Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus. Ein Ziel ist es, einen kompakten Antrieb zu schaffen, der für die in der US 2008/0121830 AI beschriebene Aufgabe, aber auch für andere Aufgaben geeignet ist. Insbesondere soll eine Individualisierung für nur eine Antriebsaufgabe vermieden werden, so dass unterschiedliche Geräte angetrieben werden können. Außerdem soll ein einfach aufgebauter, robuster und leicht zu montierender elektrischer Linearantrieb geschaffen werden, welcher als Einheit einfach an ein anzutreibendes Gerät und eine elektrische Versorgung und Steuerung angeschlossen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgaben dient ein elektrischer Linearantrieb gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Ein vorteilhaftes Verfahren zu seiner Montage ist im unabhängigen Anspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen, die einzeln und in technisch sinnvollen Kombinationen miteinander Verwendung finden können sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben. Ein erfindungsgemäßer elektrischer Linearantrieb für eine Zahnstange weist folgende Komponenten auf:

- einen Schrittmotor,

- eine Halteplatte,

- ein Motorabtriebszahnrad und

- ein Getriebe,

wobei Halteplatte, Schrittmotor mit Motorabtriebszahnrad und Getriebe eine Antriebseinheit bilden, die zusammen mit einem Grundgehäuse ein Gesamtgehäuse bildet, und wobei das Gesamtgehäuse eine Öffnung zum Einführen der Zahnstange aufweist. Auf diese Weise entsteht ein Linearantrieb, der leicht vormontiert und erst nach seiner Montage mit einem anzutreibenden Gerät verbunden werden kann. Dabei bildet die Halteplatte gleichzeitig eine Befestigungsstruktur für verschiedene Komponenten und einen Teil des Gesamtgehäuses, wodurch die Zahl der Bauteile und die Montage vereinfacht werden. Dieses Konzept erlaubt es, dass eine später anzutreibende Zahnstange nur in dem anzutreibenden Gerät geführt bzw. gelagert ist, so dass sie frei in das Gesamtgehäuse eingeführt werden kann. Es ist allerdings auch möglich, ein Gegenlager für die Zahnstange im Gesamtgehäuse vorzusehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich eine Antriebselektronik an der Halteplatte befestigt, insbesondere in diese integriert, und zwar so, dass elektrische Anschlüsse außen am Gesamtgehäuse (16) vorhanden sind. Die elektrischen Anschlüsse dienen der Spannungsversorgung und der Verbindung mit einer Steuerung, wobei die Kommunikation mit der Steuerung vorzugsweise über ein Bussystem erfolgt. In dieser Ausführungsform enthält das Gesamtgehäuse also auch die für den Betrieb des Schrittmotors erforderliche Elektronik, gegebenenfalls einschließlich Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Schrittmotor eine Rotorachse auf, welche parallel zur Halteplatte und senkrecht zur anzutreibenden Zahnstange angeordnet ist. Diese Anordnung unterscheidet sich von dem bekannten Stand der Technik sehr flacher Linearantriebe dadurch, dass die Rotorachse nicht in Richtung der geringsten Ausdehnung des Gesamtgehäuses liegt, sondern senkrecht dazu. Eine solche Anordnung wurde bei flachen Linearantrieben eher nicht in Betracht gezogen, weil man glaubte, dass die für viele Anwendungen erforderlichen Drehmomente von Schrittmotoren mit kleinen Durchmessern nicht aufgebracht werden könnten. Überraschenderweise lässt sich jedoch auch mit einem Schrittmotor mit kleinem Durchmesser und dafür größerer axialer Länge in Verbindung mit einem Getriebe ein für die meisten Anwendungen genügendes Drehmoment erzeugen bei gleichzeitig hoher Positioniergenauigkeit. Außerdem entsteht in der Ebene der Halteplatte noch zusätzlicher freier Raum, in dem außer einem Getriebe auch eine Antriebselektronik vollständig untergebracht werden kann.

Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Linearantrieb ein Getriebe mit mindestens einer Getriebewelle und mit zwei Zahnrädern sowie eine Lagerung, vorzugsweise in Form einer Gegenlagerplatte, auf. Die Getriebeachse kann dabei in paralleler Richtung zur Rotorachse des Schrittmotors angeordnet werden, wobei eines der Zahnräder des Getriebes mit dem Motorabtriebszahnrad kämmt, während ein anderes in Eingriff mit einer später einzuführenden Zahnstange eines anzutreibenden Gerätes gebracht werden kann. Soweit es die Platzverhältnisse erlauben, kann das Übersetzungsverhältnis des Getriebes an die gewünschte Anwendung angepasst werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearantriebs ist das Grundgehäuse topfförmig ausgebildet und weist eine im Wesentlichen in einer Ebene verlaufende Fuge, vorzugsweise mit einer Fugendichtung, zu der deckeiförmig zu dem topfförmigen Grundgehäuse ausgebildeten Antriebseinheit auf. Bei typischen Gehäusen für Linearantriebe werden die Komponenten in einem topfförmigen Gehäuse montiert, wobei oft auch schon das anzutreibende Gerät montiert werden muss, bevor das Gehäuse mit einem Deckel verschlossen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet das Grundgehäuse ein leeres Volumen, in das an der Halteplatte befestigte Komponenten eingeführt werden, wenn die Halteplatte, die gleichzeitig quasi den Deckel für das Grundgehäuse bildet, aufgesetzt wird. Dieser Aufbau hat verschiedene Vorteile bei der Montage und der Anzahl der erforderlichen Teile und Schritte. Außerdem kann so eine im Wesentlichen in einer Ebene verlaufende Fuge mit einer ebenen Dichtung gebildet werden, während eine von dieser Fuge völlig unabhängige Öffnung in dem Grundgehäuse für den späteren Anschluss eines anzutreibenden Gerätes, gegebenenfalls mit einer eigenen Dichtung, vorgesehen werden kann.

Bevorzugt weist das topfförmige Grundgehäuse dazu eine seitliche Öffnung zum Einführen der Zahnstange eines anzutreibenden Gerätes und eine Zentriereinrichtung zum Zentrieren des Linearantriebs in Bezug auf die Zahnstange oder das von der Zahnstange anzutreibendes Gerät auf. Dieser Aufbau ermöglicht einen schnellen und exakten Zusammenbau des erfindungsgemäßen Linearantriebs mit einem anzutreibenden Gerät. Insbesondere bei der Anwendung zum Antrieb von dicht nebeneinander angeordnete Hydraulikventilen ist dieses Merkmal von Vorteil, da einzelne Linearantriebe bei einer solchen Anordnung ohne Ausbau der Nachbarantriebe ausgewechselt werden können, indem sie einfach von der Zahnstange in Richtung der Zahnstange abgezogen werden.

Bei Bedarf kann die Zahnstange auch von einem Gegenlager gegen das letzte Zahnrad des Getriebes gedrückt werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Zahnstange eingangsseitig mindestens ein Gelenk aufweist. Eine solche Anordnung mit gelenkiger Zahnstange lässt sich leichter montieren und erlaubt gewisse Abweichungen bei der gegenseitigen Ausrichtung von Linearantrieb und anzutreibendem Gerät.

Die Befestigung zwischen Linearantrieb und anzutreibendem Gerät erfolgt bevorzugt durch einen Flansch am Grundgehäuse, vorzugsweise mit einer Flanschdichtung, wobei die Zahnstange in das Innere des Gesamtgehäuses eingeführt und mit dem letzten Zahnrad des Getriebes in Eingriff gebracht (aber nicht notwendigerweise in dem Gesamtgehäuse gelagert) wird.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Linearantriebs ermöglicht sehr kompakte Maße, wobei das Gesamtgehäuse flach gestaltet werden kann mit einem Verhältnis von Höhe : Länge : Breite von etwa 50 : 130 : 130, vorzugsweise mit absoluten Abmessungen kleiner als 50 mm Höhe, kleiner als 130 mm Länge und kleiner als 130 mm Breite. Das Gesamtgehäuse hat daher in einer Ebene eine nahezu quadratische Form und senkrecht dazu nur eine relativ geringe Höhe, was die scheibenweise Anordnung zum Antrieb einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Geräten erleichtert.

Wie oben bereits erwähnt wird bevorzugt ein Schrittmotor mit einem außenliegenden Stator eingesetzt, der einen größten Durchmesser von weniger als 45 mm aufweist und dezentral auf der Halteplatte angeordnet ist, so dass neben ihm noch eine Antriebselektronik angeordnet werden kann. Dies nutzt den zur Verfügung stehenden Platz bei typischen Dimensionen für Linearantriebe dieser Art besonders gut aus.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Montage eines Linearantriebs gemäß Anspruch 10, insbesondere eines Linearantriebs wie oben beschrieben. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

- ein Schrittmotor mit einem Motorabtriebszahnrad wird an einer Halteplatte befestigt,

- ein Getriebe wird an dem Schrittmotor und der Halteplatte befestigt,

- eine so entstehende Antriebseinheit wird mit einem Grundgehäuse zu einem Gesamtgehäuse zusammengebaut, so dass sich Schrittmotor und Getriebe im Gesamtgehäuse befinden.

