DE3218298A1

DE3218298A1 - Vorrichtung zum messen einer position

Info

Publication number: DE3218298A1
Application number: DE19823218298
Authority: DE
Inventors: Kunihiro Higashimurayama Tokyo Abe
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1981-05-15
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1982-12-23
Also published as: DE3218298C2; GB2100443A; FR2506006B1; JPS57189010A; GB2100443B; FR2506006A1

Description

5/92 Fuji Jukogyo K.K.

Vorrichtung zum Messen einer Position ι

Priorität: 15. Mai 1981 Japan 56-73756

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Position eines sich bewegenden oder drehenden Gegenstands und zum Umsetzen des Meßwerts in ein elektrisches Signal.

Ein Positionsfühler mit einem Hall-Element als Magnetflußdichtenbestimmungsvorrichtung wird zum Feststellen einer Position eines sich bewegenden Teils einer Werkzeugmaschine oder einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verwendet.

Bekannte Positionsfühler können nicht genau die Position eines sich bewegenden Teils messen, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Positionsfühler zu schaffen, der genau eine Position eines Gegenstands ohne Fehlfunktion mißt, die durch die Änderung des Abstands zwischen dem Fühlerkopf und dem Gegenstand und durch Temperaturänderungen verursacht wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, in der sind

Fig. 1 · eine perspektivische Ansicht eines bekannten

Posi ti onsfüh lers,
Fig. 2(a) und (b) Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Positionsfühlers der Fig. 1,

Fig. 3 eine Darstellung einer Ausgangswellenform des Positionsfühlers,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines bekannten Winkelpositionsfühlers,

Fig. 5 eine Darstellung einer Ausgangswellenform des WinkeIpositionsfühlers,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren bekannten Positionsfühlers,

Fig. 7 eine Darstellung einer Ausgangswellenform' des Positionsfühlers der Fig. 6,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer Positionsmeßvorrichtung der Erfindung,

Fig. 9 eine Vorderansicht eines Positionsfühlerkopfs, Fig. 10(a) und Cb) Darstellungen zur Erläuterung der

Arbeitsweise der Positionsfühlervorrichtung der Erf i ndung,

Fig. 11 eine Darstellung einer Ausgangswellenform des Fühle rs,

Fig. 12 eine Darstellung einer Ausgangswellenform bei Änderung des Abstands zwischen dem Fühlerkopf und einem Gegenstand,

Fig. 13 eine Darstellung der Änderungen der Ausgangskennlinie des Positionsfühlers bei Temperaturänderungen,

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 15 ein Schaltbild zum Erzeugen eines Ausgangssignals in dem Positionsfühler und

Fig. 16(a) bis (h) Darstellungen von Modifikationen des Positionsfühlers der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 sind bei einem bekannten Positionsfühler für einen sich bewegenden Teil ein U-förmiges Joch 1 aus permeablem Material und ein zylindrischer Permanentmagnet 2 aneinander befestigt, um eine E-förmige Magnetfelderzeugungsvorrichtung M zu bilden. Ein Fühlerkopf H ist

nahe der Magnetfelderzeugungsvorrichtung angebracht. Der Fühterkopf H enthält ein U-förnnges Joch 3 und einen Kern 4, der an dem Mittelteil des Jochs 3 befestigt ist, um einen E-förmigen Teil entsprechend der E-förmigen Magnetfelderzeugungsvorrichtung zu bilden. Ein integrierter Hall-Kreis (IC) 5 als Magnetf lußdichtenbestimmungsvorrichtung ist an dem Ende des Kerns 4 befestigt. Ein Schirmorgan 6 aus permeablem Material ist an einem (nicht gezeigten) sich bewegenden Teil befestigt und ist so ausgebildet, daß es in gerader Linie durch einen Spalt zwischen der Magnetfelderzeugungsvorrichtung M und dem Fühlerkopf H läuft. Das Schirmorgan 6 enthält eine Reihe von Zähnen 7, die im gleichen Abstand voneinander angeordnet sind.

