DE3586208T2

DE3586208T2 - Lineare positionsnachweisvorrichtung.

Info

Publication number: DE3586208T2
Application number: DE8585101297T
Authority: DE
Inventors: Wataru Ichikawa; Yuji Matsuki
Original assignee: SG KK
Current assignee: SG KK
Priority date: 1984-02-10
Filing date: 1985-02-07
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2005-02-08
Also published as: US4717874A; EP0446969B1; DE3586208D1; EP0446969A2; DE3588131D1; EP0152067A3; EP0152067A2; EP0152067B1; EP0446969A3; DE3588131T2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Linearpositionsmeßgerät und insbesondere ein Meßgerät vom Induktionstyp, das in der Lage ist, den Induktionskoeffizienten in Reaktion auf eine relative Verschiebung eines Kerns bezüglich einer Spule zu verändern, um so ein dementsprechendes Ausgangssignal zu erhalten, und insbesondere ein Linearpositionsmeßgerät, das in der Lage ist, eine verbesserte Veränderung des Induktionskoeffizienten zu bewirken, indem zumindest der Wirbelstromverlust als Parameter verwendet wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Positionsmeßgerät für die Kolbenstange eines flüssigkeitsgetriebenen Zylinders and insbesondere ein Kolbenstangenpositionsmeßgerät vom Induktionstyp, das in der Lage ist, den Induktionskoeffizienten in Reaktion auf eine relative Verschiebung einer Kolbenstange bezüglich am Zylinderhauptkörper befestigten Wicklung zu verändern, um so ein dementsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen, und insbesondere ein Kolbenstangenpositionsmeßgerät, das um die Kolbenstange herum mit einem Bereich aus verhältnismäßig leitfähiger Substanz, wie Kupfer, versehen ist und in der Lage ist, eine Veränderung des Induktionskoeffizienten zu bewirken, indem es wenigstens den durch die Wirkung des Bereichs leitender Substanz verursachten Wirbelstromverlust als Parameter verwendet.
Auf dem Gebiet der Linearpositionsmeßgeräte mit variabler Reluktanz ist ein Differentialübertrager bekannt. Es sind ebenfalls Meßgeräte eines Phasenverschiebungssystems offenbart, die einem Detektor mit variabler Reluktanz verwenden, so zum Beispiel in P 3205032.1. Diese herkömmlichen Meßgeräte sind sämtlich derart konstruiert, daß eine Veränderung des Induktionskoeffizienten der Spule nur in Reaktion auf die Veränderung der Reluktanz aufgrund einer Verschiebung eines magnetischen Elements bewirkt wird, woraus sich eine Begrenzung der Meßgenauigkeit ergibt. Insbesondere die Meßgenauigkeit bei geringen Verschiebungen ist aufgrund der mechanischen Struktur dieser Geräte begrenzt.
Dies wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 im folgenden näher erläutert. Ein herkömmliches Linearpositionsmeßgerät 10 mit variabler Reluktanz weist Primärspulen 1A-1D und Sekundärspulen 2A-2D, die an vorbestimmten Stellen relativ zueinander befestigt sind, und einen Kernabschnitt 3 auf, der in den Spulenraum derart eingesetzt ist, daß er relativ linear verschiebbar ist. Der Kernabschnitt 3 besteht aus mehreren magnetischen Kernen 3a, die in vorbestimmten Intervallen in der Linearverschiebungsrichtung (die Richtung der Pfeile L, ) angeordnet sind, und aus dazwischen angeordneten nicht magnetischen Abstandshaltern 3b. Zum Beispiel weisen die Kerne 3a eine zylindrische Ausbildung mit einer Länge von ungefähr P/2 auf und die Abstandshalter 3b weisen ebenfalls die Länge P/2 auf. Die Spule arbeitet mit vier Phasen, die der Einfachheit halber durch die Bezugszeichen A, B, C und D unterschieden werden. Die in jeder der Phasen A, B, C und D in Reaktion auf die relative Position der Kerne 3a in bezug auf die Spulen erzeugte Reluktanz ist um 90º phasenverschoben gegenüber derjenigen, die in den jeweils benachbarten Phasen erzeugt wird. Die Anordnung der jeweiligen Spulen und die Größe und Ausbildung der Kerne 3a ist so gewählt, daß, wenn zum Beispiel die Phase A eine Cosinus-Phase ist, die Phase B eine Sinus-Phase, die Phase C eine negative Cosinus-Phase und die Phase D eine negative Sinus-Phase ist.
Bei dem Beispiel von Fig. 1 sind die Primärspulen 1A- 1D und die entsprechenden Sekundärspulen 2A-2D and der gleichen Stelle gewickelt, wobei die Spulenlänge der jeweiligen Spulen ungefähr P/2 beträgt (wobei P eine beliebige Zahl ist. Die Spulen 1A und 2A der Phase A und die Spulen 1C und 2C der Phase C sind nebeneinander vorgesehen und die Spulen 1B und 2B der Phase B sowie die Spulen 1D und 2D der Phase D sind ebenfalls nebeneinander vorgesehen. Das Intervall zwischen der Spulengruppe der Phasen A und C und der Spulengruppe der Phasen B und D beträgt "P(n±1/4)" (wobei n eine beliebige natürliche Zahl ist).
Die Spulen 1A, 2A, 1C und 2C der Phasen A und C sind in einem zylindrischen Gehäuse 4 aufgenommen, das aus einer magnetischen Substanz, wie Eisen, besteht, und die Spulen 1B, 2B, 1D und 2D der Phasen B und D sind in einem ähnlichen zylindrischen Gehäuse 5 aufgenommen. Diese Eisengehäuse 4 und 5 dienen zur Verhinderung von gegenseitigen Beeinflussungen zwischen den jeweiligen Spulen und erhöhen die Einheit des magnetischen Kreises.
Wenn durch das Phasenverschiebungssystem ein Ausgangssignal erhalten werden soll, wird die Spulengruppe der Phasen A und C, deren Phasen der Reluktanzänderung einander entgegengesetzt sind, durch ein gemeinsames primäres Wechselstromsignal (zum Beispiel ein Sinuswellensignal) erregt, um ein Differential-Ausgangssignal zu erzeugen, und die Spulengruppe der Phasen B und D, deren Phasen der Reluktanzänderung einander entgegengesetzt sind, durch ein gemeinsames primäres Wechselstromsignal, das um einen vorbestimmten Winkel gegenüber dem vorgenannten Wechselstromsignal phasenverschoben ist (zum Beispiel ein Cosinuswellensignal), erregt, um ein Differential-Ausgangssignal zu erzeugen. Hieraus wird als ein Summensignal der Differential-Ausgangssignale der Phasen A und C und der Phasen B und D, ein Signal erhalten, das einem Signal äquivalent ist, das in den elektrischen Winkel des primären Wechselstromsignals um einen Phasenwinkel verschoben ist, der der linearen Position des Kernabschnitts 3 (ein Linearverschiebungsbetrag innerhalb der Strecke P) entspricht.
Bei dem zuvor beschriebenen Meßgerät wird die Reluktanz jeder Phase in Reaktion auf den Betrag der relativen Verschiebung des Kerns 3a bestimmt und bei dieser Bestimmung wird als Offset-Betrag der Reluktanz des magnetischen Kreises jeder Phase ein fester Wert verwendet, der durch einen Abstand zwischen dem Kernabschnitt 3 und dem Spulenabschnitt bestimmt ist. Andererseits kann die Meßempfindlichkeit für eine geringfügige Verschiebung durch Verkürzen des Intervalls P zwischen den Kernen 3a erhöht werden. Der feste Abstandsbetrag kann jedoch nicht proportional zur Verringerung des Intervalls P reduziert werden, und darüber hinaus ist eine solche Reduzierung durch die mechanische Struktur des Geräts limitiert. Daher führt der Versuch eine Erhöhung der Meßempfindlichkeit durch eine Verringerung des Intervalls P herbeizuführen zu einer relativen Abnahme der Breite der Reluktanzveränderung bezüglich der Verschiebung der Kerne 3a, d.h., des Verhältnis der Breite der Pegelveränderung, die der Verschiebung entspricht, zu dem induzierten Sekundärseiten-Spannungspegel, und somit zu keiner adäquaten Genauigkeit.
In US-A-4,406,999 ist ein induktiver Sensor dargestellt, der eine um ein Gehäuse herum vorgesehene Spule aufweist, in dem ein ferromagnetischer Kern angeordnet ist, um den eine Hülse aus leitendem Material angeordnet ist, die zwischen dem Kern und der Spule bewegbar ist, wobei die Induktion der Spule entsprechend einem vorbestimmten Verhältnis zur Verschiebung der Hülse in bezug zum Kern variabel ist, wobei die Überwachung der Veränderung der Induktion die Verschiebung des Objekts anzeigt. Es ist jedoch ein Nachteil dieses Sensors, daß er derart konstruiert ist, daß die leitende Hülse relativ zum feststehenden ferromagnetischen Kern bewegbar und damit kompliziert ist. Ferner ist sein linearer Meßbereich auf den der Länge der Spule entsprechenden Bereich begrenzt.
In US-A-3 281 825 ist ein berührungsloser Drehpositionskodierer dargestellt, der ein binäres Ausgangssignal "1" oder "0" entsprechend der Drehposition einer Welle erzeugt. Ein binär kodiertes Muster aus nicht leitendem Material ist auf einem Substrat aus nicht leitendem Material ausgebildet, das vorzugsweise ein nicht leitendes Material mit hoher Permeabilität ist, so daß eine größere Veränderung des Flusses erzielbar ist, wenn sich ein Kern von einem leitenden in einen nicht leitenden Bereich bewegt.
Ein Differentialübertrager, bei dem ein herkömmlicher Eisenkern durch einen Kern aus schwach magnetischem Material wie Kupfer oder Aluminium ersetzt ist, ist in der japanischen Patentveröffentlichungsschrift 1210/1982 offenbart. Dieser verwendet eine Reluktanzveränderung aufgrund des durch ein gut leitendes und schwach magnetisches Metall im Magnetfeld verursachten Wirbelstromverlusts anstelle einer Reluktanzänderung infolge der Verschiebung des stark magnetischen Kerns, zum Beispiel aus Eisen. Wie der herkömmliche Differentialübertrager mit Eisenkern kann dieser herkömmliche Differentialübertrager vom Wirbelstromtyp nicht zum Messen einer anderen linearen Position als einer in einem relativ kurzen Bereich liegenden Position verwendet werden. Da die gemessene lineare Position anhand des Betrags des Ausgangs-Analogspannungspegels geschätzt wird, ist ein fehlerhafter Betrieb beim Auftreten von Störungen und Rauschen wahrscheinlich.
Andererseits offenbart das veröffentlichte japanische Gebrauchsmuster 136718/1983 als Linearpositionsmeßgerät mit variabler Reluktanz ein Gerät mit Phasenverschiebung, bei dem eine lineare Position anhand eines elektrischen Winkels eines Wechselstromausgangssignals geschätzt wird.
