带有位置传感装置的致动装置.pdf

本发明提供了一种带有压力传感器(1)的致动装置(12)，其用于通过作用杆(13)致动机械系统。为了以简单而又便宜的方式确定作用杆(13)的中间位置，压力传感器(1)的外壳(17)整个由或者部分由半透明塑料形成。进一步，在压力传感器(1)的一个室(14)内提供与作用杆(13)固定连接的突缘(4，5)，伴随着挡光板(3，6)安置在压力传感器(1)外部来检测突缘(4，5)的位置。

1、  一种用于通过作用杆(13)致动机械系统的致动装置，
-其中提供了压力传感器(1)，其具有不同压力状态的两个室(14，16)，该两个室通过隔板(15)隔开；
-其中隔板(15)以传动方式与作用杆(13)相连；
-其中压力传感器(1)的外壳(9，17)完全或部分由半透明塑料制成；
-其中在两个室(14)中的一个室内部提供突缘(4，5)，该两个室中的一个室构成了清洁室并且该突缘永久性的连接到作用杆(13)上；
-至少一个用于检测突缘(4，5)位置的挡光板(3，6)位于压力传感器(1)外部。

2、  根据权利要求1所述的致动装置，其特征在于：
挡光板(3)为叉形挡光板，其位于突缘(4)的末端区域并可以用来确定突缘(4)的末端位置。

3、  根据权利要求1或2所述的致动装置，其特征在于：
-突缘(5)具有相邻面的布置，该相邻面为半透明或者不透明，其整体形成了编码；
-至少一个发光二极管在室(14)的外部安置在突缘(5)的一侧，同时至少一个光敏晶体管安置在突缘(5)的另一侧。

4、  根据权利要求1-3任一项所述的致动装置，其特征在于：
室(14)中的一个室的塑料部分以下述方式注入，即反射镜(31)在其内部形成，并且这些反射镜使发光二极管的光分叉。

5、  根据权利要求1-4任一项所述的致动装置，其特征在于：
挡光板为反射挡光板，其中突缘(4，5)的移动通过芯片记录。

6、  一种用于产生电位置信号的位置传感装置，该电位置信号与在两个组件(22，23)之间的相对位置相关，
-其中一个组件(22)被安置在另一个组件(23)上，从而在行程方向(24)上为可双向移动的；
-其中第一组件(22)具有突缘(25，28)；
-其中第二组件(23)具有至少一个挡光板(26)，该挡光板位于突缘(25，28)的移动路径内并产生电位置信号，该电位置信号与两个组件(22，23)的相对位置相关，并取决于在突缘(25，28)和挡光板(26)之间的相对位置。

7、  根据权利要求6所述的位置传感装置，其特征在于：
-突缘(28)具有相邻面(29)的布置，该相邻面(29)为半透明的或者不透明的，其整体形成了编码。
-挡光板(26)在突缘(28)一侧具有至少一个发光装置，同时在突缘(28)的另一侧具有至少一个光敏接收装置。

8、  根据权利要求7所述的位置传感装置，其特征在于：
第二组件(23)具有反射镜布置(31)，该反射镜布置用于在多个接收装置之间分配发射装置(32)的光或者分配发射装置(32)的光至一个接收阵列(33)。

9、  根据权利要求6-8任一项所述的位置传感装置，其特征在于：
挡光板(26)被设计为反射挡光板，该反射挡光板计算了突缘(25，28)的移动并通过合适的芯片将其转换为位置信号。

10、  根据权利要求6-9任一项所述的位置传感装置，其特征在于：
-第二组件(23)为外壳(27)，其中第一组件(22)突入进入外壳(27)内，和/或
-外壳(27)的至少一部分是由半透明塑料制成的，挡光板(26)在外壳(27)的外部安置在发射和/或接收侧。

11、  一种用于双向驱动机械系统最终控制元件的伺服驱动，
-具有用于致动双向可移动的作用杆(13；36)的致动装置(12；35)，该作用杆可以以传动方式与准备驱动的最终控制元件相连；
-具有用于产生电位置信号的位置传感装置(18；21)，该电位置信号与作用杆(13；36)的相对位置相关；
-其中致动装置(12)被设计为与权利要求1-5任一项所述一致和位置传感装置(18)通过挡光板(3，6)与突缘(4，5)配合形成，或者位置传感装置(21)被设计为与权利要求6-10任一项一致。

