Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinderanordnung, insbesondere für pneumatische, hydraulische oder mechatronische Systeme, mit einem Zylindergehäuse und einem Kolben, der mit einer Kolbenstange gekoppelt, in einem Zylindergehäuse angeordnet und dort entlang einer Längsachse beweglich angeordnet ist.

Systeme der vorstehend genannten Art werden vorwiegend in pneumatischen Getriebeschaltungen, mechatronischen Geräten, pneumatischen Systemen und hydraulischen Systemen eingesetzt. Die Kolben-Zylinderanordnung dient hierbei üblicherweise dem Zweck, auf einem Kolben aufgebrachte Drücke in eine Bewegung der Kolbenstange umzusetzen. Diese Bewegung wird in den verschiedenen technischen Gebieten zur Steuerung und/oder zum Antrieb von Maschinen oder Maschinenelementen eingesetzt.

Um die Bewegung solcher Maschinen überwachen und/oder steuern zu können, ist es von gehobener Bedeutung, den tatsächlich erfolgten Kolbenhub bestimmen zu können, der sich infolge des eingesteuerten Drucks ergibt. Mithin ist eine Erfassung der Position des Kolbens bzw. der Kolbenstange erforderlich.

Bekannte Systeme realisieren die Positionserfassung des Kolbens oder der Kolbenstange mittels Messeinrichtungen, welche extern an der Kolben-Zylinderanordnung angeordnet sind und mittels verschiedener Messverfahren, beispielweise induktiver Messverfahren, die Positionsveränderung der Kolbenstange erfassen. Solche Systeme haben mehrere Nachteile. Insbesondere in Einbauumgebungen, welche einen kleinen Bauraum der Kolben-Zylinderanordnung erfordern, lassen sich die bekannten Messsysteme nicht verwenden. Der oftmals zur Verfügung stehende Bauraum ist hierfür nicht ausreichend bemessen. Insbesondere das Einbaumaß der Kolben-Zylinderanordnung in Hubrichtung ist in der Praxis typischerweise begrenzt. Dies ist aber gerade die bevorzugte Anordnung der Messsysteme bei Vorrichtungen der eingangs genannten Art. Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolben-Zylinderanordnung anzugeben, welche eine Positionserfassung des Kolbens und/oder der Kolbenstange bei möglichst geringem Bauraum ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung löst die zugrunde liegende Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch eine innerhalb des Zylindergehäuses angeordnete Messeinrichtung.