Bei diesem Gerät sind Kerne aus magnetischer Substanz mit einer vorbestimmten Länge in einem vorbestimmten Intervall angeordnet und die lineare Position kann über einen relativ langen Bereich gemessen werden. Dieses Gerät erfordert jedoch das Bearbeiten und Montieren einer großen Zahl von Kernen aus magnetischer Substanz und es ist daher schwierig, die Herstellungskosten zu verringern.
In US-A-3,956,973 ist ein Kolbenstangenpositionsmeßgerät offenbart, bei dem eine ringförmige oder spiralförmige Nut in dem Eisen oder der anderen magnetischen Substanz um die Kolbenstange herum vorgesehen ist und ein Meßwandler, der auf das mit dem Verschieben der Kolbenstange einhergehende Eintreten der Nut ein elektrische Impulssignal erzeugt, ist fest am Zylinderhauptkörper angebracht.
In EP-A-0115008 ist ein Kolbenstangenpositionsmeßgerät offenbart, bei dem magnetische Ringe in einem vorbestimmten Intervall um eine Kolbenstange herum vorgesehen sind, Primär- und Sekundärwicklungen mehrerer Phasen am Zylinderhauptkörper vorgesehen sind, wobei die Primärwicklungen der jeweiligen Phasen individuell durch Wechselstromsignale, die zueinander phasenverschoben sind, erregt werden, und ein Wechselstromsignal, das entsprechend der Position der Kolbenstange phasenverschoben ist, an den Sekundärwicklungen erzeugt wird, und der Betrag der Phasenverschiebung digital gezählt wird, wodurch die Kolbenstangenposition absolut gemessen werden kann.
Die genannte EP-A-0 115 008 offenbart ebenso ein Kolbenstangenpositionsmeßgerät, bei dem ein Stator mit mehreren mit Primär- und Sekundärwicklungen gewickelten Polen fest am Zylinderhauptkörper angebracht ist, mehrere Vorsprünge auf einem Bereich magnetischer Substanz um die Kolbenstange herum ausgebildet sind, Die Primärwicklungen der jeweiligen Phasen individuell durch Wechselstromsignale, die zueinander phasenverschoben sind, erregt werden, und ein Wechselstromsignal, das entsprechend der Position der Kolbenstange phasenverschoben ist, an den Sekundärwicklungen erzeugt wird, und der Betrag der Phasenverschiebung digital gezählt wird, wodurch die Kolbenstangenposition absolut gemessen werden kann.
Da das in der genannten US-A-3,956,973 offenbarte Meßgerät lediglich ein Impulssignal in Reaktion auf das Eintreten der in der Kolbenstange ausgebildeten Nut erzeugt, muß zum Zählen dieses Impulses eine Einrichtung verwendet werden, um dieses Impulssignal zu erhalten, was im wesentlichen zu einem inkrementalen Impulserzeugungs- und Impulszählsystem führt. Es ist daher ein Nachteil dieses Geräts, daß die Kolbenstangenposition nicht absolut erkennbar ist. Daneben erfordert das Ausbilden der Nut eine maschinelle Bearbeitung der Kolbenstange, was ein verhältnismäßig aufwendiger Vorgang ist.
Das in EP-A-0 115 008 offenbarte Gerät ist ein absolutes System, so daß es die zuvor beschriebenen Schwierigkeiten bezüglich der absoluten Messung nicht aufweist. Jedoch bleibt auch bei diesem Gerät das Problem der aufwendigen Bearbeitung oder Montage der Magnetringe oder -vorsprünge um die Kolbenstange herum ungelöst.
Da ferner alle herkömmlichen Geräte derart konstruiert sind, daß die Veränderung des Induktionskoeffizienten durch das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein der Nut oder des Vorsprungs aus Eisen oder einem magnetischen Metall erzeugt werden kann, muß die Tiefe der Nut oder die Höhe der Vorsprünge zur Gewährleistung einer entsprechenden Genauigkeit eine ausreichende Größe aufweisen.
Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Meßgenauigkeit eines Linearpositionsmeßgeräts des Typs zu verbessern, bei dem die Reluktanzveränderung in Reaktion auf die Verschiebung erzeugt wird. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Größe des Geräts zu verringern und dadurch eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen, wenn das Gerät zur Messung einer geringen Verschiebung ausgelegt ist, und um ein solches Linearpositionsmeßgerät verhältnismäßig kostengünstig zu schaffen.
Das Linearpositionsmeßgerät zur Lösung der Aufgabe der Erfindung weist auf:
mehrere Linearpositionsmeßvorrichtungen, die jeweils aufweisen: ein Spulenteil und ein Stangenteil, das derart angeordnet ist, daß es in bezug zum Spulenteil relativ linear verschiebbar ist, wobei das Spulenteil wenigstens zwei Primärspulen und den Primärspulen entsprechende Sekundärspulen aufweist, wobei jeweilige Primärspulen durch Primär-Wechselstromsignale mit gleicher Frequenz erregt werden, die zueinander phasenverschoben sind, um an der Seite der Sekundärspuleneinrichtungen das Ausgangssignal zu erhalten, das durch Phasenverschieben eines der Primär-Wechselstromsignale mit der gleichen Frequenz entsprechend der relativen Linearposition des Stangenteils erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Stangenteil einer jeden Meßvorrichtung aufweist:
- mehrere in einem vorbestimmten Intervall in Richtung der relativen Linearverschiebung vorgesehene Bereiche leitender Substanz,
- wobei die Bereiche leitender Substanz derart vorgesehen sind, daß ein Wirbelstrompfad gebildet wird, der auf von dem Spulenteil erzeugten Fluß reagiert, und die Bereiche aus einem Material bestehen, daß schwach oder nicht magnetisch ist und im Vergleich mit der Substanz anderer Bereiche des Stangenteils relativ leitfähig ist, und
- wobei das Stangenteil jeder der Meßvorrichtungen plattenähnlich aus einer gemeinsamen Basis gebildet ist und eine Abfolge von Bereichen leitender Substanz entsprechend jedem der Stangenteile unabhängig voneinander auf dem gemeinsamen Basisteil vorgesehen ist, und das Intervall der Wiederholung der Bereiche leitender Substanz in den jeweiligen Stangenteilen verschieden ist.
In einem Absolut-Linearpositionsmeßgerät mit mehreren Meßvorrichtungen besteht der Basisbereich des Stangenteils aus einem gemeinsamen Material, wodurch die Herstellung des Geräts erleichtert und die Kosten weiter verringert werden.
Durch Vorsehen eines Bereichs leitender Substanz entsprechend einem Abschnitt, in dem ein relativer Anstieg der Reluktanz im Kernabschnitt bewirkt wird, wird der Wirbelstromverlust in diesem Abschnitt erzeugt, wodurch die Reluktanz wesentlich verbessert wird.
Beim Eintreten der Bereiche leitender Substanz des Stangenteils in das von dem Spulenteil erzeugte Magnetfeld wird in den Bereichen leitender Substanz ein Wirbelstrom erzeugt und die Reluktanz des das Spulenteil passierenden magnetischen Kreises nimmt durch den Wirbelstromverlust wesentlich zu. Der Betrag des Wirbelstromverlusts ändert sich mit dem Grad des Eintretens des Bereichs leitender Substanz in das Magnetfeld und die Veränderung der Reluktanz geht damit einher. Dementsprechend wird eine Spannung, die der relativen linearen Position der Bereiche leitender Substanz des Stangenteils in bezug auf das Spulenteil entspricht, in die Sekundärwicklungen des Spulenteils induziert.
Durch wiederholtes Vorsehen solcher Bereiche leitender Substanz, in denen der Wirbelstrom erzeugt wird, in einem vorbestimmten Intervall, kann die Linearposition in einem relativ langen Bereich gemessen werden. Ferner kann durch das Vorsehen der Vielzahl von Bereichen leitender Substanz die Funktion der Reluktanzveränderung bezüglich der Linearverschiebung zyklisch gemacht werden, und dadurch wird die Positionsmessung durch das Phasenverschiebungssystem möglich. Es sei darauf hingewiesen, daß die herkömmlichen Geräte mit einem einzelnen Kern aus leitender Substanz der Reluktanzveränderung keinen zyklischen Charakter geben können, und daher schwer an das Phasenverschiebungssystem anzupassen sind.
Da der Wirbelstrom dazu neigt, nahe der Oberfläche einer leitenden Substanz zu fließen, ist es nicht erforderlich, daß die in dem Stangenteil vorzusehenden Bereiche leitender Substanz mit großer Dicke ausgebildet werden. Die Bereiche leitender Substanz können in dem Basisbereich des Stangenteils in einem vorbestimmten Muster aufgebracht werden. Dies bedeutet eine leichte Herstellbarkeit des Stangenteils. Das heißt, ein solches Muster auf einem relativ dünnen Bereich leitender Substanz kann relativ leicht auf dem Basisbereich des Stangenteils durch Galvanisieren, thermisches Spritzen, Musterbrennen und Ätzen oder ein anderes geeignetes Oberflächenbehandlungsverfahren aufgebracht werden. Somit kann die aufwendige maschinelle Bearbeitung und die Montage, die bei dem Magnetsubstanzkernsystem erforderlich sind, entfallen und eine erhebliche Verringerung der Herstellungskosten ist zu erwarten. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung einen Bereich leitender Substanz, der durch maschinelle Bearbeitung oder Montage gebildet ist, nicht aus dem Umfang ausschließt, im Gegenteil kann ein solcher Bereich leitender Substanz genau so gut für die Zwecke der Erfindung verwendet werden.
Wenn die Bereiche leitender Substanz von Anfang an mit einem vorbestimmten Muster auf dem Basisbereich des Stangenteils aufgebracht werden kann, besteht keine besondere Schwierigkeit. Ein solches Aufbringen der Bereiche leitender Substanz von Anfang an ist jedoch manchmal je nach dem verwendeten Oberflächenbehandlungsverfahren (z. B. Galvanisieren) schwierig. Angesichts dieser zu erwartenden Schwierigkeit sieht die vorliegende Erfindung das folgende Verfahren zur Herstellung des Stangenteils vor: Zuerst wird eine ausgewählte leitende Substanz auf der gesamten Oberfläche des Stangenteils aufgebracht und anschließend der nicht benötigte Bereich der leitenden Substanz entfernt, wobei ein vorbestimmtes Muster der leitenden Substanz belassen wird, um durch die nicht entfernte leitende Substanz die Bereiche leitender Substanz zu bilden. Die Aufbringung erfolgt zum Beispiel durch Galvanisieren und das Entfernen durch Ätzen. Dies ermöglicht eine effektive Herstellung des Stangenteils. Wenn nicht benötigte leitende Substanz durch Ätzen entfernt wird, entsteht das Problem, daß das Basisteil des Stangenteils durch das Ätzmittel ebenfalls abgetragen werden kann. Diesem Problem kann dadurch begegnet werden, daß zunächst über den gesamten Umfang des Basisteils des Stangenteils eine Beschichtung aufgebracht wird, die gegen das Ätzmittel widerstandsfähig ist (z. B. eine Harzbeschichtung), und daß danach die leitende Substanz durch Galvanisieren oder ähnliche Oberflächenbearbeitungen aufgebracht wird. Durch dieses Verfahren ist der Basisteil des Stangenteils während des Ätzverfahrens durch die Harzbeschichtung geschützt.