带有位置传感装置的致动装置
技术领域
本发明涉及一种带有压力传感器的致动装置(actuating device)，该装置通过作用杆(actuating rod)用于致动机械系统，其中压力传感器包括两个具有不同压力状态的室，该室通过隔板(diaphragm)相互分隔。本发明进一步涉及一种用于产生电位置信号的位置传感装置(position sensing device)，该电位置信号与在两个组件之间的相对位置相关。本发明还涉及一种用于所述致动装置和所述位置传感装置的伺服驱动。
背景技术
电控制的液压和气压致动装置可以用来致动机械系统，例如来移动翻板闸门或者致动阀门。采用气压操纵的致动装置通常包括压力传感器，更确切的说一种气动系统，其中在隔板的一侧制造局部真空同时额外压力或者环境压力施加到另一侧上。最终的压力差导致了施加到隔板上的力，该隔板通过作用杆传输力。这是一种线性力操纵机构。采用弹簧弹力相对与该力作用在隔板上，因此决定了隔板的移动与压力差一致。在这种情况下，没有给出任何指定时刻的作用杆位置。
为了得到定位或者位置报告，可以使用机械转换器或者磁性系统如霍尔探针(Hall probe)来确定作用杆的各自末端位置。霍尔探针也可以用来记录中间位置。然而，这种装置的缺点为转换器和霍尔传感器很昂贵，特别是由于用于致动霍尔传感器的巨大，长磁体的成本。由于磁性位置传感并不产生接触就能作用，所以现在已经接受了所述相关装置的较高成本。
德国专利No.DE20 2006 000 528 U1公开了一种塑料制成的透明传感器外壳，其用于传感器的光学辐射。
美国专利No.US 3,100,997公开了一种压力测量盒，其中隔板将真空室与测量室分开并支承了网板(screen)，该网板带有相邻放置的透明和不透明带，该网板被可移动的安置在档光板的光程上。该压力测量盒具有玻璃外壳并带有挡光板(light barrier)，其发射机和接收机均安置在外壳的外面，并且其沿着发射机到接收机的光程通过反射镜布置(mirrorarrangement)反射光。
发明内容
本发明涉及到以下问题，即提出一种关于上述类型致动装置的改进实施方式，和提出一种上述类型位置传感装置的改进实施方式，和提出一种装配了所述致动装置和位置传感装置的伺服驱动的改进实施方式，其特征特别在于组件的，特别是作用杆的，中间位置以及末端位置，可以在简单和便宜的方式下确定。
根据本发明，上述问题由独立权利要求的限定内容解决。优选的实施方式为从属权利要求的限定内容。
为了解决该问题，本发明提出了三种不同的，各自独立的解决方案，致动装置，位置传感装置，和伺服驱动。所有这三种解决方案都基于常用的，更通用的，关于两个可相对移动的组件的构思，该构思为在一个组件上装配突缘(lug)，另一个组件上装配挡光板，其中挡光板与突缘相互配合产生电位置信号。因此，在这种方式下也可以不接触而记录位置，同时装置不需要使用昂贵的磁体而运行，从而其可以相对便宜的生产。近期，挡光板特别地可以采用极其便宜的半导体元件生产，如发光二极管和晶体管。
对于带有压力传感器工作的致动装置，该目的采用如下方式达到，即该压力传感器的外壳完全或部分由半透明塑料(translucent plastic)制成，其中永久固定在作用杆上的突缘被安置在压力传感器的两个室中的一个内，其组成了清洁室，并且其中挡光板位于压力传感器外用来检测突缘的位置。这样，在致动系统中可以提供一种使用简单，便宜部件的无接触系统，为了获得作用杆的位置报告或者位置信号，其带有压力传感器运行。因而，由相互配合的突缘和挡光板组成的位置传感装置结合进入提出的致动装置中。
本发明打算解决的问题因而采用提出的位置传感装置解决了，在位置传感装置中，其具有两个组件，该两个组件进行如下安置，即其在行程方向上能够双向可相对移动，并且两个组件中的一个被装配上突缘，另一个装配上挡光板。采用这种方式，挡光板配合突缘可以产生与两个组件相对位置相关的电位置信号，该电位置信号的产生基于突缘与挡光板相互之间的位置。在这种情况下形成的位置传感装置也可以低成本生产。另外，还可以非常容易的结合伺服驱动，该系统用来双向驱动最终控制元件。最后，支承位置传感装置突缘的组件简单地需要结合到作用杆上，该作用杆用来致动最终控制构件。
