DE602004013416T2

DE602004013416T2 - Linearstellelement

Info

Publication number: DE602004013416T2
Application number: DE602004013416T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Pfister; Pierre Gandel
Original assignee: Sonceboz SA; Societe Industrielle de Sonceboz SA
Current assignee: Sonceboz SA; Societe Industrielle de Sonceboz SA
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-12-04
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2024-12-05
Also published as: FR2866089A1; FR2866089B1; EP1561969B1; DE602004013416D1; EP1561969A1; US20050173994A1; US7218022B2; ATE393889T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein lineares Stellelement, insbesondere ein Stellelement, das einen Motor mit einem Rotor in Gestalt einer Mutter umfasst, die mit einer sich linear verschiebenden Schraube im Eingriff steht.
Lineare Stellelemente vom erwähnten Typ werden in zahlreichen Anwendungen wie für die Kontrolle von Ventilen und die Bewegung von Maschinenorganen oder Robotern verwendet, um nur einige Beispiele zu nennen.
In Anwendungen, wo das lineare Stellelement für die Positionierung eines beweglichen Elements relativ zu einem Halter verwendet wird, ist es üblich, einen Positionsdetektor vorzusehen, der auf das bewegliche Element montiert wird, um dessen Position relativ zum Halter zu erfassen, wobei dieser Fühler mit einer Steuereinheit des Motors verbunden ist. Im Dokument EP 0 605 283 A1 wird ein lineares Stellelement offenbart, das dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht.
Obwohl die Montage eines Fühlers auf das bewegliche Element die präzise Positionierung dieses Elements erlaubt, haben die Verbindungen und die getrennte Montage der das Positioniersystem bildenden Bauteile einen negativen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Systems. Die Erfassung der Position des beweglichen Organs kann in dem Fall, wo ein bestimmtes Spiel zwischen dem Organ und dem linearen Stellelement vorhanden ist, auch ein Nachteil sein, wenn man eine Bezugsposition festzulegen sucht, um die herum ein bestimmtes Spiel annehmbar wäre. Bei einer direkten Erfassung der Position des beweglichen Organs ist es schwierig, die Bezugsposition zu finden, um die herum ein bestimmtes Spiel erlaubt ist, weil sich das bewegliche Organ an dem einen oder anderen Ende der Spielbreite befinden könnte.
Ein Nachteil zahlreicher Stellelemente besteht darin, dass sie über eines oder mehrere Gelenke, die sich allgemein in der Verlängerung der Schraubenachse erstrecken, an zu verschiebende Organe angeschlossen sind, insbesondere in Anwendungen, in denen das lineare Stellelement für die Schwenkung eines beweglichen Organs verwendet wird. Diese Zwischenelemente erhöhen das Spiel und die Kosten der Vorrichtungen.
Ein weiterer Nachteil zahlreicher linearer Stellelemente besteht darin, dass sich die linear verschiebende Schraube nicht gut vor ihrer Umgebung geschützt befindet, insbesondere gegenüber Schmutz oder einer Störung durch Objekte oder Bruchstücke von ausserhalb des Stellelements.
Angesichts der vorgenannten Nachteile besteht ein Ziel der Erfindung darin, ein System der Positionierung mit einem linearen Stellelement zur Verfügung zu stellen, das zuverlässig und wirtschaftlich ist. Es ist von Vorteil, ein kompaktes, leicht zu installierendes Stellelement zu schaffen.
Es ist vorteilhaft, ein Stellelement zur Verfügung zu stellen, das eine Bezugsposition genau definieren kann.
Es ist vorteilhaft, ein Stellelement zur Verfügung zu stellen, das dafür bestimmt ist, ein bewegliches Organ zu schwenken, und das wenig Platz beansprucht, genau und gegenüber seiner Umgebung geschützt ist.
Ziele der Erfindung werden durch das lineare Stellelement nach Anspruch 1 realisiert.
