiterhin ist die Stellung des Sensors relativ zum Außengehäuse jederzeit durch Ver­ drehen der Feststellschraube zu justieren.

Vorteilhaft ist es, die Halteeinrichtung aus einem nichtmagnetischen Material zu formen. Dadurch ist das magnetische Feld des Magnetelements unbeeinflußt von der Form der Halteeinrichtung und von der Stellung des Mag­ netelements relativ zu der Halteeinrichtung. Als nicht­ magnetisches Material kann vorzugsweise Kunststoff zum Einsatz kommen.

Die Halteeinrichtung kann in einem Stück geformt, insbe­ sondere gespritzt sein. Hierdurch wird eine einfachere und schnellere Fertigung ermöglicht.

Vorteilhaft ist es, die Halteeinrichtung aus aneinander befestigten Stücken, einem langgestreckten, wenigstens teilweise zylinderförmigen Hauptelement und einem zur Konfiguration des Inneren des Außengehäuses wenigstens teilweise kompatiblen Kopfelement zu fertigen. Dadurch wird eine direkte Wartung der Flußleitstücke und des Sensors sowie eine gute Führung der Halteeinrichtung er­ möglicht.

Vorteilhaft ist es, wenn die Flußleitstücke in die Hal­ teeinrichtung einspritzbar sind. Damit wird eine paßge­ naue Fertigung ermöglicht.

Vorteilhaft ist es, wenn die Leiterplatte in die Halte­ einrichtung einrastbar oder einklebbar und mit einer elektronischen Schaltung zur Auswertung eines Meßsignals des Sensors versehen ist. Hierdurch wird eine Aus­ werteelektronik integriert, so daß eine Erweiterung der Vorrichtung erzielt wird, die eine kompakte Bauweise för­ dert und lange Signalwege vermeidet.

Die Halteeinrichtung mit den von ihr gehaltenen Fluß­ stücken, dem Sensor und der Leiterplatte können als eine Einheit ausgebildet sein. Diese Einheit ist eine Vormon­ tageeinheit, die ein toleranzgenaues Positionieren der Flußleitstücke und Sensoren zusammen mit der Leiterplat­ te ermöglicht. Darüber hinaus kann die Einheit unabhän­ gig vom Außengehäuse und den übrigen Teilen hergestellt werden, so daß eine erhöhte Paßgenauigkeit mit einem verringerten Fertigungsaufwand verbunden ist.

Vorteilhafterweise ist der Bolzen als Kunststoffstößel ausgebildet, mit einer Feder beaufschlagt und mit einem Anschlag versehen, der die Verschiebung nach außen be­ grenzt. Dadurch ist das magnetische Feld des Magnetele­ ments unbeeinflußt von der Form des Stößels. Durch die Anordnung des Magnetfeldes am Stößel wird eine kompakte Bauweise und einfache Fertigung erzielt. Die Feder be­ wirkt die selbständige Anpassung des Stößels an die zu messende Verschiebung auf einfache Weise.

Das Magnetelement kann ein in den Bolzen einspritzbarer oder einklebbarer Permanentmagnet sein. Hierzu können alle üblichen Werkstoffe für Dauermagneten verwendet werden, insbesondere SmCo mit dem großen Vorteil einer hohen Magnetisierung und damit einer großen Genauigkeit bei der Messung der magnetischen Induktion. Anstelle eines Dauermagneten kann auch ein Elektromagnet verwen­ det werden.

Das Außengehäuse ist vorzugsweise in Spritzgußtechnik gefertigt und gegen Fremdfelder, insbesondere magneti­ sche, abgeschirmt gefertigt. Hierfür können alle übli­ chen Werkstoffe verwendet werden, die magnetische Felder abschirmen. Eingesetzt werden kann ein elektrisch leit­ fähiges Langfasergranulat mit einem Stahlfaseranteil, der 0,1 bis 10 Gew.-% betragen kann. Hierdurch steht ein Außengehäuse zur Verfügung, das sich einfach und vor allem funktionsgerecht wie ein Kunststoffgehäuse formen läßt, dabei aber die Eigenschaften eines wesentlich komplizierter herzustellenden Metallgehäuses aufweist. Durch das elektrisch leitfähige Thermoplast ist es mög­ lich, jede Formgebung auf genaueste Art und Weise zu berücksichtigen. Ausbuchtungen, Durchführungs- und Hal­ terungsöffnungen lassen sich ohne gußtechnische Schwie­ rigkeiten berücksichtigen. Ist es erforderlich, kann das Außengehäuse auch vollständig aus einem nicht magneti­ sierbaren Metall hergestellt werden. Die abschirmende Wirkung des Außengehäuses sorgt dafür, daß die gesamte Vorrichtung auch bei Anwesenheit von magnetischen Fremd­ feldern zuverlässig, insbesondere in der Nähe von Strom­ leitern, arbeiten kann.