Bei dieser Art des Zusammenbaus sind nur wenige Schritte erforderlich, weil die Halteplatte nicht nur einzelne Komponenten trägt, sondern gleichzeitig einen Teil des Gesamtgehäuses bildet. Besonders vorteilhaft ist das Konzept der Erfindung, wenn auch noch eine Antriebselektronik vor dem Zusammenbau des Gesamtgehäuses so an der Halteplatte befestigt oder in diese integriert wird, dass elektrische Anschlüsse nach dem Zusammenbau außen am Gesamtgehäuse zu liegen kommen. Auf diese Weise entsteht mit wenigen Montageschritten ein fertiger kompakter Linearantrieb einschließlich seiner Antriebselektronik, der später nur noch mit einem anzutreibenden Gerät, einer Spannungsversorgung und einem Steuergerät verbunden werden muss. Dies geschieht nach dem Zusammenbau des Gesamtgehäuses, indem eine zu dem anzutreibenden Gerät gehörende Zahnstange in eine seitliche Öffnung des Gesamtgehäuses geschoben und das anzutreibende Gerät mit dem Gesamtgehäuse verbunden wird. Eine geeignete Zentriereinrichtung und gegebenenfalls eine Flanschdichtung sorgen dabei für eine korrekte und stabile Verbindung.

Besondere Vorteile entfaltet die Erfindung, wenn eine Mehrzahl von Linearantrieben nacheinander mit nahe nebeneinander oder sogar dicht aneinander liegenden anzutreibenden Geräten, insbesondere Hydraulikventilen, verbunden wird, so dass die Linearantriebe scheibenweise nebeneinander positioniert werden.

Weitere Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die einzeln oder in bestimmten Kombinationen beschriebenen Komponenten auch in anderen technisch sinnvollen Kombinationen eingesetzt werden können.

Es zeigen:

Fig.l ein schematisches Explosionsbild der Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Linearantriebs vor dem Zusammenbau, Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht von oben auf einen erfindungsgemäßen Linearantrieb mit einem anzutreibenden Gerät, Fig. 3 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 innerhalb des

Gesamtgehäuses mit Ansicht der darin befindlichen Bauteile,

Fig. 4 mechanische Komponenten einer Antriebseinheit in schematischer

Ansicht vor dem Zusammenbau,

Fig. 5 eine Seitenansicht von Grundgehäuse und montierter Antriebseinheit vor deren Zusammenbau,

Fig. 6 eine fertig montierte Antriebseinheit in schematischer seitlicher, teilweise geschnittener Ansicht und

Fig. 7 eine weiteres Ausführungsbeispiel einer fertig montierten

Antriebseinheit in schematischer, teilweise geschnittener Ansicht mit einer von einem Gegenlager geführten und mit einem Gelenk versehenen Zahnstange.