Für die Beschreibung der Wirkungsweise des Positionsfühlers zeigt Fig. 2(a) einen Zustand, in dem ein leerer Abschnitt zwischen den Zähnen 7 mit dem Fühlerkopf H zusammenfällt, während Fig. 2(b) einen Zustand zeigt, bei dem einer der Zähne 7 zwischen dem Kopf H und der Vorrichtung M angeordnet ist. Im Zustand der Fig. 2(a) wird ein Magnetfeld erzeugt, wie es durch die gestrichelten Linien gezeigt ist, um einen geschlossenen Magnetkreis zu bilden, der durch den Hall-IC 5 geht. Der Hall-IC 5 kommt somit in den Arbeitszustand. Wenn ein Zahn 7 den Magnetkreis trennt, siehe Fig. 2(b), wird der Hall-IC ausgeschaltet.

F.ig. 3 zeigt die Änderung der Magnetflußdichte. Die Magnetflußdichte ändert sich sinusförmig, wenn sich das Schirmorgan 6 bewegt. Wenn die Magnetflußdichte den Einschaltpegel übersteigt, geht der Ausgang des Hall-IC auf einen hohen Pegel, und wenn die Magnetflußdichte den Ausschaltpegel unterschreitet, kommt der Ausgang des Hall-IC auf einen niedrigen Pegel. Somit kann der Bewegungsabstand eines Teils gemessen werden, indem die Ausgangsimpulse des Hall-IC gezählt werden.

Bei dem Positionsfühler der Fig. 1 bewegt sich das Schirmorgan 6 zwischen der Magnetfelderzeugungsvorrichtung M und dem Fühlerkopf H. Demgemäß muß das Schirmorgan 6 eine dünne Platte sein. Als Ergebnis wird die Stärke des Schirmorgans 6 verringert, was zum Messen eines großen Abstands unbrauchbar ist.

Bei dem bekannten Winkelpositionsfühler nach Fig. 4 ist eine Kreisplatte 9 an einer Drehwelle 8 befestigt und ist ein ringförmiges magnetisches Organ 10 an dem Umfang der Kreisplatte 9 befestigt. Das magnetische Organ 10 wird in abwechselnder Polaritätsanordnung magnetisiert, wie die Fig. 4 zeigt. Ein Hall-IC 11 ist nahe dem magnetischen Organ 10 angeordnet.

Die Magnetflußdichte für den Hall-IC 11 ändert sich, wie Fig. 5 zeigt. Da die Polarität des Magnetflusses umgekehrt ist, können Impulse mit einer definierten Wellenform durch den Hall-IC 11 erzeugt werden. Es ist jedoch schwierig, das magnetische Organ 10 in einem genauen Muster zu magnetisieren. Ein Positionsfühler zum Vermeiden des vorstehenden Nachteils ist in der japanischen Patentanmeldung 55-137222 beschrieben. Der Positionsfühler enthält, siehe Fig. 6, einen Meßteil 12 mit einer Reihe von kubischen Vorsprüngen 13 und einen Permanentmagnet 14, der nahe den Vorsprüngen angeordnet ist. Ein Hall-IC 15 ist an dem Nordpol N befestigt. Der Südpol S und der HaIl-IC sind in einem Abstand d von der oberen Fläche des Vorsprungs 13 angeordnet. Wenn der Meßteil 12 sich in Längsrichtung bewegt, ändert sich die Magnetflußdichte für den Hall-IC 15 in Abhängigkeit von der Bewegung der Vorsprünge 13. Somit kann der Bewegungsabstand gemessen werden.

