DE3218298C2

DE3218298C2 - Vorrichtung zum Messen einer Position

Info

Publication number: DE3218298C2
Application number: DE19823218298
Authority: DE
Inventors: Kunihiro Higashimurayama Tokio/Tokyo Abe
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1981-05-15
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1985-01-10
Also published as: GB2100443B; GB2100443A; FR2506006A1; FR2506006B1; JPS57189010A; DE3218298A1

Abstract

Ein Meßorgan aus magnetischem Material ist an einem sich bewegenden Teil befestigt und ein E-förmiger Magnet ist nahe dem Meßorgan angeordnet. Ein Hall-IC zum Umsetzen der Änderung der Magnetflußdichte des Magnets in eine Spannungsänderung ist an einem Ende des mittleren Schenkelteils des Magnets angeordnet. Das Meßorgan ist ein länglicher Stab und ist mit einer Reihe von Einschnitten an beiden Seiten, mit durch die Einschnitte gebildeten Vorsprüngen und mit einem mittleren gemeinsamen Teil mit derselben Höhe wie die Vorsprünge versehen. Die Vorsprünge der beiden Seiten sind versetzt angeordnet. Der Hall-IC ist nahe dem mittleren gemeinsamen Teil angeordnet und beide Endpole des Magnets liegen nahe den Vorsprüngen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Position eines sich bewegenden oder drehenden Teils.

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

Ein bekannter magnetoresistiver Verschiebungsfühler enthält zwei gezahnte Organe und ein magnetoresistives Element (US-PS 41 19 911). Bei dieser bekannten Anordnung wird nur die Verschiebung innerhalb einer Teilung der Zähne gemessen. Bei einer Bewegung eines gezahnten Organs über eine lange Strecke schwankt der Widerstand des magnetoresistiven Elements unregelmäßig, was eine Änderung des Abstands zwischen den beiden gezahnten Organen bewirkt.

Bekannt ist auch ein induktiver Meßfühler mit einem magnetischen Teil mit Ε-Querschnitt und einer Umsetzeinrichtung (DE-AS 12 17 085).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Posi

tionsmeßvorrichtung zu schaffen, die genau eine Position eines sich bewegenden Teils ohne Fehlfunktion mißt die durch die Änderung des Abstands zwischen der magnetischen Einrichtung und dem Teil und durch Temperaturänderungen verursacht würde. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmaie des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand dt; Zeichto nung erläutert in der ist

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Positionsfühlers,

Fig.2(a) und (b) Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung der F i g. 1, Fig.3 eine Darstellung einer Ausgangswellenform der Positionsmeßvorrichtung,

Fig.4 eine perspektivische Darstellung eines bekannten Winkelpositionsfühlers,

Fig.5 eine Darstellung einer Ausgangswellenform des Winkelpositionsfühlers,

Fig.6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren bekannten Positionsfühlers,

F i g. 7 eine Darstellung einer Ausgangswellenform des Positionsfühlers der F i g. 6,

F i g. 8 eine perspektivische Ansicht einer Positionsmeßvorrichtung der Erfindung,

F i g. 9 eine Vordc (ansicht eines Positionsfühlerkopfs,

Fig. 10(a) und (b) Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Positionsmeßvorrichtung der Erfindung,

F i g. 11 eine Darstellung einer Ausgangswellenform der Vorrichtung,

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

Fig. 13 eine Darstellung der Änderungen der Ausgangskennlinic der Positionsmeßvorrichtung bei Temperaturänderungen,

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

F i g. 15 ein Schaltbild zum Erzeugen eines Ausgangssignals in der Positionsmeßvorrichtung und

Fig. 16(a) bis (h) Darstellungen von Modifikationen der Positionsmeßvorrichtung der Erfindung. Gemäß F i g. 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 Magnetfelderzeu gungsvorrichtung angebracht. Der Fühlerkopf H ent-Hält ein U-förmiges 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 Magnetflußdichtenbestimmungsvorrichtung 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 ausgebilbo det, daß es in gerader Linie durch einen Spalt zwischen der Magnetfeldcrzeugungsvorrichtung Mund 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 Zu-

stand 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 F i g. 2(b), wird der Hall-IC ausgeschaltet

