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Die
Erfindung betrifft einen Linear-Schrittmotor mit einem in einem
Gehäuse
in seiner Längsrichtung
verschiebbaren Stellelement, wobei der Motor eine Sensorvorrichtung
aufweist, und die Sensorvorrichtung aus einem an dem Stellelement
befestigten, von diesem bei einer Linearbewegung mitgeführten ersten
Sensorelement, und einem mit einem festen Teil des Motors verbundenen
zweiten Sensorelement besteht, sodass aus der Relativbewegung des
ersten Sensorelementes zu dem zweiten Sensorelement die Position
des Stellelementes ermittelbar ist.
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Eingangs
erwähnte
Schrittmotoren sind beispielsweise aus der WO 2002/37656, der
US 4 700 251 A oder
der WO 1998/37624 A bekannt.
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Es
existieren unterschiedliche Möglichkeiten,
um Positionierungsaufgaben mit Schrittmotoren durchzuführen. Beispielsweise
ist der sogenannte „Open
Loop" – Betrieb
ohne Positionsrückmeldung bekannt.
Bei diesem Betriebsmodus wird die Position des Schrittmotors dadurch
bestimmt, dass ausgehend von einem definierten Startzustand die
Schritte, mit denen der Motor angesteuert wird, aufintegriert werden.
Dieser Betriebsmodus hat jedoch einige Nachteil, die nicht in allen
Anwendungen akzeptiert werden können.
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So
ist, um einen definierten Ausgangszustand zu schaffen, eine Referenzierung
des Schrittmotors gegen einen mechanischen Anschlag erforderlich.
Diese Referenzierung kann z. B. bei jedem Einschalten der Steuerung
erfolgen. Wird allerdings das Drehmoment des Motors überschritten,
kommt es zu Schrittverlusten, und dadurch stimmt die in der Steuerung
ermittelte Soll-Position nicht mehr mit der tatsächlichen Ist-Position überein.
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Ein
anderer Betriebsmodus ist der „Closed Loop" – Betrieb mit Positionsrückmeldung.
Durch den Einsatz eines Positionssensors wird die Position des Antriebs
ermittelt, dadurch entfällt
die Notwendigkeit, einen Referenzlauf durchzuführen, und außerdem können Schrittverluste
erkannt und korrigiert werden.
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Der
Nachteil des „Closed
Loop" – Betriebs liegt
darin, dass der erforderliche Positionssensor nicht nur zusätzliche
Kosten verursacht, sondern auch den erforderlichen Bauraum vergrößert.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung eines Positionssensor
für einen
Linear-Schrittmotor
zu finden, bei welcher sich der erforderliche Bauraum einerseits
möglichst gering
halten lässt,
der einfach und günstig
zu montieren ist, und die andererseits eine Berechung der Position
des Stellelementes z.B. durch die Steuerung des Motors erlaubt,
wobei die oben beschriebenen Nachteile wie etwa bei der Referenzierung
des Motors gegen einen mechanischen Anschlag vermieden sind.
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Diese
Aufgabe wird mit einem eingangs erwähnten Linear-Schrittmotor dadurch
gelöst,
dass erfindungsgemäß eines
der Sensorelemente einen Dauermagnet und das andere Sensorelement
einen Hall-Sensor umfasst, und dass die Sensorvorrichtung ein Ausgangssignal
liefert, welches bei einem Überfahren
einer definierten Stelle des Verfahrweges des Stellelementes zwischen
zwei Signalwerten umschaltet.
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Je
nach Relativposition der Sensorelemente zueinander wird entsteht
dem Hall-Sensor eine andere Spannung. Einer genau definierten Position,
der Referenzposition, ist ein bestimmter Spannungswert zugeordnet.
Auf diese Weise lässt
sich auf einfache Weise eine Referenzierung des Motors durchführen, ohne
die Nachteile eines mechanischen Anschlags aufzuweisen, und außerdem ist
die Sensorvorrichtung einfach und günstig zu montieren.
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Die
absolute Position des Stellelementes kann dann durch die Steuerung
des Motors ausgehend von der Referenzposition berechnet werden.
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Durch
die Anbringung eines Sensorelementes an der Stellstange wird erreicht,
dass der Bauraum, der ohnehin für
die Bewegung der Stellstange benötigt
wird, gleichzeitig auch für
den Sensor verwendet wird.
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Um
besonders platzsparend zu sein und genaue Angabe zu liefern lässt sich
der Schrittmotor gestalten, wenn das erste Sensorelement länglich ausgebildet
und parallel zu dem Stellelement befestigt ist.
