DE3218352C2

DE3218352C2 - Vorrichtung zum Messen einer Position

Info

Publication number: DE3218352C2
Application number: DE3218352A
Authority: DE
Inventors: Kunihiro Higashimurayama Tokyo Abe; Yoshihiko Hachioji Tokyo Morimoto
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1981-05-15
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1984-01-19
Also published as: US4535289A; JPH0379648B2; GB2098743A; DE3218352A1; JPS57189011A; GB2098743B; FR2514492B1; FR2514492A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Messen der Position eines sich bewegenden Körpers weist ein Meßorgan aus magnetischem Material, das an dem sich bewegenden Körper befestigt ist, und einen E-förmigen Magnet in der Nähe des Meßorgans auf. Ein Hall-IC zum Umsetzen der Änderung der Magnetflußdichte des Magnets in eine Spannungsänderung ist an einem Ende des Mittelschenkelteils des Magnets befestigt. Das Meßorgan ist ein länglicher Stab, der mit einer Reihe von Vorsprüngen an seinen beiden Seiten versehen ist. Die Vorsprünge beider Seiten sind versetzt angeordnet. Der Hall-IC liegt nahe einem inneren Teil eines Endes der Vorsprünge, wenn sich der bewegende Körper in Längsrichtung bewegt. Der Hall-IC erzeugt ein Ausgangssignal mit einer Wellenform mit einem Null-Pegelintervall zwischen umgekehrten Wellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Position eines sich bewegenden (auch drehenden) Körpers und zum Umsetzen des Meßwerts in ein elektrisches Signal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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

Bekannt ist ein induktiver Meßfühler zum Umsetzen insbesondere linearer Bewegungen in elektrische Größen (DE-AS 1217 085). Dieser bekannte Meßfühler weist im Eisenkreis einer einen Maßstab bildenden Drosselanordnung mindestens zwei getrennte, voneinander unabhängige Flußpfade quer zur Verschiebungsrichtung auf. Die Meßgenauigkeit des bekannten Meßfühlers ist begrenzt, d. h. Änderungen des Abstands zwischen dem Meßkopf und der Drosselanordnung sowie Temperaturänderungen können dabei nicht berücksichtigt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die genau die Position eines ίο Körpers ohne Fehlfunktion mißt, die durch die Änderung des Abstands zwischen der Vorrichtung und dem Körper und durch Temperaturänderungen verursacht wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Positionsfühlers, der nicht Gegenstand des Patents ist,

Fig.2 eine Seitenansicht des Positionsfühlers der Fig. I₁

Fig.3 eine Darstellung der Ausgangswellenform des Positionsfühlers der Fig. 1,

Fig.4 eine perspektivische Ansicht einer Positionsmeßvorrichtung nach der Erfindung,

Fig.5(a) bis (c) Darstellungen zum Erläutern der - Wirkungsweise der Positionsmeßvorrichtung der Erfindung, .„. .

Fig.6 eine Darstellung einer Ausgangswellenform der Positionsmeßvorrichtung,

Fig.7 eine Darstellung einer Ausgangswellenform, wenn sich der Abstand zwischen dem Fühlerkopf und einem Körper ändert,

Fig.8 ein Schaltbild einer Schaltung zum Erzeugen eines Ausgangssignals des Positionsfühlers und

Fig. 9 eine Darstellung von Ausgangswellenformen der Schaltung der F i g. 8.

Der Positionsfühler in Fig. 1 (japanische Patentanmeldung 55-1 37 222) enthält einen Meßkörper 1 mit einer Reihe von Vorsprüngen 2, die im gleichen Abstand angeordnet sind, und einen U-förmigen Permanentmagnet 3, der nahe den Vorsprüngen angeordnet ist Ein HaIl-IC oder Hall-Element 4 als Magnetflußdichtebe-Stimmungsvorrichtung ist an dem Nordpol Af befestigt Der Südpol Sund der Hall-IC sind in einem Abstand D von der oberen Fläche der Vorsprünge 2 angeordnet Wenn der Meßkörper 1 sich in Längsrichtung bewegt, ändert sich die Magnetflußdichte für den Hall-IC 4 in Abhängigkeit der Bewegung der Vorsprünge 2 und die Ausgangsspannung des HaIl-IC ändert sich mit der Änderung der Magnetflußdichte. Der Bewegungsabstand kann somit durch Zählen der Ausgangsimpulse des Hall-IC gemessen werden.

