DE19712829A1 - Vorrichtung zur Erkennung der Position eines beweglichen Gegenstandes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Er­ kennung der Position eines beweglichen Gegenstandes mit einem an dem beweglichen Gegenstand vorgesehenen, ein Magnetfeld erzeugenden magnetischen Element und mit einem auf die zur Bewegungsrichtung des beweglichen Gegenstandes im wesentli­ chen parallele Magnetfeldkomponente ansprechenden ersten Sen­ sor. Weiterhin ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Erken­ nung der Position eines beweglichen Gegenstandes, bei dem der bewegliche Gegenstand ein Magnetfeld erzeugt und die zur Be­ wegungsrichtung des Gegenstandes im wesentlichen parallele Magnetfeldkomponente ausgewertet wird, gerichtet.

Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise zur Kolbenpo­ sitionsbestimmung in Pneumatikzylindern verwendet. Dazu ist am Kolben ein magnetisches Element, beispielsweise ein Ring- oder Scheibenmagnet vorgesehen, der ein Magnetfeld erzeugt, das von einem außerhalb des Zylinders vorgesehenen magneti­ schen Sensor erfaßt wird. Der Sensor ist dabei so an der Au­ ßenwand des Zylinders angeordnet, daß seine Hauptempfindlich­ keitsachse parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens liegt, so daß durch den Sensor im wesentlichen die parallel zur Be­ wegungsrichtung des Kolbens verlaufende Magnetfeldkomponente des von dem am Kolben vorgesehenen Magneten erzeugten Magnet­ feldes erfaßt wird.

Die von dem Sensor erfaßte parallele Magnetfeldkomponente ist maximal, wenn der Magnet unmittelbar am Sensor vorbeigeführt wird. Somit kann durch die Bestimmung dieses Maximums - bei­ spielsweise durch Überprüfung, ob die parallele Magnetfeld­ komponente eine vorgegebene Schaltschwelle überschreitet - erkannt werden, wenn sich der Magnet und damit der den Magne­ ten tragende Kolben an einer Position unmittelbar neben dem Sensor befindet. In diesem Fall kann dann ein Positionserken­ nungssignal erzeugt werden.

Problematisch an einer solchen Vorrichtung ist, daß, abhängig von der Magnetform, das erzeugte Magnetfeld mehrere Maxima (beispielsweise ein Haupt- und mehrere Nebenmaxima) besitzen kann, so daß durch ein Nebenmaximum fälschlicherweise ein Po­ sitionserkennungssignal erzeugt werden kann.

Es ist auch nicht ohne weiteres möglich, die Schaltschwelle, deren Überschreiten als Auftreten eines Maximums der paralle­ len Magnetfeldkomponente ausgewertet wird, so hoch anzuset­ zen, daß die Nebenmaxima zuverlässig unterhalb dieser Schalt­ schwelle liegen, da die magnetische Feldstärke an der Zylin­ deraußenseite je nach verwendetem Magneten sowie nach Materi­ al oder Dicke der Zylinderwand stark schwankt. Bei zu hoch angesetzter Schaltschwelle würde somit auch das Hauptmaximum diese Schaltschwelle nicht überschreiten, so daß eine sichere Positionserkennung nicht möglich wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren der ein Verfahren der eingangs genannten Art so aus zu­ bilden, daß auf einfache und zuverlässige Weise das Erreichen einer bestimmten Position des beweglichen Gegenstandes er­ kannt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein auf die zur Bewegungsrichtung des beweglichen Gegenstan­ des im wesentlichen senkrecht verlaufende Magnetfeldkomponen­ te ansprechender zweiter Sensor vorgesehen ist, daß der Aus­ gang des ersten Sensors mit einem ersten Schwellwertentschei­ der verbunden ist, der von einem nicht geschalteten in einen geschalteten Zustand übergeht, wenn das Ausgangssignal des ersten Sensors einen ersten Schwellenwert überschreitet, daß der Ausgang des zweiten Sensors mit einem zweiten Schwell­ wertentscheider verbunden ist, der von einem nicht geschalte­ ten in einen geschalteten Zustand übergeht, wenn das Aus­ gangssignal des zweiten Sensors einen zweiten Schwellenwert unterschreitet, und daß die Schwellwertentscheider mit einer Auswerteschaltung verbunden sind, die ein Positionserken­ nungssignal erzeugt, wenn sich sowohl der erste als auch der zweite Schwellwertentscheider im jeweils geschalteten Zustand befinden.

Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich die zur Bewegungs­ richtung des Gegenstandes im wesentlichen senkrechte Magnet­ feldkomponente ausgewertet wird, wobei eine Positionserken­ nungssignal erzeugt wird, wenn die parallele Magnetfeldkompo­ nente einen vorgegebenen ersten Schwellenwert über- und im wesentlichen gleichzeitig die senkrechte Magnetfeldkomponente einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert unterschreitet. Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die ge­ stellte Aufgabe dadurch gelöst, daß zusätzlich die zur Bewe­ gungsrichtung des Gegenstandes im wesentlichen senkrechte Ma­ gnetfeldkomponente ausgewertet wird, wobei ein Positionser­ kennungssignal erzeugt wird, wenn im wesentlichen gleichzei­ tig ein Maximum der parallelen Magnetfeldkomponente und ein Nulldurchgang der senkrechten Magnetfeldkomponente erfaßt werden.

Erfindungsgemäß wird somit nicht nur die parallele Magnet­ feldkomponente, sondern zusätzlich die dazu senkrechte Ma­ gnetfeldkomponente ausgewertet, wobei aus einer Verknüpfung dieser beiden Magnetfeldkomponenten eindeutig auf den Ort des Hauptmaximums der parallelen Magnetfeldkomponente und damit auf die Position des Magneten bzw. des beweglichen Elementes geschlossen werden kann. Da nur am Ort des Hauptmaximums der parallelen Magnetfeldkomponente gleichzeitig die senkrechte Magnetfeldkomponente gleich Null ist bzw. deren Betrag ein Minimum aufweist, an den Orten der Nebenmaxima der parallelen Magnetfeldkomponente die senkrechte Magnetfeldkomponente je­ doch einen von Null deutlich verschiedenen Wert besitzt, kann eine falsche Positionserkennung des beweglichen Gegenstandes aufgrund von Nebenmaxima der parallelen Magnetfeldkomponente zuverlässig verhindert werden.

Weiterhin ist durch die erfindungsgemäße Lösung eine exaktere Positionsbestimmung des beweglichen Gegenstandes möglich als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren. Bei einer erfindungsgemäß verknüpften Auswertung der parallelen und senkrechten Magnetfeldkomponenten kann bei Verwendung ei­ nes Sensors mit sehr hoher Empfindlichkeit zur Erfassung der senkrechten Magnetfeldkomponente und entsprechend niedrig ge­ wähltem Schwellenwert das Zeitfenster, innerhalb dessen so­ wohl die parallele Magnetfeldkomponente einen ersten Schwel­ lenwert über- als auch die senkrechte Magnetfeldkomponente den niedrigen zweiten Schwellenwert unterschreitet, mehr klein gewählt werden. Demgegenüber ist bei einer ausschließ­ lichen Auswertung der parallelen Magnetfeldkomponente das den Schaltzeitpunkt bestimmende Zeitfenster relativ breit, da der entsprechende Schwellenwert relativ niedrig gewählt werden muß, um ein sicheres Schalten für unterschiedliche magneti­ sche Elemente sowie unterschiedliche Zylindermaterialien und -wandstärken zu gewährleisten.

Während bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren das Positionserkennungssignal unmittelbar erzeugt wird, wenn die parallele Magnetfeldkomponente den vorgegebenen Schwel­ lenwert überschreitet, wird gemäß der Erfindung durch dieses Überschreiten lediglich eine notwendige Bedingung für die Er­ zeugung des Positionserkennungssignals erfüllt. Die tatsäch­ liche Erzeugung des Positionserkennungssignals wird erst durch die Erfassung der senkrechten Magnetfeldkomponente aus­ gelöst, nämlich wenn diese einen zweiten Schwellenwert unter­ schreitet.

Somit läßt sich das Erreichen einer vorgegebenen Position des beweglichen Gegenstandes sehr präzise bestimmen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß zur Er­ fassung der parallelen Magnetfeldkomponente ein Sensor mit relativ hoher Empfindlichkeit eingesetzt werden kann, ohne daß es im Bereich der Nebenmaxima zur fehlerhaften Erzeugung eines Positionserkennungssignals kommt, so daß ein Abgleich an unterschiedliche Zylindermaterialien oder bestimmte Zylin­ derausgestaltungen, wie beispielsweise bestimmte Wanddicken, nicht erforderlich ist. Durch die Ausbildung der Sensorele­ mente als zwei voneinander unabhängige, getrennte Bauelemente kann die Empfindlichkeit der beiden Sensorelemente unabhängig voneinander optimal gewählt werden.

