CN100362311C

CN100362311C - 位移传感器

Info

Publication number: CN100362311C
Application number: CNB2005100548765A
Authority: CN
Inventors: 山元裕一; 庄司幸夫; 吉田伸实
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: SE0500752L; KR20060045562A; KR100673698B1; SE529061C2; US20050231193A1; JP2005300247A; JP4446377B2; CN1680773A; DE102005014779A1; US7218099B2

Abstract

扩大位移传感器的检测范围。检测因磁部件的移位和倾斜而引起的磁感应器件输出信号的误差并进行校准。本发明位移传感器沿着中心轴22在可移动的磁杆32周围设置多个磁感应器件(例如霍尔IC)34A、34B。将磁感应器件34A、34B，各自配置在中心轴22方向的直线距离座标和中心轴22旋转的旋转角度座标双方不同的位置。电路40产生磁感应器件34A、34B输出信号50A、50B的平均信号54。电路42根据平均信号54测量磁杆32的位移量，而且，根据输出信号50A、50B检出磁杆32的移位和倾斜起因的输出信号50A、50B的误差并修改测定方法。

Description

位移传感器

技术领域

本发明涉及具备象霍尔IC那样的磁感应器件和产生磁场对磁感应器件相对的可移动的磁部件，从磁感应器件输出电信号具有与磁部件位移量相应电平的位移传感器。

背景技术

在专利文献1上公开的位移传感器，有耦合活动元件的棒状的磁部件(例如磁铁)，在以该磁性部件的中心轴为中心的同一圆周上180度不同的位置，配置2个磁感应器件。使2个磁感应器件的输出信号平均化，因此，由棒状磁铁直径方向的位置偏移而引起的2个磁感应器件输出信号的误差相抵销，所以提高位置检测精度。

[专利文献1]特开2000-258109号公报

一般说来想扩大用这种的位移传感器可能检测的位移量范围(检测范围)的要求。

而且，磁部件的组装位置，有时仅仅偏离正确的位置。对该偏离而言，由磁部件的中心轴从正确的轴位置对径向移位，和磁部件的中心轴对正确的轴向倾斜的2个分量构成，通常该移位和倾斜复合存在。而且，该位移位和倾斜成为对磁感应器件的输出信号产生误差的原因。由这种位置偏移引起的误差，在位移传感器的工厂出产时或使用中等检出，而且据此进行位移传感器的校准是所希望的。但是，就上述的现有技术来说，不可能检测磁部件的移位和倾斜复合时的磁感应器件输出信号误差。

发明内容

所以，本发明的一个目的在于，扩大位移传感器的检测范围。

本发明的另一个目的在于，能检测磁部件的移位和倾斜复合存在时起因于其移位和倾斜的磁感应器件输出信号误差。

根据本发明的一种位移传感器，包括：多个磁感应器件；磁部件，可沿着规定的基准轴相对于上述磁感应器件移动，用于在上述多个磁感应器件的位置，形成具有随着移位方向上的位移量而改变强度的磁场；在假设由沿着上述基准轴的直线距离座标、以上述基准轴为中心的旋转角度座标和距上述基准轴的半径距离座标而构成的圆柱座标系的情况下，上述多个磁感应器件，配置在上述直线距离座标不同的位置，输出具有和各自配置地点的上述磁场强度相对应电平的信号，上述多个磁感应器件配置在上述旋转角度座标不同的位置，平均电路，用于接收上述多个磁感应器件的输出信号，并输出平均信号，该平均信号的电平为接收到的上述输出信号电平的平均值；A/D变换器，用于将从平均电路所接收的平均信号转换为表示数字的平均电压的平均电压数据；电压-位移表，用于存储和平均电压数据所表示的各平均电压值相对应的位移量；位移量运算部，用于参照上述电压-位移表将所得到的平均电压数据转换为对应于上述位移量的位移数据；校正部，用于当上述磁部件位于规定的中位时，接收上述多个磁感应器件的输出信号，根据上述多个磁感应器件的输出信号电平和在上述中位的上述输出信号的规定正常电平，求出上述磁部件偏离上述基准轴的第1电压误差信号和上述磁部件倾斜于上述基准轴的第2电压误差信号，基于上述第1和第2电压误差信号双方，校正上述上述电压-位移表。

