DE10228283A1

DE10228283A1 - Magnetfluss-Detektiervorrichtung

Info

Publication number: DE10228283A1
Application number: DE10228283A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Nekado; Masaaki Kusumi; Ken Onoe
Original assignee: Sony Precision Technology Inc
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: US20030006765A1; DE10228283B4; US6788053B2; JP2003004829A; JP4582564B2

Abstract

Eine Sensorspule (14) ist auf einem Kern (13) vorgesehen, der einen magnetischen Kreis für den Antrieb eines Linearmotors (1) bildet, und der Kern (13) wird durch Stromabgabe an die Sensorspule (14) mit einer hohen Frequenz erregt. Die Hochfrequenzerregung wird in einer solchen Weise ausgeführt, dass die Sensorspule (14) magnetisch nicht gesättigt ist, und ein Wirbelstrom wird in dem Kern (13) erzeugt. Die Impedanz der Sensorspule (14) wird in diesem Zustand ermittelt, und die Größe eines magnetischen Flusses, der in dem den magnetischen Kreis bildenden Kern (13) erzeugt ist, wird auf der Grundlage der Impedanz ermittelt. Damit ist der Einfluss auf den magnetischen Kreis selbst verringert und eine höhere Genauigkeit, Miniaturisierung und geringerer Leistungsverbrauch sind realisiert.

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfluss-Messvorrichtung bzw. -Detektiervorrichtung zum Messen der Größe eines durch einen magnetischen Kreis hindurchtretenden magnetischen Flusses.

Beschreibung der verwandten Technik

Als Techniken bzw. Verfahren zum Messen der Größe eines in einem magnetischen Kreis erzeugten magnetischen Flusses sind in konventioneller Weise ein "Sondenspulensystem", ein "übersättigtes Sensorsystem" und ein "magnetisch empfindliches Elementsystem" bzw. ein "System mit einem magnetisch empfindlichen Element" verwendet worden.

Beim "Sondenspulensystem" ist eine Spule auf ein Glied gewickelt, welches einen magnetischen Kreis als Messobjekt darstellt, und eine durch die Änderung in der Größe des durch dieses Glied hindurchtretenden magnetischem Flusses erzeugte induzierte elektromotorische Kraft wird von der Spule ermittelt. Beim "Sondenspulensystem" wird die Größe des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis durch Integrieren der in der Spule erzeugten induzierten elektromotorischen Kraft gemessen.

Beim "übersättigten Sensorsystem" ist eine Spule auf ein sättigbares magnetisches Material gewickelt, welches einen magnetischen Kreis als Messobjekt darstellt. Die Spule wird durch eine Steuer- bzw. Treiberschaltung unter Strom gesetzt, um das magnetische Material in einem magnetisch gesättigten Zustand zu erregen. Wenn das magnetische Material in einem magnetisch gesättigten Zustand erregt ist, wird die Impedanz der Spule verringert. Falls der durch den magnetischen Kreis hindurchtretende ursprünglich magnetische Fluss versetzt und hinzugefügt wird, dann ändert sich überdies die Zeit der magnetischen Sättigung des magnetischen Materials. Je länger die Zeit der magnetischen Sättigung ist, umso niedriger wird die Impedanz der Spule. Dies heißt, dass die Impedanz der Spule sich entsprechend der Größe des ursprünglichen durch den magnetischen Kreis hindurchtretenden Magnetflusses geändert hat. In dem "übersättigten Sensorsystem" wird die Größe des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis durch Ermitteln der Impedanz der Spule gemessen.

In dem "System mit einem magnetisch empfindlichen Element" ist ein Spalt in einem magnetischen Kreis als Messobjekt gebildet, und ein Sensor, der gegenüber Magnetismus empfindlich ist, wie ein Hall-Element oder ein MR-Element, wird in den Spalt eingeführt, oder es wird ein Sensor, der für Magnetismus empfindlich ist, nahe des magnetischen Kreises als Messobjekt angeordnet. Das Ausgangssignal des in den Spalt oder dergleichen eingeführten oder angeordneten Sensors ändert sich entsprechend dem in den Spalt oder dergleichen erzeugten magnetischen Fluss. Bei dem "System mit einem magnetisch empfindlichen Element" wird die Größe des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis durch Ermitteln des Sensor-Ausgangssignals gemessen.

Die oben beschriebenen Systeme weisen die folgenden Probleme auf.

Da das "Sondenspulensystem" eine elektromagnetische Induktion aufgrund des durch den magnetischen Kreis hindurchtretenden magnetischen Flusses nutzt, kann ein Ausgangssignal dann erhalten werden, wenn sich der magnetische Fluss zeitlich ändert, während ein Ausgangssignal dann nicht erhalten werden kann, wenn sich der magnetische Fluss zeitlich nicht ändert. Dies heißt, dass die Größe des unveränderten magnetischen Flusses nicht gemessen werden kann. Sogar dann, wenn sich der magnetische Fluss zeitlich ändert, ist es überdies schwierig, eine ausreichende Empfindlichkeit bereitzustellen, wenn die Größe der zeitlichen Änderung gering ist. Durch Erhöhen der Anzahl von Windungen der gewickelten Spule kann eine ausreichende Empfindlichkeit sogar dann bereitgestellt werden, wenn die Größe der zeitlichen Änderung gering ist. In einem solchen Fall muss jedoch die Spule in der Größe vergrößert werden.

