DE3218352A1

DE3218352A1 - Vorrichtung zum messen einer position

Info

Publication number: DE3218352A1
Application number: DE19823218352
Authority: DE
Inventors: Kunihiro Higashimurayama Tokyo Abe; Yoshihiko Hachioji Tokyo Morimoto
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1981-05-15
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1982-12-09
Also published as: FR2514492B1; GB2098743A; FR2514492A1; GB2098743B; JPS57189011A; US4535289A; JPH0379648B2; DE3218352C2

Description

5/93 Fuji Jukogyo K.K.

Vorrichtung zum Messen einer Position

Priorität: 15. Mai 1981 Japan 56-73757

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Position eines sich bewegenden oder drehenden Gegenstands und zum Umsetzen des Meßwerts in ein elektrisches Signal.

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

Bekannte Positionsfühler können nicht genau die Position eines sich bewegenden Teils messen, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Positionsfühler zu schaffen, der genau eine Position eines Gegenstands ohne Fehlfunktion mißt, die durch die Änderung des Abstands zwischen dem Fühlerkopf und dem Gegenstand und durch Temperaturänderungen verursacht wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Positionsfühlers,

: Fig. 2 eine Seitenansicht des PositionsfühLers der Fig. 1,

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

! Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Positionsmeß-

I vorrichtung nach der Erfindung,

• Fig. 5(a) bis (c) Darstellungen zum Erläutern der Wirkungs-

* weise der Positionsmeßvorrichtung der Erfindung, ! Fig. 6 eine Darstellung einer Ausgangswellenform der

Positionsmeßvorrichtung,

! Fig. 7 eine Darstellung einer Ausgangswellenform, wenn

; sich der Abstand zwischen dem Fühlerkopf und

I einem Gegenstand ändert,

Fig. 8 ein Schaltbild einer Schaltung zum Erzeugen eines

Ausgangssignals des Positionsfühlers und

! Fig. 9 eine Darstellung von Ausgangswellenformen der

* Schaltung der Fig. 8.

} Der bekannte Positionsfühler in Fig. 1 (japanische Patent-

\ anmeldung 55-137222) enthält einen Meßkörper 1 mit einer

I Reihe von Vorsprüngen 2, die im gleichen Abstand ange-

S ordnet sind, und einen U-förmigen Permanentmagnet 3, der

( nahe den Vorsprüngen angeordnet ist. Ein Hall-IC oder

^; Hall-Element 4 als Magnetflußdichtebestimmungsvorrichtung

ist an dem Nordpol N befestigt. Der Südpol S und der Hall-IC sind in einem Abstand D von der oberen Fläche der Vorsprünge 2 angeordnet. Wenn der Meßkörper 1 sich in Längsrichtung bewegt, ändert sich die Magnetflußdichte für den Hall-IC 4 in Abhängigkeit der Bewegung der Vorsprünge 2 und die Ausgangsspannung des Hall-IC ändert sich mit der Änderung der Magnetflußdichte. Der Bewegungsabstand kann somit durch Zählen der AusgangsimpuI se des Hall-IC gemessen werden.

Wenn bei diesem Positionsfühler der Abstand D schwankt, ändert sich die Ausgangsspannung des Hall-IC 4, auch wenn die Magnetflußdichte konstant ist. Der Meßkörper 1 muß demgemäß genau geformt sein und bewegt werden, damit

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nicht eine Änderung des Abstands D auftritt. Das Aus gangssignal des Hall-Elements ändert sich mit der Änderung der Umgebungstemperatur. Fig. 3 zeigt die Änderung des Ausgangssignals des Hall-Elements in Abhängigkeit von Änderungen des Abstands D und der Temperatur. Wegen der Änderung des Ausgangssignals des Hall-Elements muß ein Begrenzerpegel zum Bestimmen eines Schaltpegels innerhalb eines engen Bereichs "1" eingestellt werden. Wenn deshalb der Begrenzerpegel auf einen geeigneten Pegel eingestellt ist, kann die Position des sich bewegenden Körpers genau gemessen werden.