Darüber hinaus besitzt die Erfindung den Vorteil, daß die Empfindlichkeit gegenüber Störfelder verringert ist, da eine Kombination aus Feldstärke und Richtung des Magnetfeldes aus­ bewertet wird.

Grundsätzlich können die Schwellwertentscheider in die Senso­ ren integriert sein, so daß unmittelbar die digitalen Aus­ gangssignale der Sensoren ausgewertet werden können. Die di­ rekte Auswertung der digitalen Ausgangssignale ist vorteil­ haft, da zu einen kein Abgleich der Sensorelemente wie bei­ spielsweise in einer Brückenschaltung erforderlich ist und zum anderen kein störender Drift aufgrund von Temperaturände­ rungen auftreten kann.

Weiterhin müssen die von den Schwellwertentscheidern in ihren jeweiligen Schaltzuständen gelieferten Ausgangssignale nicht gleich sein. So können die Schwellwertentscheider in ihren jeweiligen geschalteten Zuständen auch unterschiedliche Aus­ gangssignale liefern, d. h. beispielsweise der dem ersten Sen­ sor zugeordnete Schwellwertentscheider in seinem geschalteten Zustand eine einer logischen Eins entsprechende Spannung, während der dem anderen Sensor zugeordnete Schwellwertent­ scheider in seinem geschalteten Zustand eine einer logischen Null entsprechende Spannung am Ausgang führen kann oder umge­ kehrt.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Sensoren bezüglich der Bewegungsrichtung des be­ weglichen Gegenstandes so neben der Bewegungsbahn des beweg­ lichen Gegenstandes angeordnet, daß dieser an den Sensoren vorbeibewegbar ist. Die Bewegungsbahn des beweglichen Gegen­ standes kann dabei einen linearen oder einen beliebigen ande­ ren, beispielsweise konzentrischen Verlauf besitzen. Bevor­ zugt ist unter der Bewegungsrichtung, auf die die parallele bzw. die senkrechte Magnetfeldkomponente bezogen sind, die Bewegungsrichtung des beweglichen Elements zum Zeitpunkt des Passierens der Sensoren zu verstehen. Auf diese Weise spie­ gelt die Position der Sensoren unmittelbar die Position des Magneten und damit des beweglichen Gegenstandes wieder.

Die Position, für die bei Erreichen des beweglichen Gegen­ standes ein Positionserkennungssignal erzeugt werden soll, kann somit durch Verschiebung der Sensoren parallel zur Bewe­ gungsrichtung des beweglichen Gegenstandes eingestellt wer­ den. Dazu wird vor Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vor­ richtung der bewegliche Gegenstand in die zu erkennende Posi­ tion bewegt und die Sensoren so lange parallel zur Bewegungs­ richtung des beweglichen Gegenstandes verschoben, bis die senkrechte Magnetfeldkomponente gleich Null wird bzw. einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung ist das magnetische Element als Permanentmagnet, insbe­ sondere als Ring- oder Scheibenmagnet ausgebildet. Grundsätz­ lich kann das magnetische Element jede Art von Magnet, bei­ spielsweise ein Elektromagnet sein, wobei jedoch zur Vermei­ dung der für einen solchen Magneten erforderlichen elektri­ schen Anschlüsse ein Permanentmagnet bevorzugt einzusetzen ist. Weiterhin kann das magnetische Element auch jede sonsti­ ge Form besitzen, beispielsweise als Stabmagnet ausgebildet sein, solange die mit dem magnetischen Element erzeugten pa­ rallelen und senkrechten Magnetfeldkomponenten erfindungsge­ mäß ausgewertet werden können.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung sind die Sensoren an und/oder in der Zylinderaußenwand angeordnet. Auf diese Weise ist eine leichte Zugänglichkeit und damit eine leichte Justierbarkeit der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung möglich. Weiterhin kann auf diese Weise ein vorhandener Zylinder zu einer erfindungsgemäß aus­ gebildeten Vorrichtung nachgerüstet werden. Bevorzugt ist da­ zu zumindest einer der Sensoren mittels einer Schelle an der Zylinderaußenwand befestigt, da auf diese Weise eine sehr va­ riable Befestigung der Sensoren möglich ist. Es ist bei­ spielsweise auch möglich, in der Außenwand des Zylinders eine nutförmige Ausnehmung vorzusehen, in die die Sensoren einge­ schoben werden können. Insbesondere, wenn die nutförmige Aus­ nehmung entlang der Bewegungsrichtung des beweglichen Gegen­ standes verläuft, kann die zu erkennende Position durch Ver­ schieben der Sensoren innerhalb der nutförmigen Ausnehmung eingestellt werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In diesen zeigen:

Fig. 1 einem schematischen Querschnitt durch eine erfin­ dungsgemäß ausgebildete Zylinder-Kolben-Anordnung mit Sensor zur Positionserkennung des Kolbens,

Fig. 2 eine schematisch dargestellte Detailansicht einer Vorrichtung nach Fig. 1 bei zwei verschiedenen Kol­ benstellungen,

Fig. 3 ein Diagramm mit unterschiedlichen Magnetfeldstär­ keverläufen,

Fig. 4 eine spezielle Anordnung zweier Sensoren und

Fig. 5 eine weitere Anordnung zweier Sensoren.

Fig. 1 zeigt eine pneumatische Zylinder-Kolben-Anordnung 1, bei der ein geschnitten dargestellter Kolben 2 in einem sche­ matisch dargestellten Zylinder 3 entlang eines die Bewegungs­ richtung des Kolbens kennzeichnenden Pfeils 4 verschiebbar angeordnet ist.

Der Kolben 2 umfaßt eine Kolbenstange 5 sowie einen Kolbenbo­ den 6, in dessen Umfangsseite eine umlaufende Nut 7 ausgebil­ det ist.

In der Nut 7 ist ein Ringmagnet 8 so angeordnet, daß die Au­ ßenfläche des Ringmagneten 8 im wesentlichen bündig mit der Außenfläche des Kolbenbodens 6 abschließt und daß die sich zwischen dem Nord- und Südpol des Ringmagneten 8 erstreckende Magnetfeldachse 9 parallel zu der durch den Pfeil 4 gekenn­ zeichneten Bewegungsrichtung des verschiebbaren Kolbens 2 verläuft.

An der Oberseite des Zylinders 3 ist ein Luftein- und -auslaßabschnitt 10 ausgebildet, durch den Druckluft entspre­ chend einem Pfeil 11 in die oberhalb des Kolbenbodens 6 lie­ gende Zylinderkammer 12 eingeführt bzw. aus dieser abgeführt werden kann, wodurch der Kolben 2 entlang dem Pfeil 4 ver­ schoben wird.

An der Zylinderaußenwand 13 ist ein erster Sensor 14 angeord­ net, der mit nicht dargestellten Mitteln, wie beispielsweise einer Befestigungsschelle, an der Zylinderaußenwand 13 befe­ stigt ist. Hinter dem ersten Sensor 14 ist ein von diesem verdeckter, in Fig. 1 nicht sichtbarer Sensor 15 (siehe Fig. 4 und 5) angeordnet, der bezüglich der durch den Pfeil 4 dar­ gestellten Bewegungsbahn des Kolbens 2 auf gleicher Höhe wie der erste Sensor 14 und bevorzugt unmittelbar benachbart zu diesem angeordnet ist. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, den zweiten Sensor 15 an einer beliebigen Stelle der Zylin­ deraußenwand 13 zu befestigen, solange er sich im wesentli­ chen auf gleicher Höhe mit dem ersten Sensor 14 befindet. So kann der zweite Sensor 15 beispielsweise auch an der mit 15' gestrichelt dargestellten Position angeordnet sein. Als Sen­ soren 14, 15 können beispielsweise Hall-Elemente oder magne­ toresistive Elemente bzw. jedes Sensorelement verwendet wer­ den, mit dem die Richtung und der Betrag eines Magnetfeldes ausgewertet werden kann.