In der vorliegenden Erfindung umfasst ein lineares Stellelement für die Verschiebung eines beweglichen Organs oder einer Gruppe von beweglichen Organen einen elektrischen Schrittmotor und ein Schraube-Mutter-System mit einem Ankopplungsteil, das an einem dieser Enden angeordnet und dafür bestimmt ist, mit einem Ankopplungsteil des zu verschiebenden, beweglichen Organs in Eingriff zu gelangen, wie es in Anspruch 1 beschrieben wird.
Der Positionsfühler kann zum Beispiel ein Fühler sein, der eine mittlere Position der Auslenkung des Ankopplungsteils der Schraube erfasst und zum Beispiel eine Hall-Sonde, die auf das Gehäuse des Stellelements montiert ist, sowie einen Magneten mit einem oder mehreren Segmenten, der auf das Ankopplungsteil der Schraube montiert ist, besitzt. Vorzugsweise besitzt der Magnet zwei Segmente von entgegengesetzter Polarität, wobei die Grenzfläche zwischen den beiden Segmenten die mittlere Bezugsposition bildet, die durch das Hall-Element erfasst wird.
Die mit dem Fühler sowie mit den Spulen des Motors verbundenen elektrischen Kontakte können vorteilhaft in eine Steckverbindung für den Anschluss des Stellelements an einen komplementären Verbinder integriert werden, der mit einer Steuereinheit verbunden ist, oder direkt mit einer gedruckten Schaltung der Steuereinheit verbunden werden, die auf dem Stellelement angeordnet ist oder den Halter des Stellelements bildet.
Für Anwendungen, in denen ein bewegliches Organ bezüglich eines Halters geschwenkt werden soll, kann das Gehäuse des Stellelements vorteilhafterweise einen Längsschlitz umfassen, der der linearen Schraube entlang angeordnet ist, um einen direkten Zugang des beweglichen Organs für seine Ankopplung an das Ankopplungsteil des Schraube-Mutter-Systems zu ermöglichen.
Der direkte Querzugriff eines Abschnitts des zu schwenkenden, beweglichen Organs verringert die Anzahl von Teilen und das Spiel und ermöglicht eine Konfiguration von geringem Platzbedarf. Ein Schlitz kann zu beiden Seiten der linearen Schraube vorgesehen werden, um das Stellelement symmetrisch und dafür brauchbar zu machen, ein bewegliches Organ in Ausrichtungen des Motors und der linearen Schraube bei 0° und 180° in Eingriff zu bringen. Man kann auch einen einzigen Längsschlitz vorsehen, der bezüglich des Halters, auf den das Stellelement montiert ist, auf der Oberseite des Gehäuses angeordnet ist.
Die Integration eines Bezugspositionsfühlers direkt in das Gehäuse des Stellelements und auf das Ankopplungsteil des Schraube-Mutter-Systems ermöglicht es, mit einem kompakten, einfachen Stellelement auf zuverlässige Art eine Bezugsposition des beweglichen Organs zu definieren. Die Integration der Kontakte des Fühlers in eine gemeinsame Steckverbindung, die die mit den Spulen des Motors verbundenen Kontakte umfasst, vereinfacht die Verbindung des Systems mit einer Steuereinheit in einer kompakten Konfiguration. Der direkte Eingriff des beweglichen Organs am Ende der Schraube durch den Schlitz des Gehäuses hindurch ermöglicht es, einerseits einen gewissen Schutz der beweglichen Teile des Stellelements vor der Umgebung zu gewährleisten, dabei aber die Anzahl von Teilen und Gelenken, die das Spiel vergrössern könnten, sowie die Kosten und die Komplexität des Systems zu verringern.
Weitere Ziele und vorteilhafte Aspekte der Erfindung werden aus den Ansprüchen, der folgenden detaillierten Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen hervorgehen, in denen:
1 eine perspektivische, geschnittene Ansicht eines erfindungsgemässen linearen Stellelements ist, das auf einen Halter montiert ist und mit einem Abschnitt eines beweglichen Organs im Eingriff steht;
2 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemässen Stellelements entlang eines anderen Schnitts ist.
