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Die
Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung mit mindestens
zwei relativ zueinander beweglichen Vorrichtungsteilen, wobei mit
einem ersten Vorrichtungsteil mindestens ein erstes Magnetteil über eine
mechanische Feder verbunden ist, und wobei ein zweites Vorrichtungsteil
mindestens ein zweites Magnetteil aufweist, das mit dem ersten Magnetteil
magnetisch zusammenwirkt, wobei das dem einen Vorrichtungsteil zugeordnete
mindestens eine Magnetteil als Permanentmagnet und das dem anderen
Vorrichtungsteil zugeordnete mindestens eine Magnetteil als Permanentmagnet
und/oder magnetisch leitender Körper
ausgebildet ist, wobei die mechanische Feder, derart angeordnet
ist, dass sie während
einer Annäherung
der Vorrichtungsteile an eine Relativposition einen Teil der Bewegungsenergie
in Form von potentieller Energie ansammelt und beim Erreichen der
Relativposition in Form von kinetischer Energie schlagartig freisetzt,
mit einer Umformeinrichtung zum Umformen der freigesetzten Energie
in elektrische Impulse, und mit einer einen nicht flüchtigen
Positionsspeicher aufweisenden Verarbeitungseinrichtung, die mit
der Umformeinrichtung elektrisch verbunden und derart ausgestaltet
ist, dass sie die elektrischen Impulse zu ihrer Stromversorgung
und zum Nachführen
eines in dem Positionsspeicher abgelegten Positionswerts nutzt,
wobei das erste Vorrichtungsteil eine relativ zu dem zweiten Vorrichtungsteil
verdrehbare Welle oder Achse aufweist, und wobei das erste Magnetteil
mindestens zwei in Umfangsrichtung der Welle oder Achse zueinander
versetzte ungleichnamige Magnetpole aufweist, die über einen
Luftspalt mit dem zweiten Magnetteil zusammenwirken.
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Eine
derartige Positionsmessvorrichtung, bei der das erste Vorrichtungsteil
als Welle ausgestaltet ist, die über
ein Übersetzungsgetriebe
mit einem rotierenden Teil eines Gaszählers verbunden ist, ist aus
DE 1 045 286 A bekannt.
Das erste Magnetteil ist als Stabmagnet ausgebildet, der um eine
zweite Welle, die in gerader Verlängerung der ersten Welle angeordnet
ist und über
eine als Energiespeicher dienende Spiral-Feder mit dieser verbunden
ist, drehbar gelagert. Dabei weisen die Magnetpole des Stabmagneten
radial nach außen
und wirken mit dem als magnetisch leitender Körper ausgebildeten zweiten
Vorrichtungsteil über
einen Luftspalt zusammen. Der magnetisch leitende Körper ist
mit einer Wicklung bewickelt, die von einem von dem Stabmagnet in
dem Körper
erzeugten magnetischen Fluss durchsetzt wird und die bei Erreichen
der Relativposition, bei der die in der Spiralfeder gespeicherte
kinetische Energie schlagartig freigesetzt wird, einen elektrischen Impuls
erzeugt. Aus dem elektrischen Impuls wird ein von dem Gaszähler entfernt
angeordnetes elektromechanisches Zählwerk gespeist, an dem der
Gasverbrauch ablesbar ist. Die Vorrichtung benötigt jedoch noch einen relativ
großen
Bauraum.
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Aus
DE 43 42 069 C2 ist
ferner eine Positionsmessvorrichtung bekannt, die als erstes Vorrichtungsteil
eine Welle aufweist, die an einem zweiten Vorrichtungsteil drehbar
gelagert ist. An der Welle ist ein Radialarm angeordnet, der an
seinem freien Ende einen ersten Permanentmagneten trägt, der beim
Verdrehen der Welle auf einer Kreisbahn konzentrisch um die Rotationsachse
der Welle umläuft. Um
die Umdrehungen der Welle mit Hilfe einer elektronischen Verarbeitungseinrichtung
auch dann zählen
zu können,
wenn die Verarbeitungseinrichtung von ihrer regulären Stromversorgung
getrennt ist und die Welle nur langsam umläuft, ist eine Blattfeder vorgesehen,
die als Energiespeicher dient und einen Teil der kinetischen Energie
der Welle in Form von potentieller Energie ansammelt, während sich
die Welle einer vorgegebenen Drehlage relativ zu dem zweiten Vorrichtungsteil
annähert.