Eine derartige erfindungsgemäße Integration der Messeinrichtung in das Zylindergehäuse führt zum einen zu einer deutlichen Reduktion des Bauraumes und andererseits zu einer Annäherung der Messeinrichtung an den Kolben und/oder die Kolbenstange. Durch die verringerte Distanz der Messeinrichtung zum Kolben bzw. zur Kolbenstange wird die Positionserfassung genauer und weniger störanfällig, da potenzielle Störgrößen, die von außen auf die Messeinrichtung einwirken könnten, zum einen durch das Zylindergehäuse abgeschirmt werden und zum anderen nur noch auf einer verringerten Strecke zwischen Messeinrichtung und Messobjekt einwirken können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die Messeinrichtung parallel zu der Längsachse des Kolbens, und der Kolben und/oder die Kolbenstange sind axial relativ zu der Messeinrichtung bewegbar. Durch die parallele Anordnung der Messeinrichtung in Bezug auf den Kolben wird insbesondere eine Verkürzung des Bauraums in Hubrichtung erreicht. Während bei vorbekannten Systemen die Baulänge durch eine Anordnung von Messeinrichtungen dadurch negativ beein- flusst wurde, dass die Messeinrichtungen immer extern und insbesondere in Hubrichtung vor oder nach dem Zylindergehäuse angeordnet waren, lässt sich gemäß dieser Ausführungsform ein möglichst geringer Bauraum realisieren.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Messvorrichtung einen PLCD-Sensor auf. Dadurch, dass die Messeinrichtung gemäß dieser Erfindung in das Gehäuse integriert ist und möglichst nah an die Kolben- Zylinderanordnung angenähert ist, ist es möglich, PLCD-Sensoren einzusetzen. Bei bekannten Systemen war dies nicht möglich, da der Abstand einer von außen an der Zylinderanordnung angebrachten Messeinrichtung zu dem bewegbaren Kolben bzw. der Kolbenstange zu groß war. Dies Problem verdeutlicht sich insbesondere unter Betrachtung des Funktionsprinzips von PLCD-Sensoren: PLCD-Sensoren weisen typischerweise einen Kern aus weichmagnetischem Metall auf, welcher von einer Spule umgeben ist. Das bewegbare Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, weist einen Permanentmagneten auf, welcher bei Annäherung an den Sensor eine lokale magnetische Sättigung erzeugt. Dies führt an der Stelle des geringsten Abstandes zwischen dem weichmagnetischen Kern und dem Dauermagnet zu einer virtuellen Teilung des Kerns in Bezug auf dessen Magnetfeld. Das Anlegen eines Wechselstroms an die den Kern umgebene Spule führt zu einer Induktion unterschiedlicher Spannungen in Sekundärspulen, welche jeweils an einem Ende des Weichmagnetischen Kerns angeordnet sind. Die Größe der unterschiedlichen, jeweils induzierten Spannungen in diesen Spulen liefert eine exakte Aussage über die Stärke des magnetischen Feldes in dem jeweiligen Abschnitt des Kerns. Auf diese Weise kann auf die Länge des jeweiligen Teilabschnitts zurückgeschlossen werden, was wiederum eine exakte Aussage über die Position des an den Sensor angenäherten Dauermagneten liefert. Falls der Dauermagnet fest mit dem bewegbaren Objekt verbunden ist, ergibt sich so die jeweilige Position des bewegbaren Objektes. Für ein zuverlässiges Funktionieren eines solchen Sensorsystems sollte der Abstand zwischen dem signalgebenden Magneten und den Sensor möglichst gering sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der PLCD- Sensor wenigstens teilweise innerhalb einer Ausnehmung in dem Kolben angeordnet, und die Messeinrichtung weist einen Magneten auf, der als Signalgeber mit dem Kolben verbunden ist. Dadurch, dass in dem Kolben eine Ausnehmung vorgesehen ist, kann der PLCD-Sensor noch weiter in Richtung der Hubachse angeordnet werden. So lässt sich ein minimaler Abstand zwischen dem Sensor und dem an dem Kolben angebrachten Magneten realisieren. Die Störanfälligkeit der Messeinrichtung wird auf diese Weise noch weiter reduziert.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Magnet als Ringmagnet ausgebildet und koaxial zu der Längsachse des Kolbens angeordnet. So kann der Magnet beispielsweise auf einem zylindrisch ausgebildeten Absatz angeordnet und befestigt sein. Verkantungen sind dadurch unwahrscheinlich. Dadurch, dass der Magnet als Ringmagnet ausgebildet ist, ist es für die ordnungsgemäße Funktion des PLCD-Sensors und somit der Messeinrichtung unerheblich, ob der Kolben und/oder die Kolbenstange zusätzlich zu der reinen Hubbewegung auch eine Rotation um die Längsachse des Kolbens bzw. der Kolbenstange ausführen. Eine Drehung des Ringmagneten hat keinen Einfluss auf dessen magnetisches Feld. Somit ist ungeachtet der Drehstellung des Kolbens bzw. der Kolbenstange immer das gleiche magnetische Feld vorhanden, welches auf den Sensor einwirkt.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der PLCD- Sensor in einen Zylinderdeckel integriert. Auf diese Weise kann der Sensor, der relativ zu dem Zylinderdeckel fest positioniert ist, mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit in das Gehäuse der Kolben-Zylinderanordnung eingeführt werden. Dies wird insbesondere dadurch erleichtert, dass der Zylinderdeckel immer in der gleichen Anordnung an dem Gehäuse montiert wird. Ein Ausbau des Sensors ist durch einfaches Entfernen des Deckels möglich und erleichtert die Wartung und Kalibrierung der Messeinrichtung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bei einer Kolben-Zylinderanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der PLCD-Sensor innerhalb einer Hülse platziert, welche an den Zylinderdeckel angeformt ist. Die Hülse kann vorteilhaft mit geringen Toleranzen gefertigt und an den Sensor angepasst werden. Weiterhin ist eine exakte Positionierung der Hülse möglich, wenn diese mit dem Fachmann bekannten Passelementen relativ zu dem Zylinderdeckel positioniert wird. Der Zylinderdeckel kann bei einer solchen Vorgehensweise beispielsweise ein einfaches Gussteil sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist der PLCD-Sensor in den Kolben integriert, und der Ringmagnet ist in das Zylindergehäuse oder in eine Dichtung integriert. Gemäß dieser Alternative erfolgt die Messung der Kolbenposition nicht durch eine Bewegung eines mit dem Kolben fest verbundenen Magneten relativ zu einem ortsfest angebrachten Sensor, sondern in dem Fall durch eine Bewegung des Sensors relativ zu einem ortsfest angebrachten Ringmagneten. Eine solche Ausgestaltung kann aus fertigungsökonomischen Gründen oder aufgrund von besonderen Anforderungen seitens des Anwenders vorteilhaft sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben- Zylinderanordnung weist diese einen Schleppkolben auf, der im Wesentlichen koaxial zu der Längsachse des Kolbens angeordnet und axial relativ zu dem Kolben und/oder der Kolbenstange bewegbar ist. Kolben-Zylinderanordnungen, welche neben einem Haupt-Kolben zusätzlich einen Schleppkolben aufweisen waren nicht mit den vorbekannten Messeinrichtungen betreibbar. Der Grund hierfür ist, dass der Schleppkolben, welcher zusätzlich innerhalb des Zylindergehäuses angeordnet ist, den Abstand zwischen dem extern angeordneten Messsystem und dem Haupt-Kolben bzw. der KoI- benstange vergrößert. Eine zuverlässige Messung der Position des Haupt-Kolbens und/oder der Kolbenstange war hierdurch nicht mehr möglich. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dieser Nachteil aber überwunden, so dass auch Kolben-Zylinderanordnungen mit Schleppkolben bei gleichzeitiger Positionserfassung mittels einer Messeinrichtung auf geringstem Bauraum realisiert werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erstreckt sich der Sensor zumindest teilweise innerhalb einer Ausnehmung, die in dem Schleppkolben vorgesehen ist. Der Sensor kann sich auf diese Weise sowohl innerhalb des Kolbens als auch des Schleppkolbens erstrecken, wodurch die Kürze des Bauraums in Hubrichtung unbeeinflusst bleibt. Weiterhin wird es dadurch ermöglichst, dass der Sensor so innerhalb einer Ausnehmung des Schleppkolbens angeordnet ist, dass die Bewegung des Schleppkolbens keinen Einfluss auf den Messvorgang selber nimmt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Sensor zwischen dem Ringmagneten und dem Schleppkolben angeordnet. Der Sensor wird gemäß dieser Ausführungsform also in direkte Nachbarschaft zu dem Ringmagneten verbracht, und eine Messung der Position des Ringmagneten und somit des Kolbens und/oder der Kolbentange kann erfolgen, ohne dass der Schleppkolben, welcher den Ringmagneten und den Sensor sowie den Abschnitt des Hauptkolbens, in welchem sich der Sensor erstreckt, umgibt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben- Zylinderanordnung sind der Kolben und die Kolbenstange einstückig miteinander verbunden. Durch die einstückige Verbindung des Kolbens mit der Kolbenstange wird ein Bewegungsspiel zwischen den beiden Elementen ausgeschlossen. Dadurch wird es unerheblich, ob die Position der Kolbenstange oder des Kolbens ermittelt wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinderanordnung in der Ebene, in welcher sich die Längsachse der Kolbenstange erstreckt, und Figur 2 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinderanordnung in einer Ebene, in welcher sich die Längsachse der Kolbenstange erstreckt.

