WO2016042088A1

WO2016042088A1 - Bistabile elektromagnetische aktorvorrichtung

Info

Publication number: WO2016042088A1
Application number: PCT/EP2015/071348
Authority: WO
Inventors: Oliver Thode; Jörg BÜRSSNER
Original assignee: Eto Magnetic Gmbh
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2016-03-24
Also published as: CN106688061B; US20170256348A1; EP3195332B1; DE102014113500A1; US10217554B2; EP3195332A1; CN106688061A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung mit einer Permanentmagnetmittel (12; 12a, 12b) sowie eine entlang einer Bewegungsrichtung langgestreckte Stößeleinheit (10) aufweisenden Ankereinheit (18), die durch stationäre elektromagnetische Antriebsmittel (22) in mindestens eine von zwei stromlos stabilen End- und/oder Anschlagspositionen bewegbar ist, wobei einem die Ankereinheit zumindest abschnittsweise umschließenden Gehäuse (20) stationäre Magnetfelddetektormittel (34; 34a, 34b) zum berührungslosen Zusammenwirken mit den Permanentmagnetmitteln in zumindest einer zur Ankerpositionsdetektion vorgesehenen der End- bzw. Anschlagspositionen zugeordnet sind, die Stößeleinheit endseitig einen An- und/oder Eingriffsabschnitt (28) zum berührenden und kraftschlüssigen Zusammenwirken mit einem Stellpartner so aufweist, dass ein kraftschlüssiges Berühren und/oder Betätigen durch den Stellpartner einen Bewegungsvorgang der Ankereinheit bei deaktivierten, insbesondere unbestromten, elektromagnetischen Antriebsmitteln in eine der End- bzw. Anschlagspositionen bewirkt, in welcher die Ankereinheit stromlos stabil verbleibt, und die Magnetfelddetektormittel zum Erzeugen und Ausgeben eines dieser End- bzw. Anschlagsposition entsprechenden Detektorsignals insbesondere nach dem Berühren bzw. Betätigen angeordnet und beschaltet sind.

Description

Bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung sowie eine Verwendung einer solchen Aktorvorrichtungen.

Elektromagnetische Aktorvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt; so offenbart etwa die DE 201 14 466 U1 der Anmelderin eine bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung, welche eine Ankereinheit mit Permanentmagnetmitteln sowie eine entlang einer Bewe- gungsrichtung langgestreckte Stößeleinheit aufweist. Diese permanentmagnetisch wirksame Ankereinheit wird durch stationäre elektromagnetische Antriebsmittel in Form einer stationären Kerneinheit angetrieben, welcher eine geeignet bestrombare Spuleneinheit zugeordnet ist. Diese Anordnung ist von einem magnetisch leitenden Gehäuse umschlossen, welches den zur Bewegung notwendigen magnetischen Kreis schließt.

Endseitig und bezogen auf einen Eingriffspartner, im gattungsgemäßen Stand der Technik eine zur Nockenwellenverstellung ausgebildete Verstellnut eines Verbrennungsmotors, bildet die Stößeleinheit einen An- und/oder Eingriffsabschnitt für den Stellpartner aus, welcher insbesondere geeignet ist, eine durch Bestromung der Antriebsmittel und eine daraufhin bewirkte Bewegung der Ankereinheit erzeugte Antriebskraft auf den Stellpartner zu übertragen. Nicht nur auf dem technischen Gebiet der Nockenwellenverstellung von Verbrennungsmotoren hat sich eine derartige, als bekannt und gattungsbildend vorausgesetzte Technologie allgemein durchgesetzt, wobei neben hohen Schaltzykluszahlen und langen Standzeiten bekannter Vorrichtungen insbesondere auch eine automatisierbare Fertigbarkeit für eine weite Verbreitung sorgen. Als aus dem Stand der Technik bekannt ist es ferner vorauszusetzen, einer elektromagnetisch betätigten Aktorvorrichtung geeignete Sensormittel zuzuordnen, welche insbesondere einen beabsichtigten Vorschub der Stößeleinheit erkennen bzw. detektieren und auf diese Weise eine (z.B. elektronisch auswertbare) Funktionalitätsüberprüfung der Aktorik ermöglichen. So würde etwa als Reaktion auf eine noch nicht vollständig oder fehlerhaft erfolgte Stößelbewegung diese geeignet detektiert und dann mit entsprechender Regelfunktionalität, unter Nutzung eines Sensorsignals, das vollständige, korrekte Bewegen (z.B. Ausfahren) der Stößeleinheit bewirkt.