Die Blattfeder ist an ihrem einen Ende an einem etwa in gerader
Verlängerung der
Welle angeordneten drehfesten Halter eingespannt und trägt an ihrem
anderen Ende einen zweiten Permanentmagnet, der mit dem ersten Permanentmagnet
zusammenwirkt und mit diesem einen Mitnehmer bildet, der das freie
Ende der Blattfeder beim Annähern
der Welle an die vorgegebenen Drehlage auslenkt. Da die Rückstellkraft
der Blattfeder mit zunehmender Auslenkung größer wird, wird bei fortschreitender
Drehbewegung der Welle eine Auslenkposition erreicht, in der die
Rückstellkraft
der Blattfeder die in Umfangsrichtung wirkenden Abstoßungskräfte zwischen
den Permanentmagneten überwindet,
so dass der an der Blattfeder angeordnete Permanentmagnet auf der
zu der Rotationsachse der Welle konzentrischen Kreisbahn in Richtung
seiner Ausgangslage stark beschleunigt wird. Dabei wird die in der
Blattfeder gespeicherte potentielle Energie in kinetische Energie
umgewandelt. Das zweite Vorrichtungsteil hat als zweites Magnetteil
einen magnetisch leitenden Eisenkern, auf dem eine Induktionsspule
angeordnet ist. An diesem Eisenkern wird der zweite Permanentmagnet
beim Zurückfedern
der Blattfeder vorbeibewegt, wodurch in der Induktionsspule ein
elektrischer Impuls induziert wird, der einen Kondensator auflädt, der
als Strom-/Spannungsquelle für
die Verarbeitungseinrichtung dient. Die Verarbeitungseinrichtung
weist einen nicht flüchtigen
Positionsspeicher auf, in dem ein Positionswert für die Relativposition
der Vorrichtungsteile abgelegt ist. Der Positionswert wird bei jedem
Auftreten eines elektrischen Impulses mit Hilfe der Verarbeitungseinrichtung
nachgeführt.
Die Positionsmessvorrichtung ermöglicht
zwar auch bei einem Ausfall ihrer regulären Stromversorgung ein Nachführen des
Positionswerts und somit eine absolute Positionsmessung, so dass beim
Einschalten der Stromversorgung der Positionswert stets aktuell
ist und eine Referenzfahrt eingespart werden kann. Die Positionsmessvorrichtung hat
jedoch den Nachteil, dass sie einen relativ komplizierten Aufbau
aufweist.
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Es
besteht deshalb die Aufgabe, eine einfach aufgebaute, kostengünstig herstellbare
Positionsmessvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen,
die eine zuverlässige
absolute Positionsmessung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass das erste Magnetteil um die Welle oder Achse herum angeordnet
und durch einen Zwischenraum radial von der Welle oder Achse beabstandet
ist, und dass in dem Zwischenraum die Feder angeordnet ist.