In den Fig. 2a) und b) ist der Verlauf des von dem Ringmagne­ ten 8 erzeugten Magnetfelds durch eine einzelne eingezeichne­ te Magnetfeldlinie 16 angedeutet. Dabei ist in Fig. 2a) ein Ausschnitt aus einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 dargestellt, bei der sich der in Fig. 2 nicht dargestellte Kolben 2 und damit der Ringmagnet 8 in einer Position unterhalb der Senso­ ren 14 und 15 befindet, während in Fig. 2b) der in Fig. 1 dargestellte Zustand, bei dem sich der Kolben 2 und damit der Ringmagnet 8 in Höhe der Sensoren 14 und 15 befindet, darge­ stellt ist.

Gemäß Fig. 2a) besitzt das durch den Vektor 17 dargestellte Magnetfeld am Ort der Sensoren 14 und 15 zwei von Null ver­ schiedene Magnetfeldkomponenten 18, 19, wobei die eine Ma­ gnetfeldkomponente 18 parallel zur Bewegungsrichtung des Kol­ bens 2 und die andere Magnetfeldkomponente 19 senkrecht dazu verläuft.

Demgegenüber besteht gemäß Fig. 2b) das durch den Vektor 20 dargestellte Magnetfeld am Ort der Sensoren 14 und 15 ledig­ lich aus einer zur Bewegungsrichtung des Kolbens 2 parallelen Magnetfeldkomponente 21, wenn sich der Ringmagnet 8 auf glei­ cher Höhe mit den Sensoren 14 und 15 befindet. Die Magnet­ feldkomponente senkrecht zur Bewegungsrichtung ist in diesem Fall gleich Null.

Der Verlauf der parallelen und senkrechten Magnetfeldkompo­ nenten 18, 19, 21 über dem Verschiebeweg des Kolbens 2 und damit des Ringmagneten 8 ist in Fig. 3 dargestellt. In dem Diagramm ist der Verlauf 22 der parallelen Magnetfeldkompo­ nente 18 als durchgezogene Linie, der Verlauf 23 des Betrags der senkrechten Magnetfeldkomponente gestrichelt und der Ver­ lauf 24 der senkrechten Magnetfeldkomponente in dem Bereich, in dem er von seinem Betrag gemäß dem Verlauf 23 abweicht strichpunktiert dargestellt.

Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß der Verlauf 22 der parallelen Magnetfeldkomponente zwei Nebenmaxima 25 sowie ein Hauptmaxi­ mum 26 besitzt, wobei dieses Hauptmaximum 26 an der mit X ge­ kennzeichneten Position liegt, die der Position der Mittel­ punkte der Sensoren 14, 15 (siehe Fig. 1) entspricht.

Im Gegensatz dazu steigt der Verlauf 24 der senkrechten Ma­ gnetfeldkomponente in einem Bereich 24' kontinuierlich an, worauf sich ein Bereich 24'' anschließt, in dem die senkrechte Magnetfeldkomponente steil abfällt und an der Position X ei­ nen Nulldurchgang besitzt. An den Bereich 24'' schließt sich wiederum ein kontinuierlich ansteigender Bereich 24''' an, in dem die senkrechte Magnetfeldkomponente asymptotisch gegen Null verläuft.

Der Verlauf 23 des Betrags der senkrechten Magnetfeldkompo­ nente besitzt anstelle des Nulldurchgangs an der Position X ein Minimum (vom Betrag Null) und steigt dann anschließend innerhalb eines Bereichs 23' steil an, woraufhin sich in ei­ nem darauf anschließenden Bereich 23'' der Betrag der senk­ rechten Magnetfeldkomponente asymptotisch gegen Null nähert.

Im folgenden wird die Funktionsweise einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung sowie ein erfindungsgemäß ausgebil­ detes Verfahren näher beschrieben:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der in Fig. 3 dargestellten Erkenntnis, daß das Hauptmaximum 26 der parallelen Magnetfeldkomponente mit dem Minimum 27 des Betrags der senkrechten Magnetfeldkom­ ponente zusammenfällt. Somit kann das Erreichen der Position X durch den Permanentmagneten 8 eindeutig dadurch erkannt werden, daß die parallele Magnetfeldkomponente und der Betrag der senkrechten Magnetfeldkomponente an der Position X dar­ aufhin überprüft werden, ob gleichzeitig die parallele Ma­ gnetfeldkomponente ein Maximum und der Betrag der senkrechten Magnetfeldkomponente ein Minimum besitzen.