Dieser Bereich leitender Substanz besteht aus einer Substanz, die schwach magnetisch oder nicht magnetisch ist und im Vergleich zu den Substanzen anderer Teile der Kolbenstange leitend ist. Der Betrag eines durch den Bereich leitender Substanz fließenden Wirbelstroms verändert sich mit der relativen linearen Verschiebung des Bereichs leitender Substanz in bezug zum Spulenteil, die durch eine Verschiebung der Kolbenstange bewirkt wird, um in der Sekundärspule ein Sekundär- Ausgangssignal zu erzeugen.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 - einen vertikalen Schnitt eines Beispiels eines herkömmlichen Linearpositionsmeßgeräts mit variabler Reluktanz;
Fig. 2 - einen vertikalen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Linearpositionsmeßgeräts;
Fig. 3 - einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 - eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Sekundärseiten-Ausgangsspannungspegel und dem Verschiebungsbetrag bei dem gleichen Ausführungsbeispiel zeigt;
Fign. 5 bis 7 - vertikale Schnittdarstellungen jeweils andere Ausführungsbeispiele der Stangenteile von Fig. 2;
Fig. 8 - eine vertikale Schnittdarstellung eines modifizierten Beispiels nach Fig. 2;
Fig. 9 - eine vertikale Schnittdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des Stangenteils;
Fig. 10 - eine vertikale Schnittdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels;
Fig. 11 - eine vertikale Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 12 - einen Schnitt entlang der Linie XII-XII in Fig. 11;
Fig. 13 - eine vertikale Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 14 - eine Draufsicht auf ein plattenähnliches Stangenteil nach Fig. 13;
Fig. 15 - einen Schnitt entlang der Linie XV - XV in Fig. 13;
Fig. 16 - eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel;
Fig. 17 - eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel;
Fig. 18 - eine vertikale Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 19 - eine Draufsicht auf das plattenähnliche Stangenteil nach Fig. 18;
Fig. 20 - einen Schnitt entlang der Linie IIX - IIX in Fig. 18;
Fig. 21 - eine vertikale Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 22 - eine Draufsicht auf das plattenähnliche Stangenteil nach Fig. 21;
Fig. 23 - einen vertikalen Schnitt entlang der Linie IIXIII - IIXIII in Fig. 21;
Fig. 24 - eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 25 - einen vertikalen Schnitt entlang der Linie V - V in Fig. 24;
Fig. 26 - eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 27 - einen Schnitt entlang der Linie VII - VII in Fig. 26;
Fig. 28 - eine vertikale Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fign. 29 bis 31 - vertikale Schnittdarstellungen jeweils anderer Ausführungsbeispiele des Stangenteils von Fig. 28;
Fig. 32 - ein Blockschaltbild eines Beispiels für eine Schaltung, welche das Linearpositionsmeßgerät durch das Phasenverschiebungssystem betreibt und die Messung des Betrags der elektrischen Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der linearen Position durchführt;
Fig. 33 - eine vertikale Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Linearpositionsmeßgeräts;
Fig. 34 - einen Schnitt entlang der Linie II - II in Fig. 33;
Fig. 35 - eine vertikale Schnittdarstellung einer Modifikation des Stangenteils von Fig. 33;
Fign. 36 bis 38 - vertikale Schnittdarstellungen jeweils anderer Ausführungsbeispiele des Stangenteils von Fig. 33;
Fig. 39 - eine vertikale Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 40 - eine Draufsicht auf das plattenähnliche Stangenteil nach Fig. 39;
Fig. 41 - einen vertikalen Schnitt entlang der Linie XIII - XIII in Fig. 39;
Fig. 42 - eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 43 - eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
Fig. 44 - ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Herstellung des Stangenteils des erfindungsgemäßen Linearpositionsmeßgeräts;
Fig. 45 - ein Ablaufdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Herstellung des Stangenteils;
Fig. 46 - eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zwei Linearpositionsmeßgeräte parallel vorgesehen sind, um eine absolute Linearposition zu messen;
Fig. 47 - ein vertikaler Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Kolbenstangenpositionsmeßgeräts; und
Fig. 48 - ein vertikaler Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel des Kolbenstangenpositionsmeßgeräts.
Es wird lediglich Schutz für die von den Ansprüchen erfaßten Ausführungsbeispiele angestrebt.
Im folgenden wird ein Linearpositionsmeßgerät in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.
In Fig. 2 und 3 ist der Aufbau und die Anordnung des Spulenteils im wesentlichen gleich denjenigen von Fig. 1. Die Primär- und Sekundärspulen 1A und 2A der Phase A und die Primär- und Sekundärspulen 1C und 2C der Phase C sind, durch eine Trennwand getrennt, in einem zylindrischen Gehäuse 4 aus magnetischer Substanz angeordnet. In gleicher Weise sind die Primär- und Sekundärspulen 1B und 2B der Phase B und die Primär- und Sekundärspulen 1D und 2D der Phase D, durch eine Trennwand getrennt, in einem zylindrischen Gehäuse 5 aus magnetischer Substanz angeordnet. Die Gehäuse 4 und 5, welche diese Spulen aufnehmen, sind mit ihren Hohlmittelachsen zueinander ausgerichtet und in bezug zueinander fixiert, wobei der axiale Abstand zwischen ihren Mittelpunkten P(1+1/4) beträgt. In den Zwischenraum in diesen Gehäusen, d.h., den Zwischenraum zwischen den Spulen, ist ein Stangenteil 6 derart eingesetzt, daß es bezüglich des Spulenteils relativ linear verschiebbar ist. Der Mittelbereich 6 des Stangenteils 6c besteht aus einer magnetischen Substanz und es sind ringförmige Bereiche 6a magnetischer Substanz vorgesehen, die von dem Mittelbereich 6 hervorstehen, mit einer vorbestimmten Breite P/2 und einem vorbestimmten Intervall P/2 in der Richtung der Linearverschiebung der Richtung der Pfeile L und ). Jeweilige Ausnehmungen, die durch jeweilige benachbarte Bereiche 6a magnetischer Substanz begrenzt sind, sind mit ringförmigen Bereichen 6b leitender Substanz versehen. Die Breite jedes ringförmigen Bereichs 6b leitender Substanz beträgt ebenfalls P/2. Der Mittelbereich 6c und die Bereiche 6a magnetischer Substanz bestehen aus Eisen oder einer anderen stark magnetischen Substanz, während die Bereiche 6b leitender Substanz im Vergleich zu den Bereichen 5a magnetischer Substanz aus einer relativ schwach magnetischen Substanz oder einer nicht magnetischen Substanz bestehen und ebenfalls aus einer Substanz mit verhältnismäßig guter Leitfähigkeit (z.B. Kupfer, Aluminium oder Messing, oder Mischungen solcher gut leitenden Substanzen und anderer Substanzen).
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel geht der von den Primärspulen 1A-1D der jeweiligen Phasen erzeugte Fluß durch die Gehäuse 4 und 5 aus magnetischer Substanz und den Mittelbereich 6c des Stangenteils 6. Die Lücken zwischen den Innenumfängen der Gehäuse 4 und 5 und den vorstehenden Bereichen 6a magnetischer Substanz des Stangenteils 6 sind schmaler als die zwischen diesen Innenumfängen und der Oberfläche des Mittelbereichs 6c an den Bereichen 6b leitender Substanz des Stangenteils 6 gebildeten Lücken. Daneben entspricht die Breite P/2 der Bereiche 6a magnetischer Substanz und der Bereiche 6b leitender Substanz im wesentlichen der Länge jeder Spule. Wenn das Stangenteil 6 in bezug zu dem Spulenteil relativ linear verschoben wird, verändert sich die Reluktanz in jeder Phase des magnetischen Kreises entsprechend der relativen Position der Bereiche 6a magnetischer Substanz bezüglich der Spulen jeder Phase. Es ist bekannt, daß je mehr des Bereichs 6a magnetischer Substanz den Raum in einer Spule (z.B. den Zustand der Phase C in Fig. 2, in dem der Bereich 6a den maximalen Raum einnimmt) einnimmt, desto geringer ist die Reluktanz und um so größer ist die Permeanz. Wie sich daraus ergibt, sind die Bereiche 6b leitender Substanz, die zwischen den Bereichen 6a magnetischer Substanz vorgesehen sind, in Bereichen angeordnet, in denen die Reluktanz des Stangenteils 6 verhältnismäßig hoch ist (d.h., Bereiche, in denen die Permeanz verhältnismäßig gering ist). Daneben weist jeder der Bereiche 6b leitender Substanz eine ringförmige Ausbildung in bezug zum Mittelbereich 6c auf, wodurch ein magnetischer Pfad gebildet gebildet ist, wobei der Bereich 6b als sogenannter Kurzschlußring dient, der einen Wirbelstrompfad bezüglich des Flusses bildet. Je mehr von dem Bereich 6b leitenden Materials den Raum in einer Spule einnimmt (z.B. der Zustand der Phase A in Fig. 2, in dem der Bereich 6b den maximalen Raum einnimmt), desto größer ist der Wirbelstrom und die Reluktanz, die im wesentlichen durch den Wirbelstromverlust erhöht wird. Andererseits nimmt die Reluktanz, wie zuvor beschrieben, in der dem Bereich 6b leitender Substanz aufgrund der Abwesenheit des Bereichs 6a magnetischer Substanz relativ zu. Die Reluktanz nimmt daher kumulativ zu und der Pegel der induzierten Spannung in der Sekundärspule wird auf verbesserte Weise gedämpft.
Das zuvor beschriebene Phänomen ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Der Pegel der induzierten Spannung in einer Sekundärspule in einer bestimmten Phase (z.B. 2A), der nur auf den Bereich 6a magnetischer Substanz zurückzuführen ist, ist durch die durchgezogene Linie in bezug auf eine relative Linearverschiebung innerhalb einer Strecke P dargestellt, während in einem Bereich, in dem der Pegel relativ gedämpft ist, die Dämpfung der induzierten Spannung aufgrund des Wirbelstromverlusts In dem Bereich 6b leitender Substanz, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, addiert ist, so daß der Bereich der Abweichung des Pegels der induzierten Spannung in bezug auf einen gegebenen Verschiebungsbetrag (z. B. VL1, VL2) in dem Falle größer ist, in dem die Abweichung aufgrund des Bereichs 6a magnetischer Substanz und die Abweichung aufgrund des Bereichs leitender Substanz 6b addiert sind (d.h., VL2), als in dem Fall, in dem allein der Bereich 6a magnetischer Substanz zu der Abweichung beiträgt (d.h., VL1).
Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht der Mittelbereich 6c des Stangenteils 6 aus einem magnetischen Material, das dem Material des Bereichs 6a magnetischer Substanz ähnlich ist. Das Material des Mittelbereichs 6c jedoch ist nicht auf solche Materialien beschränkt, sondern der Mittelbereich 6c kann aus einem geeigneten nicht magnetischen Material bestehen oder ein Hohlraum sein.
