DE10108737B4 - Positionssensoreinrichtung zur Erfassung der Position bewegbarer Elemente, insbesondere der Kolbenposition bei Arbeitszylindern - Google Patents

Abstract

Positionssensoreinrichtung zur Erfassung der Position bewegbarer Elemente, insbesondere der Kolbenposition bei Arbeitszylindern, mit wenigstens einem ersten Positionselement an wenigstens einer Position der Bewegungsbahn des bewegbaren Elements und mit einem zweiten Positionselement am bewegbaren Element, wobei das wenigstens erste oder das zweite Positionselement als Magnet ausgebildet ist und mit seinem Magnetfeld positionsabhängig auf das jeweils andere Positionselement einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzgenerator (16) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Felds vorgesehen ist, dass das wenigstens eine, nicht als Magnet ausgebildete Positionselement ein durch das elektromagnetische Feld anregbarer Resonator (14, 15) ist, dessen Resonanzfrequenz (f_R) magnetfeldabhängig ist und/oder der magnetfeldabhängig zu- und/oder abschaltbar ist, und dass eine die vom Resonator (14, 15) erzeugte Resonanzfrequenz erfassende und als Positionsinformation auswertende Empfangseinrichtung (17) vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Positionssensoreinrichtung zur Erfassung der Position bewegbarer Elemente, insbesondere der Kolbenposition bei Arbeitszylindern, mit wenigstens einem ersten Positionselement an wenigstens einer Position der Bewegungsbahn des bewegbaren Elements und mit einem zweiten Positionselement am bewegbaren Element, wobei das wenigstens erste oder das zweite Positionselement als Magnet ausgebildet ist und mit seinem Magnetfeld positionsabhängig auf das jeweils andere Positionselement einwirkt.
• Zur Erfassung der Kolbenposition eines in einem Arbeitszylinder bewegbaren Kolbens ist es beispielsweise aus der DE 43 41 810 A1 bekannt, am Kolben einen Permanentmagneten und am Gehäuse des Arbeitszylinders entlang der Bewegungsbahn ein oder mehrere magnetfeldempfindliche Elemente, beispielsweise Hall-Elemente, anzubringen. Erreicht der Kolben ein solches Hall-Element, so spricht dieses infolge des Magnetfelds des Permanentmagneten an und erzeugt ein Sensorsignal, das die entsprechende Kolbenposition anzeigt. Nachteilig an der bekannten Anordnung ist die erforderliche Verdrahtung der magnetfeldempfindlichen Elemente, über die die Sensorsignale einer Auswerte- oder Positionsregeleinrichtung zugeführt werden müssen.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionssensoreinrichtung der eingangs genannten Gattung zur drahtlosen Positionserfassung zu schaffen, bei der die Positionselemente keine elektrischen Anschlussleitungen benötigen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Frequenzgenerator zur Erzeugung eines elektromagnetischen Felds vorgesehen ist, dass das wenigstens eine, nicht als Magnet ausgebildete Positionselement ein durch das elektromagnetische Feld anregbarer Resonator ist, dessen Resonanzfrequenz magnetfeldabhängig ist und/oder der magnetfeldabhängig zu- und/oder abschaltbar ist, und dass eine die vom Resonator erzeugte Resonanzfrequenz erfassende und als Positionsinformation auswertende Empfangseinrichtung vorgesehen ist.
• Da der wenigstens eine Resonator die von ihm erzeugte Resonanzfrequenz drahtlos der Empfangseinrichtung übermittelt, ist keinerlei Verkabelung erforderlich, und die als Positionselemente eingesetzten Resonatoren können auf einfache Weise beliebig positioniert und umpositioniert werden. Sie benötigen auch keine Energieversorgung über Kabel oder durch Batterien. Der Frequenzgenerator und die Empfangseinrichtung können entsprechend ihrem Wirkungsbereich praktisch beliebig positioniert werden und so an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Nicht nur das als Magnet ausgebildete Positi onselement, sondern auch die Resonatoren sind einfach und kostengünstig in sehr kleiner Bauweise herstellbar.
• Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Positionssensoreinrichtung möglich.