Wenn bei diesem Positionsfühler der Abstand d schwankt, ändert sich jedoch das Ausgangssignal des Hall-IC 15, auch wenn die Magnetflußdichte konstant ist. Der Meßteil 12 muß deshalb genau geformt sein und bewegt werden, so

daß keine "Änderung des Abstands d auftritt. Das Ausgangssignal des HaLL-Elements ändert sich des weiteren mit der Änderung der Umgebungstemperatur. Fig. 7 zeigt die Änderung des AusgangssignaLs des Ha IL-ELements in Abhängigkeit von Änderungen des Abstands d und der Temperatur. Wegen dieser Änderung des AusgangssignaLs des HaLL-Elements muß ein Begrenzerpegel zum Bestimmen eines Schaltpegels innerhalb eines engen Bereichs "1" eingestellt werden.Falls

deshalb der Begrenzerpegel auf einen ungeeigneten Pegel eingestellt wird, kann die Position des sich bewegenden Teils nicht genau gemessen werden.

Gemäß Fig. 8 enthält die Positionsmeßvorrichtung nach der Erfindung ein Meßorgan 21, das an einem (nicht dargestellten) sich bewegenden TeiI befest igt ist, und einen Positionsfühlerkopf 27, der durch eine (nicht dargestellte) geeignete Stützvorrichtung gehalten ist. Das Meßorgan 21 besteht aus weichmagnetischem Material, wie Eisen oder Si Liζiumstah L. Der Meßteil ist ein länglicher Stab und hat eine Reihe von Einschnitten 22 und 23 an beiden Seiten, Vorsprünge 24 und 25, die durch die Einschnitte 22 und gebildet sind, und einen mittleren gemeinsamen Abschnitt 26 mit derselben Höhe wie die Vorsprünge 24 und 25. Die Vorsprünge an einer Seite sind im gleichen Abstand zueinander angeordnet und zu den Vorsprüngen an der anderen Seite versetzt.

Der Positionsfühlerkopf 27 enthält einen Magnet 28 aus hartmagnetischem Material, wie Alnico oder einen Seltenerd-Magnet, und einen HaU-IC 29. Der Magnet 28 hat einen E-förmigen Kern mit Polen N und S an beiden gegenüberliegenden Enden und der Hall-IC 29 ist an dem Ende des mittleren Abschnitts befestigt. Gemäß Fig. 9 fluchten die Unterseiten der beiden Pole N und S und des Hall-IC 29 miteinander und sind so angeordnet, daß der Nordpol N

nahe dem Vorsprung 25 und der Südpol S nahe dem Vorsprung Liegt, wobei der HaLL-IC 29 dem gemeinsamen Abschnitt 26 benachbart ist. Der HaLL-IC 29 wird einem Magnetfluß in der Richtung X ausgesetzt und hat ein Paar Anschluß-Leitungen 30.

Wenn im Betrieb sich das Meßorgan 21 Längs bewegt, wie dies durch den Pfeil gezeigt ist, geht jeder Vorsprung 24 und 25 abwechselnd durch das Magnetfeld des Magnets Wenn der Vorsprung 25 dem Nordpol N benachbart ist, wie

Fig. 10(a) zeigt, befindet sich der HaLL-IC 29 in einem Magnetfeld mit einer Polarität, wie sie durch den Pfeil angegeben ist. Wenn demgegenüber der Vorsprung 24 sich in dem Magnetfeld befindet, ist der HaLL-IC 29 dem Magnetfeld mit umgekehrter Polarität ausgesetzt.

Gemäß Fig. 11 ändert sich die MagnetfLußdichte des auf den Hall-IC 29 wirkenden Magnetfelds in einer Rechteckwellenform und die PoLarität wird in bezug auf den Null-Pegel umgekehrt.

Fig. 12 zeigt die Änderung der MagnetfLußdichte, wenn der Abstand zwischen dem Meßorgan 21 und dem HaLl-IC 29 schwankt. Da sich die MagnetfLußdichte in bezug auf den Null-Pegel ändert, kann ein weiter Bereich L für die Einstellung des Begrenzerpege I s erhalten werden.