Vorteilhaft ist es, wenn das Außengehäuse an seiner er­ sten Öffnung eine Führung für den Bolzen sowie einen Flansch aufweist, an der dem Flansch gegenüberliegenden Seite durch eine zu öffnende Platte verschlossen ist und eine zweite Öffnung besitzt, die geeignet ist, Leitungen aus dem Außengehäuse herauszuführen. Dadurch wird eine hohe Präzision bei der Führung des Bolzens und eine ein­ fache Anbringung an verschiedenen Meßobjekten gewähr­ leistet. Reparatur und Wartung werden durch die zu öff­ nenden Leiter erleichtert. Zudem ist es möglich, die Leiterplatte durch die weitere Öffnung über herausge­ führte Leitungen elektrisch mit einer externen elektro­ nischen Schalteinheit oder Stromversorgung zu verbinden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Linear-Wegaufnehmer in einem Längsschnitt,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Wegaufnehmer gemäß Fig. 1 entlang der Linie II-II und

Fig. 3 einen funktionellen Zusammenhang zwischen einer relativen Verschiebung eines Magnetelements zum Sensor und dem Ausgangssignal des Sensors eines Wegaufnehmers gemäß den Fig. 1 und 2.

In einem Linear-Wegaufnehmer gemäß den Fig. 1 und 2 ist ein linear beweglicher Bolzen 1 zu erkennen, der als Stößel ausgebildet und an dem ein Magnetelement 2 ange­ bracht ist. Das Magnetelement 2 ist quaderförmig ausge­ bildet.

Der Bolzen 1 ist von Flußstücken 3, die ebenfalls quader­ förmig ausgebildet sind, so umgeben, daß ein erster Luft­ spalt 20 entsteht. Der Bolzen 1 weist ein entsprechend geformtes äußeres Ende 1′ und ein inneres Ende 1′′ auf, wobei das innere Ende 1′′ die präzise Führung im ersten Luftspalt 20 gewährleistet.

In einem zu diesem ersten Luftspalt 20 senkrechten, zwei­ ten Luftspalt 21 ist ein Sensor 4, insbesondere ein IC- Hallelement, angeordnet, der mit einer Leiterplatte 5 elektrisch verbunden ist.

Das Linear-Wegelement weist weiterhin ein Außengehäuse 6 mit einem zylindrischen Wandungsquerschnitt auf. Das Außengehäuse ist mit einer Öffnung 7 für den Bolzen 1 versehen, der durch eine Führung 13 aus dem Außengehäuse verschiebbar heraustritt. Diese Führung 13 ist von einem Flansch 14 eingefaßt. Durch eine weitere Öffnung 16 im Außengehäuse können Leitungen 17 nach außen geführt wer­ den. Das Außengehäuse 6 ist auf der dem Flansch 14 gegen­ überliegenden Seite durch eine zu öffnende Platte 15 ver­ schlossen. Werden diese Platte 15 und die Führung 13 ab­ dichtend gestaltet, übernimmt das Außengehäuse 6 neben der Abschirm- und Trägerfunktion auch die Funktion eines Schutzmantels gegen Verschmutzungen, wie Öl oder Staub. Für die Abschirmzwecke kommt ein magnetisch nicht leit­ bares Material zum Einsatz. Dieses kann ein elektrisch leitfähiges Langfasergranulat mit einem Stahlfaseranteil zwischen 0,1 bis 10 Gew.-% sein. Hierdurch wird ein Durchgangswiderstand von 10 bis 100 Ohm/cm erreicht, der eine Abschirmung zwischen 55 und 70 dB ermöglicht.

Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, ist im Inneren des Außen­ gehäuses 6 eine Halteeinrichtung 8 positioniert. Die Hal­ teeinrichtung 8 besteht aus einem langgestreckten, im wesentlichen zylinderförmigen Hauptelement 22, an das sich ein der Konfiguration des Inneren des Außengehäuses 6 angepaßtes Kopfelement 23 anschließt. Das Hauptelement 22 der Halteeinrichtung 8 hält die Flußleitstücke, den Sensor 4 und die Leiterplatte 5 in der bereits beschrie­ benen Stellung. Hergestellt wird die Halteeinrichtung in Spritztechnik. Hierbei werden die Flußleitstücke zu­ gleich mit eingespritzt und damit ein Nachjustieren ver­ mieden. Die Leiterplatte und der Sensor 4 werden einge­ rastet und/oder eingeklebt. Macht es sich meßtechnisch erforderlich, kann der Sensor 4 in mehrere Teilsensoren unterteilt werden.

Bei der Formgebung der Halteeinrichtung 8 werden zu­ gleich parallel zur Bolzenachse wenigstens teilweise durchgehende Stege 10′ geformt, die kompatibel zu im Inneren des Außengehäuses 6 eingebrachte zwei sich gegen­ überliegende Längsnuten 10 sind.

Die so fertiggestellte Halteeinrichtung mit den von ihr aufgenommenen Elementen ist eine Einheit 9, insbesondere eine Vormontageeinheit. Sie kann unabhängig von den übri­ gen Teilen des Wegaufnehmers gefertigt werden.

Mittels einer Einstellschraube 12, eines nicht darge­ stellten Innengewindes und eines Lagers 12′ kann diese Einheit 9 entlang der Bolzenachse 11 verschoben und fest­ gesetzt werden. Zusammen mit den Führungsnuten 10 und den Stegen 10′ wird dadurch eine einfache und präzise Justage der Stellung des Sensors 4 relativ zum Außenge­ häuse 6 ermöglicht.

An das äußere Ende 1′ des Bolzens 1 kann ein Meßobjekt 30 angeschlossen werden, dessen lineare Bewegungen mit Hilfe des Linear-Wegaufnehmers aufgenommen werden kön­ nen. Eine Feder 18 zwischen der Einheit 9 und einem An­ schlag 19 bewirkt die selbständige Anpassung der Stel­ lung des Bolzens 1 an die zu messende Verschiebung.

Die Funktion des Linear-Wegaufnehmers, wie er sich aus dem dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt, sei er­ läutert:

Durch die aufgrund der zu messenden Verschiebung des Meß­ objekts 30 bedingte Änderung der Position des Magnetele­ ments 20 relativ zum Sensor 4 ändert sich die magneti­ sche Induktion im Bereich des Sensors 4. Dieser gibt infolgedessen eine entsprechend geänderte Spannung ab. In Fig. 3 ist der funktionelle Zusammenhang zwischen der relativen Verschiebung des Magnetelements zum Sensor RV und des daraus resultierenden Spannungssignals des Sen­ sors AS schematisch dargestellt. Das Spannungssignal AS hat eine entsprechende Gestalt und weist einen mittleren Linearbereich auf.

Vor Beginn der Messungen oder zwischen den Messungen muß eine genaue Justierung der Stellung des Magneten 2 gegen­ über dem Sensor 4 erfolgen.

Die genaue Justierung führt zum einen dazu, daß der ge­ samte Meßbereich besser ausgenutzt wird. Zum anderen ist der Fehler, mit dem die Messung behaftet ist, dann am geringsten. Der Bereich, in den der Sensor durch Ver­ schiebung längs der Bolzenachse 11 gebracht wird, sollte zur Nutzung der oben genannten Vorteile mit dem Bereich korrespondieren, der dem mittleren Bewegungsbereich des Meßobjekts 30 entspricht, das an den Wegaufnehmer 30 anzuflanschen ist.

Zur Durchführung der Justage wird der Wegaufnehmer an das auszumessende Meßobjekt 30, das sich in der interes­ sierenden Meßstellung befinden muß, angeflanscht. Die Feder 18 drückt den Bolzen 1 mit dem speziell geformten äußeren Ende 1′ an die betreffende Stelle des auszumes­ senden Meßobjekts 30. Durch ein Verstellen der Schraube 12 wird die Einheit 9 und damit der im Inneren bezüglich der Montageeinheit 9 ortsfest angebrachte Sensor 4 rela­ tiv im Außengehäuse 50 lange hin und her bewegt, bis die durch den Sensor 4 abgegebene Kurve des Spannungssignals AS in einem Indexpunkt, z. B. in der Mitte des gekennzeichneten linearen Bereichs liegt.