Eine Kolben-Zylinderanordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 1 dargestellt. Die Kolben-Zylinderanordnung 1 weist ein Zylinder-Gehäuse 3 auf, welches mit einem Zylinderdeckel 7 verschlossen ist. Das Zylinder-Gehäuse 3 und der Zylinderdeckel 7 sind rotationssymmetrisch ausgebildet bezüglich einer Symmetrieachse 5 und koaxial zueinander ausgerichtet. Der Zylinderdeckel 7 ist gegen eine Innenwand des Zylindergehäuses 3 mittels eines Dichtelements 9 abgedichtet. Eine (nicht dargestellte) Auswerte-Elektronik kann innerhalb des Zylinerdeckels 7 angeordnet sein.

Ein Haupt-Kolben 1 1 ist innerhalb des Zylindergehäuses 3 koaxial zu der Achse 5 angeordnet. Der Haupt-Kolben 11 ist einstückig mit einer Kolbenstange 13 verbunden, welche ebenfalls koaxial zu der Achse 5 ausgerichtet ist. Der Haupt-Kolben 13 ist mittels eines Dichtelements 15 gegen eine Innenwand des Gehäuses 3 abgedichtet. Ein weiteres Dichtelement 17 ist an einem Austrittsabschnitt des Gehäuses 3 angeordnet, an welchem die Kolbenstange 13 aus dem Gehäuse 3 austritt.

Ein Schleppkolben 19 ist in einem in Figur 1 oberen Abschnitt des Haupt-Kolbens 11 angeordnet. Der Schleppkolben 19 ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und umgibt den Haupt-Kolben 11 in dem in der Figur oberen Abschnitt des Haupt-Kolbens 11. Der Schleppkolben 19 ist mittels eines Dichtelements 21 gegen den Haupt-Kolben 11 und mittels eines Dichtelements 23 gegen eine Innenwand des Gehäuses 3 abgedichtet. Der Schleppkolben 19 ist axial in Richtung der Achse 5 relativ zu dem Gehäuse 3 und dem Haupt-Kolben 11 bewegbar. Der äußere Durchmesser des Schleppkolbens 19 in dem in der Figur 1 oberen Abschnitt ist größer als der äußere Durchmesser des Haupt-Kolbens 1 1 in dem in der Figur 1 unteren Abschnitt. Der Haupt-Kolben 11 weist eine ringförmig ausgebildete Ausnehmung 25 auf, welche koaxial zu der Achse 5 ausgerichtet ist und sich von einer in Figur 1 oberen Stirnseite des Haupt-Kolbens 1 1 aus in den Kolben hinein erstreckt.