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Dadurch
ergibt sich eine besonders kompakt aufgebaute Positionsmessvorrichtung,
bei der die Feder Platz sparend in dem zwischen der Welle oder Achse
und dem zweiten Magnetteil gebildeten Raum vorzugsweise um die Welle
oder Achse herum angeordnet ist. Bei einer Annäherung der Vorrichtungsteile
an die vorgegebene Relativposition kann also Bewegungsenergie direkt
von dem ersten Vorrichtungsteil auf die Feder übertragen und in dieser in
Form von potentieller Energie gespeichert werden. Beim Erreichen
der Relativposition wird die potentielle Energie freigesetzt, wodurch
das erste Magnetteil beschleunigt wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass
das erste Vorrichtungsteil eine wesentlich größere Massenträgheit hat
als das erste Magnetteil, so dass die freigesetzte potentielle Energie
nahezu vollständig
in kinetische Energie des ersten Magnetteils umgesetzt wird. Aus
dieser kinetischen Energie wird mit Hilfe der Umformeinrichtung
der zum Betreiben der Verarbeitungseinrichtung benötigte elektrische Impuls
erzeugt.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung weist die Umformeinrichtung mindestens eine Induktionsspule
auf, die mit dem Permanentmagnet zusammenwirkt. Die beim Erreichen
der vorgegebenen Relativposition freigesetzte potentielle Energie
kann dadurch sehr verlustarm in den zum Betrieb der Verarbeitungseinrichtung
benötigten
elektrischen Impuls umgesetzt werden, indem der Permanentmagnet
beschleunigt wird, um in der Induktionsspule eine Änderung
des magnetischen Flusses zu bewirken, die in der Induktionsspule
eine elektrische Spannung induziert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht die Feder aus einem Elastomer- und/oder Gummiwerkstoff
und ist durch eine elastische Vergussmasse gebildet, mit welcher
der Zwischenraum befüllt
ist. Die Positionsmessvorrichtung ist dann noch kostengünstiger
herstellbar. Der Elastomer- und/oder Gummiwerkstoff ermöglicht eine
robuste Feder, die auch für
starke Beschleunigungen, wie sie z.B. bei hochdynamischen elektrischen
Antrieben auftreten können,
geeignet ist. Die Vergussmasse kann bei der Fertigung der Positionsmessvorrichtung
in flüssiger
oder zähflüssiger Form
in den zwischen der der Welle oder Achse und dem ersten Magnetteil
gebildeten Zwischenraum eingebracht und dann verfestigt werden,
beispielsweise durch Erstarren, durch Verdunsten eines Lösungsmittels und/oder
eine chemische Reaktion. Die Vergussmasse kann eine Kunststoffmasse,
wie z.B. ein Thermoplast, oder Silikon sein.
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Vorteilhaft
ist, wenn das zweite Vorrichtungsteil mehrere in Richtung der Relativbewegung
der Vorrichtungsteile zueinander versetzte Magnetteile aufweist,
wenn für
jedes dieser Magnetteile jeweils eine mit der Verarbeitungseinrichtung
verbundene Umformeinrichtung vorgesehen ist, und wenn die Magnetteile
derart angeordnet sind und die Verarbeitungseinrichtung derart ausgebildet
ist, dass der in dem Positionsspeicher abgelegte Positionswert beim Auftreten
eines elektrischen Impulses in Abhängigkeit von der Richtung der
Relativbewegung nachgeführt
wird. Somit kann auch bei einer Änderung
der Bewegungsrichtung der Positionswert korrekt nachgeführt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Welle, die
Feder und das mindestens ein erste Magnetteil Teile eines Rotors,
der in einem Stator umläuft,
der ein Jochteil mit in Umfangsrichtung durch Zahnlücken voneinander
beabstan deten, mit dem mindestens einen ersten Magnetteil zusammenwirkenden
Zähnen
aufweist, auf denen die Induktionsspulen angeordnet sind. Dabei
kann das Jochteil ein Teil eines Gehäuses sein, in dem die Induktionsspulen
und der Rotor vor Verschmutzung geschützt sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist das erste Vorrichtungsteil über eine Linearführung mit
dem zweiten Vorrichtungsteil verbunden. Die Positionsmessvorrichtung
ermöglicht dann
bei einer Verschiebebewegung eine Positionsmessung eines verschobenen
Teils, beispielsweise eine Positionsmessung eines Läufers eines
Linearmotors relativ zu dessen Stator.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist das erste Vorrichtungsteil mehrere in Erstreckungsrichtung
der Linearführung
voneinander beabstandete Zähne
auf, die jeweils über
einen Luftspalt mit dem zweiten Magnetteil zusammenwirken. Dabei
ist es sogar möglich,
dass die zweiten Magnetteile durch Pole oder Polzähne eines
Linearmotors gebildet und/oder an diesen angeordnet sind. Die Verarbeitungseinrichtung
kann dann die Anzahl der Polübergänge zählen, die
beim Verschieben des Linearmotor-Läufers an dem Stator überfahren
werden. Um die Bewegungsrichtung zu erkennen, können den Polzähnen zwei
der Anordnungen, bestehend jeweils aus einem zweiten Magnetteil,
einer Feder und einer Umformeinrichtung zugeordnet sein. Diese Anordnungen
sind in Bewegungsrichtung des Linearmotors zueinander versetzt und
mechanisch an die Polteilung angepasst.