Aus dem Stand der Technik sind ferner, in Form allgemein bekannter ge- nerischer Technologien, verschiedene Sensoren zur Positions- und Be- wegungsdetektion als üblich und allgemein bekannt vorauszusetzen. Die- se Sensoren finden Anwendung in nahezu beliebigen Anwendungen der industriellen und privaten Technologie und bieten, etwa entsprechend der vorstehend diskutierten Technologie und einem jeweiligen Einsatzgebiet, eine geeignete Grundlage für Steuer- oder Regelfunktionalitäten. Allerdings ist eine Bewegungs- bzw. Positionsdetektion eines Stellpartners insbesondere dann schwierig, wenn, etwa in einem begrenzten Bauraum oder unter besonders belastenden Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Vibration oder Wärme (etwa im gattungsbildenden Kraftfahrzeugbereich), eine zuverlässige und störsichere Detektion zu verbinden ist mit einer nicht stets eindeutig bestimmten Anfangs- oder Ausgangsposition des im Hinblick auf seine Bewegung bzw. Positionierung zu überprüfenden Stellpartners. In diesem Fall müsste nämlich traditionell zunächst in einem ersten Schritt eine Ausgangs- bzw. Anfangsposition des Stellpartners festgestellt werden und dann, ausgehend von dieser Ausgangspositi- on, in einer nachfolgenden Überwachung das Bewegen des Stellpartners aus dieser Anfangs- bzw. Ausgangsposition detektiert werden. Entspre- chend hoch ist der hierfür notwendige apparative Aufwand, zusätzlich verschärft durch die etwa im exemplarisch vorliegenden Einsatzgebiet der Kraftfahrzeugtechnik herrschenden problematischen Umgebungsbedingungen wie diskutiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine zur Positionsund/oder Bewegungsdetektion eines Stellpartners geeignete Vorrichtung zu schaffen, welche nicht nur, insbesondere unter den diskutierten problematischen Umgebungseinflüssen, eine eindeutige Detektion und Signal- ausgäbe ermöglicht, die vielmehr auch eine zuverlässige Herstellung eines Detektions-Ausgangszustands ermöglicht, selbst wenn nicht permanent ein elektrisches Signal bzw. eine Betriebsstromversorgung vorhanden ist oder anliegt. Insoweit besteht die Aufgabe auch im Herstellen einer stabilen Funktionalität im (temporär) unbestromten Zustand.

Die Aufgabe wird durch die bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Ferner wird Schutz im Rahmen der vorliegenden Erfindung beansprucht für eine Ver- wendung einer erfindungsgemäßen bistabilen elektromagnetischen Aktorvorrichtung als Bewegungs- und/oder Positionssensor für den an den (mindestens einen endseitigen) An- und/oder Eingriffsabschnitt der Aktorvorrichtung angreifenden Stellpartner sowie ein System aufweisend eine erfindungsgemäße Aktorvorrichtung und einen zur Positions- und/oder Bewegungsdetektion auszuwertenden bzw. zu überwachenden Stellpartner.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die erfindungsgemäß modifizierte elektromagnetische Stellvorrichtung der eingangs dis- kutierten Gattung sich günstig eignet, nicht nur aktiv einen Stellvorgang auf den Stellpartner als Reaktion auf eine Aktivierung der stationären An- triebsmittel (also typischerweise eine Bestromung hier vorgesehener Spulenmittel) zu bewirken, sondern als Sensor zu wirken, insbesondere auch bei unbestromten bzw. deaktivierten Antriebsmitteln: Indem nämlich die erfindungsgemäßen und geeignet zum Zusammenwirken mit den Perma- nentmagnetmitteln der Ankereinheit vorgesehenen Magnetfelddetektormittel - auch unabhängig von dem elektromagnetischen Antrieb - auf eine aktuelle Position bzw. eine Bewegung der die Permanentmagnetmittel tragenden Stößeleinheit ausgewertet werden, ergibt sich so innerhalb des ohnehin schon für feuchtigkeits-, kälte-, wärme- und/oder vibrationsbelas- tete Umgebungen geeigneten erfindungsgemäßen Gehäuses eine modu- lar einsetzbare Funktionalität für belastete Umgebungen; zusätzlich und synergistisch gestatten die Magnetfelddetektormittel dabei nicht nur das kontinuierliche permanente Überwachen der Bewegung der Stößeleinheit (und damit das zu detektierende Berühren bzw. Betätigen durch den Stell- partner), auch ermöglichen es die der Stößeleinheit zugeordneten Antriebsmittel, die Stößeleinheit, etwa zum Herstellen eines Detektor- Ausgangszustands und damit einer definierten Sensor- bzw. Erfassungsposition, den Stößel in der gewünschten Weise zu positionieren. Damit ist die Technologie auch als bekannt vorauszusetzenden Ansätzen überle- gen, durch Überwachen eines Spulensignals der Antriebsmittel in einem unbestromten bzw. deaktivierten Zustand eine Detektion der Stößeleinheit prinzipiell zu ermöglichen; insbesondere nämlich würde eine derartige, auf Induktion basierende Signalgebung lediglich dann signalerzeugend wirken, wenn eine Bewegung der Ankereinheit relativ zur Spuleneinheit vor- liegt, wobei dies dann wiederum nur in einem Nicht-Bestromungszustand der Spule möglich ist. Das macht jedoch einen derartigen Ansatz ungeeignet für eine Positionsdetektion, insbesondere auch in einem Still- bzw. Nicht-Bewegungszustand der Ankereinheit. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird daher die Funktionalität einer bekannten bistabilen elektromagnetischen Aktorvorrichtung signifi- kant erhöht, indem nämlich diese prinzipiell als Positionssensor begriffen wird und die der Aktorvorrichtung - direkt oder mittelbar durch Ankopplung - innewohnende Bewegungsfunktionalität zur Herstellung einer gewünschten bzw. vorgesehenen Sensorik-(Ausgangs-)Position eingesetzt wird. Damit eignet sich dann die vorliegende Erfindung für beliebige Erfassungsaufgaben bezogen auf den Stellpartner, wobei als„Stellpartner" im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise das Verstellen dieses Aggregats durch die Aktorik gemeint oder bewirkt sein muss, vielmehr ist als„Stellpartner" im Wege der Erfindung jeglicher/s mecha- nisch und erfindungsgemäß berührend bzw. betätigend mit der Stößeleinheit zusammenwirkender/s Partner, Körper oder dergleichen Aggregat zu verstehen, welcher/s in dieser Weise auf die Stößeleinheit wirkt und entsprechend als Grundlage für den erfindungsgemäßen Sensorikvorgang geeignet ist.

Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwar bevorzugt, die erfindungsgemäßen stationären elektromagnetischen Antriebsmittel als in das umschließende Gehäuse integrierte und üblicherweise mittels einer stationären Spulen-/Kernfunktionalität realisierte Baugruppe vorzusehen, da auf diese Weise in besonders günstiger Weise der vorteilhafte geschlossene, modulare Effekt entsteht und die Vorrichtung besonders einfach serientauglich herstellbar ist. Die Erfindung ist jedoch prinzipiell nicht auf eine derartige integrierte Lösung beschränkt, vielmehr ist es prinzipiell auch von der Erfindung umfasst, die stationären elektromagnetischen An- triebsmittel als isolierte (und prinzipiell unabhängige, etwa mittels einer ansonsten bekannten elektromagnetischen Aktorik zu realisierende) Baugruppe zu verstehen, welche dann, etwa entlang der langgestreckten Stößeleinheit entgegengesetzt des endseitigen An- bzw. Eingriffsabschnitts, auf die Stößeleinheit wirkt. Vorteilhaft und synergistisch wird im Rahmen der Erfindung ausgenutzt, dass die ohnehin für den elektromagnetischen Antrieb der Ankereinheit vorgesehenen Permanentmagnetmittel, welche weiter bevorzugt als gegenüber der langgestreckten Stößeleinheit radial erweiterte Körper bzw. (insbesondere bevorzugt in einem radial symmetrischen Kontext einer Realisierung um eine entlang der Bewegungsrichtung verlaufenden Symmetrieachse) radial verbreiterte Scheibe(n) realisiert ist/sind, zu verwenden: Dieses permanentmagnetische Feld eignet sich hervorragend, insbesondere auch unter den zur Problemstellung herangezogenen belasteten Umgebungsbedingungen ein zuverlässiges Detektionssignal zu erzeugen, indem die - weiterbildungsgemäß typischerweise auf Halbleiterbasis wirkenden, etwa als Hall-Sensoren, realisierten oder alternativ mittels Spulen zu realisierenden - Magnetfelddetektormittel an den gewünschten Detektorpositionen an bzw. im Gehäuse vorgesehen sind und so in den detekti- onswirksamen Eingriff treten können. Vorteilhaft ist ferner, dass diese De- tektion in jedem mechanischen und elektrischen Betriebszustand der Aktorvorrichtung ermöglicht ist, insbesondere auch unabhängig von einem Bestromungszustand der elektromagnetischen Antriebsmittel stattfinden kann.

Die erfindungsgemäße Bistabilität kann im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung auf verschiedene Weisen realisiert sein. So ist es einerseits, und etwa im Fall einer Realisierung der Erfindung mittels lediglich eines die Permanentmagnetmittel realisierenden Permanentmagnet- körpers (etwa einer auf der Stößeleinheit sitzenden Permanentmagnetscheibe) vorteilhaft, einends eine Anschlagsfläche und damit eine erste End- bzw. Anschlagsposition an den Antriebsmitteln (also typischerweise einem stationären Kernabschnitt) auszubilden, wobei gegebenenfalls und entsprechend einer konkreten Ausgestaltung dann ankerseitig (d.h. dem Permanentmagnetkörper zugeordnet) und/oder kernseitig (etwa in der Art einer Anti-Klebscheibe) noch weitere mechanische Scheiben bzw. Bau- gruppen vorgesehen sein können, welche eine Beschädigung des (typischerweise spröden) Permanentmagnetmaterials beim Anschlagen verhindern und/oder für einen magnetischen Mindestabstand am Anschlag sorgen. Im Fall dieses lediglich einen Permanentmagnetkörpers würde dann eine im Bewegungspfad des Ankers gegenüberliegende zweite Endbzw. Anschlagsposition durch einen Gehäuse-Stirnabschnitt des Gehäuses realisiert sein können, welcher, etwa bei geeigneter magnetischer Ausgestaltung, zum Herstellen des hier stromlos bistabilen Zustandes in Haftwirkung mit dem Permanentmagnetkörper treten würde (kernseitig würde gleichermaßen der Permanentmagnetkörper am Kern haften).

Bei einer gegenüber dieser mechanisch einfachen, mit lediglich einem Permanentmagnetkörper realisierten Erfindungsausgestaltung bietet eine im Rahmen der Erfindung bevorzugte Lösungsvariante mit (mindestens) zwei die Permanentmagnetmittel realisierenden Permanentmagnetkörpern den Vorteil, dass zwei End- bzw. Anschlagspositionen der Ankereinheit entlang ihres Bewegungspfades durch die die Antriebsmittel realisierende Kerneinheit (mit zugeordneter stationärer Spuleneinheit) realisiert werden können, ohne dass es jeweils endseitig im Gehäuse eines (stromlos stabi- len) Anschlags bedarf. Weiterbildend würde nämlich bei dieser Variante die langgestreckte Stößeleinheit so ausgestaltet sein, dass sie - geführt etwa innerhalb der stationären Kerneinheit - sich beidends aus dieser erstreckt, wobei jeweils beidends und zum haftenden Zusammenwirken mit einer Kern-Endfläche, auf der Stößeleinheit die (bevorzugt scheibenarti- gen) Permanentmagnetkörper der Permanentmagnetmittel gebildet sind. Dabei sind diese Permanentmagnetkörper so voneinander beabstandet auf der Stößeleinheit vorgesehen, dass entsprechend einem Positionsbzw. Bewegungszustand der Ankereinheit relativ zur stationären Kerneinheit (mit aufsitzender Spuleneinheit) nur jeweils eine Permanentmagnet- Scheibe (haftend) an der Kerneinheit (genauer: einer jeweils der Permanentmagnetscheibe zugewandten Außenfläche der Kerneinheit) ansitzt, während am jeweils axial gegenüberliegenden Ende der Kerneinheit ein Abstand zwischen der Kerneinheit und der Permanentmagnetscheibe besteht. Um insoweit dann das Zusammenwirken mit dem Stellpartner nahezu beliebig flexibel zu gestalten, kann das (jeweils bezogen auf die axiale Richtung) offene Gehäuseende beidends nahezu beliebig ausgestaltet sein und entsprechend geeignete mechanische Schnittstellenmittel zum Zusammenwirken mit dem (mindestens einen) Stellpartner aufweisen; gerade diese Ausbildung gestattet es auch in besonders eleganter Weise, axial beidends Stellpartner bzw. deren Bewegungs- und Positionierungs- verhalten zu detektieren.