In den Fign. 5 - 7 sind modifizierte Beispiele des Stangenteils 6 dargestellt, welche das Stangenteil 6 der Fig. 2 ersetzen können. Ein Stangenteil 7 nach Fig. 5 besteht aus einem Rohr 7c aus einer nicht magnetischen Substanz und ringförmigen Bereichen 7a magnetischer Substanz und ringförmigen Bereichen 7b leitender Substanz, die jeweils die Breite P/2 aufweisen, wobei die Bereiche 7a und 7b abwechselnd in dem Rohr 7c vorgesehen sind. Der Mittelbereich des Stangenteils 7 ist ein Hohlraum. Dieses Beispiel hat den Vorteil, leicht zu sein, da der Mittelbereich hohl ist. Ein in Fig. 6 dargestelltes Stangenteil 8 besteht aus einem Rohr 8c aus einer nicht magnetischen Substanz und scheibenförmigen Bereichen 8a magnetischer Substanz sowie scheibenförmigen Bereichen 8b leitender Substanz, die jeweils die Breite P/2 aufweisen, wobei die Bereiche 8a und Bb abwechselnd in dem Rohr 8c vorgesehen sind. Die Rohre 7c und 8c können durch Gießen oder Beschichten mit Kunstharz gebildet werden. Ein solches Gießen oder Beschichten der Oberfläche mit einer nicht magnetischen Substanz kann ebenfalls bei dem Stangenteil 6 oder jedem anderen Typ von Stangenteil angewendet werden. Das in Fig. 7 dargestellte Stangenteil 9 besteht aus einem Kern 9c aus nicht leitender und leitender Substanz und ringförmigen Bereichen 9a magnetischer Substanz und ringförmigen Bereichen 9b leitender Substanz, die jeweils eine Breite von P/2 aufweisen, wobei die Bereiche 9a und 9b ab wechselnd um den Kern 9c herum angeordnet sind. Der Kern 9c kann aus einer magnetischen Substanz bestehen, die den Bereichen 9a magnetischer Substanz ähnlich ist, wobei das Stangenteil 9 im wesentlichen die gleiche Konstruktion hat wie das in Fig. 2 dargestellte Stangenteil 6. Alternativ kann die Stange 9c aus einer schwach magnetischen Substanz bestehen, die den Bereichen 9b leitender Substanz ähnlich ist. Das Material und andere Bedingungen der jeweiligen Bereiche 7a, 8a, 9a magnetischer Substanz und der jeweiligen Bereiche 7b, 8b, 9b leitender Substanz entsprechen denjenigen der Bereiche 6a magnetischer Substanz und der Bereiche 6b leitender Substanz von Fig. 2.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 sind die Spulen der jeweiligen Phasen in den zylindrischen Gehäusen 4, 5 aus magnetischer Substanz angeordnet, um einen magnetisch leitenden Weg zu schaffen. Die Erfindung kann, wie in Fig. 8 dargestellt, jedoch auch ohne das Vorsehen solcher Gehäuse aus magnetischer Substanz realisiert werden. Das Beispiel von Fig. 8 weist den gleichen Aufbau auf, wie dasjenige von Fig. 2, mit der Ausnahme, daß die Spulen 1A-1D, 2A-2D der jeweiligen Phasen A-D in nicht dargestellten, nicht magnetischen und nicht leitenden Gehäusen, anstatt in Gehäusen aus magnetischer Substanz, angeordnet sind. Das in Fig. 8 dargestellte Stangenteil 6 ist durch ein beliebiges der Stangenteile 7 bis 9 der Fign. 5 bis 7 ersetzbar. Der Bereich 6a magnetischer Substanz des Stangenteils 6 in den Beispielen der Fign. 2 bis 8 kann einen Längsschnitt aufweisen, bei dem, wie in Fig. 9 dargestellt, der Bereich 6a' aufeinander zu laufende Flächen, anstatt rechtwinklige Flächen, aufweist. Mit dem Bezugszeichen 6' ist ein Stangenteil, mit 6a' ein sich verjüngender Bereich magnetischer Substanz und mit 6b' ein Bereich leitender Substanz bezeichnet.
Der Aufbau des Spulenteils, einschließlich der Anzahl der Spulen, ist auf den in den Fign. 2 bis 8 dargestellten beschränkt, sondern kann je nach den Erfordernissen variieren. Bei dem in Fig. 10 dargestellten Beispiel, zum Beispiel, nimmt ein Gehäuse 4' aus magnetischer Substanz, das die Länge P aufweist, eine Sekundärspule 2A der Phase A, eine den Phasen A und C gemeinsame Primärspule 1AC und eine Sekundärspule 2C der Phase C auf, die jeweils ein Drittel der Länge P einnehmen. In ähnlicher Weise nimmt das Gehäuse 5' aus magnetischer Substanz eine Sekundärspule 2B, eine gemeinsame Primärspule 1BD und eine Sekundärspule 2D auf. Wie zuvor ist die Stange 6 durch ein beliebiges Stangenteil 7 bis 9 und 6' nach den Fign. 5 bis 7 und 9 ersetzbar. Die Gehäuse 4', 5' aus magnetischer Substanz können entfallen.
Während jedes der genannten Ausführungsbeispiele derart aufgebaut ist, daß das Stangenteil in dem Raum angeordnet ist, der durch das Spulenteil begrenzt ist, kann der Aufbau eines jeden Ausführungsbeispiels nach den Erfordernissen geändert werden.
Fig. 11 zeigt eine Modifikation des Spulenteils und Fig. 12 zeigt den Querschnitt entlang der Linie XII - XII in Fig. 11. Die Primär- und Sekundärspulen 1A-1D, 2A-2D der jeweiligen Phasen A-D sind auf beide Arme U-förmiger Kerne 11, 12, 13, 14 aus magnetischer Substanz gewickelt, die für die jeweiligen Phasen vorgesehen sind. Die Kerne 11-14 des Spulenteils der Phasen A-D sind derart in bezug zueinander angeordnet und fixiert, daß der Zyklus der Reluktanzveränderung in einer der Phasen A-D um 1/4 Zyklus (90º) bezüglich der benachbarten Phasen phasenverschoben ist. Zum Beispiel ist jeder der Kerne 11 bis 14 um 3P/4 (ungefähr P(1-1/4)) von den benachbarten Kernen beabstandet. Das Stangenteil 6 weist eine ähnliche Konstruktion auf wie das in Fig. 2 dargestellte. Die beiden Enden jedes der U-förmigen Kerne 11 bis 14 sind voneinander um eine Entfernung beabstandet, die im wesentlichen der Breite P/2 des Bereichs 6a magnetischer Substanz und des leitenden Bereichs 6b entspricht. In jeder Phase ist der magnetische Kreis gebildet, der sich von einem Ende jedes der U-förmigen Kerne 11 bis 14 durch das Stangenteil 6 zum anderen Ende des Kerns erstreckt. Auch bei diesem Beispiel ist das Stangenteil 6 durch ein beliebiges der Stangenteile 7 bis 9 und 6' nach den Fign. 5 bis 7 und 9 ersetzbar. Während bei dem in der Fig. 11 dargestellten Beispiel die Kerne 11 bis 14 der jeweiligen Phasen in der Linearverschiebungsrichtung ausgerichtet sind, können die Kerne in Umfangsrichtung verschoben sein, wie durch die gestrichelten Linien 12', 13' und 14' dargestellt. Somit kann der Abstand in linearer Verschiebungsrichtung zwischen den einander benachbarten Phasen sehr viel geringer sein als 3P/4 (z.B. P/4). Bei dem Beispiel von Fig. 11 ist der Wirbelstrompfad, der in dem Bereich 6b leitender Substanz erzeugt wird, um den Flußpfad quer zu den Endbereichen der Kerne 11 bis 14, anstatt in Ringform, ausgebildet. Daher müssen die Bereiche 6b bis 9b und 6b' aus leitender Substanz nicht notwendigerweise Ringform aufweisen, sondern bedürfen lediglich einer gewissen Fläche an den Stellen, die den Endbereichen der Kerne 11 bis 14 gegenüber liegen.
Das Stangenteil muß nicht die Form einer runden Stange aufweisen, wie dies in den genannten Ausführungsbeispielen dargestellt wurde, sondern sie kann plattenähnliche Form aufweisen. Ein Detektor mit einem plattenähnlichen Stangenteil kann vorteilhaft an einer Stelle eingesetzt werden, an der ein Stangenteil mit runder Stangenform nicht in geeigneter Weise einsetzbar ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 13 weist das Spulenteil die U-förmigen Kerne 11 bis 14 auf, die jeweils für die Phasen A-D vorgesehen sind, die, wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 11, in der Linearverschiebungsrichtung ausgerichtet und in einem gegebenen Abstandsintervall von 3P/4 angeordnet sind, sowie die auf die jeweiligen Kerne 11 bis 14 aufgewickelten Primär- und Sekundärspulen 1A - 1D, 2A - 2D. Unter Belassung eines vorgegebenen Abstands vom Endbereich der Kerne 11 bis 14 ist ein plattenähnliches Stangenteil 15 angeordnet, das bezüglich des Spulenteils linear verschiebbar ist. Auf dieser Seite des plattenähnlichen Stangenteils 15 sind, den Endbereichen der Kerne 11 bis 14 gegenüberliegend, mehrere Bereich 15a magnetischer Substanz und Bereiche 15b leitender Substanz abwechselnd in Intervallen von P/2 vorgesehen. Fig. 14 ist eine Draufsicht auf das plattenähnliche Stangenteil 15. Das plattenähnliche Stangenteil 15 weist zum Beispiel ein Basisteil 15c und Bereiche 15a magnetischer Substanz auf, die beide aus dem gleiche Material bestehen. Die Bereiche 15a magnetischer Substanz sind mehrere im Intervall von P/2 vorgesehene Vorsprünge auf dem Basisteil 15c. Die zwischen den Bereichen 15a gebildeten Ausnehmungen sind mit Bereichen 15b leitender Substanz ausgefüllt. Selbstverständlich bestehen die Bereiche 15a magnetischer Substanz und die Bereiche 15b leitender Substanz aus den gleichen Materialien wie die Bereiche 6a magnetischer Substanz und die Bereiche 6b leitender Substanz von Fig. 2. Fig. 15 ist ein Schnitt entlang der Linie XV-XV in Fig. 13. Das Basisteil 15c muß nicht notwendigerweise aus magnetischer Substanz bestehen, sondern kann aus jedem geeigneten Material bestehen, zum Beispiel nicht magnetischer oder nicht leitender Substanz oder dem gleichen Material, aus dem der Bereich 15b leitender Substanz besteht.
Während bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 13 die Kerne 11 bis 14 des Spulenteils der jeweiligen Phasen A-D in der Richtung der Linearverschiebung ausgerichtet sind, können diese Kerne 11 bis 14 derart angeordnet sein, daß eine Linie unter einem Winkel zur Linearverschiebungsrichtung mit einem Intervall von P/4 bilden, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist. Alternativ können die Kerne 11 bis 14 der jeweiligen Phasen A-D quer zur Linearverschiebungsrichtung angeordnet sein, wobei die Bereich 17a magnetischer Substanz und die Bereiche 17b leitender Substanz, die jeweils den Phasen A-D entsprechen, um P/4 zueinander verschoben sind, wie dies in Fig. 17 dargestellt ist. Die Fign. 16 und 17 sind jeweils Draufsichten: Die Primär- und die Sekundärwicklungen sind, wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 13, auf die Arme der Kerne 11 bis 14 des Spulenteils der Phasen A-D gewickelt. Das plattenähnliche Stangenteil 16 weist in genau der gleichen Weise wie das Stangenteil 15 von Fig. 13 mehrere abwechselnd angeordnete Bereich 16a magnetischer Substanz und Bereiche 16b leitender Substanz auf. Das stangenteil 16 hat jedoch eine geringere Breite als das Stangenteil 15. Die Bereiche 17a magnetischer Substanz und die Bereiche 17b leitender Substanz sind in Intervallen von P/2 abwechselnd vorgesehen, während diese Bereiche in der Linearverschiebungsrichtung um P/4 gegenüber denjenigen in benachbarten Phasen verschoben sind.