Fig. 1 zeigt in Form eines Explosionsbildes die wesentlichen Teile des erfindungsgemäßen Linearantriebs 1 für eine Zahnstange 3 und ihr Zusammenwirken mit einem anzutreibenden Gerät 2, aus welchem die Zahnstange 3 herausragt. Die Bezeichnungen der einzelnen Teile werden in allen Figuren beibehalten. Ein Schrittmotor 4 mit einem Stator 6, einer Rotorachse 5 und einem darauf zu befestigenden Motorabtriebszahnrad 7 kann an einer Halteplatte 8 befestigt werden. Ebenfalls an der Halteplatte 8 kann ein Getriebe 9 angebracht werden, welches eine Getriebewelle 1 mit darauf befestigtem erstem Zahnrad 1 1 und zweitem Zahnrad 12 aufweist. Die Getriebewelle wird zwischen dem Schrittmotor 4 und einer Gegenlagerplatte 13 gelagert. An der Halteplatte 8 wird außerdem eine Antriebselektronik 19 angebracht oder sogar in die Halteplatte 8 integriert (Halteplatte 8 und Antriebselektronik 19 bilden eine mechanische Einheit), und zwar so, dass später elektrische Anschlüsse 20 außen an einem Gesamtgehäuse 16 zu liegen kommen, welches nach dem Zusammenbau von der Halteplatte 8 und einem Grundgehäuse 15 entsteht. Sofern die Anschlüsse 20 außen am Grundgehäuse 15 angeordnet werden, muss eine hier nicht gesondert dargestellte geeignete Verbindung zwischen Antriebselektronik 19 und Anschlüssen 20 hergestellt werden, was durch übliche Techniken wie Kabel mit Steckverbindungen, Lötverbindungen und dergleichen vor dem Zusammenbau bewerkstelligt werden kann. Bei Datenleitungen sollte natürlich eine möglichst störungsfrei zu betreibende Verbindung vorgesehen werden. Die Halteplatte 8 formt zusammen mit dem Schrittmotor 4, dem Getriebe 9 und der Antriebselektronik 19 eine sehr kompakte Antriebseinheit 14, die in das topfförmige Grundgehäuse 15 eingesetzt werden kann, wobei die Halteplatte 8 eine Art flachen Deckel bildet, der eine ebene Fuge 23 mit dem Grundgehäuse 15 ausbildet. In diese ebene Fuge 23 kann beim Zusammenbau eine in Fig. 1 nicht dargestellte Fugendichtung 24 eingebracht werden, um das Gesamtgehäuse 16 aus Grundgehäuse 15 und Halteplatte 8 dicht zu verschließen. Das Grundgehäuse 15 weist eine seitliche Öffnung 17 auf, durch die die Zahnstange 3 des anzutreibenden Gerätes 2 in das Innere des Gesamtgehäuses 16 eingeführt und dort mit dem zweiten Zahnrad 12 des Getriebes 9 in Eingriff gebracht werden kann. Eine Zentriervorrichtung 18 am Grundgehäuse 15 mit einem entsprechenden Gegenstück am anzutreibenden Gerät 2 sorgt für eine exakte Positionierung der Zahnstange 3, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht im Gesamtgehäuse 16 gelagert oder geführt ist, sondern nur im anzutreibenden Gerät 2. Es ist aber auch möglich, im Gesamtgehäuse 16 ein Gegenlager auf der dem zweiten Zahnrad 12 gegenüberliegenden Seite der Zahnstange 3 vorzusehen. Fig. 2 zeigt in teilweise geschnittener Ansicht und schematisch das Zusammenwirken der Antriebseinheit 14 des erfindungsgemäßen Linearantriebs 1 mit dem anzutreibenden Gerät 2 in zusammengebautem Zustand. Die außen am Gesamtgehäuse 16 angebrachten elektrischen Anschlüsse 20 müssen nur eine Spannungsversorgung 21 und einen Anschluss 22 für ein Bussystem zur Ansteuerung der in dem Gesamtgehäuse 16 angeordneten Antriebselektronik 19 aufweisen.

Fig. 3 veranschaulicht nochmals den Aufbau und die Größenverhältnisse der Antriebseinheit 14 in zusammengebautem Zustand. Man erkennt, dass nach dem Einbau des Schrittmotors 4, dessen Stator 6 einen Außendurchmesser D (bzw. bei etwa quadratischem Querschnitt eine entsprechende Querschnittsbreite) hat, der deutlich kleiner ist als die Breite B oder die Länge L der ungefähr quadratischen Halteplatte 8, neben dem Schrittmotor 4 und dem Getriebe 9 noch genügend Platz für die Antriebselektronik 19 verbleibt. Die axiale Länge des Stators ist bevorzugt etwa doppelt so groß wie sein Durchmesser bzw. seine Querschnittsbreite. Als absolute Maße im gezeigten Ausführungsbeispiel liegen eine Querschnittsbreite von etwa 26 mm und eine Statorlänge von etwa 55 mm vor.

Fig. 4 zeigt in gleicher Weise wie Fig. 1 die Teile, die zu einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit gehören. Fig. 5 zeigt in einer Seitenansicht die in den bisherigen Figuren noch nicht veranschaulichte relativ flache Bauform des gesamten Linearantriebs 1. Hier ist zu erkennen, dass das Grundgehäuse 15 topfförmig ist und eine Höhe H hat. Die Antriebseinheit 14, die quasi an der Halteplatte 8 hängt, kann von oben in das topfförmige Grundgehäuse 15 eingesetzt werden, so dass ein Gesamtgehäuse 16 entsteht und sich eine ebene Fuge 23 zwischen beiden Gehäuseteilen 8, 15 bildet. Der Durchmesser D des Stators 6 des Schrittmotors 4 ist kleiner als die Höhe H des Gesamtgehäuses 16, aber durch eine relativ große axiale Länge kann der Schrittmotor 4 in Verbindung mit dem Getriebe 9 dennoch die von einem solchen Linearantrieb 1 gewünschten Drehmomente aufbringen. Fig. 5 veranschaulicht auch den Unterschied zu anderen Konzepten im Stand der Technik, bei denen Schrittmotoren in flache Gehäuse eingebaut wurden. Bei der vorliegenden Erfindung liegt die Rotorachse 5 des Schrittmotors 4 nicht in Richtung der geringsten Ausdehnung, nämlich der Höhe H des Gesamtgehäuses 16, sondern senkrecht dazu. Außerdem wird nicht erst der Motor in ein topfförmiges Gehäuse eingebaut und mit einer Zahnstange in Eingriff gebracht, bevor das ganze durch einen Deckel verschlossen wird. Bei der vorliegenden Erfindung kann eine Zahnstange 3 durch eine seitliche Öffnung 17 eingeführt werden, nachdem das Gesamtgehäuse 16 geschlossen ist. Die Zahnstange 3 wird durch eine Zentriereinrichtung 18 in eine korrekte Lage gebracht. Ein Flansch 25 am Gesamtgehäuse 16 erlaubt die Befestigung eines anzutreibenden Gerätes 2.