Während nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfah­ ren, bei denen lediglich das Auftreten eines Maximums der pa­ rallelen Magnetfeldkomponente zur Bestimmung der Kolbenposi­ tion ausgewertet wird, nur ein Schwellenwert S₃ vorgesehen ist und bei Überschreiten dieses Schwellenwerts S₃ durch die parallele Magnetfeldkomponente am Ort X₁ bzw. im Bereich X₁ ≦ × ≦ X₃ ein Positionserkennungssignal abgegeben wird, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein erster Schwellenwert S₁ und ein zweiter Schwellenwert S₂ vorgesehen. Nur wenn die parallele Magnetfeldkomponente den ersten Schwellenwert S₁ überschreitet und gleichzeitig die senkrechte Magnetfeldkom­ ponente den zweiten Schwellenwert S₂ unterschreitet, wie es gemäß Fig. 3 ab dem Ort X₂ bzw. im Bereich X ≦ × ≦ X₄ der Fall ist, wird ein Positionserkennungssignal abgegeben.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann auf diese Weise der erste Schwellenwert S₁ relativ niedrig gewählt werden. Obwohl der erste Schwellenwerte S₁ von den Nebenmaxima 25 überschritten wird, wird bei den entsprechenden Kolbenpositionen kein Posi­ tionserkennungssignal abgegeben, da die senkrechte Magnet­ feldkomponente deutlich über dem zweiten Schwellenwert S₂ liegt.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird das Positionserkennungssignal am Ort X₁, d. h. in einem Ab­ stand Δx₁ = X-X₁ vor der zu erkennenden Position X erzeugt, wenn die parallele Magnetfeldkomponente den Schwellenwert S₁ überschreitet. Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Positionserkennungssignal erst erzeugt, wenn die senkrechte Magnetfeldkomponente den Schwellenwert S₂ un­ terschreitet, d. h. am Ort X₂ in einem Abstand Δx₂ = X-X₂ vor der zu erkennenden Position X. Da die senkrechte Magnetfeld­ komponente steiler abfällt als die parallele Magnetfeldkompo­ nente ansteigt und der Schwellenwert S₂ sehr klein, d. h. die Empfindlichkeit des die senkrechte Magnetfeldkomponente aus­ wertenden Sensors 15 sehr hoch gewählt werden kann, ist somit der Abstand Δx₂ deutlich kleiner als der Abstand Δx₁, so daß eine genauere Bestimmung der zu erkennenden Position X ge­ währleistet ist.

Wird zusätzlich zum Betrag der senkrechten Magnetfeldkompo­ nente auch noch deren Vorzeichen ausgewertet, so kann aus diesem auf die Bewegungsrichtung des Kolbens geschlossen wer­ den, d. h. von welcher Seite sich der Kolben den Sensoren nä­ hert.

Die Erfassung der parallelen und senkrechten Magnetfeldkompo­ nenten kann beispielsweise durch die gemäß Fig. 4 angeordne­ ten Sensoren 14 und 15 erfolgen.

Die in Fig. 4 dargestellten Sensoren 14 und 15 sind jeweils auf einer Seite einer Leiterplatte 28 angeordnet, wobei die Hauptempfindlichkeitsachse 29 des Sensors 14 senkrecht zu der Hauptempfindlichkeitsachse 30 des Sensors 15 ausgerichtet ist. In diesem Fall sind die Sensoren 14 und 15 gleichsinnig auf der Leiterplatte 28 angeordnet, da somit durch den Sensor 14 die parallele Magnetfeldkomponente 18 und durch den Sensor 15 die senkrechte Magnetfeldkomponente 19 erfaßt werden kann.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Variante besitzen die Senso­ ren 14 und 15 gleichgerichtete Hauptempfindlichkeitsachsen 31, 32, so daß die Sensoren 14, 15 zueinander um 90° verdreht auf der Leiterplatte 28 angeordnet sind, damit mit dem Sensor 14 die parallele Magnetfeldkomponente 18 und mit dem Sensor 15 die senkrechte Magnetfeldkomponente 19 erfaßt werden kann.