倘若采用上述位移传感器，使用配置在直线距离座标上不同的位置的多个磁感应器件。因此，检测的位移量范围(检测范围)就比现有装置扩张得更大。

在上述位移传感器方面，能进而设置平均电路，接收上述多个磁感应器件的输出信号，输出平均信号具有这些输出信号电平的平均电平。用从该平均电路来的平均信号，可在上述扩大了的检测范围内，测定位移量。

在上述位移传感器方面，作为上述磁部件，能采用在非磁性材料制的支持器内收容固定磁铁的方式。倘若采用该构成，就能保护容易损坏的磁铁。

在上述位移传感器方面，上述多个磁感应器件不仅在上述直线距离座标上不同，而且在上述旋转角度座标方面也可以配置在不同的位置。按照该结构，即便磁部件的移位和倾斜复合的情况下，根据多个磁感应器件来的信号，也能检测起因于移位倾斜的磁感应器件输出信号的误差。可利用检出的误差，以便校正为了从磁感应器件的输出信号决定位移量的运算处理方法(或者，求出位移量)。

在上述位移传感器方面，可以把上述多数磁感应器件之中的2个磁感应器件配置在上述旋转角度座标的相差180度的角度位置。或者也可以在上述旋转角度座标上，把3以上磁感应器件配置在仅以上述磁感应器件的个数等分360度角度的不同位置。或者，也可以把3以上磁感应器件，在上述旋转角度座标的相差180度的位置，按照在上述直线距离座标的排列顺序互相不同配置。此外，也存在多个磁感应器件配置的变化。

把3以上磁感应器件配置在上述直线距离座标上不同的位置的情况下，能更进一步扩大检测范围。

附图说明

图1表示按照本发明的位移传感器的一实施例全体结构的机械部分剖面图和电气部分框图。

图2表示多个霍尔IC的旋转角度座标的数组配置例图。

图3表示平均电路40和信息处理电路42的结构图。

图4是借助用平均信号54扩大检测范围的说明图。

图5表示对磁杆32的基准线22的移位和倾斜的例子说明图。

图6表示由图5示出的移位和倾斜引出的2个霍尔IC输出信号的变化说明图。

具体实施方式

图1是表示按照本发明的位移传感器的一实施例全体结构的机械部分剖面图和电气部分框图。图中，以斜线画阴影线表示了的构件是磁性材料制的构件。以空白表示的构件，除磁铁28外，是非磁性材料(例如，非磁性不锈钢、塑料、橡胶等)制成的构件。

如图1所示，位移传感器10的机械部分，具备传感器本体12和可动插头14。传感器本体12具有在前后端开口带有筒状的本体壳16，本体盖18盖到该本体壳16的后端部，本体壳16和本体盖18都是磁性材料制成的，构成传感器本体12的外壳，传感器本体12的内部带有屏蔽外部磁场的功能。

在本体壳16内，从其前端的开口一侧插入耐压套筒20加以固定。耐压套筒20，其前端有开口，其内侧有用耐压套筒20壁而包围的细长圆柱状的内部空间30。该位移传感器10的代表性用途，例如是象对油压阀行程量的检测那样的油压机械位移量检测，在该用途方面，耐压套筒20的内部空间30以高压的工作油充满，给耐压套筒20壁加上高压的油压。耐压套筒20是坚固的非磁性材料(例如，非磁性不锈钢)制成的，具有抗内部空间30高油压的足够强度。

在耐压套筒20的内部空间30，从其前端开口插入可动插头14。可动插头14理想的是要对耐压套筒20定位，使得可动插头14的中心轴和内部空间30的中心轴(以下，称作基准轴)22完全地重合。但是，现实地说，有时可动插头14的中心轴从基准轴22只稍许距离径向移位，或有时只稍微倾斜角度，该移位和倾斜就成为位移传感器10误差的原因。可动插头14是沿着基准轴22在一定距离范围内可移动的。插入可动插头14的耐压套筒20内部分的外径，比耐压套筒20的内径稍小，在可动插头14的外面与耐压套筒20的内面之间确保微小的间隙，而且，可动插头14能顺畅地移位。