Während bei den Ausführungsbespielen der Fign. 13 bis 17 beide Endbereiche jedes der U-förmigen Kerne 11 bis 14 des Spulenteil nur einer Seite des flachen Stangenteils gegenüberliegen, können die in der Fig. 18 dargestellten C-förmigen Kerne 18 bis 21 der jeweiligen Phasen verwendet werden, so daß ein plattenähnliches Stangenteil 22 zwischen den beiden Endbereichen jeder dieser Kerne angeordnet werden kann. Fig. 19 ist eine Draufsicht auf das ebene Stangenteil 22 und Fig. 20 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie IX-IX in Fig. 18. Wie zuvor, sind auf die Kerne 18 bis 21 der Phasen A-D die Prirmär - und die Sekundärspulen 1A - 2D aufgewickelt. Auf beiden Seiten des plattenähnlichen Stangenteils 22 sind Bereiche 22a magnetischer Substanz und Bereiche 22b leitender Substanz in der Linearverschiebungsrichtung alternierend in Intervallen von P/2 vorgesehen. Diese Bereiche 22a magnetischer Substanz und die Bereiche 22b leitender Substanz können auf nur einer Seite des Stangenteils 22 vorgesehen sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 21 ist ein plattenähnliches Stangenteil 45 zwischen den beiden Endbereichen der C-förmigen Kerne 18-21 des Spulenteils der jeweiligen Phasen angeordnet, die denjenigen von Fig. 18 entsprechen. Fig. 22 ist eine Draufsicht auf das flache Stangenteil 45 und Fig. 23 ist ein Schnitt entlang der Linie IIXIII-IIXIII in Fig. 21. Das plattenähnliche Stangenteil 45 ist auf beiden Seiten mit ringförmigen Bereichen 45b leitender Substanz versehen. Auf beiden Seiten des Stangenteils, dessen Basisteils aus einer magnetischen Substanz besteht, sind in Linearverschiebungsrichtung mehrere Vorsprünge vorgesehen, die jeweils P/4 breit und um einen Abstand von 3P/4 voneinander beabstandet sind. Diese Vorsprünge bilden die Bereiche 45a magnetischer Substanz. Diese quadratischen ringförmigen leitenden Bereiche 45b sind in den jeweils 3P/4 breiten Ausnehmungen (Bereiche 45a magnetischer Substanz) vorgesehen. Wie zuvor, können die Bereiche 45a magnetischer Substanz und die Bereiche 45b leitender Substanz nur auf einer Seite des Stangenteils 45 vorgesehen sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 24 sind ein Bereich 46a magnetischer Substanz und ein Bereich 46b leitender Substanz alternierend schraubenlinienförmig um ein Stangenteil 46 in Form einer eingängigen Schraube mit einer Steigung P angeordnet. Der Bereich 46a magnetischer Subtanz entspricht dem Schraubengewinde und der Bereich 46b leitender Substanz (eine verhältnismäßig schwach magnetische oder nicht magnetische Substanz, jedoch ein guter Leiter, wie die zuvor genannten Bereiche leitender Substanz) ist in der Rille 46b' der Schraube angeordnet. In Fig. 24 sind der Bereich 46a (der Bereich magnetischer Substanz), der dem Schraubengewinde entspricht, und die Rille 46b' in Seitenansicht dargestellt, während der in die Rille 46b' eingesetzte Bereich 46b leitender Substanz aus Gründen der Einfachheit im Schnitt dargestellt ist. Fig. 25 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie V-V in Fig. 24. Wie in Fig. 25 dargestellt, sind am Umfang des Stangenteils 46 U-förmige Kerne 47 bis 50 der Phasen A-D um 90º voneinander versetzt angeordnet. Auf jeden dieser Kerne 47 bis 50 sind die Primärspulen 1A bis 1D und die Sekundärspulen 2A bis 2D aufgewickelt. Es besteht ein gewisser Abstand zwischen den Endbereichen jedes dieser Kerne 47 bis 50 und dem Umfang des Stangenteils 46.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 26 sind die Bereiche 51a magnetischer Substanz und die Bereiche 51b leitender Substanz alternierend schraubenlinienförmig um den Umfang des Stangenteils 51 in Form einer zweigängigen Schraube mit der Steigung 2P angeordnet. Wie zuvor entsprechen die Bereiche 51a magnetischer Substanz den Schraubengewinden und die Bereiche 51b leitender Substanz sind in den Rillen 51b' angeordnet. Wie in der Fig. 24 sind die Gewindebereiche (die Bereiche magnetischer Substanz) und die Rillen 51b' in Seitenansicht dargestellt, während die Bereiche 51b leitender Substanz im Schnitt dargestellt sind.
Fig. 27 ist ein Querschnitt entlang der Linie VII-VII von Fig. 26. Um den Umfang des Stangenteils 51 sind acht Kerne 52 bis 59 um 45º in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet. Jedes der vier Paare einander gegenüberliegender Kerne, die voneinander um 180º beabstandet sind, sind in Phase und bildet eine der Phasen A-D. Wie zuvor sind auf jeden dieser Kerne 52 bis 59 die Primärspulen 1A bis 1D und die Sekundärspulen 2A bis 2D aufgewickelt. Die Ausgänge der in Phase befindlichen Sekundärspulen werden miteinander addiert.
In den Fign. 24 bis 27 wird das Stangenteil 46 oder 51 (in Richtung des Pfeils L oder ) relativ zu dem Spulenteil linear verschoben, das aus den Kernen 47 bis 50 oder 52 bis 59 der Phasen A-D besteht, die in dem dargestellten Anordnungsverhältnis in bezug zueinander fixiert sind. Somit funktionieren die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 24 bis 27 in der gleichen Weise wie die zuvor beschriebenen. Ein Spulenteil mit acht Polen nach Fig. 27 (wobei die um 180º voneinander beabstandeten Pole jeweils in Phase sind) hat den Vorteil, daß, obwohl die Lücken zwischen dem Umfang des Stangenteils und den Endbereichen der Kerne 52 bis 59 variieren, da der Mittelpunkt des Stangenteils geringfügig auf die Mittelpunkte der Kerne vorgespannt ist, die Addition der Ausgänge der um 180º beabstandeten gegenüberliegenden und in Phase befindlichen Spulen Fehler ausgleicht, die aufgrund vorgespannten Position des Stangenteils bezüglich der Kerne entstehen. Die Bereiche 46a, 51a magnetischer Substanz und die Bereiche 46b, 51b leitender Substanz können auch lediglich an den Kernen 47 bis 50, 52 bis 59 der jeweiligen Phasen gegenüberliegenden Stellen vorgesehen sein.
Während bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen das Stangenteil mit mehreren Bereichen magnetischer Substanz und mehreren Bereichen leitender Substanz in alternierender Anordnung versehen ist, so daß ein weiter Bereich periodischer Reluktanzveränderung erhalten wird, kann innerhalb eines begrenzten Bereichs linearer Verschiebung nur eine Reluktanzveränderungsperiode erzielt werden. Fig. 28 zeigt ein solches Beispiel, bei dem ein zylindrisches Stangenteil 23 in dem Raum angeordnet ist, der von einem Spulenteil gebildet ist, welches aus den Primär- und Sekundärspulen 1A,2A, 1C, 2C der Phasen A, C besteht. Der Mittelbereich des Stangenteils 23 ist ein Bereich 23b leitender Substanz mit einer gegebenen Breite von P/2, der sandwichartig von Bereichen 23a magnetischer Substanz umgeben ist. Dieser Aufbau ermöglicht lediglich die Erzeugung einer Periode der Reluktanzveränderung innerhalb des Bereichs P. Das Stangenteil 23 ist durch ein Stangenteil 24, 25 oder 26 ersetzbar, die in den Fign. 29, 30 und 31 dargestellt sind. Das Stangenteil 24 weist einen ringförmigen Bereich 34b leitender Substanz auf. Das Stangenteil 25 weist Bereiche 25b leitender Substanz und einen Bereich 25a magnetischer Substanz auf, die gegenüber der Darstellung von Fig. 28 in umgekehrtem Anordnungsverhältnis vorgesehen sind. Das Stangenteil 26 weist ringförmige leitende Bereiche 26b auf. Das Bezugszeichen 27 bezeichnet ein nicht magnetisches Rohr.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fign. 2 bis 27 kann das Ausgangssignal, das der relativen linearen Position des Stangenteils entspricht, erhalten werden, indem das Phasenverschiebungsverfahren angewendet wird. In den jeweiligen Phasen A-D treten periodische Reluktanzveränderungen mit einer Periode auf, die dem, Betrag P der Linearverschiebung des Stangenteils entspricht, derart, daß diese Reluktanzveränderungen um 90º (P/4) gegenüber denjenigen benachbarter Phasen phasenverschoben sind. Daher können für den der Linearverschiebung entsprechenden Phasenwinkel die in die Sekundärspulen 2A bis 2D der jeweiligen Phasen A bis D induzierten Spannungspegel entsprechend der relativen linearen Position (nämlich ) annähernd in der Phase A als cos , in der Phase B als sin , in der Phase C als -cos und in der Phase D als -sin ausgedrückt werden (2π entspricht P). Die Primärspulen 1A, 1C der Phasen A, C werden von einem Sinuswellensignal sinωt erregt, während die Primärspulen 1B, 1D der Phasen B und D von einem Cosinuswellensiganl cosωt erregt werden. In dem Phasenpaar A und C werden die Ausgangs signale der Sekundärspulen 2A, 2C differentiell addiert, und in dem Phasenpaar B und D werden die Ausgangssignale der Sekundärspulen 2B, 2D ebenfalls differentiell addiert. Die Differentialausgangssignale dieser Paare werden addiert, um das endgültige Ausgangssignal Y zu synthetisieren. Somit kann das Ausgangssignal Y im wesentlichen durch die folgende verkürzte Gleichung ausgedrückt werden:
Y = sinωt cos - (-sinωt cos ) + cosωt sin - (-cosωt sin )
= 2 sinωt cos + 2 cosωt sin
= 2 sin (ωt + )
Der Koeffizient in der obigen Gleichung, für den aus Gründen der Einfachheit 2 eingesetzt wurde, kann durch eine Konstante K ersetzt werden, die entsprechend verschiedener Bedingungen ermittelt ist, um so
Y = K sin (ωt + )
zu erhalten, wobei der relativen linearen Position entspricht, so daß die lineare Position gemessen werden kann, indem die Phasendifferenz des Ausgangssignals Y bezüglich des Primär-Wechselstromsignals sinω t (oder cosωt) ermittelt wird.