• In einer vorteilhaften Ausführung ist der insbesondere als Permanentmagnet ausgebildete Magnet am bewegbaren Element und wenigstens ein Resonator an wenigstens einer Position entlang der Bewegungsbahn angeordnet. In vorteilhafter Weise können dabei mehrere Resonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen an verschiedenen Positionen der Bewegungsbahn angeordnet werden, um die einzelnen Resonatoren bzw. deren Positionen unterscheiden zu können. Unterschiedliche Resonanzfrequenzen können beispielsweise durch unterschiedliche Geometrien und Ausrichtungen der Resonatoren erreicht werden.
• Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass der Resonator am bewegbaren Element und wenigstens ein insbesondere als Permanentmagnet ausgebildeter Magnet an wenigstens einer Position entlang der Bewegungsbahn angeordnet ist.
• Zur Erzielungen einer kleinen und kompakten Anordnung können der Frequenzgenerator und die Empfangseinrichtung insbesondere auch als Sendeempfänger ausgebildet sein.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Frequenzgenerator und/oder die Empfangseinrichtung ortsfest an einer Füh rungseinrichtung für das bewegbare Element angeordnet. Im Falle einer Kolben-Zylinder-Anordnung eignet sich hier vor allem die Anbringung in einem Zylinderdeckel. Dort kann in einer alternativen Ausführung auch lediglich die Antennenstruktur für den Frequenzgenerator und/oder die Empfangseinrichtung angeordnet sein, wobei auch ein Sendeempfänger mit einer integrierten Antennenstruktur möglich ist.
• Die magnetfeldabhängige Resonanzfrequenz des wenigstens einen Resonators liegt innerhalb des Frequenzbands des elektromagnetischen Felds, damit die jeweiligen Resonanzfrequenzen angeregt werden können. Dabei sind der Frequenzgenerator und/oder die Empfangseinrichtung vorzugsweise für einen getakteten Betrieb ausgelegt, damit beispielsweise Sende- und Empfangssignale abwechselnd vorliegen.
• Als Resonatoren eignen sich insbesondere magneto-striktive Elemente, vorzugsweise magneto-elastische Resonanzsensoren. Derartige magneto-elastische Resonatoren können in sehr kleiner Bauweise realisiert werden und besitzen beispielsweise eine Dicke von 25 μm. Weitere Vorteile sind ein geringes Polarisationsfeld, niedrige Produktionskosten bei hoher Qualität und völlige Störunanfälligkeit. Derartige Resonatoren können beispielsweise in Form von dünnen Filmen an den gewünschten Stellen angebracht werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei an der Zylinderwandung einer Kolben-Zylinder-Anordnung angebrachten Resonatoren und
• 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom magnetischen Feld.
• Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Kolben 10 in einem Zylinder 11 verschiebbar geführt. Ein Zylinderdeckel 12 verschließt den Zylinder 11 auf einer Seite. Auf die Darstellung der fluidischen Zuleitungen zur Bewegung des Kolbens 10 wurde zur Vereinfachung verzichtet.
• Zur Positionsbestimmung des Kolbens 10 ist dieser mit einem kleinen Permanentmagneten 13 versehen. Dieser ist beispielsweise als Plättchen, Magnetplättchen oder Magnetdraht ausgebildet. Im vorliegenden Falle sollen zwei Positionen entlang der Bewegungsbahn des Kolbens 11 erfasst werden. An den entsprechenden Stellen sind an der Wandung des Zylinders 11 zwei Resonatoren 14, 15 angebracht, die als magneto-striktive Elemente bzw. magneto-elastische Resonanzsensoren ausgebildet sind. Außerhalb des Zylinders 11 ist ein aus einem Frequenzgenerator 16 und einer entsprechenden Empfangseinrichtung 17 bestehender Sendeempfänger 18 ortsfest zum Zylinder 11 angeordnet. Der Frequenzgenerator 16 erzeugt elektromagnetische Wellen bzw. ein elektromagnetisches Feld mit einem Frequenzband von beispielsweise 50–100 kHz. Die Empfangseinrichtung 17 ist zum Empfang von elektromagnetischen Wellen in diesem Bereich ausgebildet. Selbstverständlich sind auch andere Frequenzbereiche möglich.