Grundsätzlich ist es möglich, Sensoren 14, 15 zu verwenden, die jeweils den in Fig. 3 dargestellten Feldstärkeverläufen entsprechende analoge Ausgangssignale erzeugen, welche nach­ geschalteten Schwellwertschaltern zugeführt werden. Die Aus­ gänge des Schwellwertschalters sind dann beispielsweise mit einer Auswerteschaltung verbunden, die ein Positionserken­ nungssignal abgibt, wenn beispielsweise der am Sensor 14 an­ geschlossene Schwellwertschalter geschaltet und der am Sensor 15 angeschlossene Schwellwertschalter nicht geschaltet ist. Es ist jedoch auch möglich, Sensoren zu verwenden, die bei Über- bzw. Unterschreiten eines jeweils vorgegebenen Schwel­ lenwertes von einem geschalteten in einen nicht geschalteten Zustand bzw. umgekehrt wechseln. Auf diese Weise können die digitalen Ausgangssignale der Sensoren unmittelbar entspre­ chend ausgewertet werden.

Grundsätzlich ist es auch möglich, das Maximum der parallelen Magnetfeldkomponente sowie das Minimum des Betrags der senk­ rechten Feldstärkekomponente bzw. den Nulldurchgang der senk­ rechten Feldstärkekomponente auf beliebige andere Weise zu erfassen und ein Positionserkennungssignal dann auszugeben wenn gleichzeitig ein Maximum der parallelen Magnetfeldkompo­ nente und ein Minimum des Betrags der senkrechten Magnetfeld­ komponente bzw. ein Nulldurchgang der senkrechten Magnetfeld­ komponente ermittelt werden.

Die Erfindung kann beispielsweise zur Erkennung des Schaltzu­ standes eines Ventils, zur Bestimmung der Greifstellung einer Greifvorrichtung oder zur Füllstandsmessung verwendet werden. Dabei kann die Erfindung sowohl ausschließlich eine Kontroll­ funktion als auch einer Steuerfunktion, bei der bei Erreichen einer vorgegebenen Position eine entsprechende Aktion ausge­ löst wird, die beispielsweise auch in der Steuerung des Kol­ bens liegen kann, ausgeführt werden.

Claims (27)

1. Vorrichtung zur Erkennung der Position eines beweglichen Gegenstandes (2) mit einem an dem beweglichen Gegenstand (2) vorgesehenen, ein Magnetfeld erzeugenden magneti­ schen Element (8) und mit einem auf die zur Bewegungs­ richtung des beweglichen Gegenstandes (2) im wesentli­ chen parallele Magnetfeldkomponente (18, 21) ansprechen­ den ersten Sensor (14),
dadurch gekennzeichnet,
daß ein auf die zur Bewegungsrichtung (4) des bewegli­ chen Gegenstandes (2) im wesentlichen senkrecht verlau­ fende Magnetfeldkomponente (19) ansprechender zweiter Sensor (15) vorgesehen ist,
daß der Ausgang des ersten Sensors (14) mit einem ersten Schwellwertentscheider verbunden ist, der von einem nicht geschalteten in einen geschalteten Zustand über­ geht, wenn das Ausgangssignal des ersten Sensors (14) einen ersten Schwellenwert (S₁) überschreitet,
daß der Ausgang des zweiten Sensors (15) mit einem zwei­ ten Schwellwertentscheider verbunden ist, der von einem nicht geschalteten in einen geschalteten Zustand über­ geht, wenn das Ausgangssignal des zweiten Sensors (15) einen zweiten Schwellenwert (S₂) unterschreitet,
und daß die Schwellwertentscheider mit einer Auswerte­ schaltung verbunden sind, die ein Positionserkennungs­ signal erzeugt, wenn sich sowohl der erste als auch der zweite Schwellwertentscheider im jeweils geschalteten Zustand befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (14, 15) bezüglich der Bewe­ gungsrichtung (4) des beweglichen Gegenstandes (2) so neben der Bewegungsbahn des beweglichen Gegenstandes (2) angeordnet sind, daß dieser an den Sensoren (14, 15) vorbeibewegbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (14, 15) bezüglich der Bewe­ gungsbahn des beweglichen Gegenstandes (2) im wesentli­ chen auf gleicher Höhe angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Gegenstand (2) als insbesondere in­ nerhalb eines Zylinders (3), insbesondere eines Pneuma­ tikzylinders, verschiebbar angeordneter Kolben ausgebil­ det ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (8) so angeordnet ist, daß seine Magnetfeldachse (9) im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung (4) des beweglichen Elements (2) aus­ gerichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (8) als Permanentmagnet, insbesondere als Ring- oder Scheibenmagnet ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Außenflächen des Ring- oder Scheibenma­ gneten im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung (4) des beweglichen Elements (2) verlaufen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (14, 15) an und/oder in der Zylinderau­ ßenwand (13) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Sensoren (14, 15) mittels einer Schellenbefestigung an der Zylinderaußenwand (13) befe­ stigt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zylinderaußenwand (13) eine insbesondere nut­ förmige Ausnehmung ausgebildet ist, in der zumindest ei­ ner der Sensoren (14, 15) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (8) so angeordnet ist, daß seine Magnetfeldachse (9) im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung (4) des beweglichen Elements (2) aus­ gerichtet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Sensoren (14, 15) nahe nebeneinanderliegend angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptempfindlichkeitsachsen (29, 30) der beiden Sensoren (14, 15) unterschiedlich verlaufen, insbesonde­ re um ca. 90° gegeneinander versetzt sind, und daß die Sensoren (14, 15) im wesentlichen gleichsinnig angeord­ net sind, so daß der erste Sensor (14) auf die parallele Magnetfeldkomponente (18, 21) und der zweite Sensor (15) auf die dazu senkrechte Magnetfeldkomponente (19) an­ spricht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptempfindlichkeitsachsen (31, 32) der beiden Sensoren (14, 15) im wesentlichen gleichsinnig verlaufen und die Sensoren (14, 15) so gegeneinander, insbesondere um ca. 90° verdreht angeordnet sind, daß der erste Sen­ sor (14) auf die parallele Magnetfeldkomponente (18, 21) und der zweite Sensor (15) auf die dazu senkrechte Ma­ gnetfeldkomponente (19) anspricht.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Sensoren (14, 15) als Hall- Element ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Sensoren (14, 15) als magnetore­ sistives Element ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (2) aus nicht-ferromagneti­ schem Material, insbesondere aus Aluminium besteht.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (3) aus nicht-ferromagnetischem Materi­ al, insbesondere aus Aluminium besteht.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (2) am Kolbenboden (6) ange­ ordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Positionssignal erzeugt, wenn sich der erste Sensor (14) in einem durch das Ma­ gnetfeld angeregten und der zweite Sensor (15) in einem nicht bzw. minimal angeregten Zustand befinden.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor (15) eine hohe Empfindlichkeit, insbesondere eine höhere Empfindlichkeit als der erste Sensor (14) besitzt.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit des zweiten Sensors (15) minde­ stens 3,5 mT, bevorzugt mindestens 1,5 mT beträgt.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (14, 15) als voneinander unabhängige, getrennte Bauelemente ausgebildet sind.