Eine Einrichtung zum Ermitteln der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangs Signal Y und dem Referenz-Wechselstromsignal sinωt (oder cosωt) können in geeigneter Weise ausgebildet sein. Fig. 32 zeigt ein Beispiel für eine solche Schaltung, in der die Phasendifferenz als digitaler Wert erhalten wird. Obwohl in der Figur nicht dargestellt, kann die Phasendifferenz auch als analoger Wert erhalten werden, indem eine Integrationsschaltung zur Berechnung eines Zeitunterschieds bei einem vorbestimmten Phasenwinkel (z.B. 0º) zwischen dem Referenz-Wechselstromsignal und dem Ausgangssignal Y = K sin (ωt + ) verwendet wird.
In Fig. 32 ist eine Referenz-Wechselstromsignalerzeugungsschaltung 32 dargestellt, die eine Schaltung zum Erzeugen eines Referenz-Wechselstromsinussignals sinωt und eines Referenz-Wechselstromcosinussignals cosωt ist, und eine Phasendifferenzermittlungsschaltung 37 eine Schaltung zum Messen der Phasendifferenz ist. Ein von einem Taktoszillator 33 erzeugter Taktimpuls CP wird von einem Zähler 30 gezählt. Der Zähler 30 hat ein Modulo M, wobei M eine geeignete ganze Zahl ist, und seine Zählung wird einem Register 31 zugeführt. Ein Impuls Pc, der durch Frequenzteilen des Taktimpulses CP durch 4/M erhalten wird, wird aus einem 4/M- frequenzgeteilten Ausgang des Zählers 30 ausgegeben und einem C-Eingang eines 1/2-frequenzteilenden Flipflops 34 zugeführt. Ein von einem Q-Ausgang des Flipflops 34 gelieferter Impuls Pb wird einem Flipflop 35 zugeführt und ein Impuls Pa, der von einem -Ausgang des Flipflops 34 geliefert wird, wird einem Flipflop 36 zugeführt. Die Ausgangssignale der Flipflops 35 und 36 werden durch Tiefpaßfilter 38, 39 und Verstärker 40 und 41 verarbeitet, wodurch das Cosinussignal cosωt und das Sinussignal sinωt erhalten und den Primärspulen 1A-1D der jeweiligen Phasen A - D zugeleitet werden. M Zählungen in dem Zähler 30 entsprechen dem Phasenwinkel von 2π Radian dieser Referenzsignale cosωt und sinωt. Anders ausgedrückt entspricht 1 Zählung in dem Zähler 30 einem Phasenwinkel von 2π/M Radian.
Das synthetisierte Ausgangssignal Y der Sekundärspulen 2A-2D wird einem Komparator 43 über einen Verstärker 42 zugeleitet und ein Rechteckwellensignal, das der positiven oder der negativen Polarität des Signals Y entspricht, wird durch den Komparator 43 geliefert. Eine Anstiegserkennungsschaltung 44 erzeugt einen Impuls Ts in Reaktion auf den Anstieg des Ausgangssignals des Komparators 43 und der Zählwert des Zählers 30 wird in Reaktion auf diesen Impuls Ts in das Register 31 geladen. Als Ergebnis wird in das Register 31 ein digitaler Wert D geladen, der der Phasendifferenz entspricht. Somit werden Datenwerte für erhalten, die in einem absoluten Wert die lineare Position innerhalb seines gegebenen Bereichs P angeben.
Das Signalverarbeitungsverfahren ist nicht auf das Phasenverschiebungsverfahren beschränkt; wie bei einem gewöhnlichen Wandler, kann eine Analogspannung, die einer linearen Position entspricht, erhalten werden, indem der Differentialausgang der Sekundärspule gleichgerichtet wird. In diesem Fall kann das Spulenteil lediglich die Phasen A und C oder B und D enthalten. Selbst bei Anwendung des Phasenverschiebungsverfahrens muß das Spulenteil nicht notwendigerweise aus vier Phasen A-D bestehen, sondern kann aus lediglich den Phasen A und B oder drei Phasen, die um 120º voneinander beabstandet sind, oder aus sechs Phasen bestehen oder anders aufgebaut sein.
Das Stangenteil 6 mit kreisförmigem Querschnitt oder das Gewinde-Stangenteil 46 oder 51 werden zum Beispiel auf die folgende Art und Weise hergestellt. Eine Stange aus magnetischer Substanz wird mittels einer Maschine bearbeitet, um eine spiralförmige Ringnut oder -nuten dort auszubilden, wo die leitenden Bereiche 6b, 46b oder 51b eingesetzt werden sollen. Sodann wird eine gegebene leitende Substanz durch Galvanisieren, thermisches Spritzen, Musterhärten oder ein anderes geeignetes Oberflächenbehandlungsverfahren auf die Stangenoberfläche aufgebracht, woraufhin die Stangenoberfläche geschliffen wird, so daß die leitenden Bereiche 6b, 46b oder 51b ausschließlich in der Rille vorhanden sind. Selbstverständlich kann die leitende Substanz durch das Oberflächenbehandlungsverfahren (z.B. thermisches Spritzen oder Musterhärten) auch nur in ein gegebenes Muster des Bereichs leitenden Substanz eingefüllt werden, wobei das abschließende Schleifen entfällt. Zwar können die plattenähnlichen Stangenteile 15, 16, 17, 22 und 45 auf ähnliche Weise hergestellt werden wie die zylindrischen Stangenteile, jedoch können die Rillen, in welche die leitenden Bereiche einzusetzen sind, nicht nur durch maschinelle Bearbeitung, sondern auch durch Ätzen oder dergleichen hergestellt werden, was für genaues Arbeiten an Bereichen leitender Substanz eines gewünschten Musters vorteilhaft ist.
Es ist möglich, eine Reihe von mehreren erfindungsgemäßen Linearpositionsdetektoren, die jeweils die Länge P aufweisen, zu verwenden und diese Detektoren in dem Linearpositionsmeßgerät nach der japanischen Patentveröffentlichungsschrift 79114/1984 anzuwenden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, mehr als eine Reihe leitender Bereiche in verschiedenen P-Mustern auf dem gleichen Stangenteil vorzusehen.
Anhand der Fign. 33 bis 45 werden im folgenden Ausführungsbeispiele des Linearpositionsmeßgeräts beschrieben, das in der Lage ist, Reluktanzveränderungen allein durch den Wirbelstromverlust zu erzeugen. Bei diesen Ausführungsbeispielen können die bei den Ausführungsbeispielen der Fign. 2 bis 27 vorgesehenen Bereiche magnetischer Substanz zwischen den jeweiligen Bereichen leitender Substanz entfernt werden, so daß nur der von den Bereichen leitender Substanz verursachte Wirbelstromverlust zur Veränderung des Induktionskoeffizienten (Reluktanzveränderung) beiträgt.
Nach der Darstellung der Fign. 33 und 34 weist das Spulenteil Primärspulen 1A-1D und Sekundärspulen 2A-2D auf und ein Stangenteil 60 ist in den von diesen Spulen gebildeten Spulenraum derart eingesetzt, daß er relativ linear verschiebbar ist. Das Stangenteil 60 weist eine verhältnismäßig längliche Mittelstange 60a und ringförmig um diese Mittelstange 60a vorgesehene Bereiche leitender Substanz auf. Die Breite dieser Bereiche 60b leitender Substanz beträgt P/2 (wobei P eine beliebige Zahl ist). Die Bereiche 60b leitender Substanz sind in einem vorbestimmten Intervall von P/2 wiederholt in der Richtung der relativen Linearverschiebung (der Richtung der Pfeile L, in der Zeichnung) angeordnet. Diese Bereiche 60b leitender Substanz bestehen aus einer Substanz, die schwach magnetisch und im Vergleich zu der Mittelstange 60a verhältnismäßig leitend ist. Geeignete Materialien sind Kupfer, Aluminium oder Messing, oder eine Mischung oder Zusammensetzung aus diesen leitenden Substanzen und anderen Substanzen. Die Mittelstange 60a kann aus einer magnetischen Substanz oder einer nicht magnetischen Substanz und entweder Metall oder Nichtmetall (d.h., Kunstharz, Glas, Keramik etc. ) bestehen. Die Mittel stange 60a muß lediglich aus einer Substanz bestehen, die einen höheren elektrischen Widerstand hat als die Bereiche 60b leitender Substanz (weniger leitende Substanz). Dadurch wird bewirkt, daß mehr Wirbelstrom in den wiederholt vorgesehenen Bereichen 60b leitender Substanz fließt und so eine periodische Reluktanzänderung relativ zur Verschiebung zu erhalten.
Bei dem zuvor beschriebenen Aufbau geht von den Primärspulen 1A-1D der jeweiligen Phasen erzeugter Fluß durch Gehäuse 4 und 5 aus magnetischer Substanz und das Stangenteil 60, und wenn die Bereiche 60b leitender Substanz in das Magnetfeld eintreten, fließt ein Wirbelstrom entsprechend dem Ausmaß des Eintretens der Bereiche 60b an den Ringen der Bereiche 60b leitender Substanz entlang. Je mehr der Bereiche 60b leitender Substanz Raum in dem Spulenraum einnimmt (z. B., der Zustand der Phase A in Fig. 33, in dem der Bereich 60b den maximalen Raum einnimmt), desto größer ist der erzeugte Wirbelstrom. Im Gegensatz dazu fließt in einem Zustand, in dem der Bereich 60b leitender Substanz nicht in den Spulenraum eingetreten ist (z.B. der Zustand gemäß Fig. 33), nur geringer Wirbelstrom. Somit fließt der Wirbel Strom in den Bereichen 60b leitender Substanz entsprechend dem Grad des Eintretens der Bereiche 60b leitender Substanz in die Spulen der jeweiligen Phasen und die durch die Wirbelstromverluste bewirkte Reluktanzveränderung wird in dem magnetischen Kreis jeder Phase erzeugt. Ein Wechselstromsignal mit einem Pegel, der dieser Reluktanz entspricht, wird in die Sekundärspulen 2A-2D der jeweiligen Phasen induziert.
In dem Beispiel von Fig. 33 besteht ein Zwischenraum zwischen den jeweiligen Bereichen 60b leitender Substanz. Alternativ kann, wie in Fig. 35 dargestellt, ein geeignetes Füllmaterial oder eine Beschichtung 61 in diesen Zwischenraum eingefüllt sein. Das Füllmaterial 61 ist eine Substanz, die nichtleitend oder weniger leitend ist als die Bereiche 60b leitender Substanz und die nicht magnetisch oder schwach magnetisch ist. Dieses Füllmaterial 61 kann nicht nur in die Zwischenräume zwischen den jeweiligen Bereichen 60b leitender Substanz eingefüllt sein, sondern auch auf dem gesamten Außenumfang des Stangenteils 60 aufgebracht sein, wie dargestellt. Dieses Füllmaterial 61 oder die Beschichtung besteht, zum Beispiel, aus einer Chrombeschichtung.