Bei dem "übersättigten Sensorsystem" muss das sättigbare magnetische Material als das den magnetischen Kreis darstellende Glied magnetisch gesättigt werden. Falls das magnetische Material beispielsweise eine Eigenschaft einer mäßigen magnetischen Sättigung aufweist, das heißt dann, wenn das magnetische Material die Anwendung eines großen bzw. starken Magnetfeldes erfordert, um magnetisch gesättigt zu werden (beispielsweise eine elektromagnetische Kupferplatte, Silizium-Kupferplatte oder reines Eisen), dann muss daher ein durch die Spule fließender Strom erhöht werden oder es muss die Anzahl der Windungen der Spule vergrößert werden. Dies führt zu einer Zunahme in der Größe der Vorrichtung, zu einer Verschlechterung in der Haltbarkeit der elektrischen Schaltung und zu einer Zunahme im Leistungsverbrauch. Sogar dann, wenn ein hochpermeables magnetisches Material, welches durch ein kleines magnetisches Feld magnetisch gesättigt wird, als sättigbares magnetisches Material verwendet wird, treten überdies ähnliche bzw. entsprechende Probleme auf, wenn das magnetische Material selbst groß ist.

Ferner werden beim "übersättigten Sensorsystem" in dem magnetischen Kreis eine große Anzahl von magnetischen Flüssen erzeugt, die eine Störung hervorrufen und die anders als der bzw. verschieden von dem original erzeugten magnetischen Fluss in dem magnetischen Kreis sind. Diese magnetischen Flüsse könnten den richtigen Betrieb des magnetischen Kreises selbst nachteilig beeinflussen.

Da bei dem "System mit einem magnetisch empfindlichen Element" der Sensor in den Spalt in dem magnetischen Kreis als Messobjekt eingefügt oder nahe des magnetischen Kreises angeordnet ist, wird praktisch ein Leckfluss des magnetischen Kreises ermittelt. Da die BH-Kennlinie des magnetischen Materials nichtlinear ist, ist der in dem magnetischen Kreis erzeugte tatsächlich magnetische Fluss jedoch nicht mit dem Leckfluss koinzident, was einen Messfehler hervorruft.

Zusammenfassung der Erfindung

Im Hinblick auf den vorstehenden Stand der Technik ist es 7, eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magnetfluss- Messvorrichtung zum Messen der Größe eines durch einen magnetischen Kreis hindurchtretenden magnetischen Flusses bereitzustellen, bei der der Einfluss auf den magnetischen Kreis selbst verringert ist sowie eine höhere Genauigkeit, Miniaturisierung und ein geringerer Leistungsverbrauch realisiert sind.

Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, schlägt der vorliegende Erfinder die folgende Erfindung vor.

Zuerst wird ein leitender Kern auf einem Glied bzw. Element bereitgestellt, welches einen magnetischen Kreis als Messobjekt bildet. Durch eine solche Bereitstellung des Kernes an dem Element bzw. Glied, das den magnetischen Kreis bildet, wird ein in dem magnetischen Kreis erzeugter magnetischer Fluss direkt durch den Kern geleitet. Jegliches Verfahren zur Bereitstellung des Kernes an dem Element bzw. Glied kann angewandt werden, solange wie der magnetische Fluss, der durch den magnetischen Kreis hindurchtritt, direkt durch den Kern gelangt. So kann das Element bzw. Glied beispielsweise ausgeschnitten sein, um einen Kern zu bilden, so dass ein Teil des Elements bzw. Glieds als Kern verwendet wird. Alternativ kann ein Kern, der von dem Element bzw. Glied getrennt ist, in das Element bzw. Glied eingeführt sein.

Sodann wird eine Spule um den Kern gewickelt, und die Spule wird bei einer hohen Frequenz unter Strom gesetzt, um den Kern zu erregen. Die Impedanz der Spule wird an dieser Stelle bzw. diesem Punkt ermittelt.