• Das Funktionsprinzip der Positionserfassung besteht darin, dass die Resonatoren 14, 15 durch die elektromagnetischen Wellen zum Schwingen angeregt werden und ein Resonanzsignal als Antwortsignal erzeugen, das von der Empfangseinrichtung 17 erfasst wird. Hierzu eignet sich vor allem ein getakteter Betrieb, das heißt, der Frequenzgenerator 16 und die Empfangseinrichtung 17 arbeiten alternierend, so dass durch die Empfangseinrichtung 17 die Resonanzfrequenzen leichter und ungestörter erfasst werden können. Entscheidend für die Positionsmessung ist die Tatsache, dass die Resonanzfrequenzen der Resonatoren 14, 15 vom Magnetfeld des Permanentmagneten 13 abhängig sind und sich in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke H verändern. Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz f_R von der magnetischen Feldstärke H ist schematisch in 2 dargestellt. Durch Messung der empfangenen Resonanzfrequenzen in der Empfangseinrichtung 17 kann somit über die magnetische Feldstärke H auf die Position des Permanentmagneten 13 und damit die Position des Kolbens 10 geschlossen werden. Hierdurch ist es möglich, dass nicht nur die Position des Kolbens 10 beim Passieren oder Erreichen der Resonatoren 14, 15 bestimmt werden kann, sondern auch kontinuierlich an anderen Positionen, an denen der Permanentmagnet je nach seinem Abstand eine bestimmte Feldstärke in den Resonatoren 14, 15 erzeugt, die eine entsprechende Resonanzfrequenz hervorruft.
• Um die beiden Resonatoren 14, 15 unterscheiden zu können, werden für diese unterschiedliche Resonanzfrequenzen gewählt, was beispielsweise durch die geometrische Auslegung und Orientierung auf einfache Weise erreicht werden kann.
• Im einfachsten Falle kann nur ein einziger Resonator vorgesehen sein, wobei die Zahl prinzipiell beliebig ist und von der Länge der zu erfassenden Bewegungsbahn abhängt.
• Zur Optimierung der beschriebenen Einrichtung können der Frequenzgenerator 16, die Empfangseinrichtung 17 und die Resonatoren 14, 15 alle oder zum Teil mit Antennen oder einer Antennenstruktur versehen sein, um die elektromagnetischen Wellen zu bündeln und dadurch den Wirkungsgrad zu verbessern.
• Es ist selbstverständlich auch möglich, die Positionselemente umgekehrt anzuordnen, das heißt, ein Resonator wird am Kolben 10, und ein oder mehrere Magnete werden entlang der Bewegungsbahn angeordnet.
• Mit dem Bezugszeichen 18' ist strichpunktiert eine mögliche Anordnung des Sendeempfängers im Zylinderdeckel 12 angedeutet, so dass alle für die Positionsmessung erforderlichen Elemente und Bauteile in der Kolben-Zylinder-Anordnung untergebracht sind. Anstelle eines Sendeempfängers 18' kann im Zylinderdeckel 12 auch nur eine Antennenanordnung zum Senden und für den Empfang elektromagnetischer Wellen vorgesehen sein, während die elektronische Anordnung für die Erzeugung und Auswertung der elektromagnetischen Wellen außerhalb des Zylinders 11 angeordnet ist.
• Die bereits erwähnten magneto-elastischen Resonatoren bzw. Resonanzsensoren können als filmartige Elemente mit einer sehr geringen Dicke von beispielsweise 25 μm hergestellt werden. Andererseits können auch herkömmliche LCD-Resonatoren eingesetzt werden, wobei die entsprechende Spule mit einem Magnetkern versehen sein kann.
• Die Erfindung ist nicht auf Kolben-Zylinder-Anordnungen beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo ein bewegbares Element entlang einer Bewegungsbahn bewegt wird. Dabei sind selbstverständlich auch nicht-lineare Bewegungsbahnen möglich.
• Eine mögliche Ausführung einer Positionssensoreinrichtung besteht auch darin, dass ein Resonator am bewegbaren Element und eine Magnetanordnung derart entlang der Bewegungsbahn angeordnet sind, dass sich das Magnetfeld entlang der Bewegungsbahn kontinuierlich verändert, also beispielsweise erhöht oder verringert. Dies bewirkt eine entsprechende kontinuierliche Veränderung der Resonanzfrequenz, so dass eine kontinuierliche Positionserfassung realisierbar ist.