可动插头14，作为其本体有非磁性材料制成的圆柱形连杆24。连杆24的前端部分24a，与位移量测定的对象物，例如，油压阀的阀塞等结合。插入连杆24后半部的耐压套筒20内的部分，构成后端有开口的圆筒形的支持器24b，该支持器24b内插入磁铁28。安装在支持器24b后端开口的定心止动器31，支持器24b的后端和磁铁28的后端之间的间隙铆接，而且在支持器24B内不动方式固定磁铁28。还有，定心止动器31通过遍及一周一定固定支持器24b的后端和磁铁28的后端之间的间隙，也起到使磁铁28的中心轴和连杆24的中心轴重合定心作用。在以下的说明中，将可动插头14的后半部分32(即，由支持器24b、磁铁28和定心止动器构成的部分)称为「磁杆」。在磁杆32的外侧周围，形成由磁铁28产生的磁场33。

在这里，设定由沿着基准轴22方向的直线距离座标，以基准轴22为中心的旋转角度座标，和距基准轴22的半径距离座标构成的圆柱座标系。在该圆柱座标系的直线距离座标的上述磁场33的强度分布为直线的分布是理想的。为此目的，磁铁28的形状，例如从中央到两端成为锥形的纺锤形状。

多个(例如2个)的磁感应器件，例如霍尔IC34A、34B固定在传感器本体12内的上述耐压套筒20的外侧面。2个霍尔IC34A、34B的配置地点，对上述圆柱座标系的上述直线距离座标和旋转角度座标两者不同，而且在半径距离座标是同一的2个位置。图1表示可动插头14位于那个移位范围中央的中立状态。在该中立状态，2个霍尔IC34A、34B的上述直线距离座标上的位置36A、36B，距磁场33分布中心位置36向相反方向只离开一定的等距离。2个霍尔IC34A、34B，输出电压信号50A、50B具有按照以各自配置地点的磁场33的基准轴22为中心的半径方向磁场成分强度的电平。

霍尔IC34A、34B所输出的电压信号50A、50B，通过信号电缆37，然后输入设于传感器本体12外部的信息处理电路42。而且，电压信号50A、50B也输入平均电路40。平均电路40输出平均信号54，该平均信号54具有所输入的2个电压信号50A、50B电平的平均电平。该平均信号54也输入信息处理电路42。信息处理电路42，根据平均信号54，以后述的方法计算可动插头14的(即对象物的)位移量。而且，信息处理电路42，根据从霍尔IC34A、34B来的电压信号50A、50B(尤其，上述中立状态时得到的电压电平)，以后述的方法，进行计算位移量的处理的校准。还有，将平均电路40，如图1所示，配置在传感器本体12的外部也行，然而配置在传感器本体12的内部也可以。

图2A和图2B表示图1示出的2个霍尔IC34A、34B的上述旋转角度座标的配置例。

在图2A的例子中，将2个霍尔IC34A、34B配置，在按霍尔IC的个数2等分360度的位置，即，在上述旋转角度座标上相差180度的位置，换句话说，配置在以基准轴22为中心的相反端一侧的位置。或者，如图2B所示，配置在相差180度以外的角度(例如，图2B的情况是90度)的位置也行。

在图1中示出的位移传感器10的例子中设置着2个霍尔器件，然而也能改变上述直线距离座标上和旋转角度座标上的位置配置更多个数(例如，3个、4个或更多)的霍尔器件。

从图2C到图2E，表示数量多于2个，例如设置了3个霍尔IC34A、34B、34C情况的上述旋转角度座标的配置例子。

在图2C的例子中，将3个霍尔IC34A、34B、34C，被配置在按霍尔IC的个数3等分了360度的位置，即，配置在上述旋转角度座标上相差120度的位置。在如图2D和E的例子中，将3个霍尔IC34A、34B、34C，配置在上述旋转角度座标上相差180度的位置，使其按照上述直线距离座标的配置顺序变成互相不同。