Die Erregung des Kerns wird unter Berücksichtigung der Anzahl der Windungen der gewickelten Spule, der Größe und des Materials der Spule und der elektrischen Eigenschaften, wie der Frequenz, des Stromes und der Spannung der Erregungssteuereinrichtung ausgeführt, und zwar in einer solchen Art und Weise, dass der Kern magnetisch nicht gesättigt wird. Wenn der Kern bei einer hohen Frequenz erregt wird, schließt die Impedanz der Spule die Änderung im Wirbelstrom aufgrund der Leitfähigkeit des Kernes selbst ein, und zwar zusätzlich zu einer Impedanzänderung, die durch Selbstinduktion begleitet wird. Die Werte dieser beiden Komponenten ändern sich mit der Permeabilität µ des Kernmaterials. Besonders dann, wenn der Kern in einer solchen Art und Weise erregt wird, dass er nicht magnetisch gesättigt ist, hängt die Impedanz der Spule stark von der Änderung des Wirbelstroms ab. Der Wert der Permeabilität µ des Kernmaterials ändert sich mit der Größe des in den Kern fließenden magnetischen Flusses. Dies heißt, dass die Impedanz der Spule sich mit der Größe des magnetischen Flusses ändert, der in den Kern fließt, ohne das Kernmaterial magnetisch zu sättigen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Impedanz der Spule in dem oben beschriebenen Zustand ermittelt, und die Größe des in dem Element bzw. Glied, welches den magnetischen Kreis darstellt, erzeugten magnetischen Flusses wird auf der Grundlage der Impedanz ermittelt.

Die oben beschriebene vorliegende Erfindung kann wie folgt realisiert werden.

Genauer gesagt ist eine Magnetfluss-Erfassungsvorrichtung bzw. -Detektiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung imstande, die Größe eines magnetischen Flusses in einem magnetischen Weg bildenden Teil zu messen, welches in einem magnetischen Kreis vorgesehen ist; die Vorrichtung umfasst: eine magnetisch empfindliche Einrichtung, die aus einem leitenden magnetischen Material hergestellt ist und die durch einen Sensorkern gebildet ist, der an dem den magnetischen Weg bildenden Teil vorgesehen ist, und eine Sensorspule, die um den Sensorkern gewickelt ist; eine Hochfrequenz-Stromabgabeeinrichtung, die die Sensorspule bei einer hohen Frequenz unter Strom setzt; und eine Magnetflussgröße-Detektiereinrichtung zur Ermittlung der Impedanz der Sensorspule und zur Ermittlung der Größe eines magnetischen Flusses in dem den magnetischen Weg bildenden Teil auf der Grundlage der Impedanz, wobei der Sensorkern nicht magnetisch gesättigt ist, wenn die Sensorspule bei einer hohen Frequenz durch die Hochfrequenz- Stromabgabeeinrichtung unter Strom gesetzt wird.

In der Magnetfluss-Detektiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein aus einem leitenden magnetischen Material hergestellter Kern an einem einen magnetischen Weg bildenden Teil vorgesehen, der bzw. das einen magnetischen Kreis bildet. Eine Sensorspule ist auf den Kern gewickelt, und die Sensorspule wird bei einer hohen Frequenz in einer solchen Art und Weise unter Strom gesetzt, dass der Kern magnetisch nicht gesättigt ist. Die Impedanz der Spule wird ermittelt, und die Größe eines magnetischen Flusses in dem den magnetischen Weg bildenden Teil wird auf der Grundlage der Impedanz ermittelt.

Damit kann die Magnetfluss-Detektiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung den Einfluss auf den magnetischen Kreis selbst verringern, und sie kann eine höhere Genauigkeit, Miniaturisierung und einen geringeren Leistungsverbrauch realisieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Bewegspulen- Gleichstrom-Linearmotors, bei dem die vorliegende Erfindung angewandt ist.

Fig. 2 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zur Bildung einer Sensorspule.

Fig. 3 veranschaulicht ein weiteres beispielhaftes Verfahren zur Bildung der Sensorspule.

Fig. 4 veranschaulicht einen beispielhaften Aufbau einer Sensoransteuerungs-Detektierschaltung.

Fig. 5 veranschaulicht einen beispielhaften Aufbau einer Schwingschaltung der Sensoransteuerungs-Detektierschaltung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Ein Bewegtspulen-Gleichstrom-Linearmotor, bei dem die vorliegende Erfindung angewandt ist, wird nunmehr als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Ein Bewegtspulen-Gleichstrom-Linearmotor weist einen Feldmagneten auf, der als ein festes Glied arbeitet, während eine Spule als ein sich bewegendes Glied arbeitet. Der betreffende Gleichstrommotor steuert den Betrieb der Bewegtspule mit einem die betreffende Spule durchfließenden Gleichstrom.

Fig. 1 zeigt die Struktur bzw. den Aufbau des Bewegtspulen- Gleichstrom-Linearmotors.

Der Bewegtspulen-Gleichstrom-Linearmotor 1 der vorliegenden Ausführungsform weist einen Feldmagneten 2, einen Schieber bzw. ein Gleitstück 3 und eine Antriebssteuereinheit 4 auf, wie dies in Fig. 1 veranschaulicht ist.

Der Feldmagnet 2 besteht aus einem magnetischen Material, beispielsweise in Form einer langen flachen Platte. Der Feldmagnet 2 ist in Richtung der Dicke so magnetisiert, dass ein Nordpol und ein Südpol abwechselnd in bzw. mit einer bestimmten Teilung in der Längsrichtung auf seiner Hauptfläche 2a auftreten.

