DE19921787A1 - Linearaktuator mit Stellungsfühler - Google Patents

Abstract

Ein Linearaktuator (1) besitzt an seinem Ende eine Öffnung (4), durch die ein Arbeitsstab (2) vorsteht, und einen Stellungsfühler (6), der mit magnetischer Induktion arbeitet. Der Stellungsfühler enthält einen Detektorstab (7) am Außenumfang des Arbeitsstabs (2) und einen Detektorkopf (8), der an der Innenumfangsfläche eines Gleitlagers (5) angeordnet ist. Im Gegensatz zu einem konventionellen Stellungsfühler, der außen am Gehäuse einen Differentialtransformator, einen optischen oder magnetischen Codierer oder dergleichen aufweist, besitzt der erfindungsgemäße Linearaktuator mit dem eingebauten Stellungsfühler eine kompakte Bauweise.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator mit Stellungsfühler, der mit magnetischer Induktion arbeitet.

Im allgemeinen besitzt ein Linearaktuator einen Stellungsfühler, der den Bewegungshub oder die Stellung eines Arbeitsstabs des Aktuators nachweist. Als Stellungsfühler ist z. B. der Differentialtransformator bekannt. Wird ein derartiger Stellungsfühler verwendet, so wird ein Arm derart an dem Arbeitsstab des Linearaktuators angebracht, daß er rechtwinklig zu der Achslinie des Stabs verläuft, so daß ein Arbeitshub des Stabs auf den Stellungsfühler übertragen wird, der außerhalb des Aktuatorgehäuses angeordnet ist.

Der Linearaktuator mit einem derart ausgebildeten Stellungsfühler auf der Außenseite des Aktuatorgehäuses nimmt jedoch viel Platz in Anspruch. Wird der Arbeitsstab oder die Arbeitsstange abgelenkt, so verstärkt sich diese Ablenkung entsprechend der Hebelbeziehung durch den Arm und wird über diesen auf den Stellungsfühler übertragen. Dies führt zu einer Steigerung des Fehlers beim Betrieb des Stellungsfühlers. Aus diesem Grund kann eine hohe Genauigkeit des Ausgangssignals des Stellungsfühlers ebensowenig wie eine hohe Auflösung des Stellungsfühlers erwartet werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Linearaktuators mit einem Stellungsfühler, der insgesamt klein und kompakt gebaut und dennoch in der Lage ist, die jeweilige Stellung mit hoher Genauigkeit und Auflösung zu erfassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Linearaktuator mit einem Arbeitsstab und einer Lageranordnung zum verschieblichen Lagern des Arbeitsstabs vorgesehen, wobei der Arbeitsstab in einem vorbestimmten Arbeitsbereich linear hin- und herbewegt werden kann, wobei der Stellungsfühler den im folgenden beschriebenen Aufbau aufweist.

Der Stellungsfühler besitzt einen Detektorstab und einen Detektorkopf. Der Detektorstab besitzt mindestens ein magnetisches Teil und mindestens ein nicht-magnetisches Teil gleicher Breite, wobei diese Teile in Bewegungsrichtung des Arbeitsstabs angeordnet sind. Der Detektorkopf besitzt fünf Primär-Induktionsspulen, die in Bewegungsrichtung des Arbeitsstabs angeordnet sind, ferner erste bis vierte Sekundär-Induktionsspulen, die ebenfalls entlang der Bewegungsrichtung des Arbeitsstabs angeordnet sind. Entweder der Detektorstab oder der Detektorkopf ist an der Lageranordnung angebracht, das andere Teil an dem Arbeitsstab.

Außerdem sind das magnetische und das nicht-magnetische Teil in bezug auf die erste bis vierte Sekundär-Induktionsspule derart angeordnet, daß eine induzierte Spannung in der ersten und der dritten Sekundär- Induktionsspule, die erzeugt wird, wenn der Arbeitsstab durch Anlegen einer Wechselspannung an die Primär-Induktionsspulen bewegt wird, um 90° in der Phase gegenüber einer induzierten Spannung der zweiten und der vierten Sekundär-Induktionsspule verschoben ist.