• Der oder die Resonatoren 14, 15 können in einer alternativen Ausgestaltung auch magnetfeldabhängig zu- und/oder abgeschaltet werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Resonatoren 14, 15 einen Magnetschalter aufweisen oder dass ein Magnetschalter diesen zugeordnet ist, der bei einer bestimmten Annäherung des Permanentmagneten 13 den Resonator 14 bzw. 15 zuschaltet oder abschaltet, beispielsweise durch Zu- oder Abschalten eines Schwingkreises des Resonators. Unabhängig davon kann auch bei dieser Ausgestaltung eine magnetfeldabhängige Resonanzfrequenz vorliegen.

Claims (13)

1. Positionssensoreinrichtung zur Erfassung der Position bewegbarer Elemente, insbesondere der Kolbenposition bei Arbeitszylindern, mit wenigstens einem ersten Positionselement an wenigstens einer Position der Bewegungsbahn des bewegbaren Elements und mit einem zweiten Positionselement am bewegbaren Element, wobei das wenigstens erste oder das zweite Positionselement als Magnet ausgebildet ist und mit seinem Magnetfeld positionsabhängig auf das jeweils andere Positionselement einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzgenerator (16) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Felds vorgesehen ist, dass das wenigstens eine, nicht als Magnet ausgebildete Positionselement ein durch das elektromagnetische Feld anregbarer Resonator (14, 15) ist, dessen Resonanzfrequenz (f_R) magnetfeldabhängig ist und/oder der magnetfeldabhängig zu- und/oder abschaltbar ist, und dass eine die vom Resonator (14, 15) erzeugte Resonanzfrequenz erfassende und als Positionsinformation auswertende Empfangseinrichtung (17) vorgesehen ist.
2. Positionssensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der insbesondere als Permanentmagnet ausgebildete Magnet (13) am bewegbaren Element (10) und wenigstens ein Resonator (14, 15) an wenigstens einer Position entlang der Bewegungsbahn angeordnet ist.
3. Positionssensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Resonatoren (14, 15) mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen an verschiedenen Positionen der Bewegungsbahn angeordnet sind.
4. Positionssensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator am bewegbaren Element und wenigstens ein insbesondere als Permanentmagnet ausgebildeter Magnet an wenigstens einer Position entlang der Bewegungsbahn angeordnet ist.
5. Positionssensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet als eine entlang der Bewegungsbahn ein kontinuierlich sich veränderndes Magnetfeld erzeugende Magnetanordnung ausgebildet ist.
6. Positionssensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator (16) und die Empfangseinrichtung (17) als Sendeempfänger ausgebildet sind.
7. Positionssensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Resonator (14, 15) und/oder der Frequenzgenerator (16) und/oder die Empfangseinrichtung (17) eine Antennenstruktur aufweisen oder mit einen Antennenanordnung versehen oder verbunden sind.
8. Positionssensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator (16) und/oder die Empfangseinrichtung (17) und/oder die Antennenstruktur oder -anordnung ortsfest an einer Führungseinrichtung (11, 12) für das bewegbare Element (10) angeordnet sind, insbesondere in einem Zylinderdeckel (12) einer Kolben-Zylinder-Anordnung.
9. Positionssensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfeldabhängigen Resonanzfrequenzen (f_R) des wenigstens einen Resonators (14, 15) innerhalb des Frequenzbands des elektromagnetischen Felds liegen.
10. Positionssensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator (16) und/oder die Empfangseinrichtung (17) für einen getakteten Betrieb, insbesondere Gegentaktbetrieb, ausgelegt sind.
11. Positionssensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Resonator (14, 15) als magneto-striktives Element, insbesondere als magneto-elastischer Resonanzsensor, ausgebildet ist.
12. Positionssensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis des Resonators (14, 15) magnetfeldabhängig zu- und/oder abschaltbar ist.
13. Positionssensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetschalter zum Zu- und/oder Abschalten vorgesehen ist.