In erfindungsgemäß weiterbildender und vorteilhafter Weise sind nicht nur, wie oben beschrieben, verschiedene Sensor- und Detektorprinzipien zum Erfassen des Permanentmagnetfeldes der Permanentmagnetmittel mög- lieh, auch können diese (Einzel-)Detektoren bzw. -sensoren an nahezu beliebigen Positionen an oder im Gehäuse (auch in Mehrzahl) vorgesehen sein, sodass insbesondere auch der von der Stößeleinheit bei Betätigung durch den Stellpartner zu vollführende Bewegungspfad in eine Mehrzahl von Abschnitten eingeteilt und entsprechend detektormäßig verfolgt bzw. überwacht werden kann. Erfindungsgemäß kann dabei ein derartiger Detektor nicht nur an beliebigen Positionen an oder im Gehäuse vorgesehen sein, auch sieht die Erfindung weiterbildend vor, die notwendige magnetische Feldkommunikation zwischen den (im Inneren des typischerweise magnetisch flußleitenden Gehäuses geführten) Permanentmagnetmittel und dem/den Detektor(n) sicherzustellen, indem das Gehäuse an der/den Detektorposition(en) mit Öffnungen, Durchbrüchen, nicht-leitenden Materialeinsätzen oder dergleichen Maßnahmen versehen ist.

In der konkreten mechanischen Ausgestaltung des An- und/oder Eingriffs- abschnitts der Stößeleinheit, welcher (s.o.) prinzipiell auch beidends ausgebildet sein kann, sind die Varianten und Ausgestaltungen beliebig. Im Hinblick auf eine auf Zug und/oder Druck kraftschlüssige Anbindung an den Stellpartner können etwa übliche Kupplungs- und Verbindungstechnologien wie Verschrauben, Einklinken, Verrasten oder dergleichen Maßnahmen erfolgen, ebenso wie geeignet An- bzw. Eingriffsabschnitte in Form von Nuten, Hinterschneidungen oder dergleichen das in beide axiale Richtungen kraftschlüssige Betätigungen vereinfachen. Gleichermaßen sieht jedoch die Erfindung auch vor, dass etwa lediglich im Hinblick auf einen in einer Richtung (z.B. in einer Druckrichtung) wirksamen Kraft- schluss die Betätigung des Stößels durch den Stellpartner erfolgen kann. In einem derartigen Fall reicht prinzipiell eine plane oder geeignet ausgeformte Angriffs- bzw. Endfläche der Stößeleinheit zum Zusammenwirken mit dem Stellpartner aus, wobei hier wiederum weiterbildungsgemäß, etwa in der Art eines Tastkopfes, eine Konturierung (z.B. eine konische oder karlottenartige Ausgestaltung) ausgebildet sein kann, welche nicht nur rein axial aufgebrachte Betätigungskräfte, sondern auch in einem Winkel zur axialen Richtung wirkende Betätigungen erfasst.

Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Bewegungsund damit Detektorverhalten der Ankereinheit als Reaktion auf das Berüh- ren bzw. Betätigen durch den Stellpartner durch das Vorsehen von Federmitteln als möglichem Kraftspeicher beeinflusst wird. Derartige Federmittel, bevorzugt und weiterbildungsgemäß etwa als Spiral- und/oder Druckfeder konzentrisch zur Stößeleinheit im Gehäuse und weiter bevorzugt sich abstützend an den Permanentmagnetmitteln realisiert, bieten den Vorteil, entsprechend einer bekannten bzw. vorzubestimmenden Kraftspeicher- bzw. Kraftverlaufswirkung dann eine Anpassbarkeit an verschiedene Detektorbedingungen, abhängig von den Anforderungen an das Positions- und Bewegungsverhalten des Stellpartners, auf mechanisch einfache Weise vornehmen zu können. Im Ergebnis gestattet es die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher, eleganter und herstellungstechnisch günstiger Art, eine elektromagnetische Aktorvorrichtung als Positions- und/oder Bewegungsdetektor für einen auf die Stößeleinheit wirkenden Stellpartner einzusetzen, wobei zu- sätzlich die modularen bzw. herstellungstechnischen Vorteile der Aktorvorrichtung nutzbar sind. Auch beschränkt sich der zusätzliche Aufwand lediglich auf das geeignete Vorsehen der stationären Magnetfelddetektormittel an oder im Gehäuse. Damit eignet sich die vorliegende Erfindung für beliebige Einsatzzwecke der privaten und industriellen Technologie, wobei die diskutierten belasteten Umgebungsbedingungen etwa in einem Kraftfahrzeugumfeld zwar bevorzugt für eine Verwendung der Erfindung sind, dieser Verwendungsfall jedoch nicht ausschließlich den Einsatzrahmen der Erfindung markiert. Auch ist die vorliegende Erfindung nicht rein apparativ zu begreifen, vielmehr erstreckt sich die Erfindung auch auf Verfah- rensaspekte, wie sie aus der vorliegenden Offenbarung und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Figuren; diese zeigen in

Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht durch die bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit lediglich einem Permanentmagnetkörper zur Realisierung der Permanentmagnetmittel;

Fig. 2

und

Fig. 3 eine Längsschnittansicht analog zur Fig. 1 eines zweiten und bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Perma- nentmagnetmittel in Form von zwei axial beidseits der stationären elektromagnetischen Antriebsmittel ausgebildet sind und Fig. 2, 3 jeweils die End- bzw. Anschlagspositionen verdeutlichen; Fig. 4 eine Variante des zweiten Ausführungsbeispiels der Fig. 2, 3 mit zusätzlich vorgesehenen weiteren Detektoren der Magnetfelddetektormittel;

Fig. 5 eine Schemadarstellung mit einer Illustration verschiedener ein- zeln oder kumulativ vorzusehender Anordnungsmöglichkeiten von Einzeldetektoren der erfindungsgemäßen Magnetfelddetektormittel am Ausführungsbeispiel der Fig. 2, 3;

Fig. 6 eine Variante der Detektion mittels endseitig vorgesehener tektorspulen zur Realisierung der Magnetfelddetektormittel Ausführungsbeispiel der Fig. 2, 3;

Fig. 7 eine weitere Variante des Ausführungsbeispiels der Fig. 2, 3 durch Vorsehen von Federmitteln entgegen einer Betätigungs- richtung und

Fig. 8 eine Verallgemeinerung des Erfindungsgedankens der ersten

Ausführungsform als generisches Ausführungsbeispiel durch Nutzen eines schematisch gezeigten, modular-eigenständigen Aktuators als Baugruppe innerhalb einer Aktorvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels der Fig. 1 .

Bei der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele bedeuten identische Bezugszeichen gleiche bzw. gleichwirkende Funktionskompo- nenten der gezeigten Ausführungsbeispiele. Die schematische Längsschnittansicht durch die bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung gemäß dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 zeigt eine langgestreckte, axial verlaufende Stößeleinheit 10 (wobei als "axial" im Sinne der Erfindung ein Achsenverlauf entlang der Be- wegungsrichtung und damit quer zur Figurenebene der Fig. 1 verstanden sein soll), auf welcher eine (axial magnetisierte) Permanentmagnetscheibe 12 sitzt, welche beidends von (ansonsten bekannten) Flußleitscheiben 14 bzw. 16 begrenzt ist. Die so gebildete Ankereinheit 18 ist in einem Gehäuse 20 relativ zu elektromagnetischen Antriebsmitteln 22 in Form einer Kerneinheit 24 und einer dieser umgebenden (nicht gezeigten) Spuleneinheit axial bewegbar geführt, wobei endseitig und in Richtung auf die Permanentmagnetmittel 12 der Statorkern eine stationäre Anschlagsfläche 26 (in Form einer ansonsten bekannten abstandswirksamen Anti- Klebscheibe) ausbildet.

Das aus magnetisch flußleitendem Blech gebildete, hohlzylindrische Gehäuse 20 ist jeweils stirnseitig (magnetisch flußführend) verschlossen, wobei einends (in der Fig. 1 rechts) eine scheibenförmige Gehäusewand 26 einen Durchbruch für ein Ende des Stößels 10 anbietet und andere- nends, in Richtung auf ein Eingriffsende 28 des Stößels 10, ein hier gebildeter scheibenförmiger Gehäuse-Wandabschnitt 30 gleichermaßen als Anschlag und stromlos-stabile Halteposition für die Ankereinheit (genauer: die Permanentmagneteinheit 12 mit ansitzenden Flußscheiben 14, 16) anbietet. Die Fig. 1 verdeutlicht insoweit einen ersten, stromlos-stabilen von zwei End- bzw. Anschlagszuständen der Ankereinheit relativ zu den Antriebsmitteln im Gehäuse.

Konfiguriert ist die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zum detektierenden Zusammenwirken mit einem lediglich schematisch gezeigten Stellpartner 32, welcher zum Ausüben einer Druckkraft (in der Figurenebene der Fig. 1 in Richtung nach rechts) auf die Stößeleinheit 10 und damit die Ankereinheit 18 wirken kann. Entsprechend ist der endseitig am Stößel 10 vorgesehene Eingriffsabschnitt 28 eine plane, scheibenförmige Fläche.

In der Fig. 1 im unteren Mantelbereich des Gehäuses 20 gezeigt ist ein magnetisches Detektorelement 34 vorgesehen, welches in einem (mit einem nicht magnetisch leitenden Befestigungsmaterial verschlossenen) Ausschnitt im Gehäusemantel sitzt und so mit dem Permanentmagnetfeld der Permanentmagnetscheibe 12 in detektierende Wechselwirkung treten kann. Dabei ist der Hall-Sensor 34 so ausgestaltet und ausgebildet, dass bei der in Fig. 1 gezeigten linksseitigen Anschlagssituation ein Detektorbzw. Positionssignal gegeben wird, während eine gegenüberliegende Anschlagsposition der Ankereinheit 18 (hier würde die Permanentmagneteinheit 12 stromlos am Kern 24 haften und entsprechend die Scheibe 14 auf der Außenfläche 26 aufliegen) ein anderes Sensorsignal zur Auswer- tung und nachfolgenden elektronischen Verarbeitung durch (nicht gezeigte) Auswertemittel erzeugt wird.