Das Gleitstück 3 ist an einer der Hauptfläche 2a des Feldmagneten 2 zugewandten Position bzw. Stelle vorgesehen. Das Gleitstück 3 ist in der Längsrichtung des Feldmagneten 2 von einer Führungsschiene oder dergleichen geführt, die nicht dargestellt ist, verschiebbar. Genauer gesagt ist das Gleitstück 3 in den Richtungen X1, X2 in Fig. 1 verschiebbar. Nachstehend können die Richtungen X1, X2 auch als Bewegungsrichtungen bezeichnet werden. Das Gleitstück 3 weist zwei Bewegungsspulen 11, 12, einen Kern 13 und eine Sensorspule 14 auf.

Die Bewegtspulen 11, 12 sind beispielsweise rechteckförmig gewickelte Spulen. In den Bewegtspulen 11, 12 verläuft die Mittelachse in der Richtung rechtwinklig zur Hauptfläche 2a des Feldmagneten 2, und eine bestimmte Seite des Rechtecks sowie eine Seite, die einer Seite zugewandt ist (magnetisch empfindliche Seiten), sind rechtwinklig zu den Bewegungsrichtungen X1, X2 vorgesehen. Die Bewegtspulen 11, 12 sind nahe genug bei der Hauptfläche 2a des Feldmagneten 2 vorgesehen. Die Bewegtspulen 11, 12 sind so vorgesehen, dass eine Teilung zwischen den beiden Seiten (magnetisch empfindliche Seiten), die in die Bewegungsrichtungen X1, X2 weisen, und der Abstand zwischen den beiden Bewegtspulen in bezug auf die Bewegungsrichtungen X1, X2 eine Phasendifferenz von 90° zu dem NS- Magnetisierungszyklus des Feldmagneten 2 aufweisen. Deshalb wird in dem Gleitstück 3 durch das von dem Feldmagneten 2 erzeugte Magnetfeld und den durch die magnetisch empfindlichen Seiten der Bewegspulen 11, 12 fließenden Strom gemäß der linken Fleming-Handregel ein Schub in den Bewegungsrichtungen X1, X2 erzeugt.

Der Kern 13 ist im wesentlichen U-förmig ausgebildet. Der Kern 13 ist vertikal auf der Hauptfläche 2a des Feldmagneten 2 vorgesehen, wobei beide Enden des Kernes 13 in die beiden Bewegtspulen 11, 12 eingeführt sind.

Die Sensorspule 14 ist, wie dargestellt, auf den Kern 13 im wesentlichen in dessen Mitte gewickelt, was in einem gleichen Abstand von beiden Enden des Kerns 13 ist. Die Sensorspule 14 kann an irgendeiner Stelle innerhalb eines magnetischen Weges vorgesehen sein, der durch den Kern 13 gebildet ist.

Die Antriebssteuereinheit 4 weist eine Bewegtspulen-Antriebsschaltung bzw. -Steuerschaltung 21, eine Sensoransteuerungs- Detektierschaltung 22 und eine Steuerschaltung 23 auf.

Die Bewegtspulen-Antriebsschaltung 21 liefert einen Antriebs- Gleichstrom zur Erzeugung eines Schubes an die Bewegtspulen 11, 12.

Die Sensoransteuerungs-Detektierschaltung 22 setzt die Sensorspule 14 bei einer hohen Frequenz unter Strom und erregt somit den Kern 13. Zusammen damit ermittelt die Sensoransteuerungs-Detektierschaltung 22 die Impedanz der Sensorspule 14.

Die Steuerschaltung 23 steuert den von der Bewegtspulen-Antriebsschaltung 21 an die Bewegtspulen 11, 12 abgegebenen Antriebsstrom so, dass das Gleitstück 3 zu einer bestimmten Position in einer bestimmten Richtung auf der Grundlage der Steuerinformation bewegt bzw. verschoben wird, wie einer Bewegungspositionsinformation und einer Bewegungsrichtungsinformation, die von außen her eingegeben werden. Die Steuerschaltung 23 ermittelt außerdem die Größe eines in dem Kern 13 erzeugten magnetischen Flusses auf der Grundlage der durch die Sensoransteuerungs-Detektierschaltung 22 ermittelten Impedanz der Sensorspule 14. Sodann steuert die Steuerschaltung 23 den an die Bewegtspulen 11, 12 abgegebenen Strom in Übereinstimmung mit der Größe des magnetischen Flusses und stabilisiert den Schub des Gleitstücks 3.