Mit einem derart ausgebildeten Stellungsfühler wird in der ersten und der dritten Sekundär-Induktionsspule z. B. eine Spannung mit einer Sinuswelle induziert, während in der zweiten und der vierten Sekundär- Induktionsspule eine Spannung mit einer Cosinuswelle induziert wird. Basierend auf den Nulldurchgangspunkten eines zusammengesetzten Signals aus diesen Ausgangsspannungen und der an die Primär- Induktionsspulen gelegten Spannung läßt sich also ein Signal erzeugen, welches eine momentane Bewegungsstellung des Arbeitsstabs angibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Komponenten des Stellungsfühlers in einem Öffnungsbereich ausgangsseitig des Linearaktuators angeordnet, wobei diese Teile des Stellungsfühlers bevorzugt von außerhalb zugänglich sind und ausgetauscht werden können.

Die Erfindung läßt sich auch auf einen Linearmotor anwenden, wobei der Detektorstab auch als "Rotor" des Linearmotors verwendet werden kann. Ein solcher Linearmotor mit Stellungsfühler läßt sich klein und kompakt aufbauen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B Teil-Schnittansichten eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Linearaktuators, wobei ein Endabschnitt der Ausgangsseite des Aktuators dargestellt ist und eine beispielhafte Darstellung die Lagebeziehung der Komponenten eines Stellungsfühlers des Linearaktuators veranschaulicht.

Fig. 2 eine anschauliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Detektorstabs, der eine Komponente des in Fig. 1 gezeigten Stellungsfühlers bildet,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines weiteren Beispiels des in Fig. 1 gezeigten Stellungsfühlers, und

Fig. 4 eine anschauliche Darstellung, die die Lagebeziehung zwischen Spulen des Stellungsfühlers nach Fig. 3 veranschaulicht.

Fig. 1A und 1B veranschaulichen einen Hauptteil eines Linearaktuators als Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Linearaktuator 1 besitzt einen Gesamtaufbau, welcher üblicher Bauweise entsprechen kann. Er enthält einen Motor, einen Untersetzungsmechanismus zum Untersetzen der Drehzahl einer Ausgangsdrehzahl des Motors, einen Umwandlungsmechanismus mit einer Kugelumlaufspindel oder dergleichen, um die eine reduzierte Drehzahl aufweisende Drehzahl des Untersetzungsmechanismus in eine hin- und hergehende Linearbewegung umzusetzen, und einen Betätigungsstab oder eine Betätigungsstange, die durch den Umsetzmechanismus hin- und hergehend und linear bewegt wird. Da dieser Aufbau im Grunde genommen üblich ist, ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel nur ein Endabschnitt des Linearaktuators 1 dargestellt, und zwar derjenige Bereich, in welchem sich ein Stellungsfühler befindet.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besitzt der Linearaktuator 1 einen Arbeitsstab 2, ein Aktuatorgehäuse 3, welches an seinem Ende mit einer ringförmigen Öffnung 4 ausgestattet ist, und ein Gleitlager 5, welches Ringform aufweist und an einer Innenumfangsfläche der Ringöffnung 4 angeordnet ist. Mit Hilfe dieses Gleitlagers 5 kann der Arbeitsstab 2 derart verschieblich gelagert werden, daß er sich linear entlang einer Achse 2a des Arbeitsstabs in einem vorbestimmten Arbeitsbereich hin- und herbewegen kann.

Der Linearaktuator I besitzt außerdem einen Stellungsfühler 6, der aufgrund magnetischer Induktion arbeitet. Der Stellungsfühler ist zwischen dem Arbeitsstab 2 und dem Gleitlager 5 an dessen Ende angeordnet. Der Stellungsfühler 6 enthält einen Detektorstab 7, der an dem Endabschnitt der Arbeitsstange 2 gelagert ist und diese umfaßt, ferner einen Detektorkopf 8, der an einer Innenumfangsfläche der Öffnung 4 des Gehäuses 3, genauer gesagt, an einer Innenumfangsfläche des Gleitlagers 5, angeordnet ist.