Der Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist wie folgt: Bringt ein Stellpartner 32, etwa durch Bewegung entlang der axialen Richtung der Fig. 1 nach rechts, eine Druckkraft auf die Ankereinheit 18 mittels der Eingriffsfläche 28, bewegt sich die Ankereinheit aus der gezeigten linksseitigen End- bzw. Anschlagsposition nach rechts bis zum Anschlag an den Kernbereich, sobald die aufgebrachte Kraft die permanentmagnetische Haftkraft an der Gehäusestirnfläche 30 überschreitet. Zusätzlich, die Be- wegung verstärkend, wirkt eine permanentmagnetische Anziehungskraft zwischen der Permanentmagnetscheibe 12 und dem (stationären) Kern 24, sobald eine magnetische Wechselwirkung besteht. Während dieses Betriebs ist die Spule in der Antriebseinheit 22 unbestromt; die Vorrichtung wirkt als Positions- bzw. Betätigungssensor für den Stellpartner 32: Sobald nämlich bei fortgesetzter Betätigung und damit Bewegung der Ankereinheit der Permanentmagnet 12 den Detektor-Wirkungsbereich des Magnet- feldsensors 34 verlässt, ändert sich das Signal dieses Detektors, sodass zuverlässig die durch den Stellpartner 32 bewirkte Positionsänderung de- tektiert wird und zur Auswertung bereitsteht. Um dann zu einem späteren Zustand, gegebenenfalls auch bei unklarer oder Undefinierter Ankerposition relativ zum Gehäuse (etwa weil ein zwischenzeitlich unbestromter Zustand eine elektronische Positionsspeiche- rung nicht zulässt) würde dann eine Bestromung der in der Einheit 22 vorgesehenen Spule in ansonsten bekannter Weise durch abstoßende Wir- kung auf die Permanentmagneteinheit 12 die Ankereinheit wiederum zurück in die in Fig. 1 gezeigte ausgefahrene (Ausgangs-)Position verbringen. Damit gestattet es die bei diesem Ausführungsbeispiel in das Gehäuse 20 integrierte Aktorik, jederzeit eine definierte Ankerposition herbeizuführen, indem nämlich gegebenenfalls vor dem Durchführen des vorbe- schriebenen Erfassungs- bzw. Messbetriebs durch Zusammenwirken mit dem Stellpartner 32 die Position der Fig. 1 gezielt durch Bestromen herbeigeführt wird.

Sämtliche Vorgänge und Komponenten sind dabei in der gezeigten Weise von dem (in der bevorzugten Ausführungsform zylindrischen, damit in radialsymmetrischer Konfiguration) ausgebildeten Gehäuse umschlossen, entsprechend gut gegen Umgebungseinflüsse verschiedenster Art, etwa Feuchtigkeit, Temperatur, Vibrationen oder dergleichen, geschützt, sodass die Erfindung sich ideal für entsprechend belastete Einsatzumgebungen eignet.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine alternative Ausführungsform des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 , wobei beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 die Permanentmagnetmittel in Form einer (bezogen auf die Figurenebe- ne) linksseitigen Permanentmagneteinheit 12a bzw. rechtsseitigen Permanentmagneteinheit 12b vorliegen, damit beidseits einer mittig- zentrischen Statoreinheit, wiederum in Form eines stationären Kerns 26 sowie diesem zugeordneten (nicht gezeigten) Spulenmittel; der Kern bietet axial beidseits nunmehr Anschlagsflächen 26 zum Zusammenwirken mit einer jeweiligen Permanentmagnetanordnung 12a, 12b an, wobei die langgestreckte, diese Permanentmagnetscheiben 12a, 12b (mit jeweils zugeordneten Scheiben 14, 16) verbindende Stößeleinheit 10 sich axial und mittig durch die stationäre Antriebseinheit 22 erstreckt und so von dieser geführt wird. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2, 3 zeigt die Fig. 2 einen ersten Endbzw. Anschlagzustand, dergestalt, dass der rechtsseitige Permanentmagnetabschnitt 12b der Ankereinheit (insoweit stromlos haftend) am stationären Kern ansitzt, während die Fig. 3 den entgegen gesetzten End- bzw. Anschlagzustand illustriert; hier sitzt die Permanentmagneteinheit 12a (mit benachbarten Seiten 16, 14) am Kern 26 an, während die Permanentmagneteinheit 12b axial einen Abstand zum Kern einhält. Wie der Vergleich der Fig. 3 zur Fig. 2 illustriert, erfolgt diese Positionsveränderung in der Art eines Umschaltens wiederum durch horizontalen (in den Figuren nach rechts gerichteten) Krafteintrag als Betätigung durch den Stellpartner 32 auf das plane stirnseitige Eingriffsende 28 des Stößels 10. Festzuhalten bleibt, dass das Ausführungsbeispiel der Fig. 2, 3 für das Gehäuse einen beidends offenen Zylinder 38 vorsieht; im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist weder im offenen linksseitigen Gehäusebereich, noch im rechten offenen Bereich eine Verschlusswand notn- wendig. Vielmehr bestimmt ausschließlich der zentrische, feste (stationäre) Kernbereich 22 beide Anschlagspositionen der horizontal bewegbaren Ankereinheit.