Da der Schub des Gleitstücks 3 durch die linke Fleming-Handregel gegeben ist, ist er proportional der Größe des von dem Feldmagneten 2 auf die Bewegtspulen 11, 12 ausgeübten magnetischen Flusses und der Größe des an die Bewegtspulen 11, 12 abgegeben Stroms. Da der Kern 13 vorgesehen ist, wird die Größe des auf die Bewegtspulen 11, 12 ausgeübten magnetischen Flusses als der Größe des magnetischen Flusses äquivalent betrachtet, der durch den magnetischen Kreis hindurchtritt bzw. fließt, welcher durch den Feldmagneten 2 und den Kern 13 gebildet ist. Da der Nordpol und der Südpol auf der Hauptfläche 2a abwechselnd magnetisiert sind, variiert der für die Bewegtspulen 11, 12 bereitgestellte magnetische Fluss entsprechend der Bewegungsposition. Dies bedeutet, dass dann, wenn die Größe des durch die Bewegungsspulen 11, 12 fließenden Stromes konstant ist, der Schub sich entsprechend der Bewegungsposition des Gleitstücks 3 ändert. Die Steuerschaltung 23 ermittelt damit die Größe des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis und steuert den an die Bewegtspulen 11, 12 abgegebenen Antriebsstrom in Übereinstimmung mit der ermittelten Größe des magnetischen Flusses, womit der Schub des Gleitstücks stabilisiert wird bzw. ist.

Wie oben beschrieben, kann bei dem Bewegtspulen-Gleichstrom- Linearmotor 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Gleitstück 3 in jede Position in der Längsrichtung des Feldmagneten 2 frei bewegt werden, während der Schub stabilisiert ist.

Nunmehr wird ein Verfahren zur Messung der Größe des durch den magnetischen Kreis hindurchtretenden magnetischen Flusses in weiteren Einzelheiten beschrieben, das bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird.

Bei dem Verfahren zur Messung der Größe des magnetischen Flusses, der durch den magnetischen Kreis hindurchtritt, welches bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird, wird zuerst ein leitender Sensorkern an einem Glied bzw. Element vorgesehen, welches einen magnetischen Kreis bildet, und zwar als magnetisches Flussmessobjekt. Sodann wird eine Sensorspule auf den Sensorkern gewickelt. Der Sensorkern ist an dem Element bzw. Glied so vorgesehen, dass ein durch den magnetischen Kreis hindurchtretender magnetischer Fluss direkt durch den Sensorkern gelangt. Das Material des Sensorkerns kann irgendein magnetisches Material sein, das leitend ist. Der Sensorkern kann beispielsweise aus einem hochpermeablen magnetischen Material hergestellt sein, wie aus reinem Eisen, aus Permalloy oder aus einem amorphen Metall.

Da bei dem Bewegtspulen-Gleichstrom-Linearmotor 1 der vorliegenden Ausführungsform der magnetische Kreis aus dem Feldmagneten 2 und dem Kern 13 besteht, ist der Sensorkern an dem Kern 13 vorgesehen, der ein den magnetischen Kreis bildendes Glied darstellt.

Der Sensorkern kann in irgendeiner Weise vorgesehen sein, vorausgesetzt ein magnetischer Fluss, der durch den magnetischen Kreis hindurchtritt, gelangt direkt durch den Sensorkern. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Sensorspule 14 auf den Kern 13 selbst gewickelt, ein Glied, das den magnetischen Kreis bildet, wie dies in Fig. 1 veranschaulicht ist, womit der Sensorkern bereitgestellt ist.

Alternativ kann ein Teil des Gliedes (beispielsweise der Kern 13), welches den magnetischen Kreis bildet, ausgeschnitten sein, um beispielsweise einen Sensorkern 31 zu bilden, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist. Genauer gesagt ist in dem Kern 13 eine Ausnehmung 32 gebildet, und der Sensorkern 31, der die Ausnehmung 32 in der Weiterleitrichtung des magnetischen Feldes überbrückt, kann mit dem Kern 13 zusammenhängend gebildet sein. Durch eine solche Bereitstellung des Sensorkerns wird die Sensorspule sogar dann miniaturisiert, wenn das den magnetischen Kreis bildenden Glied groß ist.

Als noch weiteres Verfahren zur Bereitstellung des Sensorkerns kann ein Sensorkern 33, der als separater Körper von dem den magnetischen Kreis bildenden Glied (beispielsweise der Kern 13) gebildet ist, in das Glied eingeführt werden, wie dies beispielsweise in Fig. 3 veranschaulicht ist. Genauer gesagt kann der Sensorkern 33 in den Kern 13 eingeführt werden, und zwar durch Bildung einer Ausnehmung 32 in dem Kern 13 und durch Anbringen des Sensorkerns 33 als gesondertes Glied von dem Kern 13 in der Ausnehmung 32 in der Weiterleitrichtung des magnetischen Feldes. Durch eine solche Bereitstellung des Sensorkerns kann die Sensorspule auf den Sensorkörper vorab gewickelt werden, und deren bzw. dessen Handhabung ist erleichtert.

Überdies wird bei dem Verfahren zur Messung der Größe des magnetischen Flusses, der durch den magnetischen Kreis hindurchtritt, das bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird, die Sensorspule bei einer hohen Frequenz unter Strom gesetzt, um den Sensorkern zu erregen und um die Impedanz der bei einer hohen Frequenz unter Strom gesetzten Sensorspule zu ermitteln. Auf der Grundlage der ermittelten Impedanz wird sodann die Größe des in dem magnetischen Kreis erzeugten magnetischen Flusses ermittelt.