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Nachfolgend
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer Positionsmessvorrichtung, die als Magnetteile
einen Ringmagneten und ein etwa U-förmiges Jochteil aufweist.
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Eine
in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Positionsmessvorrichtung
weist zwei mittels einer Drehlagerung um eine Rotationsachse 2 relativ
zueinander verdrehbar gelagerte Vorrichtungsteile 3, 4 auf.
Ein erstes, als Welle ausgestaltetes Vorrichtungsteil 3 ist über eine
Feder 5 mechanisch mit einem ersten Magnetteil 6 verbunden,
das als ringförmiger
Permanentmagnet ausgebildet ist, der an seinem Umfang in Umfangsrichtung
zueinander versetzte, ungleichnamige Magnetpole N, S aufweist. Das
erste Magnetteil 6 ist etwa konzentrisch zur Rotationsachse 2 um
das erste Vorrichtungsteil 3 herum angeordnet. Dabei ist
das erste Magnetteil 6 durch einen Zwischenraum radial
von dem ersten Vorrichtungsteil 3 beabstandet.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 1 weist das erste Magnetteil 6 zwei diametral
einander gegenüberliegende
Magnetpole auf. Es sind aber auch andere Ausführungsformen denkbar, bei denen das
erste Magnetteil 6 an seinem Umfang drei oder mehr Magnetpole
N, S hat. Das erste Magnetteil 6 kann einstückig ausgebildet
sein oder aus mehreren Magnetsegmenten bestehen, die auf einem vorzugsweise
gut magnetisch leitfähigen
Trägerteil
angeordnet sind, beispielsweise einer ferromagnetischen Hülse.
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Ein
zweites Vorrichtungsteil 4 ist als etwa U-förmiges,
weichmagnetisches Jochteil ausgestaltet, das ein zweites Magnetteil
bildet, das mit dem ersten Magnetteil 6 über Luftspalte 7 magnetisch
zusammenwirkt. Wenn die Magnetpole N, S des ersten Magnetteils 6 den
freien Enden der Schenkel des zweiten Vorrichtungsteils 4 gegenüberliegen,
wie dies in 1 dargestellt ist, verläuft ein
magnetischer Fluss von dem einen Magnetpol N über die Luftspalte und das
weichmagnetische zweite Vorrichtungsteil 4 zu dem anderen
Magnetpol S. Bei einer Drehbewegung verändert sich der magnetische
Fluss in Abhängigkeit
von der Lage der Magnet pole N, S relativ zu dem zweiten Vorrichtungsteil 4.
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Die
mechanische Feder 5 ist mit einem inneren Ende drehfest
mit dem ersten Vorrichtungsteil 3 und mit einem äußeren Ende
drehfest mit dem ersten Magnetteil 6 verbunden. Wenn die
Vorrichtungsteile 3, 4 – ausgehend von einer Neutrallage,
in der die Feder 5 entspannt ist – in eine vorgegebene Relativposition
zueinander verdreht werden, wird ein Teil der Bewegungsenergie in
Form von potentieller Energie in der Feder 5 gespeichert,
weil das erste Magnetteil 6 aufgrund der zwischen ihm und
dem zweiten Vorrichtungsteil 4 wirkenden Magnetkräfte nur teilweise der
Drehbewegung des ersten Vorrichtungsteils 3 folgt und die
Feder 5 dadurch gespannt wird.
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Da
die Rückstellkraft
der Feder 5 mit zunehmender Auslenkung größer wird,
wird bei fortschreitender Drehbewegung des ersten Vorrichtungsteils 3 eine
Position erreicht, in der die Rückstellkraft
der Feder 5 die in Umfangsrichtung wirkenden Kräfte zwischen
dem ersten Magnetteil 6 und dem zweien Vorrichtungsteile 4 überwindet,
so dass das erste Magnetteil 6 um die Rotationsachse 2 beschleunigt
wird und dabei die in ihm gespeicherte potentielle Energie in Form
von kinetischer Energie schlagartig freisetzt. Dabei ändert sich
der magnetische Fluss in dem zweiten Vorrichtungsteil 4.