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Positionsinformationen
betreffend das Stellelement aus dem gesamten Verfahrbereich des
Stellelementes lassen sich ermitteln, wenn das erste Sensorelement
sich im Wesentlichen über
den gesamten Verfahrbereich des Stellelementes erstreckt.
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Bei
einer konkreten Ausführungsform
der Erfindung ist dabei das erste Sensorelement in einem Trägerelement,
welches an dem Stellelement angebracht ist, eingebettet. Dies ist
aus dem Grund von Vorteil, da eine Montage des Sensorelementes direkt auf
dem Stellelement selbst schwer möglich
ist, da es sich bei diesem in der Regel um ein Drehteil aus Edelstahl
handelt.
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Vorteilhafterweise
ist dabei das Trägerelement
(der Sensorträger)
ein Kunststoffteil ist, welcher das Stellelement umgibt. Vergleichsweise
einfach lässt
sich dies realisieren, wenn das Stellelement mit dem Kunststoff
umspritzt ist, welcher das Trägerelement
bildet.
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Ein
eigener innerer Anschlag für
das Stellelement erübrigt
sich, wenn das Trägerelement
mit einem Ende einen inneren Anschlag zur Begrenzung der Bewegung
des Stellelementes nach Außen
bildet. Außerdem
bildet der Sensorträger
die seitliche Führung
für das
Stellelement in dem Gehäuse
des Motors.
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Im
Folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. In
dieser zeigt
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1 eine beispielhafte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Linear-Schrittmotors
mit digitalem Sensor, und
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2 und 3 schematisch zwei unterschiedliche Positionen
des Stellelementes eines erfindungsgemäßen Schrittmotors.
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Der
Linear-Motor MOT besteht in bekannter Weise aus einem Gehäuse GEH,
in dem ein Stellelement STE in seiner Längsrichtung verschiebbar ist. Das
Bewegen des Stellelementes STE, welches in einem Rotor ROT des Motors
MOT gelagert und in einem vorderen Bereich des Gehäuses GEH
in einer entsprechenden Öffnung
geführt
ist, erfolgt auf bekannte Weise, indem die Drehbewegung des Rotors über ein
Gewinde in eine Linearbewegung umgewandelt wird.
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In
seinem vorderen Bereich weist das Stellelement STE beispielsweise
einen (nichtdargestellten) Kugelkopf auf, mit dem das Stellelement
STE beispielsweise mit der Rückseite
eines Reflektors gelenkig verbunden werden kann, sodass der Reflektor durch
ein Verschieben des Stellelements STE um eine Schwenkachse verschwenkbar
ist. Natürlich sind
aber auch andere Verbindungsmöglichkeiten denkbar.
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Zur
Ermittlung der Position des Stellelements STE weist der Motor MOT
eine Sensorvorrichtung SEN auf, die aus einem ersten Sensorelement SE1
und einem zweiten Sensorelement SE2 besteht. Das erste Sensorelement
SE1 weist dabei beispielsweise wie gezeigt eine längliche
Gestalt auf und ist parallel zu dem Stellelement STE an diesem befestigt,
sodass das erste Element SE1 bei einer Bewegung des Stellelementes
STE von diesem mitgenommen wird. Das zweite Sensorelement SE2 ist
fest mit dem Gehäuse
GEH des Motors MOT verbunden, sodass bei einer Bewegung des Stellelementes
STE das erste Sensorelement SE1 relativ zu dem zweiten Sensorelement
SE2 verschoben wird, sodass aus dieser Relativbewegung die Position
des Stellelementes STE ermittelbar ist.
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Bei
der konkreten Ausführungsform
nach der 1 ist dabei
das erste Sensorelement SE1 in einem Trägerelement TRA, welches an
dem Stellelement STE angebracht ist, eingebettet. Dies ist aus dem
Grund von Vorteil, da eine Montage des Sensorelementes SE1 direkt
auf dem Stellelement STE selbst schwer möglich ist, da es sich bei diesem
in der Regel um ein Drehteil aus Edelstahl handelt.
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Vorteilhafterweise
ist dabei das Trägerelement
TRA (der Sensorträger)
ein Kunststoffteil, welcher das Stellelement STE umgibt. Vergleichsweise einfach
lässt sich
dies realisieren, wenn das Stellelement STE mit dem Kunststoff umspritzt
ist, welcher das Trägerelement
TRA bildet.