Der Detektorstab 7 hat die Form eines Zylinders und enthält fünf magnetische Ringelemente 71 bis 75, die koaxial und mit gleicher Schrittweite entlang der Achslinie 2a angeordnet sind, und nicht­ magnetische Abschnitte 76, mit deren Hilfe die magnetischen Ringelemente an ihren Stellen positioniert und fixiert sind. Das Material der nicht-magnetischen Abschnitte 76 kann Metall, Harz oder dergleichen sein, wobei das Material entsprechend den geforderten Eigenschaften ausgewählt wird, so z. B. Hitzebeständigkeit, Verarbeitungseigenschaften, Schmierfähigkeit und dergleichen. Der Detektorkopf 8 enthält fünf Primär-Induktionsspulen 81 bis 85, die jeweils Ringform besitzen und mit gleicher Schrittweite entlang der Achslinie 2a angeordnet sind, außerdem vier Sekundär-Induktionsspulen 91 bis 94, die jeweils Ringform aufweisen und zwischen den benachbarten Primär-Induktionsspulen angeordnet sind.

Speziell sind in dem Stellungsfühler 6 die neun Induktionsspulen 81 bis 85 und 91 bis 95 mit gleicher Schrittweite innerhalb einer Strecke p zwischen den benachbarten magnetischen Ringelementen des Detektorstabs 7 angeordnet. Die fünf Primär-Induktionsspulen 81 bis 85 werden mit einer Wechselspannung gespeist, so daß sie ein Magnetfeld erzeugen, welches entlang der Achslinie 2a verläuft. Wenn sich der Detektorstab 7 zusammen mit der Arbeitsstange 2 linear bewegt, laufen die magnetischen Ringelemente 71 bis 75 und die nicht-magnetischen Abschnitte 76, die sich zwischen benachbarten magnetischen Ringelementen befinden, abwechselnd an dem jeweiligen Induktionsspulen 81 bis 85 und 91 bis 94 vorbei. Folglich ändert sich das einwirkende Magnetfeld wiederholt, so daß Spannungen in den Sekundär-Induktionsspulen 91 bis 94 erzeugt werden.

Die Primär-Induktionsspulen 81 bis 85 haben gleiche Wicklungsrichtung und sind in Serie geschaltet, wohingegen von den Sekundär- Induktionsspulen 91 bis 94 die erste und die dritte Sekundär- Induktionsspule 91 und 93 entgegengesetzte Wicklungsrichtungen zueinander haben und in Serie geschaltet sind, und die verbleibenden zweite und vierte Sekundär-Induktionsspule 92 und 94 entgegengesetzte Wicklungsrichtung zueinander aufweisen und in Serie geschaltet sind. Wenn folglich an die Primär-Induktionsspulen 81 bis 85 eine Spannung

V = A sinωt

gelegt wird und die lineare Versetzung der Stange 7 mit "x" bezeichnet wird, so läßt sich die von der ersten und der dritten Sekundär- Induktionsspule 91 und 93 ausgegebene Induktionsspannung mit

V1 = A sinωt.sin x

angeben, und diejenige der zweiten und der vierten Sekundär- Induktionsspule 92 und 94 lautet

V2 = A sinωt.cos x.

Die Induktionsspannungen V1 und V2 sind um 90° gegeneinander in der Phase verschoben.

Folglich kann die Wellenform der Induktionsspannung, die in den Sekundär-Induktionsspulen 91 bis 94 erzeugt wird, im Verein mit der Wechselspannungswellenform, die an die Primär-Induktionsspulen 81 bis 85 gelegt wird, zum Nachweis der Bewegungsposition des Arbeitsstabs 2 herangezogen werden. Das zusammengesetzte Signal aus diesen Spannungen V1 und V2 lautet:

V3 = A sin(ωt ± x),

und der lineare Versatz x des Stabs läßt sich nachweisen als eine Phasendifferenz zwischen dem zusammengesetzten Signal und dem angelegten Spannungssignal V.