Auf die Figuren Bezug nehmend, wird ein Positioniersystem veranschaulicht, das ein lineares Stellelement 2 für die Verschiebung eines beweglichen Organs 3 umfasst, in diesem Beispiel für die Drehung des beweglichen Organs 3 um eine an einem Halter 4 befestigte Drehachse 6.
Das Stellelement 2 umfasst einen Schrittmotor 7 mit einem bewickelten Statorabschnitt 8 und einem Rotor 9 mit Permanentmagneten 10 und einem Mutterabschnitt 11, eine linear verschiebende, mit dem Mutterabschnitt des Rotors im Eingriff stehende Schraube 12, einen Positionsfühler 13 sowie ein Gehäuse 14, in das der Motor, die linear verschiebende Schraube und der Fühler montiert sind. Das Stellelement umfasst ausserdem eine Steckverbindung 15, die integral mit dem Gehäuse ausgebildet ist und elektrische Kontakte 16 umfasst, die einerseits mit den Statorspulen 17 des Motors und andererseits mit dem Positionsfühler 13 verbunden sind.
An einem dem Motor gegenüber liegenden Ende 18 ist die sich linear verschiebende Schraube an einem Ankopplungsteil 19 befestigt, das in diesem Beispiel aus Kunststoff besteht und am Ende der Schraube überspritzt oder befestigt ist, und ist so montiert, dass sie längs im Gehäuse 14 gleiten kann. Das Ankopplungsteil 19 besitzt eine nicht axialsymmetrische Gestalt, um eine Drehung dieses Abschnitts sowie der Schraube zu blockieren. Das Ankopplungsteil umfasst ausserdem in diesem Beispiel ein Lager 20, in dem das Ankopplungsteil 5 des beweglichen Organs 3 aufgenommen wird.
Im Rahmen der Erfindung ist es gleichfalls möglich, ein Schraube-Mutter-System zu haben, wo die Schraube einen Rotorabschnitt, der durch den Schrittmotor in Drehung versetzt wird, sowie eine sich linear verschiebende Mutter umfasst, die das Ankopplungsteil umfasst. Die Schraube wird daher auf Lager montiert, um ihre Drehung sowie ein Blockieren ihrer linearen Verschiebung zu gestatten, während die Mutter so montiert wird, dass sie im Gehäuse gleiten kann, während ihre Drehung blockiert wird.
Um die direkte Verbindung zwischen dem beweglichen Organ und dem Ankopplungsteil zu ermöglichen, ist das Gehäuse mit einem Längsschlitz 21 versehen, wobei der Motor, die Schraube, der Fühler und das Ankopplungsteil so gegenüber der äusseren Umgebung durch das Gehäuse geschützt werden.
Vorteilhafterweise bildet das erfindungsgemässe Stellelelement eine kompakte Einheit, die die Funktionen von Antrieb und Positionierung eines Ankopplungsteils in einer Bezugsposition integriert, wobei der Motor und der Fühler der Einheit mit einem einzigen Stecker an die Steuereinheit angeschlossen werden können.
Ausserdem können durch das Einstecken eines Ankopplungsteils des zu positionierenden Organs durch einen Schlitz des Gehäuses und durch seine direkte Ankopplung an einen Abschnitt, der fest mit der linearen Schraube verbunden ist, das Spiel und die Anzahl von Bauteilen verringert werden, wobei aber eine gegenüber ihrer Umgebung geschützte Schraube gegeben ist. Die Querankopplung des Abschnitts des beweglichen Organs 5 bezüglich des Ankopplungsteils 19 ist für diejenigen Anwendungen besonders vorteilhaft, in denen das bewegliche Organ 3 um eine Achse 6 schwenkt. In diesem Fall ermöglicht es das Kunststoffmaterial des Ankopplungsteils 19 der linearen Schraube wie Teflon oder Nylon, eine Gestalt des Lagers 20 zu haben, die der Gestalt des Ankopplungsteils des beweglichen Organs angepasst ist, um die Reibung und Abnutzung zu verringern und Vibrationen sowie Stösse zu dämpfen.