Ein PLCD-Sensor 27 ist innerhalb der Ausnehmung 25 angeordnet, welcher Teil einer Messeinrichtung ist. Ein weiterer Teil dieser Messeinrichtung ist ein Ring-Magnet 29, welcher auf einem oberen Absatz des Haupt-Kolbens 11 beispielsweise durch Presspassung fest angeordnet ist und koaxial zu der Achse 5 angeordnet ist. Der PLCD- Sensor 27 ist innerhalb eines Sensor-Gehäuses 31 parallel zu der Achse 5 angeordnet und ausgerichtet. Das Sensor-Gehäuse 31 ist an dem Zylinderdeckel 7 angeformt. Leiterbahnen sind von dem Sensor 27 ausgehend durch den Zylinderdeckel 7 hindurch aus dem Gehäuse 3 herausgeführt. Der Sensor 27 ist somit ortsfest mit dem Zylinderdeckel 7 und somit im montierten Zustand auch mit dem Gehäuse 3 verbunden. Eine Bewegung des Haupt-Kolbens 11 bzw. der Stange 13 resultiert in einer Bewegung des Ringmagneten 29 relativ zu dem Sensor 27.

In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinderanordnung dargestellt. Hinsichtlich gleicher Bauteile wird auf die obigen Beschreibungen Bezug genommen und sind gleiche Bezugszeichen verwendet. In dieser Ausführungsform weist das Gehäuse 3 zwei separat ausgebildete Gehäuseteile 35 und 37 auf. Der Zylinderdeckel 7, an welchen das Sensor-Gehäuse 31 mit dem Sensor 27 angeformt ist, ist abschließend mit dem Gehäuseteil 35 verbunden. Eine Glocke 33 liegt auf dem Zylinderdeckel 7 auf. und schließt das Gehäuse 3 ab. Der äußere Durchmesser des Hauptkolbens 11 ist in dieser Ausführungsform geringer als der äußere Durchmesser des Schleppkolbens 19.

Der Hauptkolben 11 ist mit (nicht dargestellten) Dichtungselementen gegen die Innenwand des Gehäuseteils 35 abgedichtet, während der Schleppkolben 19 mit (ebenfalls nicht dargestellten) Dichtungselementen gegen die Innenwand des Gehäuseteils 37 abgedichtet ist. Der Haupt-Kolben 1 1 ist weiterhin mittels eines (nicht dargestellten) Dichtungselementes gegen einen Abschnitt 47 des Gehäuseteils 37 abgedichtet. Der Haupt-Kolben 11 weist eine zylindrische Ausnehmung 41 auf. Die Ausnehmung 41 ist koaxial zu der Achse 5 ausgerichtet und erstreckt sich von der oberen Stirnfläche des Hauptkolbens 1 1 abwärts. Weiterhin ist an der Stirnseite des Hauptkolbens 11 ein Trä- gerlement 43 angeordnet und mittels Befestigungsmitteln 45 mit dem Hauptkolben verbunden. Das Trägerelement 43 ist rotationssymmetrisch und koaxial zu der Achse 5 angeordnet und weist weiterhin einen Ringmagneten 39 auf, welcher mittels des Trägerelementes 43 an dem Haupt-Kolben 11 befestigt ist.

Der PLCD-Sensor 27 ist gemäß der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ebenfalls koaxial zu der Achse 5 ausgerichtet und so innerhalb des Zylindergehäuses 3 angeordnet, dass er durch den Schleppkolben 19, den Haupt-Kolben 1 1 und den Ringmagneten 39 hindurch taucht. Somit sind alle beweglichen Teile innerhalb des Zylinderge- häuses rotationssymmetrisch um den Sensor 27 herum koaxial zu der Achse 5 angeordnet.

In einem unteren Abschnitt 46 des Gehäuseteils 37 ist eine Ausnehmung 46 vorgesehen. Innerhalb dieser Ausnehmung 46 erstreckt sich der Kolben 1 1 aus dem Gehäuse 3 heraus. Der Haupt-Kolben 11 weist an seinem in Figur 2 unterem Ende einen Anschlussabschnitt 47 auf, mittels welchem der Haupt-Kolben 1 1 mit einer (nicht dargestellten) Kolbenstange verbunden werden kann.