In den Fig. 2, 3 lediglich schematisch gezeigt ist ein Paar von Hall- Sensoren 34a, 34b, welche hier, etwa mit dem Zweck einer einfacheren Befestigung bzw. leichteren magnetischen Feidankopplung zu den jeweili- gen Permanentmagnetscheiben 12a, 12b, in die offenen Gehäuse- Endbereiche hineinragen (prinzipiell kann die Konfiguration der Fig. 2, 3 auch durch nicht-magnetische bzw. magnetisch nicht-leitende Haltemittel realisiert sein, welche geeignet in diesem Bereich zur Befestigung der Sensorelemente vorgesehen sein können). Ersichtlich ist jedem der Permanentmagnetelemente 12a, 12b ein jeweiliges Sensorelement 34a bzw. 34b zugeordnet, sodass insoweit anwendungsspezifisch und hochgradig detektionssicher die Positionsdetektion der Ankereinheit samt Stößel 10, insoweit damit auch des angreifenden Stellpartners 32, erfolgen kann.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2, 3 würde dann wiederum eine Bestromung der Statorspule dazu führen, dass - je nach Polarität der Bestromung - der Anker gezielt in die linksseitige Anschlagsposition der Permanentmagnetmittel (Fig. 2) oder die rechtsseitige Anschlagsposition der Permanentmagnetmittel (Fig. 3) verbracht werden kann, sodass insoweit, und im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 , die Flexibilität und Anwendbarkeit bzw. Adaptierbarkeit der Detektion noch weiter erhöht ist. In den Fig. 2, 3 nicht gezeigt, ist es etwa auch möglich, auf den Stößel 10, in einem der Endflächen 28 gegenüberliegenden Endbereich, einen zweiten Stellpartner geeignet zuzuordnen (wobei dies prinzipiell auch durch das erste Ausführungsbeispiel 1 ermöglicht ist).

Die Figuren 4 und 5 verdeutlichen weitere Möglichkeiten, die Detektorfunktionalität an der mechanischen Ausgestaltung der Figuren 2, 3 vorzu- sehen; so bezeichnen etwa die Bezugszeichen 34c, 34d weitere Möglichkeiten zum Vorsehen von Detektorelementen; das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 würde insoweit eine doppelte Detektorsicherheit für eine Positionserkennung bieten, da jedem Anschlag- bzw. Endzustand dann zwei Detektorelemente zugeordnet wären und entsprechend dann zwei Detek- torsignale auswertbar sind. Eine derartige Ausführung würde sich mit ihrer Redundanz damit für besonders sensitive bzw. ausfallgefährdete Anwen- düngen eignen. Dagegen verdeutlicht die Fig. 5, schematisch jeweils mit Erkennung „Sensor" versehen, prinzipielle Möglichkeiten der Anordnung von Magnetfeldsensoren, etwa halbleiterbasierten Sensoren vom Hall- Sensortyp: Es wird deutlich, dass nicht nur entlang des Bewegungspfades (und auch etwa in axialen Zwischenpositionen) Sensoren anordnenbar sind, auch kann ein radial versetztes Anordnen von Sensoren stattfinden, und zwar sowohl von einer jeweiligen Stirnseite her, als auch im Hinblick auf mögliche Montagepositionen an oder in der mittigen Statoranordnung. Demgegenüber zeigt das Ausführungsbeispiel der Fig. 6, ansonsten strukturell vergleichbar mit der Funktionalität der Figuren 2, 3 als Variante zum jeweils stirnseitigen Vorsehen von halbleiterbasierten Hall- Magnetfeldsensoren, das endseitige Vorsehen eines Magnetspulendetektors 40, welcher als Reaktion auf ein (durch die Ankerbewegung bedingte) Positionsveränderung eines freien Endes 42 der Stößeleinheit 10 ein entsprechend veränderbares Spulensignal zur weiteren Auswertung und Verarbeitung erzeugt.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 7, ansonsten strukturell vergleichbar mit dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2, 3, zeigt am Beispiel der rechtsseitig und konzentrisch zum Stößel 10 eingesetzten Druckfeder 44, wie etwa eine Druck- bzw. Bewegungsbetätigung der Detektoreinheit durch rechtsseitige Kraftbeaufschlagung durch den Stellpartner 32 einer Feder- Gegenkraft (entsprechend der notwendigen Kompressionskraft der Druck- feder 44) begegnet, mithin die Möglichkeit anbietet, auf diese oder andere Art das Detektorverhalten zu beeinflussen. Insbesondere könnte sich eine derartige Federlösung anbieten, ein stark vibrierendes Kraftsignal des Stellpartners 32 zu vergleichmäßigen oder auf andere Weise einer verbesserten mechanischen Reaktivität der gezeigten Anordnung zuzufüh- ren. Die Figur 8 zeigt, als mögliche alternative Ausgestaltung des erfinderischen Grundprinzips der Fig. 1 , alternativ jedoch auch als mögliche Variante zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2, 3 und daraus abgeleiteten Ausführungsbeispielen, wie eine als gesonderte, gekapselte Stößeleinheit 50 an das Gehäuse 20^' endseitig angesetzte Aktoreinheit mit ihrem herausführbaren Stößelabschnitt 52 das elektromagnetisch bewirkte Bewegen der Ankereinheit erreicht; hier würde sich dann die Ankereinheit (Fig. 1 ) auf eine deutlich verkürzte Stößeleinheit 10 mit ansitzendem Permanentmagnetkörper 12 (samt zweier benachbarter Scheiben 14, 16) reduzieren; der endseitig aus dem lediglich als Blackbox gezeigten Aktorgehäuse 50 herausführbare Aktorstößel 52 würde insoweit (und entgegen einer nach rechts gerichteten, zu detektierenden Druck- bzw. Schubkraft des Stellpartners 32) eine nach links gerichtete Stellkraft auf den Anker 10, 12 ausüben. Dieses Prinzip, welches zur weiteren Modularisierung einen an- sonsten bekannten Aktor als vollständige Baugruppe 50 verwendet, lässt sich gleichermaßen auf das Ausführungsbeispiel der Figuren 2, 3, anwenden, wobei hier dann ein Aktorstößel axial beidends aus diesem Aktor herauszuführen wäre, um dann in analoger Weise jeweils eine der Permanentmagnetbaugruppen zu verschieben.