In den Fign. 36 bis 38 sind verschiedene Beispiele der Stangenteile dargestellt, die das Stangenteil 60 von Fig. 33 ersetzen können. Das Stangenteil 62 von Fig. 36 besteht aus einem Rohr 62c und ringförmigen Bereichen 62b leitender Substanz und Abstandhaltern 62a, die jeweils eine Breite von P/2 aufweisen, wobei die Bereiche 62b und die Abstandshalter 62a abwechselnd in dem Rohr 62c angeordnet sind. Der Mittelbereich des Stangenteils 62 ist hohl, so daß es den Vorteil hat, leicht zu sein. Das Stangenteil 63 nach Fig. 37 besteht aus aus einem Rohr 63c und scheibenartigen Bereichen 63b leitender Substanz und Abstandhaltern 63a, die jeweils eine Breite von P/2 aufweisen, wobei die Bereiche 63b und die Abstandshalter 63a abwechselnd in dem Rohr 63c angeordnet sind. Die Bereiche 62b, 63b leitender Substanz bestehen jeweils aus einer Substanz, die ähnliche elektrische und magnetische Eigenschaften aufweist, und die Rohre 62c, 63c und die Abstandhalter 62a, 63a sind nichtleitend oder weniger leitend als die Bereiche leitender Substanz und nicht magnetisch oder schwach magnetisch. Das Stangenteil 64 von Fig. 38 weist eine Mittel stange 64a mit einer darin ausgebildeten Ringnut und leitende Bereiche 64b auf. Um die Mittelstange 64a vorgesehene ringförmige Vorsprünge 64c sind zwischen den jeweiligen Bereichen 64b leitender Substanz angeordnet. Die Mittelstange 64a besteht aus einer Substanz, die nichtleitend oder weniger leitend als die Bereiche 64b leitender Substanz und nicht magnetisch oder schwach magnetisch ist.
Die Varianten des Spulenteils gemäß den Fign. 8, 10, 11 und 12 sind auch bei den Detektoren nach den Fign. 33 bis 38 anwendbar.
Wie zuvor bereits beschrieben, ist das Stangenteil nicht auf die runde Stangenform beschränkt, sondern kann plattenähnliche Ausbildung aufweisen. Die Fign. 39 bis 41 zeigen Ausführungsbeispiels, die denjenigen der Fign. 13 bis 15 entsprechen, bei denen die Ausbildung des plattenähnlichen Stangenteils 65 von derjenigen des plattenähnlichen Stangenteils 15 verschieden ist. Das plattenähnliche Stangenteil 65 weist Bereiche 65b leitender Substanz auf, die wiederholt in einem vorbestimmten Intervall auf der Seite vorgesehen sind, welche den Endbereichen der Kerne 11 bis 14 gegenüberliegt. Fig. 40 ist eine Draufsicht auf das plattenähnliche Stangenteil 65. Die Bereichen 65b leitender Substanz bestehen aus einem Material, das demjenigen der Bereiche 60b leitender Substanz von Fig. 33 gleich oder ähnlich ist, und das Basisteil 65a besteht aus einem Material, das demjenigen der Mittelstange 60a von Fig. 33 gleich oder ähnlich ist. Fig. 41 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie XIII- XIII in Fig. 39. Obwohl auf eine Darstellung verzichtet wurde, sollte auf den Bereichen 65b leitender Substanz des Stangenteils 65 vorzugsweise eine Beschichtung aufgebracht sein, die aus einer Substanz besteht, die, wie das zuvor beschriebene Füllmaterial 61, verhältnismäßig nicht magnetisch oder schwach magnetisch und nicht leitend oder schwach leitend (z.B. Chrombeschichtung) ist, so daß der Außenumfang des Stangenteils 65 geglättet ist.
Bei den Meßgeräten, welche das plattenähnliche Stangenteil 65 der Fign. 39 bis 41 verwenden, sind die Varianten der Muster der Bereiche leitender Substanzen auf dem Stangenteil und die Varianten des Spulenteils nach den Fign. 16 bis 23 anwendbar.
Wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fign. 24 bis 27, kann der Bereich leitender Substanz in der spiralartigen Form nach den Fign. 42 und 43 ausgebildet sein. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 42 entspricht demjenigen der Fign. 24 und 25, wobei der Spulenbereich aus vier Phasen besteht. Das Stangenteil 66 besteht aus einem Bereich 66b leitender Substanz, der spiralförmig auf einer Mittel stange 66a vorgesehen ist. Dieser spiralförmige Bereich 66b leitender Substanz ist als eingängiges Gewindemuster mit einer Steigung P vorgesehen.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 43 entspricht dem in den Fign. 26 und 27 dargestellten, wobei das Spulenteil aus acht Phasen besteht. Das Stangenteil 67 besteht aus einem spiralförmigen Bereich 67b leitender Substanz aus einem zweigängigen Gewindemuster mit einer Steigung von 2P, das um eine Mittelstange 67a herum vorgesehen ist. In den Fign. 42 und 43 sollte vorzugsweise eine der zuvor beschriebenen ähnliche Beschichtung auf dem Außenumfang des Stangenteils 66 und 67 aufgebracht werden, um die Fläche zu glätten und den Bereich leitender Substanz zu schützen.
Der Bereich leitender Substanz des Stangenteils muß nicht notwendigerweise spiralförmig sein, sondern es ist ausreichend, wenn er eine gewisse Fläche im den Endbereichen der Kerne gegenüberliegenden Bereich aufweist oder ein ringförmiges Muster hat.
Bei den Ausführungsbeispielen der Fign. 33 bis 43 sollte die Erregung durch die Primär-Wechselstromsignale und die Verarbeitung der Sekundärausgangssignale vorzugsweise durch das Phasenverschiebungssystem in der beschriebenen Art und Weise erfolgen, wobei die Schaltung nach Fig. 32 verwendet werden sollte. Jedoch können, wie zuvor dargelegt, selbstverständlich andere Signalverarbeitungssysteme verwendet werden.
Das Stangenteil nach den Fign. 33 bis 43 (d.h., das Stangenteil, bei dem der Bereich leitender Substanz in einem vorbestimmten Muster auf der Oberfläche der Mittelstange oder dem Basisteil aufgebracht ist) ist leicht herstellbar und kann in Massenherstellung kostengünstig hergestellt werden. Fig. 44 ist ein Ablaufdiagramm für ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des Stangenteils. Zunächst wird eine ausgewählte leitende Substanz auf der gesamten Oberfläche (einer Seite oder beiden Seiten bei einem plattenähnlichen Stangenteil) eines länglichen Basisteils (d.h., einem Teil, das der Mittelstange 60a oder den Basisteilen 65a-67a entspricht) durch ein ausgewähltes Oberflächenbearbeitungsverfahren (z. B. Galvanisieren, thermisches Spritzen, Musterhärten, Beschichten) aufgebracht. Danach wird die leitende Substanz auf einem nicht benötigten Bereich durch Ätzen oder ein anderes Verfahren entfernt, um vorbestimmte Muster der Bereiche 60b, 65b-67b leitender Substanz zu bilden. Sodann wird je nach Erfordernis eine Oberflächenbeschichtung durchgeführt, wobei Material verwendet wird, das dem Füllmaterial 61 der Fig. 35 entspricht. Schließlich wird das fertige längliche Stangenteil auf die gewünschte Länge zugeschnitten. Vorzugsweise sollte eine gegen das Ätzmittel widerstandsfähige Kunststoffbeschichtung über die gesamte Oberfläche des Basisteils aufgebracht werden, bevor die leitende Substanz aufgebracht wird. Dies trägt dazu bei, zu verhindern, daß das Entfernungsmittel bei dem Ätzvorgang nicht nur die leitende Substanz, sondern auch das Basisteil selbst erodiert.
Fig. 45 ist ein Ablaufdiagramm eines anderen Beispiels des Verfahrens zur Herstellung des Stangenteils. Bei diesem Beispiel wird die leitende Substanz auf der Oberfläche eines länglichen Basisteils von Beginn an in einem vorbestimmten Muster durch ein ausgewähltes Oberflächenbearbeitungsverfahren (z .B. thermisches Spritzen oder Härten) aufgebracht und anschließend wird das gleiche Verfahren wie in Fig. 44 durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung ist auf das Absolut-Linearpositionsmeßgerät nach der japanischen Patentveröffentlichungsschrift 79114/1984 anwendbar. Diese Art von Absolut-Linearpositionsmeßgerät weist mehrere Linearpositionsmeßvorrichtungen auf, die verschiedene Längen P aufweisen, und erkennt eine absolute lineare Position, die über den Bereich P hinausgeht, durch Berechnung, bei der die Differenz zwischen jeweiligen Linearpositionsmeßdaten verwendet wird. Werden zum Beispiel zwei Linearpositionsmeßvorrichtungen mit verschiedenen Längen P (d.h., eine ist die Länge P&sub1; und die andere P&sub2;) verwendet, so können plattenähnliche Stangenteile 68 und 69 mit einem gemeinsamen Basisteil 70, wie in Fig. 46 dargestellt, ausgebildet werden. Fig. 46 zeigt in Draufsicht ein Beispiel, bei dem zwei Linearpositionsmeßvorrichtungen ähnlich den in den Fign. 11 bis 13 oder den Fign. 39 bis 41 dargestellt sind. Die Bezugszeichen 68b und 69b bezeichnen Bereiche leitender Substanz der jeweiligen Stangenteile 68 und 69 und A-D bezeichnen ein Spulenteil aus Kernen und Primär- und Sekundärspulen, die den jeweiligen Phasen A-D entsprechen. Diese Ausbildung eines Musters von Bereichen leitender Substanz mehrerer Meßvorrichtungen auf einem gemeinsamen Basisteil ist durch die Herstellungsverfahren nach den Fign. 44 und 45 sehr leicht zu erzielen. Dementsprechend weist die Erfindung auch bei dem zuvor beschriebenen Absolut-Linearpositionsmeßgerät Vorteile durch die vereinfachte Herstellbarkeit und die geringeren Kosten auf.
Die Primärspulen und die Sekundärspulen müssen nicht notwendigerweise getrennt vorgesehen sein, sondern können gemeinsam vorgesehene Spulen sein, wie sie in den japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichungen 2621/1983 oder 39507/1983 offenbart sind.
In den Fign. 47 und 48 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, in denen das erfindungsgemäße Linearpositionsmeßgerät in einem Kolbenstangenpositionsmeßgerät für einen flüssigkeitsgetriebenen Zylinder verwendet wird.