如从图2C到图2E所示，即使配置了3以上霍尔IC的情况下，也取得平均了这些全部霍尔IC输出信号电平的平均信号，可用该平均信号计算位移量。或者，对3以上霍尔IC当中的2个霍尔IC的每一对也能取平均信号，用这些平均信号计算位移量。除图2A到图2E的配置例以外也能采用各式各样的配置。

图3表示平均电路40和信息处理电路42的结构。

如图3所示，平均电路40有，由用于输入霍尔IC34A、34B所输出的电压信号50A、50B的2个输入端子、用于输出平均信号54的一个输出端子、和上述2个的输入端子和上述一个输出端子之间各自连接的2个电阻R1、R2构成的简单结构。所以，平均电路40，例如，可以是将电阻R1、R2插入霍尔IC34A、34B的输出线简单地作成。平均电路40的输出端子，联结到信息处理电路42内的A/D变换器44的模拟输入端子。A/D变换器44的模拟输入端子，经过电阻R3接地。

在这里，定量地解说从平均电路40输出平均信号54的电平如下。首先，如图3所示，霍尔IC34A、34B是和按照磁场强度发生电压的电池等效，设其输出电压分别为E1、E2，为了让说明简单，设定电阻R1和电阻R2为等值。

E1＝R1·i1+R3(i1+i2) (1)

E2＝R1·i2+R3(i1+i2) (2)

平均信号54的电平＝R3(i1+i2) (3)

因此，有

平均信号54的电平＝(E1+E2)/2-R1(i1+I2)/2 (4)

式(4)的右边第1项是霍尔IC34A、34B输出电平的平均值，第2项是误差。

在这里，根据需要的精度，把电阻R1、R2设定为比电阻R3充分小的值的话，误差缩小到能忽略的程度，得到需要的精度。例如，对电阻R1，R2可采用100Ω量级的值，电阻R3采用100kΩ量级的值。作为具体例，假设作为R1＝R2＝100Ω、R3＝220kΩ、E1＝E2＝4V(因此，霍尔IC输出电平通常约为1-4V)情况的话，上述误差就是0.9mV，与平均值4V相比是微小的值。这样，借助于图3示出的非常简单结构的平均电路40，就能精度优良地使霍尔IC34A、34B的输出信号平均化。

如图3所示，信息处理电路42有，A/D变换器44、位移量运算部46、电压-位移量表47、机械控制部48和校正部49。A/D变换器44把表示模拟的平均电压的平均信号54转换表示数字的平均电压的平均电压数据57。在电压-位移量表47里，存储和平均电压数据57取得的各种平均电压值各自相对应的位移量。位移量运算部46，参照电压-位移量表47，然后把平均电压数据57转换为表示与其相对应位移量的位移量数据58。机械控制部48，根据位移量数据58，控制图未示出的机械(例如油压机械等)。

校正部49示出从霍尔IC34A、34B输出的电压信号50A、50B，尤其是，输入位移传感器10处于上述的中立状态时的电压信号50A、50B。然后，校正部49，根据输入的中立状态时的电压信号50A、50B，计算起因于距磁杆32基准轴22的移位和倾斜的电压信号50A、50B误差。然后，校正部49根据算出的误差，校正电压-位移表47，使得与各平均电压相对应的位移量变得正确起来。还有，关于上述误差的计算方法，以后参照图6再说明。

以下，说明有关上述结构之下的作用效果。

图4是通过用平均信号54，说明可检测的位移量范围(检测范围)扩大的图。在图4中，位移量零点表示中立状态。

图4A表示有一个霍尔IC位移传感器的输出信号50和其最大检测范围(以下，称作基本检测范围)52。输出信号50的倾斜实质上是非零范围的基本检测范围52。就专利文献1上记载的位移传感器来说，用2个霍尔IC因为直线距离座标上的位置是同一点，其检测范围就与图4A示出的单个霍尔IC的基本检测范围52相同。