Gemäß der Temperaturkennlinie des HaLl-IC 29 in Fig. ändert sich das Ausgangssignal des HaIL-IC 29 mit der Änderung der Umgebungstemperatur, auch wenn die Magnetflußdichte konstant ist. Das Ausgangssignal des HaIL-IC wird jedoch beim Null-Pegel der Magnetflußdichte Null und ändert sich proportional der MagnetfLußdichte. Gemäß der Erfindung ist es somit möglich, die Position eines sich bewegenden Teils genau zu messen, und zwar ohne Rücksicht auf Änderungen des Abstands zwischen dem Fühlerkopf und dem Meßorgan und der Umgebungstemperatur.

r 9 -

Fig. 14 zeigt eine WinkeLpositionfeststelLvorrichtung nach der Erfindung, z.B. eine Vorrichtung zum Messen der WinkeLposition der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors. Eine Scheibe 31 ist an einer Drehwelle 30 befestigt. Ein Paar Meßorgane 32, von denen jedes dieselbe Anordnung der Vorsprünge wie die Vorrichtung der Fig. 8 aufweist, ist an dem Umfang der Scheibe

31 in geeigneten Abständen befestigt. Ein Positionsfühlerkopf 33 ist nahe den Vorsprüngen des Meßorgans

32 angeordnet.

Bei der Vorrichtung wird die Winkelposition 0 von einem Ende a durch Zählen der Ausgangsimpulse des Hall-IC des Positionsfühlerkopfs 33 gemessen. Somit können beispielsweise Positionen des oberen Totpunkts und des unteren Totpunkts der Kurbelwelle und des weiteren die Zündzeiteinstellung festgestellt werden.

Gemäß Fig. 15 sind in der Schaltung zum Erzeugen von Ausgangsimpulsen mit dem Hall-IC (Hall-Element) 29 die Ausgangsanschlüsse des Hall-IC mit den Eingängen eines Komparators 34 verbunden. Da das Ausgangssignal des Hall-IC beim Null-Pegel der Magnetflußdichte umgekehrt wird, wird auch das Ausgangssignal des Komparators 34 bei der Null-Spannung des Ausgangssignals des Hall-IC umgekehrt.

Bei der Vorrichtung der Fig. 16(a) enthält ein Posistionsfühlerkopf Joche 41, 44 und 45 und zwei horizontale Magnete 42 und 43, die zwischen den Jochen angeordnet sind. Ein Hall-IC 46 ist an dem Ende des mittleren Jochs 41 befestigt. Die Magnete 42 und 43 sind mit umgekehrter Polarität angeordnet, um die Joche 44 und 45 mit entgegengesetzter Polarität zu magnetisieren.

Der Positionsfühlerkopf der Fig. 16(b) enthält ein I-förmiges Joch 47, ein Paar vertikale Magnete 49 und 50, die an den beiden Endabschnitten des Jochs 47 mit entgegengesetzter Polarität befestigt sind, und einen Hall-IC 48, der an dem Ende des mittleren Schenkelabschnitts des Jochs 47 befestigt ist.

Der Fühlerkopf der Fig. 16(c) enthält ein Paar U-förmige

Magnete 51 und 52, die mit entgegengesetzter Polarität angeordnet sind und aneinander befestigt sind, um einen E-förmigen Magnet zu bilden, und einen Hall-IC 53, der an dem mittleren Pol des Magnets befestigt ist.

Gemäß Fig. 16<d) enthält der Fühlerkopf einen einzelnen rechteckigen Magnet 54 mit einer Aussparung, in der ein Hall-IC 55 eingebettet ist. Beide Seiten des Magnets 54 sind mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert.

Gemäß Fig. 16(e) hat ein Meßorgan 56 einen U-förmigen Querschnitt und enthält Vorsprünge 56a und 56b, die versetzt sind. Ein Fühlerkopf enthält ein Mitteljoch 57, ein Paar Magnete 58 und 59 an beiden Seiten des Jochs 57 und einen Hall-IC 60, der an dem unteren Ende des Jochs befestigt ist. Die Magnete 58 und 59 sind mit entgegengesetzter Polarität und jeweils nahe den Vorsprüngen 56a und 56b angeordnet.