Bei dem Linearaktuator 1 mit dem oben beschriebenen Aufbau, der sich von einem Linearaktuator mit Differentialtransformator durch den speziellen Stellungsfühler unterscheidet, ist der Stellungsfühler 6 in dem stirnseitigen Bereich des Linearaktuators 1 untergebracht, so daß eine erhöhte Baugröße des Gesamtaufbaus des Linearaktuators vermieden werden kann. Da außerdem der Detektorkopf 8 als Komponente oder Bauteil des Stellungsfühlers 6 in der Öffnung 4 des Aktuatorgehäuses 3 untergebracht ist, ist er von außerhalb zugänglich, was den Vorteil bietet, daß der Stellungsfühler 6 leicht gewartet werden kann, da die Spulen leicht ausgetauscht werden können.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Detektorstab 7 an dem Arbeitsstab 2 gelagert, der Detektorkopf 8 befindet sich auf der Seite des Aktuatorgehäuses 3. Statt dessen kann aber auch eine umgekehrte Anordnung dieser Elemente 7 und 8 gewählt werden.

Modifiziertes Beispiel des Detektorstabs

Man kann den zylindrischen Detektorstab 7 um die Arbeitsstange 2 herum lagern, so daß dessen Außendurchmesser kleiner wird, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, werden anstelle der magnetischen Ringelemente mit kreisförmigem Querschnitt magnetische Ringelemente 71a mit halbkreisförmigem Querschnitt verwendet. Alternativ können magnetische Ringelemente mit länglichem Querschnitt eingesetzt werden.

Weiteres Ausführungsbeispiel des Stellungsfühlers

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stellungsfühlers, der in den erfindungsgemäßen Linearaktuator eingebaut ist, wobei die Teile, die ihre Entsprechung in den Fig. 1A und 1B finden, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Ein in dieser Figur dargestellter Stellungsfühler 6A besitzt einen Detektorstab 7A mit einer Mehrzahl magnetischer Ringelemente 71b rechteckigen Querschnitt und mehreren nicht-magnetischen Ringelementen 76b gleichen Querschnitts, wobei die beiden Elemente an einer Außenumfangsfläche des Arbeitsstabs 2 angeordnet sind, jeweils einzeln abwechselnd entlang der Achsrichtung des Stabs 2. In der Zeichnung sind lediglich zwei Elemente 71b und 76b dargestellt.

Auf der Seite des Gehäuses 3 des Linearaktuators ist ein Detektorkopf 8A des Stellungsfühlers 6A gelagert, der vier Magnetpolstifte 11 bis 14 enthält, die sich von der Innenumfangsfläche des Gehäuses rechtwinklig in Richtung des Detektorstabs 7A erstrecken. Vier Primär- Induktionsspulen 21 bis 24 sind um die Wurzelseiten der entsprechenden Magnetpolstifte 11 bis 14 gewickelt, und vier Sekundär- Induktionsspulen 31 bis 34 sind um die Endseiten der entsprechenden Magnetpolstifte 11 bis 14 gewickelt.

Fig. 4 veranschaulicht die Lagebeziehung der Sekundär-Induktionsspulen 31 bis 34, der magnetischen Ringelemente 71b und der nicht- magnetischen Ringelemente 76b. Wie aus der Figur hervorgeht, sind die Sekundär-Induktionsspulen 31 und 33 mit einem Mittenabstand angeordnet, der der halben Schrittweite zwischen einem magnetischen Ringelement 71b und einem diesem benachbarten nicht-magnetischen Ringelement 76b entspricht. Die übrigen beiden Sekundär- Induktionsspulen 32 und 34 sind an Stellen angeordnet, die um eine halbe Schrittweite gegenüber den Stellen der Sekundär-Induktionsspulen 31 und 33 verschoben sind.

Wenn bei dieser Anordnung die in den Sekundär-Induktionsspulen 31 und 33 induzierte Spannung eine Sinuswelle ist, wird die in den Sekundär-Induktionsspulen 32 und 34 induzierte Spannung eine Cosinuswelle. Basierend auf diesen Ausgangssignalen kann man also ein Nachweissignal erzeugen, welches die Momentanstellung der Bewegung des Arbeitsstabs 2 des Linearaktuators repräsentiert.