F i g. 3 zeigt die Änderung der Magnetflußüichte. Die Magnetflußdichte ändert sich sinusförmig, wenn sich das Schirmorgan 6 bewegt Wenn die Magnetflußdichte den Einschaltpegel Obersteigt, geht der Ausgang des HaII-IC auf einen hohen Pegel, und wenn die Magnetflußdichte den Ausschaltpegei unterschreitet kommt der Ausgang des HaIl-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 Mund dem Fühlerkopf H. Demgemäßznuß das Schirmorgan 6 eine dünne Platte sein. Ais Ergebnis wird die Stärke des Schirmorgans 6 verringern was zum Messen eines großen Abstands unbrauchbar ist

Bei dem bekannten Winkelpositionsfühler nach F i g. 4 ist eine Kxeisplatte 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 F i g. 4 zeigt Ein Hall-IC 11 ist nahe dem magnetischen Organ 10 angeordnet

Die Magnetflußdichte für den HaII-IC 11 ändert sich, wie Fig.5 zeigt Da die Polarität des Magnetflusses umgekehrt ist, können Impulse mit einer definierten Wellenform durch den HaIl-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 55-1 37 222 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 HaII-IC 15 ist an dem Nordpol N befestigt. Der Südpol 5 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 HaM-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 1? muß deshalb genau geformt sein und bewegt werden, so daß keine Änderung des Abstand;) d auftritt. Das Ausgangssignal des Hall-Elements ändert sich des weiteren mit der Änderung der Umgebungstemperatur. F i g. 7 zeigt die Änderung des Ausgangssignals des Hall-Elements in Abhängigkeit von Änderungen des Abstands dund 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 itenau gemessen werden.

Gemäß Fig.8 enthält die Positionsmeßvorrichtung nach der Erfindung ein Meßorgan 21, das an einem (nicht dargestellten) sich bewegenden Teil befestigt ist und als magnetische Einrichtung einen Positionsfüh'erkopf 27, der durch eine (nicht dargestellte) geeignete Stützvorrichtung gehalten ist Das Meßorgan 21 besteht aus weichmagnetischem Material, wie Eisen oder Siliziumstahl. Das Meßorgan 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 23 gebildet sind, und einen gemeinsamen Mittelteil 26 ίο 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 Hall-IC 29. Der Magnet 28 hat einen E-förmigen Kern mit Polen Wund 5an beiden gegenüberliegenden Enden und der Hall-IC 29 ist an dem Endr des Mittelteils befestigt Gemäß F i g. 9 fluchten die Unterseiten der beiden P,■;-« N und S und des HaII-IC 29 miteinander und sind so angeordnet daß der Nordpol N nahe dem Vorsprung 25 und der Südpol S nahe dem Vorsprung 24 liegt, wobei der HaII-IC 29 dem gemeinsamen Abschnitt 26 benachbart ist Der Hall-IC 29 wirr' einem Magnetfluß in der Richtung Xausgesetzt und hat ein Paar Anschlußleitungen 30.

Wenn im Betrieb sich das Meßorgan 21 längs bewegt, wie dies durch den Pfeil gezeigt ist, geht jeder Vorsprung 24 und25 abwechselnd durch das Magnetfeld des Magnets 28. Wenn der Vorsprung 25 dem Nordpol N benachbart ist wie Fig. 10(a) zeigt befindet sich der HaII-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 imgekehrter Polarität ausgesetzt.

Gemäß F i g. 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 HaII-IC 29 schwankt. Da sich die Magnetfiußdichte in bezug auf den NuJI-Pegel ändert, kann ein weiter Bereich L für die Einstellung des Begrenzerpegels erhalten werden.

Gemäß der Temperaturkennünie des Hall-IC 29 in Fig. 13 ändert sich das Ausgangssignal des HaIMC 29 mit der Änderung der Umgebungstemperatur, auch so wenn die Magnetfltßdichte konstant ist. Das Ausgangssignal des Hall-IC wird jedoch beim Null-Pegel der Magnetflußdichte Null unu ändert sich proportional der Magnetfiußdichte. Gemäß der Erfindung ist es somit möglich, die Position eines sich bewegenden Teils gaziau zu messen, und zwar ohne Rücksicht auf Änderungen des Abstands zwischen dem Fühlerkopf und dem Meßorgan und der Umgebungstemperatur.