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Zum
Umformen der auf diese Weise freigesetzten Energie in elektrische
Impulse weist die Positionsmessvorrichtung 1 eine Umformeinrichtung
auf, die eine Induktionsspule 8 hat, die von dem zweiten Vorrichtungsteil 4 und
dem darin geführten
magnetischen Fluss durchsetzt wird. In 1 ist erkennbar, dass
die Induktionsspule 8 elektrisch mit einer schematisch
dargestellten elektronischen Verarbeitungseinrichtung 9 verbunden
ist.
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Die
Verarbeitungseinrichtung 9 hat einen nicht flüchtigen
Positionsspeicher, in dem ein Positionswert für die absolute Lage, welche
die Vorrichtungsteile 3, 4 zueinander aufweisen,
abgelegt ist. Die Verarbeitungseinrichtung ist derart ausgestaltet, dass
sie bei jedem Auftreten eines elektrischen Impulses an der Induktionsspule 8 den
Positionswert nachführt.
Die für
den Betrieb der Verarbeitungseinrichtung benötigte elektrische Energie wird
dabei den elektrischen Impulse n entnommen. Die Positionsmessvorrichtung 1 erfasst
dadurch auch dann, wenn sie von ihrer regulären Stromversorgung getrennt
ist, Lageveränderungen
der Vorrichtungsteile 3, 4, d.h. sie ermöglich eine
absolute Positionsmessung über mehrere
Umdrehungen (Multi-Turn-Positionsmesssystem).
Die Feder 5 ist derart dimensioniert, dass die von ihr
beim Erreichen der vorgegeben Relativposition der Vorrichtungsteile 3, 4 freigesetzte
Energie auch bei einer langsamen Relativbewegung der Vorrichtungsteile
ausreicht, um die Verarbeitungseinrichtung mit Strom zu versorgen
und den Positionswert nachzuführen.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Feder 5 durch
eine verfestigte, elastische Vergussmasse gebildet, mit welcher
Zwischenraum zwischen dem ersten Magnetteil 6 und dem ersten Vorrichtungsteil 3 befüllt ist.
Die Feder 5 kann auch aus einem Gummiwerkstoff bestehen.
Dieser kann bei der Fertigung der Positionsmessvorrichtung 1 in Pulverform
zwischen das erste Magnetteil 6 und das erste Vorrichtungsteil 3 eingebraucht
und dann unter Einwirkung von Druck und/oder Wärme vulkanisiert werden.
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Die
Positionsmessvorrichtung 1 hat also zwei relativ zueinander
bewegliche Vorrichtungsteile 3, 4. Mit einem ersten
Vorrichtungsteil 3 ist mindestens ein erstes Magnetteil 6 verbunden.
Ein zweites Vorrichtungsteil 4 weist mindestens ein mit
dem ersten Magnetteil 6 zusammenwirkendes zweites Magnetteil
auf. Das dem einen Vorrichtungsteil 3, 4 zugeordnete
mindestens eine Magnetteil ist als Permanentmagnet und das dem anderen
Vorrichtungsteil 4, 3 zugeordnete mindestens eine
Magnetteil als Permanentmagnet und/oder magnetisch leitender Körper bzw.
Jocht ausgebildet. Das erste Vorrichtungsteil 3 ist über eine
mechanische Feder derart direkt mit dem ersten Magnetteil 6 verbunden,
dass die Feder 5 während
einer Annäherung
der Vorrichtungsteile 3, 4 an eine Relativposition
einen Teil der Bewegungsenergie in Form von potentieller Energie
ansammelt und beim Erreichen der Relativposition in Form von kinetischer
Energie schlagartig freisetzt. Zum Umformen der freigesetzten Energie
in elektrische Impulse ist eine Umformeinrichtung vorgesehen, die
mit einer Verarbeitungseinrichtung 9 elektrisch verbunden
ist, die einen nicht flüchtigen
Positionsspeicher aufweist, in dem ein Positionswert abgelegt ist.
Die Verarbeitungseinrichtung 9 ist derart ausgestaltet,
dass sie die elektrischen Impulse zu ihrer Stromversorgung und zum
Nachführen
eines in dem Positionsspeicher abgelegten Positionswerts nutzt.