Der Stellungsfühler 6A eignet sich durch den oben beschriebenen Aufbau besonders für den Einsatz in einem Linearmotor. Mindestens eine Komponente des Linearmotors kann als Komponente des Stellungsfühlers 6A verwendet werden, so daß der Stellungsfühler 6A sich kompakt in oder an dem Linearmotor anbringen läßt. Im Vergleich dazu wird bei dem konventionellen Linearmotor ein optischer oder magnetischer Linearcodierer an einem äußeren Teil angebracht, um die Stellung des Linearmotors zu erfassen und zu steuern. Dieser Aufbau macht es erforderlich, daß der Linearcodierer einen Detektorabschnitt mit einer Länge aufweist, die dem Hub des Linearmotors entspricht. Hierdurch erhöhen sich die Gesamtkosten des Linearmotors. Speziell dann, wenn eine hohe Auflösung gefordert wird, beeinflussen die Kosten des Stellungsfühlers die Gesamtkosten des Linearmotorsystems beträchtlich, so daß eine Verringerung der Kosten des Fühlers zu einer spürbaren Verringerung der Systemkosten führt.

Wenn außerdem ein optischer oder magnetischer Linearcodierer außen an dem Linearaktuator angebracht ist, wird bei Schwingungen an einem Arbeitstisch oder dergleichen, welcher von dem Linearmotor angetrieben wird, eine solche Schwingung verstärkt und überträgt sich auf den Linearcodierer, was die Meßgenauigkeit verschlechtert. Bei dem Stellungsfühler 6A des vorliegenden Ausführungsbeispiels läßt sich der "Rotor" des Linearmotors als der Detektorstab 7A des Fühlers 6A verwenden, entsprechend den geschlitzten Bereichen des Linearcodierers konventioneller Bauart, so daß nur die Anbringung des Detektorkopfs 6A erforderlich ist. Man sieht, daß dies im Vergleich zum Stand der Technik zu einer Verringerung der Kosten und der Baugröße des Linearmotors führt.

Wie oben ausgeführt, befindet sich bei dem Linearaktuator mit eingebautem Stellungsfühler, der mit magnetischer Induktion arbeitet, der Stellungsfühler zwischen dem Arbeitsstab und dem Aktuatorgehäuse. Dadurch besteht nicht mehr das Erfordernis, den Stellungsfühler außerhalb des Aktuatorgehäuses zu lagern, im Gegensatz zu konventionellen Sensoren, beispielsweise einem Stellungsfühler mit Differentialtransformator, magnetischem oder optischem Linearcodierer oder dergleichen. Der erfindungsgemäße Linearaktuator mit Stellungsfühler läßt sich also kompakt und platzsparend bauen.

Weiterhin wird anders als bei Verwendung eines extern gelagerten Stellungsfühlers die Meßgenauigkeit nicht abträglich durch äußere Schwingungen und dergleichen beeinträchtigt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung läßt sich also eine hohe Genauigkeit und Auflösung beim Erfassen der Stellung erreichen.

Da die Komponenten des Stellungsfühlers in der Öffnung des Aktuatorgehäuses untergebracht sind, wird der Vorteil erreicht, daß die Wartung vereinfacht wird, beispielsweise läßt sich die Spulenanordnung in einfacher Weise austauschen.

Wenn die vorliegende Erfindung bei einem Linearmotor angewendet wird, läßt sich mindestens eine Komponente des Stellungsfühlers durch eine bereits vorhandene Komponente des Linearmotors realisieren, so daß der Stellungsfühler in vorteilhafter Weise kompakt aufgebaut werden kann.