Bei dem Bewegtspulen-Gleichstrom-Linearmotor 1 der vorliegenden Ausführungsform werden die Hochfrequenz-Stromabgabe und die Ermittlung der Impedanz durch die Sensoransteuerungs- Detektierschaltung 22 ausgeführt. Die Sensoransteuerungs- Detektierschaltung 22 steuert den Sensorkern 14 unter Verwendung einer Hochfrequenz-Sensoransteuerschaltung 41 an und ermittelt das Ausgangssignal der Sensorspule 14 unter Heranziehung einer Impedanz-Detektierschaltung 42, womit die Impedanz ermittelt wird, wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist. In dem Bewegtspulen-Gleichstrom-Linearmotor 1 der vorliegenden Ausführungsform ermittelt die Steuerschaltung 23 die Größe des magnetischen Flusses auf der Grundlage des Impedanz-Detektierausgangssignals von der Sensoransteuerungs- Detektierschaltung 22.

Der Signalverlauf bzw. die Wellenform eines den Spulensensor ansteuernden Signals kann eine Sinuswelle oder eine Rechteckwelle sein, vorausgesetzt sie steuert mit einer hohen Frequenz an. Eine Rechteckwelle ist jedoch insofern vorteilhafter, als die Schaltung leicht und preiswert bereitgestellt werden kann, als der Sensor durch eine Komponente hoher Frequenz, die in einem Impuls enthalten ist, effizient angesteuert werden kann, und als sowohl eine höhere Frequenz wie auch ein verringerter Leistungsverbrauch durch Einstellen der Wiederholungsfrequenz und des Impulstastverhältnisses realisiert werden können.

Die Schaltung zur Ansteuerung des Sensors kann irgendeine Schaltung sein, wie ein Colpitts-Oszillator, eine Multivibratorschaltung oder eine Schwing- bzw. Oszillatorschaltung unter Verwendung eines Quarzoszillators. So kann beispielsweise ein FET-Transistor 51 verwendet werden, der mit einer Schwingschaltung 50 unter Verwendung eines Multivibrators und der Sensorspule 14 in Reihe geschaltet ist, wie dies in Fig. 5 veranschaulicht ist. Diese Schwingschaltung 50 weist einen npn-Transistor 54 auf, dessen Kollektor über einen Widerstand 52 auf eine Speisespannung Vcc hochgezogen ist und dessen Emitter über einen Kondensator 53 geerdet ist bzw. an Masse liegt, und außerdem weist sie einen Negator bzw. Inverter 55 auf. In dieser Schwingschaltung 50 wird das Emitter- Ausgangssignal des npn-Transistors 54 durch den Inverter bzw. Negator 55 invertiert, und das invertierte Ausgangssignal wird der Basis des npn-Transistors 54 über einen Widerstand zurückgekoppelt. Sodann wird ein Impulssteuersignal von dem Inverter 55 abgegeben. Die Schaltung mit einem derartigen Aufbau kann unter geringen Kosten bereitgestellt werden.

Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Sensorkern erregt, um einen Wirbelstrom in einer solchen Weise zu erzeugen, dass der Sensorkern magnetisch nicht gesättigt ist, und zwar unter Berücksichtigung des Materials des Sensorkerns, der Anzahl der Windungen, der Größe und des Materials der Sensorspule, der Spannung, des Stroms, der Frequenz und des Signalverlaufs der Hochfrequenz-Stromabgabe. Dies erfolgt mit Rücksicht darauf, dass bei dem vorliegenden Verfahren zur Messung der Größe des magnetischen Flusses die Größe des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis auf der Grundlage einer Impedanzänderung, die hauptsächlich durch den in dem Sensorkern erzeugten Wirbelstrom hervorgerufen wird, der Sensorspule ermittelt wird.

Wenn der Sensorkern bei einer hohen Frequenz erregt ist, wird, genauer gesagt, ein Wirbelstrom in dem Sensorkern erzeugt, da der Sensorkern selbst leitend ist. Als Ergebnis wird die Impedanz der Sensorspule zusätzlich eine Impedanzänderung, die durch den Wirbelstrom hervorgerufen ist, mit einer Phasendifferenz von 180° in bezug auf eine Ansteuersignalwelle zusätzlich zu einer Impedanzänderung aufweisen, die durch Selbstinduktion mit einer Phasendifferenz von 90° in bezug auf die Ansteuerwelle hervorgerufen wird. Die Werte dieser beiden Änderungen variieren mit der Permeabilität µ des Sensorkernmaterials. Insbesondere durch die Erregung des Sensorkerns in einer solchen Weise, dass der Sensorkern magnetisch nicht gesättigt ist, hängt die Impedanz der Spule signifikant von der Änderung im Wirbelstrom ab. Die aus einer Kombination der beiden Änderungen gebildete Impedanz ändert sich stark in bezug auf eine Änderung in der Größe des in dem Sensorkern fließenden magnetischen Flusses.