Fig. 14 zeigt ers Winkelposilionfeststellvorrichtung nach der Erfindung, z. B. eine Vorrichtung zum Messen 6ö 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 F i g. 8 aufweist, ist an dem Umfang der Scheibe 31 Ί5 in geeigneten Abständen befestigt. Ein Positionsfühlerkopf 33 ist nahe den Vorsprüngen des Meßorgans 32 angeordnet.

Bei der Vorrichtune wird die Winkelnnsitinn fl vnn

einem Ende a durch Zählen der Ausgangsimpulse des HaII-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 HaII-IC (Hall-Element) 29 die Ausgangsanschlüsse des HaII-IC mit den Eingängen eines !Comparators 34 verbunden. Da das Ausgangssignal des HaII-IC beim Null-Pegel der Magnet- flußdichte umgekehrt wird, wird auch das Ausgangssignal des !Comparators 34 hei der Null-Spannung des Ausgangssignals des HaII-IC umgekehrt.

Bei der Vorrichtung der Fig. 16(a) enthält ein Positionsfühlerkopf Joche 41,44 und 45 und zwei horizonta- is Ie 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 imgekehner Polarität angeordnet, um die Joche 44 und 45 mit entgegengesetzter Polarität zu magnetisieren.

Der Positionsfühlerkopf der F i g. 16(b) enthält ein T-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 Schenkelab- Schnitts des Jochs 47 befestigt ist.

Der Fühlerkopf der F i g. 16(c) enthält ein Paar U-förmige Magnete 51 und 52. die mit entgegengesetzter Polarität angeordnet sind und aneinander befestigt sind, um einen E-förmi^en 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 HaII-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 HaII-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 566 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 HaII-IC 65, der an der Unterseite des Jochs 62 befestigt ist. und ein horizontales Joch 66, das an dem HaIl-IC 65 befestigt ist

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

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

Die Erfindung ergibt eine Meßvorrichtung, weiche 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 Ufngebuugsternperaiur ändert. Obwohl bei den oben a? beschriebenen Ausführungsformen das Hall-Element bzw. der HaII-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.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!.Vorrichtung zum Messen der Position eines sich bewegenden Teils mit einer magnetischen Einrichtung (27) zum Erzeugen eines Magnetfelds, mit einer Umsetzeinrichtung (29) zum Umsetzen einer Änderung der Magnetflußdichte des Magnetfelds in eine Änderung einer Spannung und mit einem länglichen magnetischen Meßorgan, wobei die magnetische Einrichtung und das Meßorgan so angeordnet sind, daß ein Magnetkreis gebildet wird, der durch die Umsetzeinrichtung fließt, wobei das Meßorgan mehrere Vorsprünge (24,25) aufweist, die in Bewegungsrichtung angeordnet sind, wobei die magnetische Einrichtung drei Endteile in der Form eines E aufweist, dessen gegenüberliegende Endteile mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert sind, und wobei die Umsetzeinrichtung an einem initiieren Endteil der drei Endteile vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßorgan (21) eine Reihe von Einschnitten (22,23) an beiden Seiten des Organs, wobei die an beiden Seiten durch die Einschnitte gebildeten Vorsprünge versetzt angeordnet sind, und einen gemeinsamen Mittelteil (26) zwischen Vorsprüngen der beiden Seiten aufweist, wobei der gemeinsame Mittelteil dieselbe Höhe wie die Vorsprünge aufweist, wodurch ein abwechselnder gegenüberliegender Endteil zusammen mit dem gemeinsamen Mittelteil einen magnetischen Kreis bildet und die Polarität des magnetischen Kreises für die Umsetzeinrichtung abwechselnd mit einem Nullpegelintervall umgekehrt w's-.d, wenn sich die Umsetzeinrichtung und das Meßorgan relativ zueinander bewegen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet daß die Umsetzeinrichtung ein Hall-Element ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung ein Hall-IC ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung ein Magnetoresistor ist.