Fig. 6 zeigt ebenfalls in seitlicher, teilweise geschnittener Ansicht, aber aus einer anderen Richtung als Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Linearantrieb 1 in zusammengebautem Zustand und mit angedeutetem angeflanschtem anzutreibenden Gerät 2, so dass dessen Zahnstange 3 im Eingriff mit dem zweiten Zahnrad 12 des Getriebes 9 ist. Es wird erkennbar, dass die seitliche Anordnung des Schrittmotors 4 nicht nur Platz für eine Antriebselektronik 19 auf der Halteplatte 8 schafft, sondern auch viel Raum für die Bewegung der Zahnstange 3 lässt, so dass relativ große Antriebswege verwirklicht werden können. Man erkannt auch die topfförmige Gestalt des Grundgehäuses 15 und die ebene Fuge 23 zwischen Grundgehäuse 15 und Halteplatte 8 mit angedeuteter Fugendichtung 24. Die Art der Dichtung ist aber von untergeordneter Bedeutung und kann von den zu beherrschenden Umgebungs- und Temperaturbedingungen abhängen.

Fig. 7 zeigt in gleicher Ansicht wie Fig. 6 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Zahnstange 3 mit einem Gelenk 28, vorzugsweise einem Kugelgelenk, versehen ist und von einem Gegenlager 27 geführt und gegen das zweite Zahnrad 12 des Getriebes 9 gedrückt wird. Diese Ausführungsform erleichtert den Zusammenbau des erfindungsgemäßen Linearantriebs 1 mit einem anzutreibenden Gerät 2 und erlaubt gewisse Toleranzen bei der Ausrichtung dieser beiden Teile, ohne die Genauigkeit der Führung einzuschränken.

Der erfindungsgemäße Linearantrieb kann sehr kompakt sein, insbesondere mit Maßen von beispielsweise einer Höhe H von etwa 48 mm, und einer Lange L sowie einer Breite B von jeweils etwa 120 mm. Dadurch eignet sich der erfindungsgemäße Linearantrieb besonders für den Antrieb von Hydraulikventilen, die in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Ein Auswechseln des Antriebs auch an einem inneren Hydraulikventil einer Reihe ist leicht möglich und bei einer integrierten Antriebselektronik kann auch der Aufwand an elektrischen Zuleitungen gering gehalten werden. Der erfindungsgemäße Linearantrieb kann aber problemlos auch für den Antrieb anderer Geräte eingesetzt werden, sofern diese eine geeignete eingebaute Zahnstange aufweisen.

SEITE ABSICHTLICH LEER GELASSEN

Bezugszeichenliste

I Linearantrieb

2 Anzutreibendes Gerät, Hydraulikventil

3 Zahnstange

4 Schrittmotor

5 Rotorachse

6 Stator

7 Motorabtriebszahnrad

8 Halteplatte

9 Getriebe

10 Getriebewelle

I I Erstes Zahnrad

12 Zweites Zahnrad

13 Lagerung, Gegenlagerplatte

14 Antriebseinheit (deckelförmig)

15 Grundgehäuse (topfförmig)

16 Gesamtgehäuse

17 Öffnung

18 Zentriereinrichtung

19 Antriebselektronik

20 Elektrische Anschlüsse

21 Spannungsversorgung

22 Anschluss für Bussystem

23 Fuge

24 Fugendichtung

25 Flansch 26 Flanschdichtung

27 Gegenlager

28 Gelenk

H Höhe

L Länge

B Breite

D Durchmesser des Stators bzw. Querschnittsbreite