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Ein
eigener innerer Anschlag für
das Stellelement erübrigt
sich, wenn das Trägerelement
TRA mit einem Ende einen inneren Anschlag AN2 zur Begrenzung der
Bewegung des Stellelementes STE nach Außen bildet. Außerdem bildet
das Trägerelement
TRA die seitliche Führung
für das
Stellelement STE in dem Gehäuse
GEH des Motors.
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Erfindungsgemäß handelt
es sich bei der Sensorvorrichtung SEN um einen digitalen Sensor, bei
dem das erste Sensorelement SE1 eine Magnetstange oder einen Magnetstreifen
umfasst. Das zweite Sensorelement SE2 umfasst bei der gezeigten Ausführungsform
eine Hallsonde.
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Beispielsweise
kann der Magnet (Dauermagnet) im ersten Sensorelement SE1 so angeordnet sein,
dass die Hallsonde SE2 im zweiten Sensorelement nur in der rechten
Hälfte
des Verstellbereiches (der Verstellbereich des Stellelementes ist
in 2 und 3 durch Pfeile definiert) ein Magnetfeld
des Magneten SE1 sieht. Die Hallsonde im zweiten Sensorelement SE2
ermittelt diese Polarität
und liefert entsprechend die Signalwerte 1 oder 0 am Ausgang. Anhand
des Wechsels zwischen 0 und 1 kann die Steuerung so die Mittelposition
oder Referenzposition erkennen, wie dies wie folgt noch näher erläutert werden
soll.
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Eine
solche (digitale) Sensorvorrichtung SEN liefert ein Ausgangssignal,
welches an einer definierten Stelle (Referenzposition) des Verfahrweges des
Stellelementes STE von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert
umschaltet. Durch dieses Umschalten lässt sich die Referenzposition
des Stellelementes STE einfach erkennen. Die absolute Position des
Stellelementes STE wird dann durch die Steuerung des Motors MOT
ausgehend von der Referenzposition berechnet.
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Zum
Beispiel liefert in einer Position entsprechend der 2, in der das Stellelement STE sich in einer
ausgefahrenen Position befindet, die Sensorvorrichtung SEN eine „0" als Ausgangssignal.
In dieser Position misst das Sensorelement SE2 nur ein geringes
oder gar kein Magnetfeld, die induzierte Hall-Spannung liegt unter
einem gewissen Schwellwert.
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Bei
einem Bewegen des Stellelementes STE in die in 3 gezeigte eingefahrene Position steigt das
von dem Sensorelement SE2 gemessene Magnetfeld rasch an. Bei einem Überschreiten
eines bestimmten Wertes schaltet das Ausgangssignal auf „1" um. Auf diese Weise
kann einfach durch das Umschalten von „0" auf „1" die exakte Referenzposition ermittelt
werden.
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In
der eingefahrenen Position entsprechend 3 eine „1" als Ausgangssignal geliefert wird.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
erstreckt sich das Sensorelement SE1 nur über einen gewissen Verstellbereich
des Stellelementes STE.
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Um
eine Positionsermittlung über
den gesamten Verfahrbereich des Stellelementes zu ermöglichen,
ist bei einer weiteren Ausführungsform
(nicht dargestellt) das erste Sensorelement zwischen einem äußeren Anschlag,
der die Bewegung des Stellelementes nach innen hin begrenzt, und
einem inneren Anschlag, der die Bewegung der Stellstange nach außen hin
begrenzt, angeordnet.
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Das
zweite Sensorelement SE2 ist vorzugsweise in der Nähe des Gehäuses GEH
angeordnet, da es in der Regel erwünscht ist, den Referenzpunkt möglichst
in die Mitte des Verfahrbereichs zu setzen. Dadurch ergibt sich
die Position des Sensorelementes SE2 in Längsrichtung. Weiters dürfen die
beiden Sensorelemente quer zur Bewegungsrichtung gesehen nicht zu
weit voneinander entfernt sein, da sonst die Genauigkeit stark abnimmt.
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Die
Sensorinformationen werden von einer Motorsteuerung ausgewertet,
und diese steuert dann den Motor entsprechend an.
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Ein
erfindungsgemäßer Linear-Schrittmotor eignet
sich besonders für
den Einsatz als Stellmotor zum Verstellen und Verschwenken beispielsweise von
Reflektoren eines Fahrzeugscheinwerfers, da hier oftmals mit dem
Problem von geringen Bauraum zu kämpfen ist.