Gemäß Fig. 16(f) sind mehrere magnetische Leisten 61 nahe den gegenüberliegenden Seiten eines Abtastkopfs versetzt angeordnet. Der Abtastkopf enthält ein Mitteljoch 62, ein Paar Magnete 63 und 64, die an beiden Seiten des Jochs 62 befestigt sind, einen Hall-IC 65, der an der Unterseite des Jochs 62 befestigt ist, und ein horizontales Joch 66, das an dem Hall-IC 65 befestigt ist.

Der Fühlerkopf der Fig. 16(g) enthält ein Paar Magnete 68 und 69, die mit entgegengesetzter Polarität angeordnet sind, und einen Hall-IC 67, der zwischen den Magneten angebracht ist.

Fig. 16(h) zeigt einen Fühlerkopf mit einem U-föringen Magnet 70, einen Hall-IC 71, der an einem Mittelteil des Magnets befestigt ist, und ein Joch 72, das in dem Hall-IC 71 befestigt ist.

Die Erfindung ergibt eine Meßvorrichtung, welche die Position eines sich bewegenden Teils genau messen kann, auch wenn der Abstand zwischen dem Fühlerkopf und dem sich bewegenden Teil schwankt und sich die Umgebungstemperatur ändert. Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen das Hall-Element bzw. der Hall-IC als Vorrichtung zum Umsetzen der Änderung der Magnetflußdichte in eine Spannungsänderung beschrieben ist, können auch andere ELemente, wie ein Magnetoresistor, verwendet werden. Die Erfindung kann des weiteren bei einer Vorrichtung angewendet werden, bei welcher der Fühlerkopf an dem sich bewegenden Teil befestigt ist und das Meßorgan an einem stationären Teil angebracht ist.

Claims

5/92 MÜNCHEN

Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha 7-2 Ni-shi shin juku 1-chome, Sh ι η j uku-ku, Tokyo, Japan

Patentansprüche

Vorrichtung zum Hessen der Position eines sich bewegenden Teils, gekennzeichnet durch

magnetische Einrichtungen zum Erzeugen von zwei Magnetfeldern,

Umsetzeinrichtungen zum Umsetzen der Änderungen der Magnetflußdichte des Magnetfelds in eine Spannungsänderung und

wenigstens ein Meßorgan aus magnetischem Material zum Bilden von Magnetkreisen der Magnetfelder, die durch die Umsetzeinrichtungen und die magnetischen Einrichtungen hi ndurchgehen,

wobei das Meßorgan so angeordnet ist, daß die Polarität des Magnetkreises für die Umsetzeinrichtungen abwechselnd umgekehrt wird, wenn sich die Umsetzeinrichtungen und das Meßorgan relativ zueinander bewegen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Einrichtung ein E-förmiger Magnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßorgan einen länglichen Stab enthält, der eine Reihe von Einschnitten an beiden Seiten, Vorsprünge, die an beiden Seiten dur.ch die Einschnitte gebildet sind

Λ-

und versetzt angeordnet sind, und einen

mittleren gemeinsamen Teil in derselben Höhe wie die Vorsprünge aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umsetzeinrichtung an einem Ende des mittleren SchenkelteiIs des E-förmigen Magnets angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Endpole des E-förmigen Magnets den Vorsprüngen benachbart angeordnet sind und daß die Umsetzeinrichtung in der Nähe des mittleren gemeinsamen Teils angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung ein Hall-Element ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung ein Hall-IC ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung ein Magnetoresistor ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Joch zum Verbinden der Umsetzeinrichtungen und der magnetischen Einrichtungen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

ein Joch, das an den Umsetzeinrichtungen nahe dem Meßorgan angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßorgan einen U-förmigen Querschnitt aufweist und mehrere versetzte Vorsprünge enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßorgan mehrere Leisten enthält.