如图1所示，图4B表示按照本发明位移传感器10具备了在直线距离座标和旋转角度座标上不同的位置配置的2个霍尔IC34A、34B的平均信号54和检测范围56。

如图4B所示，2个霍尔IC34A、34B的输出信号50A、50B曲线，从位移量零点互相向相反侧只偏离一定位移量部分。为此，根据平均信号54的检测范围56，只有该一定位移量部分，从图4A的基本检测范围52向两侧扩大。还有，如图2C到图2E举例说明的那样，就3以上霍尔IC配置在直线距离座标上不同的位置的结构来说，能进一步扩大检测范围。

图5表示磁杆32对基准线22的移位和倾斜的例子。即，在图5A中，磁杆32距基准线22只有距离a，表示移位后靠近第2霍尔IC34B的例子。在图5B中，磁杆32距基准线22只有角度b，表示其N极移位后靠近第2霍尔IC34B的例子。

而且，在图6A中，示出起因图5A所示的移位，在中立状态附近的2个霍尔IC34A、34B的输出信号50A、50B变化。在图6B中，表示起因于图5B的倾斜，在中立状态附近的2个霍尔IC34A、34B的输出信号50A、50B变化。

如果产生如图5A所示那样移位，磁杆32作为全体从远离第1霍尔IC34A到接近第2霍尔IC34B。因此，如图6A所示，第1霍尔IC34A的输出信号，在中立状态(位移量零点)的附近，比正常时的输出信号50A减少倾斜就变成输出信号50Aa。其结果，受到移位影响的输出信号50Aa的电压电平，在中立状态，比正常时的那个VA只提高误差部分ΔVa。另一方面，第2霍尔IC34B的输出信号，在中立状态附近，比正常时的输出信号50B增大倾斜就变成输出信号50Ba。其结果，受到移位影响的输出信号50Ba的电压电平，在中立状态，比正常时的那个VB只提高误差部分ΔVa。

而且，如果产生如图5B所示那样倾斜，磁杆32的S极接近第1霍尔IC34A，N极接近第2霍尔IC34B。因此，如图6B所示，第1霍尔IC34A的输出信号，在中立状态附近，比正常时的输出信号50A将增大倾斜就变成输出信号50Ab。其结果，受到移位影响的输出信号50Ab的电压电平，在中立状态，比正常时的那个VA只降低误差部分ΔVb。另一方面，第2霍尔IC34B的输出信号，在中立状态附近，比正常时的输出信号50B将增大倾斜就变成输出信号50Bb。其结果，受到倾斜影响的输出信号50Bb的电压电平，在中立状态，比正常时的那个VB只提高误差部分ΔVb。

所以，如图5A、B所示的移位和倾斜复合的情况下，中立状态时第1霍尔IC34A输出信号的电平是「VA+ΔVa-ΔVb」，第2霍尔器件34B输出信号的电平是「VB+ΔVa+ΔVb」。

着眼于此，图3示出的校正部49，通过将中立状态时2个霍尔IC34A、34B的输出信号电压电平「VA+ΔVa-ΔVb和「VB+ΔVa+ΔVb」相加，求出「(VA+VB)+2ΔVa」之后，还有减去预先设定的正常时中立状态下的电压电平相加值「VA+VB」，求出因移位而造成的电压误差ΔVa。而且，校正部49，通过将中立状态时2个霍尔IC34A、34B的输出信号电压电平「VA+ΔVa-ΔVb」和「VB+ΔVa+ΔVb」相减，求出差分「(VA-VB)-2ΔVb」之后，还有减去预先设定的正常时中立状态下的电压电平差分「VA-VB」，求出因倾斜而造成的电压误差ΔVb。然后，校正部49，用定义预先实验的或理论上算出的各种电压误差ΔVa，ΔVb与电压-位移表47的校正量之关系的数据或程序，根据上述求出的电压误差Δva、ΔVb校正电压-位移表47。根据该校正，抑制由移位和倾斜影响的误差，完成高精度的位移量测量。