Die durch den Wirbelstrom hervorgerufene Impedanzänderung variiert mit der Größe des magnetischen Flusses, da die Größe des Wirbelstroms tatsächlich mit der Permeabilität µ des Sensorkerns variiert. Generell wird die Permeabilität µ eines magnetischen Materials nicht einfach durch eine Konstante ausgedrückt, sondern sie ändert sich mit der Größe des magnetischen Flusses.

Wie oben beschrieben, wird bei dem vorliegenden Verfahren zur Ermittlung des magnetischen Flusses die Größe des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis auf der Grundlage derjenigen Impedanzänderung der Sensorspule ermittelt, die durch den in dem Sensorkern erzeugten Wirbelstrom hervorgerufen wird. Bei dem vorliegenden Verfahren braucht das den magnetischen Kreis bildende magnetische Material nicht magnetisch gesättigt zu werden, und zwar ungleich dem Fall, in dem der magnetische Fluss im magnetischen Kreis durch das übersättigte Sensorsystem gemessen wird. Daher kann ein ausreichendes Ausgangssignal ohne Steigerung der Größe des die Sensorspule durchfließenden Stromes oder der Anzahl der Windungen, die auf die Sensorspule gewickelt sind, bereitgestellt werden. Überdies ist bei dem vorliegenden Verfahren mit Rücksicht darauf, dass das magnetische Material nicht magnetisch gesättigt ist, der Einfluss auf den magnetischen Kreis sehr gering, und zwar im Unterschied zu dem übersättigten Sensorsystem.

Die Änderung der Impedanz der Sensorspule sollte vorzugsweise in einer solchen Weise festgelegt werden, die stark von der Wirbelstromänderung abhängt. Dies könnte durch Erhöhen der Frequenz der Ansteuerung der Sensorspule erreicht werden. Falls die Frequenz jedoch zu hoch ist, wird der Sensor- Arbeitspunkt verschoben, und die Kennlinie bzw. Charakteristik der Impedanzänderung wird wegen des Einflusses der Kapazitätskomponente oder dergleichen, die zwischen den Windungen der Sensorspule hervorgerufen wird, instabil, und die Charakteristik der Impedanzänderung könnte verschlechtert werden.

Deshalb wird bevorzugt, die Ansteuerungsbedingungen in geeigneter Weise entsprechend dem Material des Sensorkerns, der Anzahl von Windungen, der Größe und des Materials der Sensorspule, und so weiter festzulegen bzw. zu bestimmen.

Durch Verwendung eines hochpermeablen magnetischen Materials, wie eines amorphen Metalls oder Permalloy, welches ein Material mit höherer Permeabilität als der magnetische Kreis, beispielsweise Fe, Co, Si, B oder dergleichen als eine Komponente zur Bildung des Sensorkerns verwendet oder durch Verwendung eines Sensorkerns, der teilweise ein derart hochpermeables magnetisches Material enthält, ist es möglich, die Magnetisierung bezüglich des Sensorkerns zu verbessern und die Charakteristik der Impedanzänderung zu verbessern. Nunmehr wird ein spezifisches Beispiel des Aufbaus bzw. der Struktur des Sensorkerns und der Sensorspule beschrieben.

Spezifisches Beispiel 1

Es wurde ein Sensorkern mit einem Spulenwickelteil, das 2 mm im Durchmesser und 10 mm in der Länge mißt und das aus reinem Eisen (äquivalent zu JIS SUYBO) besteht, verwendet. Als Sensorspule wurde ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 60 µm auf den Sensorkern gewickelt. Die Anzahl der Windungen der Wicklung betrug insgesamt 40, wobei die Rückwärts-Drahtverdoppelung bei 20 Windungen erfolgte.

Falls veranlasst wird, dass ein konstanter Strom von 10 mA durch die Sensorspule fließt, beträgt ein von der Sensorspule erzeugtes Erregungs-Magnetfeld ungefähr 30 A/m in der Rechnung. Es kann gesagt werden, dass der Sensorkern unter einer derartigen Bedingung magnetisch nicht gesättigt ist, da in typischer Weise ein Erregungs-Magnetfeld von etwa 300 bis 800 A/m für eine magnetische Sättigung von reinem Eisen erforderlich ist. Überdies wird berücksichtigt, dass praktisch die Erregung durch den Einfluss der Teilerregung und einen Leckfluss geschwächt ist. Da die Sensorspule tatsächlich mit einem konstanten Strom von 10 mA unter Strom gesetzt wurde und der Magnetisierungszustand des Sensorkerns überprüft wurde, zeigte sich die Magnetisierung des Sensorkerns maximal bei etwa 1/100 in bezug auf die maximale Magnetisierung des reinen Eisenkerns.

Sodann wurde bewirkt, dass ein Sinuswellenstrom von ±10 mA durch die Sensorspule fließt, und die Frequenz des Sinuswellenstromes wurde sequentiell geändert. Da die Sensorimpedanz und die Phasenänderung in bezug auf die Größe des magnetischen Flusses an diesem Punkt beobachtet wurden, begann der Einfluss der Wirbelstromänderung bei einer Frequenz von etwa 200 kHz aufzutreten, und die Sensorimpedanz änderte sich stark in bezug auf die Änderung der Größe des magnetischen Flusses bei einer Frequenz von etwa 500 kHz bis 5 MHz.