24. Verfahren zur Erkennung der Position eines beweglichen Gegenstandes (2), bei dem der bewegliche Gegenstand (2) ein Magnetfeld erzeugt und die zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes (2) im wesentlichen parallele Magnetfeld­ komponente (18, 21) ausgewertet wird, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die zur Bewegungsrichtung (4) des Gegen­ standes (2) im wesentlichen senkrechte Magnetfeldkompo­ nente (19) ausgewertet wird, wobei ein Positionserken­ nungssignal erzeugt wird, wenn die parallele Magnetfeld­ komponente (18, 21) einen vorgegebenen ersten Schwellen­ wert (S₁) über- und im wesentlichen gleichzeitig die senkrechte Magnetfeldkomponente (19) einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert (S₂) unterschreitet.

25. Verfahren zur Erkennung der Position eines beweglichen Gegenstandes (2), bei dem der Bewegliche Gegenstand (2) ein Magnetfeld erzeugt und die zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes (2) im wesentlichen parallele Magnetfeld­ komponente (18, 21) ausgewertet wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die zur Bewegungsrichtung (4) des Gegen­ standes (2) im wesentlichen senkrechte Magnetfeldkompo­ nente (19) ausgewertet wird, wobei ein Positionserken­ nungssignal erzeugt wird, wenn im wesentlichen gleich­ zeitig ein Maximum (26) der parallelen Magnetfeldkompo­ nente (18, 21) und ein Nulldurchgang der senkrechten Ma­ gnetfeldkomponente (19) erfaßt werden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Nulldurchgangs der senkrechten Magnetfeldkomponente (19) das Minimum (27) des Betrags der senkrechten Magnetfeldkomponente (19) bestimmt wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Vorzeichen der senkrechten Magnetfeldkompo­ nente (19) die Bewegungsrichtung des beweglichen Gegen­ standes (2) ermittelt wird.