Der Bezugspositionsfühler kann ein Hall-Element 22 umfassen, das im Inneren des Gehäuses angebracht ist und an die elektrischen Kontakte 16 der Steckverbindung angeschlossen ist. Der Fühler umfasst ausserdem einen Magneten 23 aus zwei nebeneinander liegenden Segmenten, wobei die Segmente entgegengesetzte Polaritäten besitzen und die Grenzfläche zwischen den beiden Segmenten die Bezugsposition bezüglich des Hall-Elements definiert. Das Hall-Element erfasst die Änderung der Richtung des Magnetfeldes und die Mitte zwischen den Segmenten, wenn sie dem Hall-Element direkt gegenüber liegt. Die Erfassung der Position nach dem genannten Prinzip ist an sich bereits bekannt und wird in verschiedenen Systemen verwendet. Im Rahmen dieser Erfindung können ebenfalls weitere Positionsfühler oder -detektoren sowie Detektoren vom Typ eines Unterbrechers oder Kippgliedes integriert werden.

Claims

Lineares Stellelement mit einem Gehäuse (14), einem Schrittmotor (7) und einem durch den Motor angetriebenen Schraube-Mutter-System (11, 12), das ein Ankopplungsteil (19) besitzt, um ein komplementäres Ankopplungsteil (5) eines zu positionierenden beweglichen Organs (3) einzukuppeln, wobei das Ankopplungsteil gleitend in das Gehäuse montiert und nicht axialsymmetrisch ist, um seine Drehung zu stoppen, und das Stellelement ausserdem einen in das Gehäuse montierten Positionsfühler (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsfühler (13) ein in das Gehäuse montiertes und an elektrische Kontakte (16) einer Steckverbindung (15) des Stellelements angeschlossenes Element (22) sowie ein komplementäres Element (23) umfasst, das auf das Ankopplungsteil (19) des Schraube-Mutter-Systems montiert ist und die Bezugsposition relativ zu dem in das Gehäuse montierten Element (22) definiert.
Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (17) des Schrittmotors (7) an elektrische Kontakte (16) angeschlossen sind, die in der Steckverbindung (15) angeordnet sind, die die mit dem Positionsfühler (13) verbundenen Kontakte (16) umfasst, wobei das Gehäuseteil der Steckverbindung (15) mit dem Gehäuse (14) des Stellelements integral ausgebildet ist.
Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) einen Längsschlitz (21) umfasst, der Zugang zum Ankopplungsteil (19) des beweglichen Organs (3) direkt an dem Gehäuseteil gestattet, worin das Ankopplungsteil (19) des Schraube-Mutter-Systems (11, 12) gleitend montiert ist, wobei das Ankopplungsteil (19) des Schraube-Mutter-Systems (11, 12) im direkten Eingriff mit dem Ankopplungsteil des beweglichen Organs (5) steht.
Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler (13) eine Hall-Sonde umfasst, die an einer Stelle im Wesentlichen in der Mitte zwischen den Grenzstellungen der Auslenkung des Ankopplungsteils des Schraube-Mutter-Systems im Inneren des Gehäuseteils untergebracht ist, wo das Ankopplungsteil (19) des Schraube-Mutter-Systems aufgenommen wird.
Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraube-Mutter-System eine linear verschiebende Schraube (12) und eine den Rotor (9) des Motors bildende Mutter (11) umfasst.
Stellelement nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankopplungsteil (19) des Schraube-Mutter-Systems (11, 12) aus am Ende der linear verschiebenden Schraube überspritztem oder befestigtem Kunststoff besteht.
Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraube-Mutter-System (11, 12) eine Schraube (12), die einen Teil des durch den Motor (7) in Drehung versetzten Rotors (9) umfasst, sowie eine linear verschiebende Mutter (11) aufweist, die das Ankopplungsteil (19) umfasst.