Auf diese Weise kann verstanden werden, dass ein hinreichendes Ausgangssignal aufgrund des Einflusses des Wirbelstroms sogar bei der Erregung bereitgestellt werden kann, die etwa 1/100 der maximalen Magnetisierung des Kerns ausmacht.

Spezifisches Beispiel 2

Ein Sensorkern, der ein Spulenwickelteil aufweist, das 2 mm im Durchmesser und 10 mm in der Länge misst, und das aus Permalloy hergestellt ist, wurde verwendet. Als Sensorspule wurde ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 60 µm auf den Sensorkern gewickelt. Die Anzahl der Windungen der Wicklung betrug insgesamt 40, wobei die Rückwärts-Drahtverdoppelung bei 20 Windungen erfolgte.

Als die Sensorspule mit einem konstanten Strom von 10 mA tatsächlich unter Strom gesetzt wurde und der Magnetisierungszustand des Sensorkerns überprüft wurde, hat sich die Magnetisierung des Sensorkerns auf maximal etwa 1/50 in bezug auf die maximale Magnetisierung von Permalloy herausgestellt.

Sodann wurde bewirkt, dass ein Sinuswellenstrom von ±10 mA durch die Sensorspule fließt, und die Frequenz des Sinuswellenstromes wurde sequentiell geändert. Da die Sensorimpedanz und die Phasenänderung in bezug auf die Größe des magnetischen Flusses an diesem Punkt beobachtet wurden, änderte sich die Sensorimpedanz stark in bezug auf die Änderung der Größe des magnetischen Flusses bei einer Frequenz von etwa 500 kHz bis 5 MHz, und zwar ähnlich wie im Falle von reinem Eisen.

Auf diese Weise kann verstanden werden, dass ein ausreichendes Ausgangssignal aufgrund des Einflusses des Wirbelstroms sogar bei der Erregung bereitgestellt werden kann, die etwa 1/50 oder 1/100 der maximalen Magnetisierung des Kerns beträgt. Im Falle von Permalloy ist die Impedanz jedoch größer als im Falle von reinem Eisen, und zwar wegen der Differenz in der Permeabilität und der elektrischen Leitfähigkeit. Da Permalloy eine höhere Permeabilität aufweist, beginnt überdies die Impedanz sich bei einer geringeren Größe des magnetischen Flusses zu ändern als im Falle von reinem Eisen.

Wie aus den oben beschriebenen spezifischen Beispielen klar ist, ist es in dem magnetischen Material, welches als eine Hauptkomponente Eisen enthält, das in typischer Weise als Kernmaterial verwendet wird, möglich, eine Impedanzänderung bei etwa 500 kHz bis 5 MHz wegen der Änderung im Wirbelstrom zu erzielen. Wie aus dem Vergleich zwischen reinem Eisen und Permalloy klar ist, kann ein Material mit höherer Permeabilität zur Steigerung bzw. Verbesserung der Empfindlichkeit verwendet werden.

Claims

1. Magnetfluss-Detektiervorrichtung zur Messung bzw. Ermittlung der Größe eines magnetischen Flusses in einem einen magnetischen Weg bildenden Teil, welches in einem magnetischen Kreis vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine
magnetisch empfindliche Einrichtung (3) aus einem leitenden magnetischen Material gebildet und durch einen Kernsensor (13) gebildet ist, der an dem den magnetischen Weg bildenden Teil vorgesehen ist und um den eine Sensorspule (14) gewickelt ist,
dass eine Hochfrequenz-Stromabgabeeinrichtung (22) zur Stromabgabe an die Sensorspule (14) mit einer hohen Frequenz vorgesehen ist,
dass eine Magnetflussgröße-Detektiereinrichtung (22) vorgesehen ist, die die Impedanz der Sensorspule (14) und die Größe eines Magnetflusses in dem den magnetischen Weg bildenden Teil auf der Grundlage der Impedanz ermittelt,
und dass der Sensorkern (31; 33) magnetisch nicht gesättigt ist, wenn die Sensorspule (14) bei einer hohen Frequenz durch die Hochfrequenz-Stromabgabeeinrichtung (22) unter Strom gesetzt ist.

2. Magnetfluss-Detektiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkern (31; 33) durch das den magnetischen Weg bildende Teil gebildet ist.

3. Magnetfluss-Detektiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussgröße-Detektiereinrichtung (22) die Impedanz der Sensorspule (14) auf der Grundlage eines durch Aufteilen des magnetischen Flusses in dem den magnetischen Weg bildenden Teil erhaltenen aufgeteilten Magnetflusses ermittelt.

4. Magnetfluss-Detektiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Sensorkern (31; 33) ein hochpermeables magnetisches Material verwendet ist.