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

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

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

Der Positionsfühlerkopf 12 enthält einen Magnet 15 aus hartmagnetischem Material, wie Alnico,oder einen Seltenerd-Magnet und den Hall-IC 16. Der Magnet 15 hat einen E-förmigen Kern mit Polen N und S an beiden Enden und der Hall-IC 16 ist an dem Ende des mittleren Schenke I tei I s befestigt. Gemäß Fig. 5 fluchten die Unterseiten der beiden Pole N und S und desHall-IC 16 miteinander und sind so angeordnet-, daß der Nordpol N nahe dem Vorsprung 13 liegt und der Südpol S nahe dem Vorsprung 14 liegt. Der HaLl-IC liegt nahe einem Endteil jedes Vorsprungs.

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

Fig. 6 zeigt die Magnetflußdichte des auf den Hall-IC wirkenden Magnetfelds. Die Magnetflußdichte ändert sich

in RechteckweLLenform mit NuLL-PegeLintervaLL en und ι die Polarität ist in bezug auf den Null-Pegel umgekehrt.

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

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

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

Die Erfindung ergibt eine Meßvorrichtung, die zwei Arten von Ausgangssignalen durch einen einzigen Positionsfühlerkopf erzeugen kann. Die Vorrichtung der Erfindung kann

dadurch mit kleinen Abmessungen bei geringen Kosten hergestellt werden. Obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel das Hall-Element oder der Hall-IC als Vorrichtung zum Umsetzen der Änderung der Magnetflußdichte, in. eine Spannungsänderung verwendet wird-, können auch andere Elemente, wie ein Magnetoresistor, angewendet werden, Die Erfindung kann auch bei einer Vorrichtung verwendet werden, bei welcher der Fühlerkopf an einem sich bewegenden Körper befestigt ist das Meßorgan an einem stationären Körper angebracht ist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

ί 1.j Vorrichtung zum Messen der Position eines sich bewegenden Körpers, gekennzeichnet durch

magnetische Einrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfelds,

Umsetzeinrichtungen zum Umsetzen der Änderung der Magnetflußdichte des Magnetfelds in eine Spannungsänderung und

ein Meßorgan aus magnetischem Material zum Bilden von magnetischen Kreisen in Abhängigkeit des Magnetfelds, das durch die Umsetzeinrichtungen und die magnetischen Einrichtungen fließt,

wobei das Meßorgan so ausgebildet ist, daß die Polarität des magnetischen Kreises für die Umsetzeinrichtungen abwechselnd mit einem Null-Pegelintervall umgekehrt wird, wenn sich die Umsetzeinrichtungen und das Meßorgan relativ zueinander bewegen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Einrichtung ein E-förmiger Magnet

i. s t.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßorgän einen länglichen Stab mit einer Reihe von an dem Stab an beiden Seiten gebildeten Vorsprüngen

Ι enthält, wobei die Vorsprünge versetzt in gleichen Abständen

» angeordnet sind und die Länge jedes Vorsprungs größer

als die Hälfte der Breite des Stabs ist.

j
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

j daß eine Umsetzeinrichtung an einem Ende des mittleren

ι Schenke I tei I s des E-förmigen Magnets angeordnet ist.
5.. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ; daß der E-förmige Magnet so angeordnet ist, daß beide

! Endpole des E-förmigen Magnets den Vorsprüngen benachbart

j sind und daß die Umsetzeinrichtung dem inneren Teil eines

j der Vorsprünge im Betrieb benachbart ist.

ί
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Umsetzeinrichtung ein Hall-Element ist.

ϊ
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

ί daß eine Umsetzeinrichtung ein Hall-IC ist.

'
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Umsetzeinrichtung ein Magnetoresistor ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schaltungseinrichtungen zum Erzeugen von Impulsen in Abhängigkeit der durch die Umsetzeinrichtungen umgesetzten Spannung, wobei die Schaltungseinrichtungen einen Komparator mit einem invertierenden Eingang, dem die Spannung von einem Ausgang der Umsetzeinrichtungen zugeführt wird, und einem nichtinvertierenden Eingang, dem die Spannung von dem anderen Ausgang der Umsetzeinrichtungen zugeführt wir.d, und zwei Komparatoren enthält, die mit dem·Ausgang des Komparators zum Erzeugen von zwei Ausgangs!mpuIsreihen verbunden sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungseinrichtung zwei Begrenzerpegel zum Bestimmen eines Schaltpegels aufweist.