Wenn bei diesem Positionsfühler der Abstand D schwankt, ändert sich die Ausgangsspannung des Hall-IC 4, auch wenn die Magnetflußdichte konstant ist Der Meßkörper 1 muß demgemäß genau geformt sein und bewegt werden, damit nicht eine Änderung des Abstands D auftritt Das Ausgangssignal des Hall-Elements ändert sich mit der Änderung der Umgebungstemperatur. F i g. 3 zeigt die Änderung des Ausgangssignals des Hall-Elements in Abhängigkeit von Änderungen des Abstands D und der Temperatur. Wegen der Änderung des Ausgangssignals des Hall-Elements muß ein Begrenzerpegel zum Bestimmen eines Schaltpegels innerhalb eines engen Bereichs »1« eingestellt werden. Wenn deshalb der Begrenzerpegel auf einen geeigneten

Pegel eingestellt ist, kann die Position des sich bewegenden Körpers genau gemessen werden.

Andererseits ist es notwendig, eine Normalposition zu bestimmen, um die Position eines sich bewegenden Körpers zu messen. Gemäß F i g. 2 ist für diesen Zweck vorgeschlagen worden, einen Vorsprung 2-b vorzusehen, der niedriger als die normalen Vorsprünge 2-a ist, um eine Normalposition zu bestimmen. Die Normalposition kann bestimmt werden, indem eine niedrige Magnetflußdichte in Abhängigkeit des niedrigeren Vorsprungs 2-b abgefühlt wird. Wenn sich jedoch das Ausgangssignal des Hall-Elements stark durch die Änderung des Abstands D und der Temperatur ändert, kann die Normalposition nicht festgestellt werden. Der Grund besteht darin, daß, falls ein Ausgangssignal 2-A des Hall-Elements niedriger als ein Ausgangssignal 2-B ist, das durch den niedrigeren Vorsprung 2-b erzeugt wird, siehe F i g. 3, ein Begrenzerpegel zum Feststellen nur des Ausgangssignals 2-B nicht erzeugt werden kann.

Gemäß Fig.4 enthält die erfindungsgemäße Positionsvorrichtung zur Vermeidung der obenerwähnten Nachteile ein Meßorgan 11, das an einem (nicht dargestellten) sich bewegenden Körper befestigt ist, und einen Positionsfühlerkopf 12, der durch eine (nicht dargestellte) Stützvorrichtung gehalten ist. Das Meßorgan 11 besteht aus weichmagnetischem Material, wie Eisen oder Siliziumstahl.

Das Meßorgan ist ein länglicher Stab und hat eine Reihe von Vorsprüngen 13 und 14 längs beider Seiten des Meßorgans. Die Breite a des Vorsprungs 13 ist gleich der Breite cdes Vorsprungs 14 und jeder Abstand b und d ist gleich der Breite a und c. Diese Vorsprünge haben gleiche Höhe. Die Vorsprünge 13 an einer Seite sind relativ zu den Vorsprüngen 14 an der anderen Seite versetzt. Die Länge /und g der Vorsprünge 13 und 14 ist größer als die Hälfte der Breite e des Meßorgans 11, so daß ein innerer Endteil jedes Vorsprungs nahe einem Hall-IC 16 liegt, wie nachfolgend beschrieben wird.

Der Positionsfühlerkopf 12 enthält einen Magnet 15 aus hartmagnetischem Material, wie Alnico, oder einen Seltenerd-Magnet und den Hall-IC 16. Der Magnet 15 hat einen E-förmigen Kern mit Polen Wund 5an beiden Enden und der Hall-IC 16 ist an dem Ende des mittleren Schenkelteils befestigt Gemäß Fig.5 fluchten die Unterseiten der beiden Pole Nund Sund des Hall-IC 16 miteinander und sind so angeordnet, daß der Nordpol N nahe dem Vorsprung 13 liegt und der Südpol 5 nahe dem Vorsprung 14 Hegt Der Hall-IC 16 liegt nahe einem Endteil jedes Vorsprungs während der Bewegung des Meßorgans 11.

Wenn im Betrieb das Meßorgan 11 sich längsbewegt, wie durch den Pfeil gezeigt, geht jeder Vorsprung 13 und 14 abwechselnd durch das Magnetfeld des Magnets 15. Wenn der Vorsprung 13 nahe dem Nordpol N liegt, wie F i g. 5(a) zeigt, ist der Hall-IC 16 in einem Magnetfeld mit einer Polarität, wie durch den Pfeil gezeigt Wenn im Gegensatz dazu der Vorsprung 14 sich in dem Magnetfeld befindet, wie F i g. 5(c) zeigt, ist der Hall-IC 16 dem Magnetfeld mit umgekehrter . Polarität ausgesetzt. Wenn der Magnet 15 zwischen den Vorsprüngen 13 und 14 liegt, wie F i g. 5(b) zeigt, wirkt das Magnetfeld nicht auf den Hall-IC 16.