本发明打算解决的问题还可以通过伺服驱动解决，该伺服驱动或者包括结合根据本发明位置传感的致动装置，或者被装配上任意的致动装置和根据本发明的位置传感装置。
本发明更多的重要特征和优点根据从属权利要求、附图和参考附图的相关附图说明来看是十分明显的。
当然，上述的特征以及在下文中将要解释的这些特征可以不仅仅在所述的每种情况中组合使用，还可以在不脱离本发明范围的情况下，在其它的组合中使用或者单独的使用。
附图中表示了本发明优选的实施方式，该实施方式并且在下文中进行了详细的描述，其中相同的附图标记被用来表示相同的或者类似的或者功能相同的组件。
附图说明
在以下的简图中
图1表示了具有压力传感器的致动装置，其中压力传感器具有作用杆，未编码突缘(uncoded lug)和叉形(fork)挡光板；
图2表示了具有压力传感器的致动装置，其中压力传感器具有作用杆，编码突缘(codedlug)和叉形挡光板；
图3表示了编码突缘的实施例；
图4表示了具有压力传感器的致动装置的另一个实施例的局部视图，该压力传感器具有作用杆和编码突缘；
图5表示了带有未编码突缘和叉形挡光板的位置传感装置；
图6表示了带有编码突缘和叉形挡光板的位置传感装置；
图7为编码突缘的实施例；
图8为带有编码突缘的位置传感装置的另一个实施例的局部视图。
具体实施方式
图1-8均为图形表示，其中仅表示了用于理解本发明的基本组件。
半透明塑料作为已知材料已经一段时间了，其也允许激光穿过。这些半透明塑料的一些特殊实施例对于人眼来说是不透明的，但是对于特定波长的光来说是半透明的。如果，例如，压力传感器中低压侧的外壳采用这种材料制成，同时在隔板的低压侧，突缘放置到外壳内，挡光板可以放置在压力传感器的外面来与里面的突缘配合。关于挡光板的光几乎全部无阻碍的穿过塑料，该塑料至少对于关于挡光板的光波长是半透明的，从而不需要昂贵的光缆贯穿布线。由内部的突缘致动或者与之配合的挡光板，可以为叉形挡光板或者反射挡光板(reflexlight barrier)，或者其可以包括由至少两个组件组成的挡光板系统，具体的为发射机，例如，以发射二极管的形式，和接收机，例如，光敏晶体管。
图1表示了具有压力传感器的致动装置的实施例，该压力传感器具有未编码突缘和叉形挡光板。
如图1中所示，致动装置12包括带有作用杆13的压力传感器1，在室14内其被装配上突缘4。压力传感器1进一步包括隔板15，该隔板将第一室14与第二室16分隔开。局部真空连接由数字2表示。作用杆13的末端位置可以在叉形挡光板3的辅助下确定。具体的，在这种情况下可以为上端或者下端位置。该末端位置可以通过使用叉形挡光板3或者反射挡光板非常简单的检测，这是由于这两种工具都是由单一装置组成，该装置以如下方式连接到或者在压力传感器1上，即没有灰尘可以进入到光程中。
压力传感器1具有由塑料制成的外壳17，该塑料对于挡光板3的光是半透明的。由此，挡光板3可以安置在外壳17的外面并仍然与在外壳17内的突缘4配合。其中放置了突缘4的室14，优选地设计为清洁室。该清洁室与外界密封，举例来说。
挡光板3和突缘4一起形成了位置传感装置18。在这种情况下，该位置传感装置18结合进入致动装置12的结构中，形成了也可以描述为伺服驱动19的单一装置。所述类型的饲服驱动19可以在基本上任何机械系统中使用于最终控制元件(这里未示出)的双向驱动。出于这种目的，反向于端支承突缘4的作用杆13的终端段20可以与所述最终控制元件连接。
图2表示了具有压力传感器1的致动元件12，该压力传感器1被装配上作用杆13。采用本实施例，可以检测到作用杆13的中间位置。为此，安装了数个挡光板6，虽然在所示的实施例中仅图示了一个挡光板6。图2中所示的压力传感器1被装配上了编码突缘5。在图3中更加详细的表示了编码突缘5。依然在该实施例中，至少一个挡光板6和突缘5一起形成了位置传感装置18，该装置结合进入致动装置12中。采用该方式生产的装置也作为饲服驱动19在任意机械系统中用于最终控制元件(未示出)的双向驱动。