以上，说明了本发明的实施例，然而该实施例只不过是为了说明本发明的举例，本发明的范围并不只限定于本实施例的宗旨。没有脱离本发明其要旨，即便其他的各式各样方案也能实施。

例如，作为磁杆的结构，也可以使用在棒状磁铁部件的两端从外侧嵌如环状的永久磁铁来替换用上述这种棒状永久磁铁的结构，也可以使用为了得到线性的磁场强度分布而设计磁心部件形状的结构。

而且，如图2C到图2E举例所示，在将3个以上的磁感应器件34A、34B、34C配置在直线距离座标上不同位置的结构方面，要对这些3个以上磁感应器件34A、34B、34C进行分类，使其在直线距离座标上彼此相邻的磁感应器件对，例如第1和第2磁感应器件34A、34B的第1对，第2和第3的磁感应器件34B、34C的第2对，要对各个对根据如图3中所示那样的平均信号进行位移量测量也可以。然后，例如，所谓根据从第1对来的平均信号，测定第1对包括检测区间的位移量，根据第2对来的平均信号，测定第2对包括检测区间的位移量，就能用从各个对来的信号，确定各个对包括检测区间的位移量。因此，能够在涉及多个对的检测范围的长距离进行位移量的测量。

而且，在上述的实施例中，采用将磁感应器件固定起来，使磁杆与对象连锁移位这样的结构。取而代之，采用将磁杆固定起来，使磁感应器件与对象连锁移位这样的结构也可以。

Claims

1.一种位移传感器，包括：

多个磁感应器件；

磁部件(14)，可沿着规定的基准轴(22)相对于上述磁感应器件移动，用于在上述多个磁感应器件的位置，形成具有随着移位方向上的位移量而改变强度的磁场；

在假设由沿着上述基准轴(22)的直线距离座标、以上述基准轴(22)为中心的旋转角度座标和距上述基准轴(22)的半径距离座标而构成的圆柱座标系的情况下，

上述多个磁感应器件，配置在上述直线距离座标不同的位置，输出具有和各自配置地点的上述磁场强度相对应电平的信号，

上述多个磁感应器件配置在上述旋转角度座标不同的位置，

平均电路(40)，用于接收上述多个磁感应器件的输出信号，并输出平均信号(54)，该平均信号的电平为接收到的上述输出信号电平的平均值；

A/D变换器(44)，用于将从平均电路(40)所接收的平均信号(54)转换为表示数字的平均电压的平均电压数据(57)；

电压-位移表(47)，用于存储和平均电压数据(57)所表示的各平均电压值相对应的位移量；

位移量运算部(46)，用于参照上述电压-位移表(47)将所得到的平均电压数据(57)转换为对应于上述位移量的位移数据；

校正部(49)，用于当上述磁部件(14)位于规定的中位时，接收上述多个磁感应器件的输出信号，根据上述多个磁感应器件的输出信号电平和在上述中位的上述输出信号的规定正常电平，求出上述磁部件偏离上述基准轴的第1电压误差信号和上述磁部件倾斜于上述基准轴的第2电压误差信号，基于上述第1和第2电压误差信号双方，校正上述电压-位移表(47)。

2.按照权利要求1所述的位移传感器，其特征是上述磁部件(14)具有非磁性材料制成的支持器(26)和上述支持器(26)内固定的磁铁(28)。

3.按照权利要求1所述的位移传感器，其特征是上述多个磁感应器件之中的2个磁感应器件(34A、34B)配置在上述旋转角度座标的相差180度的角度位置。

4.按照权利要求1所述的位移传感器，其特征是上述多个磁感应器件(34A、34B、34C)，配置在上述旋转角度座标上只相差以上述磁感应器件个数等分了360度的角度的位置。

5.按照权利要求1所述的位移传感器，其特征是具有至少3个上述磁感应器件(34A、34B、34C)，上述至少3个磁感应器件(34A、34B、34C)，在上述旋转角度座标上的相差180度的位置，按照在上述直线距离座标上的排列顺序互相不同地进行配置。