Fig.6 zeigt die Magnetflußdichte des auf den Hall-IC 16 wirkenden Magnetfelds. Die Magnetflußdichte ändert sich in Rechteckwellenform mit NuIl-Pegelintervallen und die Polarität ist in bezug auf den Null-Pegel umgekehrt.

F i g. 7 zeigt die Änderung der Magnetflußdichte, wenn der Abstand zwischen dem Meßorgan 11 und dem Hall-IC 16 schwankt oder wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Da sich die Magnetflußdichte in bezug auf den Null-Pegel ändert, kann ein weiter Bereich M für die Begrenzerpegeleinstellung erhalten werden.

Bei der Schaltung zum Erzeugen von Ausgangsimpulsen mit dem Hall-IC oder dem Hall-Element 16 gemäß Fi g. 8 sind die Ausgangsanschlüsse des Hall-IC mit den Eingängen eines Komparators 19 über Widerstände 17 und 18 verbunden. Ein Widerstand 20 ist zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Komparators 19 geschaltet. Der Ausgang des Komparators 19 ist mit einem nichtinvertierenden Eingang eines Komparators 21 und mit einem invertierenden Eingang eines Komparators 22 verbunden. Die Widerstände 23,24 und 25 sind mit den anderen Eingängen der Komparatoren 21 und 22 zum Anlegen von Spannungen an die Komparatoren verbunden.

Das Ausgangssignal X des Komparators 19 wird gemäß F i g. 9 an die Komparatoren 21 und 22 angelegt und jeweils mit Bezugspegeln A und B verglichen. Die Ausgangsimpulse werden somit an den Ausgängen Y und Zerzeugt, siehe Fi g. 9. Die Ausgangssignale Yund Z haben unterschiedliche Phase. Eines der Ausgangssignale kann deshalb als Normalsignal zum Messen einer Normalposition verwendet werden und das andere Ausgangssignal kann als Signal zum Messen einer relativen Position des sich bewegenden Körpers in bezug auf die Normalposition verwendet werden.

Die Erfindung ergibt eine Meßvorrichtung, die zwei Arten von Ausgangssignalen durch einen einzigen Positionsfühlerkopf erzeugen kann. Die Vorrichtung der Erfindung kann dadurch mit kleinen Abmessungen bei geringen Kosten hergestellt werden. Obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel das Hall-Element oder der Hall-IC als Vorrichtung zum

so Umsetzen der Änderung der Magnetflußdichte in eine Spannungsänderung verwendet wird, können auch andere Elemente, wie ein Magnetoresistor, angewendet werden. Die Erfindung kann auch bei einer Vorrichtung verwendet werden, bei welcher der Fühlerkopf an einem sich bewegenden Körper befestigt ist, das Meßorgan an einem stationären Körper angebracht ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der Position eines sich bewegenden Körpers mit einer magnetischen Einrichtung (15) zum Erzeugen eines Magnetfeldes, mit einer Umsetzeinrichtung (16) zum Umsetzen der Änderung der Magnetflußdichte des Magnetfeldes in eine Spannungsänderung und mit einem Meßorgan (11) aus magnetischem Material, wobei die magnetische Einrichtung und das Meßorgan so angeordnet sind, daß sie einen durch die Umsetzeinrichtung gehenden magnetischen Kreis bilden, wobei das Meßorgan mehrere Vorsprünge (13, 14) aufweist, die in Bewegungsrichtung Seite an Seite angeordnet sind, wobei die magnetische Einrichtung drei Endteile in Form eines E aufweist, von denen die gegenüberliegenden Endteile mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert sind, und wobei die Umsetzeinrichtung an einem mittleren Endteil der drei Endteile vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge so angeordnet sind, daß ein abwechselnd gegenüberliegender Endteil und der mittlere Endteil einen magnetischen Kreis zusammen mit einem der Vorsprünge bilden und die Polarität des magnetischen Kreises für die Umsetzeinrichtung abwechselnd mit einem Nullpegelintervall umgekehrt wird, wenn sich die Umsetzeinrichtung und das Meßorgan relativ zueinander bewegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung ein Hall-Element, ein HaII-IC oder ein Magnetoresistor ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltungseinrichtung zum Erzeugen von Impulsen in Abhängigkeit von der durch die Umsetzeinrichtung umgesetzten Spannung, wobei die Schaltungseinrichtung einen Komparator mit einem invertierenden Eingang, dem die Spannung von einem Ausgang der Umsetzeinrichtung zugeführt wird, und einem nichtinvertierenden Eingang, dem die Spannung von dem anderen Ausgang der Umsetzeinrichtung zugeführt wird, und zwei Komparatoren enthält, die mit dem Ausgang des Komparators zum Erzeugen von zwei Ausgangsimpulsreihen verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung zwei Begrenzerpegel zum Bestimmen eines Schaltpegels aufweist