Claims (5)

1. Linearaktuator, umfassend einen Arbeitsstab (2) und eine Lageranordnung zum verschieblichen Lagern des Arbeitsstabs (2) in der Weise, daß der Arbeitsstab sich hin- und hergehend linear in einem vorbestimmten Bereich bewegen kann, gekennzeichnet durch:
einen Stellungsfühler (6) mit einem Detektorstab (7) und einem Detektorkopf (1), wobei
der Detektorstab (7) mindestens einen magnetischen Abschnitt (71-75) und einen nicht-magnetischen Abschnitt (76) gleicher Breite aufweist, die in Bewegungsrichtung des Arbeitsstabs (2) angeordnet sind, und der Detektorkopf (8) mehrere Primär-Induktionsspulen aufweist, die in Bewegungsrichtung des Arbeitsstabs (2) angeordnet sind, und erste bis vierte Sekundär-Induktionsspulen (91-94) aufweist, die entlang der Bewegungsrichtung des Arbeitsstabs (2) angeordnet sind, wobei entweder der Detektorstab (7) oder der Detektorkopf (8) an der Lageranordnung gelagert ist und das jeweils andere Teil an dem Arbeitsstab (2) angebracht ist,
wobei die magnetischen und nicht-magnetischen Abschnitte in bezug auf die erste bis vierte Sekundär-Induktionsspule (91-94) in der Weise angeordnet sind, daß eine induzierte Spannung der ersten und der dritten Sekundär-Induktionsspule bei Bewegung des Arbeitsstabs (2) durch Anlegen einer Wechselspannung an die Primär- Induktionsspulen (81-85) um 90° in der Phase gegenüber einer induzierten Spannung der zweiten und der vierten Sekundär- Induktionsspule verschoben ist, wodurch ein eine Bewegungsstellung des Arbeitsstabs (2) repräsentierendes Signal basierend auf den induzierten Spannungen erzeugbar ist, die in der ersten bis vierten Sekundär-Induktionsspule (91-94) erzeugt werden.

2. Linearaktuator nach Anspruch 1, bei dem der Detektorkopf (8) oder der Detektorstab (7), der an der Lageranordnung angebracht ist, in einer Öffnung (4) gelagert ist, die an dem Ausgang des Linearaktuators ausgebildet ist und durch die hindurch der Arbeitsstab (2) vorsteht.

3. Linearmotor, umfassend einen Arbeitsstab (2) und eine Lageranordnung zum verschieblichen Lagern des Arbeitsstabs (2) in der Weise, daß der Arbeitsstab sich hin- und hergehend linear in einem vorbestimmten Bereich bewegen kann, gekennzeichnet durch:
ein Stellungsfühler (6A), der einen Detektorstab (7A) und ein Detektorkopf (6A) aufweist, wobei
der Detektorstab mindestens einen magnetischen Abschnitt (71b) und mindestens einen nicht-magnetischen Abschnitt (76b) gleicher Breite enthält, angeordnet in Bewegungsrichtung des Arbeitsstabs (2), wobei der Detektorstab (7A) als "Rotor" des Linearmotors verwendet wird,
der Detektorkopf (8A) mehrere Primär-Induktionsspulen aufweist, die entlang der Bewegungsrichtung des Arbeitsstabs (2) angeordnet sind, und eine erste bis vierte Sekundärinduktionsspule aufweist, ebenfalls entlang der Bewegungsrichtung des Arbeitsstabs (2) angeordnet, wobei entweder der Detektorstab (7A) oder der Detektorkopf (8A) an der Lageranordnung angeordnet ist und das andere Teil an dem Arbeitsstab angeordnet ist, und
die magnetischen und nicht-magnetischen Abschnitte in bezug auf die erste bis vierte Sekundär-Induktionsspule in der Weise angeordnet sind, daß eine induzierte Spannung der ersten und der dritten Sekundär-Induktionsspule, erzeugt bei Bewegung des Arbeitsstabs (2) mit Hilfe einer an die Primär-Induktionsspulen gelegten Wechselspannungen, in der Phase um 90° verschoben ist gegenüber einer induzierten Spannung der zweiten und der vierten Sekundär-Induktionsspule, wodurch ein eine Bewegungsstellung des Arbeitsstabs (2) repräsentierendes Signal basierend auf den in der ersten bis vierten Sekundär-Induktionsspule erzeugten induzierten Spannungen erzeugbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der fünf Primär-Induktionsspulen vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der vier Primär-Induktionsspulen vorgesehen sind.