如图3中所示，突缘5可以被划分为多个区或者面或者场，其中无阴影区允许光穿过同时阴影区阻碍光。在上下文中，该半透明性至少应用到所使用的挡光板6的波长。现在如果例如四个区成一排安置，称作检测行7，超过了突缘5的宽度，需要四个挡光板从而可以得到四位组(fourbits)的位置报告。例如，如果翻板闸门移动通过90°，这就意味着定位通过5.6°。
在另一个，更便宜的解决方案中，简单的发射机，例如合理的发光二极管，可以用来通过反射镜布置发射光至光敏接收器，例如，晶体管。该反射布置可以包括例如，入射镜，其在塑料材料中起到了全反射作用。这是一种获得相对更多信息(bits)的便宜方法。图4表示了使用这种解决方案的实施例。在图4中，半透明外壳被指定为附图标记9，反射镜布置为8，编码突缘为5，发光二极管为10，同时作为接收器的光敏晶体管为11。
在另一个实施例中(未示出)，突缘的位置可以采用与以下方式基本相同的方式确定，即采用“无球”电脑鼠标确定光标位置。在所述实施例中，使用了反射挡光板，突缘的相对运动由相应的芯片确定。然而，对于当前应用，这种实施例需要偶尔的调整。在达到末端位置时，可能要一直做出这种调整。由此，突缘的位置应该从固定的末端位置重新计算。
由于压力传感器1的外壳9或17使用了激光相容塑料材料，压力传感器1也可以采用激光焊接。以下是本发明的一系列优点，至少参考了图1-4中所示的实施例。
1.使用挡光板作为转换元件，该元件是便宜的并且提供了稳定的信号。
2.使用了黑色塑料，其对于发光二极管的波长是半透明的。
3.挡光板的组件位于室的外面，其中在室内制造了低压或超压，因此不需要昂贵的和不稳定的贯穿布线。
4.用于致动挡光板的突缘位于清洁室内的压力传感器侧，伴随低压或超压。
5.多个接收晶体管的使用使得确定了中间位置。该突缘具有相应的数字编码。
6.低压或超压侧的塑料部分能够被注入来生产反射镜，从而来自于单个发光二极管的光可以分叉。
如在图5和6中所示，位置传感装置21包括第一组件22和第二组件23。位置传感装置21可以用来产生电位置信号，该电位置信号与两组件22、23之间的相对位置相关。为此，两个组件22、23在位置传感装置21内相互相邻安置，从而能够在行程方向24上相互可双向移动，该行程方向24由双箭头表示。例如，第一组件22以行程可调整的方式被支承在第二组件23上。最后，仅用于示例性目的并且没有对基本原理进行限制，第二组件23可以被装配上轨道(这里未示出)用于第一组件22的线性引导。
第一组件22具有突缘25，该突缘相对于第一组件22是固定的。第二组件23具有至少一个挡光板26，该挡光板相对于第二组件23是固定的。该挡光板26放置在突缘25的移动路径(未详细示出)上。在该范围内，挡光板26能够与突缘25配合从而在突缘25与挡光板26的相对位置的基础上产生电位置信号，该信号然后将两个组件22，23相互之间的位置联系起来。
在本文中，挡光板26通常可以放置在外壳27(由虚线表示)的外面，其然后形成了第二组件23的一部分。在这种情况下，外壳27由以下材料形成，该材料允许挡光板26的光穿过，特别可以为塑料。然而，这里所示的实施例优选的，根据该实施例挡光板26位于外壳27内，其中在该图中仅一小部分被表示出来。有利地，外壳27还作为第二组件23的一部分。
在图5中所示的实施例中，挡光板26被设计为叉形挡光板。所述类型的叉形挡光板23可以被安装和装配成整体装置，因而使得其更易于管理。
如图6中所示，编码突缘28的使用可以被设计为具有不同的实施方式。如图7中所示，编码突缘28可以由多个相邻的场或者面或者区29组成，其中特定的，区29中的阴影部分，至少对于挡光板26的光不是半透明的，同时在图中表现出无阴影的其它区29，至少对于挡光板26的光是半透明的。该相邻半透明和不透明区29的选定配置形成了突缘28的数字编码。例如，四个所述区29相互相邻的安置超过突缘28的宽度，形成了检测行30。由此，可以创造4位编码。当然，在各自的检测行30内也可以安置更多或者更少相邻区29。