Ist die Kalibrierung des Linear-Wegaufnehmers beendet, kann mit der Aufnahme der vom Meßobjekt 30 ausgehenden linearen Bewegungen begonnen werden. Dadurch, daß die Bewegungsänderungen im linearen Bereich aufgenommen wer­ den, sind kleinste Hin- und Her-Bewegungen des Meßob­ jekts feststellbar. Der besondere Vorteil des Linear- Wegaufnahmers besteht darin, daß durch die genaue Justie­ rung der einzelnen Bewegungsaufnahmeelemente 2, 3 und 4 ein von Toleranzen freies und vor allem reproduzierbares Meßergebnis aufnehmbar ist.

Bezugszeichenliste

1 Bolzen
1′ äußeres Ende
1′′ inneres Ende
2 Magnetelement
3 Flußleitstücke
4 Sensor
5 Leiterplatte
6 Außengehäuse
7 Öffnung
8 Halteeinrichtung
9 Einheit
10 Führungsnut
10′ Steg
11 Bolzenachse
12 Einstellschraube
12′ Lager
13 Führung
14 Flansch
15 Platte
16 Öffnung
17 Leitungen
18 Federn
19 Anschlag
20 Luftspalt
21 Luftspalt
22 Hauptelement
23 Kopfelement
30 Meßobjekt
RV relative Verschiebung Magnet gegenüber Sensor
AS Ausgangssignal des Sensors

Claims (16)

1. Vorrichtung zur linearen Wegaufnahme mit

• - Flußstücken (3), die einen ersten Luftspalt (20) und einen zu diesem senkrecht liegenden zweiten Luftspalt (21) ausbilden,
• - einem Sensor (4), der im zweiten Luftspalt (21) angeordnet ist,
• - einem Magnetelement (2), das an einem Bolzen (1) angeordnet und im ersten Luftspalt (20) gegenüber dem Sensor (4) linear verschiebbar ist,
• - einer Leiterplatte (5), die mit dem Sensor (4) verbunden ist und
• - einem Außengehäuse (6), aus dem der Bolzen (1) teilweise herausragt, dadurch gekennzeichnet,
• - daß wenigstens die Flußstücke (3) und der Sensor (4) von einer Halteeinrichtung (8) gehalten sind und
• - daß die Halteeinrichtung (8) im Außengehäuse (6) verschiebbar angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Außengehäuses (6) und an der Hal­ teeinrichtung (8) Führungselemente (10, 10′) parallel zur Bolzenachse (11) des Bolzens (1) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit wenigstens einer im Außengehäuse (6) drehbar angeordneten Einstellschraube (12) die Halteeinrichtung (8) verstell- und festsetzbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (8) aus einem nichtmagnetischen Material geformt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (8) in einem Stück gefertigt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (8) aus einem langgestreckten, vorzugsweise wenigstens teilweise zylinderförmigen Hauptelement (22) und einem Kopfelement (23) besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flußleitstücke (2) in die Halteeinrichtung (8) einformbar, insbesondere einspritzbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (5) mit einer elektronischen Schaltung zur Auswertung eines Meßsignals des Sensors (4) versehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (5) in die Halteeinrichtung (8) einrastbar oder einklebbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (8) mit den von ihr gehaltenen Flußstücken (3), dem Sensor (4) und der Leiterplatte (5) als eine Einheit (9) ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Bolzen (1) als Kunst­ stoffstößel ausgebildet, mit einer Feder (18) beauf­ schlagt und mit einem Anschlag (19) versehen ist, der die Verschiebung des Bolzens (1) nach außen be­ grenzt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (2) ein Permanentmagnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Magnetelement (2) in den Bolzen (1) einspritzbar oder einklebbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 da­ durch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (6) gegen Fremdfelder, insbesondere magnetische Felder, abge­ schirmt ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (6) in Spritzgußtechnik, insbesondere aus einem leitfähigen Langfasergranulat gefertigt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (6) an seiner ersten Öffnung (7) eine Führung (13) für den Bolzen (1) sowie einen Flansch (14) aufweist, an der dem Flansch (14) gegenüberliegenden Seite durch eine zu öffnende Platte (15) verschlossen ist und eine zweite Öffnung besitzt, die geeignet ist, Leitungen (5) aus dem Außengehäuse herauszuführen.