Claims

Patentansprüche

1 . Bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung mit

einer Permanentmagnetmittel (12; 12a, 12b) sowie eine entlang einer Bewegungsrichtung langgestreckte Stößeleinheit (10) aufweisenden Ankereinheit (18),

die durch stationäre elektromagnetische Antriebsmittel (22) in mindestens eine von zwei stromlos stabilen End- und/oder Anschlagspositionen bewegbar ist,

wobei einem die Ankereinheit zumindest abschnittsweise umschließenden Gehäuse (20) stationäre Magnetfelddetektormittel (34; 34a, 34b) zum berührungslosen Zusammenwirken mit den Permanentmagnetmitteln in zumindest einer zur Ankerpositionsdetektion vorgesehenen der End- bzw. Anschlagspositionen zugeordnet sind, die Stößeleinheit endseitig einen An- und/oder Eingriffsabschnitt (28) zum berührenden und kraftschlüssigen Zusammenwirken mit einem Stellpartner so aufweist, dass ein kraftschlüssiges Berühren und/oder Betätigen durch den Stellpartner einen Bewegungsvorgang der Ankereinheit bei deaktivierten, insbesondere unbestromten, elektromagnetischen Antriebsmitteln in eine der End- bzw. Anschlagspositionen bewirkt, in welcher die Ankereinheit stromlos stabil verbleibt, und die Magnetfelddetektormittel zum Erzeugen und Ausgeben eines dieser End- bzw. Anschlagsposition entsprechenden Detektorsignals insbesondere nach dem Berühren bzw. Betätigen angeordnet und beschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Antriebsmittel durch eine an oder im Gehäuse vorgesehene stationäre Spuleneinheit realisiert sind, der eine eine Anschlagfläche (26) für einen Anschlagabschnitt der Ankereinheit ausgebildete stationäre Kerneinheit zugeordnet ist,

wobei bevorzugt die Stößeleinheit (10) sich geführt in die Kerneinheit hinein erstreckt oder diese durchgreift.

Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Permanentmagnetmittel als axial beidends der Kern- und/oder Spuleneinheit an der Stößeleinheit vorgesehene, bevorzugt scheibenförmige Permanentmagnetkörper (12; 12a, 12b) so ausgebildet sind, dass die zwei End- bzw. Anschlagspositionen jeweils ein Anschlagen eines der Permanentmagnetkörper an der Kern- bzw. Spuleneinheit bei von der Kern- bzw. Spuleneinheit axial beabstan- deten anderen der Permanentmagnetkörper vorsehen.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass die auf Halbleiterbasis und/oder mit einer Detektorspule realisierten Magnetfelddetektormittel am magnetisch flußleitenden Gehäuse so vorgesehen sind, dass der zur Anker-Positionsdetektion vorgesehenen der End- bzw. Anschlagspositionen das Gehäuse de- tektionswirksam für das permanentmagnetische Feld der Permanentmagnetmittel durchlässig ist, insbesondere dafür eine Gehäuseöffnung, ein Gehäusedurchbruch und/oder einen abschnittsweise magnetisch nicht-leitenden Gehäuseabschnitt aufweist.

Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelddetektormittel axial beidends der Kern- bzw. Spuleneinheit vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelddetektormittel einends der stationären Antriebsmittel, insbesondere einends der Kern- bzw. Spuleneinheit, so vorgesehen sind, dass eine Mehrzahl von Positionen der An- kereinheit, bevorzugt durch eine zugeordnete Mehrzahl von Detektorelementen der Magnetfelddektormittel, detektierbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der An- und/oder Eingriffsabschnitt zum Herstellen ei- ner in oder entgegengesetzter Bewegungsrichtung auf Druck und/oder Zug wirksamen mechanischen Berührung und/oder Verbindung mit dem Stellpartner ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der An- und/oder Eingriffsabschnitt eine mechanische Kupplung, einen Gewindeabschnitt, eine randseitige Nut, eine Hinterschneidung und/oder einen Tastkopf aufweist oder ausbildet.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Ankereinheit Kraftspeichermittel (44) zum Erzeugen einer der Berührung bzw. Betätigung durch den Stellpartner entgegenwirkenden Gegenkraft zugeordnet sind,

die insbesondere als konzentrisch zur Stößeleinheit ausgebildete Spiral- und/oder Druckfeder realisiert sind.

10. Verwendung der bistabilen elektromagnetischen Aktorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Bewegungs- und/oder Positionssensor für den Stellpartner und/oder zur Detektion einer Bewegung oder Positionsveränderung des Stellpartners.

1 1 . Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch den Stellpartner betätigte Position der Ankereinheit stromlos gespeichert wird.

12. System bestehend aus einem zur Positions- und/oder Bewegungsde- tektion auszuwertenden oder zu überwachenden Stellpartner und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.