在图6中所示的实施例中，四个或更多或更少挡光板26可以一个接一个的安置超过突缘28的宽度，其相对于行程方向24垂直延伸，对应于被安置在各自的检测行30内的区29的数量。在图6中，然而，仅图示出了一个所述挡光板26。在另一个实施例中，通常可以仅提供一个发射机，其发射光至多个接收机。在这种情况下，各自的挡光板26可以与反射镜布置31一起工作，如图8中所示，该反射镜布置分配从单一光源32(发光二极管)发出的光至接收机阵列33。接收机阵列33可以具有多个分开的接收机，特别地为光敏晶体管，对应于突缘28的编码位范围(coding bit depth)。同样的，接收机阵列33可以包含普通接收机，特别地为光敏晶体管的形式，其能够记录和评价多个相邻的区，该区对应于突缘28的编码位范围。
图8也表示了编码突缘28，并且完全示例性的图示了外壳27，其在这种情况下也被设计为至少对于挡光板26的光是半透明的。
与该编码突缘28配合的挡光板26因而在突缘28的一侧装配上至少一个发光二极管，并且具有至少一个光敏晶体管在突缘28的另一侧。
反光镜布置31特别有助于进入到塑料中，在这种情况下，其参与了整个全反射。特别地，反光镜布置31可以注入到外壳27内。
在另一个实施例中(这里未示出)，挡光板26可以被设计为反射挡光板，其采用合适的芯片(集成电路)检测突缘28的移动或者突缘25的移动并将其转换为相应的位置信号。所述类型的反射挡光板与所述芯片配合来确定位置，采用电脑技术能够立即知道并用来计算光标的位置，该光标在屏幕上是可使用鼠标移动的。用于这种功能的电脑鼠标是无球的，但具有至少一个所述反射挡光板，通过该反射挡光板，可以检测鼠标相对于下垫表面的移动。可以采用这种方式计算的移动信号可以用来控制光标。在当前情况下，这种原理可以用来确定突缘的位置。在这种情况下，不断的实施与参考位置的位置对比是有利的。当达到突缘或者组件的末端位置时，其是很容易完成的。
如上所述，第二组件23可以形成外壳，其中第一组件22突入进入外壳中。挡光板26然后可以放置到外壳27内。如在图5和6的实施例中所示，位置传感装置21可以优选地形成伺服驱动34的一部分。该伺服驱动用于实际上任何机械系统中的最终控制元件(这里未示出)的双向驱动。除了位置传感装置21，伺服驱动34还包括致动装置35，该致动装置这里仅举例来说而非限制性的为活塞筒装置。致动装置35用来致动可双向移动的作用杆36，其在这种情况下由第一组件22组成。作用杆36可以等效的为独立元件，在这情况下位置传感装置21的第一组件22采用合适的方法与该作用杆36连接。作用杆36以传动方式与最终控制元件连接，该最终控制元件通过伺服驱动34驱动，例如通过连接区37驱动。
致动装置35可以基本上由参考图1-4详细描述的致动装置12形成。位置传感装置21然后实际上结合进入了致动装置35。可替换地，致动装置35和位置传感装置21可以为完全独立的以合适方法配合的系统，在这种情况下，特别地可以完全地将位置传感装置21安装到致动装置35的外壳内。以这种方法，提供了整体包括致动装置35和位置传感装置21的集成伺服系统34。
致动装置35可以气动运转，因而特别地可以装配上压力传感器1。可替换地，致动装置35也可以液压运转。一种致动装置35采用电力工作也是可能的。
伺服驱动34可以用来例如，在废气再循环系统中致动阀门元件。例如作用杆36可以驱动废气再循环阀的阀门元件来调整废气再循环的速率。可替换地，伺服驱动34可以用来致动废气涡轮增压机的最终控制元件。例如，废气涡轮增压机被装配上废气门(wastegate)阀门，该废气门阀门在低载荷下允许涡轮机的入口侧与涡轮机的出口侧连通。废气涡轮增压机也可以被装配上可调节的导向叶片排列。在这种情况下，伺服驱动34可以用来致动废气门阀门或者导向叶片的调整。