Fig. 47 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kolbenstangenpositionsmeßgeräts, das ein Linearpositionsmeßgerät verwendet, das in der Lage ist, eine Veränderung des Induktanzkoeffizienten zu bewirken, indem der Wirbelstromverlust als Parameter verwendet wird, wie in Fig. 33 dargestellt. Das Bezugszeichen 71 bezeichnet einen Zylinderhauptkörper, 72 einen Kolben, 73 eine Kolbenstange. Wie per se bekannt, ist in einem Ende des Zylinderhauptkörpers eine Öffnung angebracht und die Kolbenstange 73 erstreckt sich durch diese Öffnung. An der Seite der Öffnung des Zylinderhauptkörpers 71 ist ein Spulenteil 74 ausgebildet. Das Spulenteil 74 weist, wie die Ausführungsbeispiel der Fign. 2 und 33, Primärspulen 1A - 1D und Sekundärspulen 2A - 2D auf. Das Spulenteil 74 ist an der Öffnungsseite des Zylinderhauptkörpers 71 derart fest angebracht, daß die Stange 73 konzentrisch und gleitend verschiebbar im Spulenraum diese Spulen 1A-1D und 2A-2D angeordnet ist. Die Kolbenstange 73 weist ein Basisteil, d.h., eine Mittelstange 73a, Bereiche 73b leitender Substanz, die ringförmig um die Mittelstange 73a angeordnet sind, und eine Beschichtung 73c auf, die die gesamte Außenumfangsfläche bedeckt. Wie in Fig. 33, beträgt die Breite jedes Bereichs 73b leitender Substanz P/2 und es sind in der Linearverschiebungsrichtung der Stange 73 mehrere Bereiche 73b leitender Substanz wiederholt angeordnet. Diese Bereiche 73b leitender Substanz bestehen aus einer Substanz, die schwach magnetisch oder nicht magnetisch und im Vergleich zum Material der Mittelstange 73a relativ leitend ist. Geeignete Materialien sind, zum Beispiel, Kupfer, Aluminium oder Messing, oder eine Mischung bzw. eine Zusammensetzung aus solchen gut leitenden Substanzen und anderen Substanzen. Die Mittelstange 73a kann entweder aus einer magnetischen Substanz oder einer nicht magnetischen Substanz bestehen. Wichtig ist, daß eine Substanz, die einen größeren elektrischen Widerstand hat (d.h., die weniger leitend als die Bereiche 73b leitender Substanz ist) für die Mittelstange 73a verwendet wird. Dadurch kann mehr Wirbelstrom nur in den wiederholt vorgesehenen Bereichen 73b leitender Substanz fließen, um so eine periodische Reluktanzveränderung in bezug auf die Verschiebung zu erzeugen. Besteht die Mittelstange 73a aus einer magnetischen Substanz wie Eisen, so ist die Bildung eines Flusses erleichtert, was zu einer Erhöhung der Menge des Wirbelstroms führt, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert wird.
Als die auf dem Außenumfang der Kolbenstange 73 aufgebrachte Beschichtung 73c wird eine nicht leitende oder weniger als die Bereiche 73b leitender Substanz leitende und nicht magnetische oder schwach magnetische Substanz verwendet. Eine Chrombeschichtung ist zum Beispiel eine geeignete Beschichtung.
Bei dem zuvor beschriebenen Aufbau fließt der Wirbelstrom, wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 33, in den Bereichen 73b leitender Substanz entsprechend dem Grad des Eindringens dieser Bereiche 73b in die Spulen der jeweiligen Phasen, mit dem Ergebnis, daß in den magnetischen Kreisen der jeweiligen Phasen eine Reluktanzveränderung aufgrund der Wirbelstromverluste erzeugt wird und Wechselstromsignale mit Pegeln, die den Reluktanzen entsprechen, werden in die Sekundärspulen 2A-2D der jeweiligen Phasen eingeleitet.
Fig. 48 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kolbenstangenpositionsmeßgeräts, welches ein Linearpositionsmeßgerät verwendet, das in der Lage ist, eine Veränderung des Induktionskoeffizienten auf verbesserte Weise zu bewirken, indem sowohl die Permeanzveränderung, als auch der Wirbelstromverlust als Parameter verwendet werden, wie in Fig. 2 dargestellt. Wie in Fig. 2 besteht der Mittelbereich 75a der Kolbenstange 75 aus einer magnetischen Substanz. In der Richtung der linearen Verschiebung sind von dem Mittelbereich 75a ringförmig vorstehende Bereiche 75d magnetischer Substanz mit einer vorbestimmten Breite P/2 vorgesehen. zwischen den jeweiligen Bereichen 75d magnetischer Substanz ausgebildete Ausnehmungen sind mit ringförmigen Bereichen 75b leitender Substanz ausgefüllt. Die Breiten der jeweiligen ringförmigen Bereiche 75b leitender Substanz beträgt ebenfalls P/2. er Mittelbereich 75a und der Bereich 75d magnetischer Substanz bestehen aus Eisen oder einer anderen stark magnetischen Substanz, während die Bereiche 75b leitender Substanz aus einer Substanz bestehen, die im Vergleich zu dem Bereich 75d magnetischer Substanz relativ schwach magnetisch oder nicht magnetisch und relativ leitend ist (z. B. Kupfer, Aluminium oder Messing, oder eine Mischung oder Zusammensetzung aus solch guten Leitern und anderen Substanzen). Eine Beschichtung 75c, zum Beispiel Chrombeschichtung, ist über den gesamten Außenumfang der Kolbenstange 75 vorgesehen. Diese Beschichtung 75c kann eine Hülle aus synthetischem Harz sein.
Bei dem zuvor beschriebenen Aufbau ist die Reluktanz, wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2, in verbesserter Weise an einer Stelle erhöht, an der kein Bereich 75d magnetischer Substanz vorhanden ist, d.h., an der die Bereiche 75b leitender Substanz vorgesehen sind, so daß eine Abnahme des Pegels der Sekundärseiten-Induktionsspannung günstig beeinflußt wird.
Sowohl bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 47, als auch bei demjenigen von Fig. 48 können die zahlreichen Abwandlungen (zum Beispiel Abwandlungen in dem Spulenteil oder dem Stangenteil), die zuvor unter Bezugnahme auf die Fign. 2 bis 46 beschrieben wurden, wie erforderlich angewendet werden. Als Signalverarbeitungssystem zum Erhalten eines Kolbenstangenpositionsmeßsignals kann selbstverständlich das in Fig. 32 dargestellte Phasenverschiebungssystem verwendet werden. Alternativ kann das zuvor beschriebene Analogspannungserkennungssystem verwendet werden. Als Musterbildungsverfahren für die Bereiche leitender Substanz in der Kolbenstange können die zuvor beschriebenen Verfahren wahlweise verwendet werden.
Wie zuvor beschrieben kann erfindungsgemäß der Bereich der Veränderung des Sekundärausgangsspannungspegels durch den günstigen Einfluß der Reluktanzveränderung, die durch die Verschiebung des Bereichs magnetischer Substanz verursacht wird, und durch die äquivalente Reluktanzveränderung in Reaktion auf den Wirbelstromverlust, die durch die Verschiebung der Bereiche leitender Substanz bewirkt wird, erweitert werden, wodurch eine genaue Messung ermöglicht wird. Insbesondere kann durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung ein ausreichender Bereich der Veränderung des Sekundärausgangsspannungspegels selbst bei kleinformatigen Detektoren erzielt werden, bei denen bisher aufgrund der durch ihren mechanischen Aufbau bedingten Beschränkungen ein solcher Veränderungsbereich nicht erzielt wurde. Somit können nunmehr kleinformatige Detektoren mit hoher Meßgenauigkeit geschaffen werden.
Ferner kann erfindungsgemäß eine Linearpositionsmessung über einen langen Bereich erfolgen, indem mehrere Bereiche leitender Substanz an der Kolbenstange in bestimmten Intervallen wiederholt angeordnet werden. Die Funktion der Reluktanzveränderung bezüglich der Linearverschiebung kann zyklisch gemacht werden, so daß eine genaue Positionsmessung durch das Phasenverschiebungssystem erreicht wird. Erfindungsgemäß sind die Bereiche leitender Substanz auf dem Basisteil des Stangenteils in einem vorbestimmten Muster auf gebracht, indem ein ausgewähltes Oberflächenbearbeitungsverfahren verwendet wird, so daß das Verfahren zur Herstellung des Stangenteils vereinfacht werden kann und die Herstellungskosten verringert werden können.
Ferner kann die leitende Substanz erfindungsgemäß auf der Umfangsfläche der Kolbenstange in einem vorbestimmten Muster aufgebracht werden, so daß die Bearbeitung und die Herstellung erleichtert werden. Da der Bereich leitender Substanz seine Funktion selbst dann voll wahrnehmen kann, wenn er dünn ist, ist der Aufbau gegenüber dem Fall vereinfacht, in dem lediglich eine Rille in dem Bereich magnetischer Substanz ausgebildet ist (in diesem Fall muß die Rille ausreichend tief geschnitten werden). Ferner kann der Veränderungsbereich des Sekundärausgangsspannungspegels in bezug zur Verschiebung erweitert werden, indem die Vorsprünge an den Bereichen magnetischer Substanz mit den Bereichen leitender Substanz kombiniert werden, so daß die Meßgenauigkeit verbessert werden kann.

Claims

1. Linearpositionsmeßgerät mit mehreren Linearpositionsgebern, die jeweils aufweisen:

ein Spulenteil (A-D) und ein Stangenteil (68, 69), das derart angeordnet ist, daß es in bezug zum Spulenteil relativ linear verschiebbar ist, wobei der Spulenteil wenigstens zwei Primärspulen und den Primärspulen entsprechende Sekundärspulen aufweist, wobei jeweilige Primärspulen durch Primär-Wechselstromsignale mit gleicher Frequenz erregt werden, die zueinander phasenverschoben sind, um an der Seite der Sekundärspuleneinrichtungen das Ausgangs signal zu erhalten, das durch Phasenverschieben eines der Primär-Weschselstromsignale entsprechend der relativen Linearposition des Stangenteils erzeugt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Stangenteil (68, 69) eines jeden Linearpositionsgebers mehrere in einem vorbestimmten Intervall in Richtung der relativen Linearverschiebung vorgesehene Bereiche leitender Substanz (68b, 69b) aufweist,

- wobei die Bereiche leitender Substanz (68b, 69b) derart vorgesehen sind, daß ein Wirbelstrompfad gebildet wird, der auf von dem Spulenteil (A-D) erzeugten Fluß reagiert, und die Bereiche aus einem Material bestehen, das schwach oder nicht magnetisch ist und im Vergleich mit der Substanz anderer Bereiche des Stangenteils (68, 69) relativ leitfähig ist, und

- wobei das Stangenteil (68, 69) jedes der Linearpositionsgeber plattenähnlich aus einer gemeinsamen Basis (70) gebildet ist und eine Abfolge von Bereichen leitender Substanz (68b, 69b) entsprechend jedem der Stangenteile unabhängig voneinander auf dem gemeinsamen Basisteil vorgesehen ist, und das Intervall der Wiederholung der Bereiche leitender Substanz in den jeweiligen Stangenteilen verschieden ist.

2. Verfahren zur Herstellung des Stangenteils eines Linearpositionsgebers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Auftragen einer vorbestimmten leitenden Substanz auf der gesamten Oberfläche eines Basisteils des Stangenteils, und

Entfernen nicht benötigter Bereiche des auf das Basisteil aufgebrachten leitenden Materials, unter Belassung eines vorbestimmten Musters der leitenden Substanz, um durch die nicht entfernte leitende Substanz die genannten Bereiche leitender Substanz zu bilden.

3. Verfahren zur Herstellung des Stangenteils eines Linearpositionsgebers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftragen durch Galvanisieren und das Entfernen durch Ätzen erfolgt.

4. Verfahren zur Herstellung des Stangenteils eines Linearpositionsgebers nach Anspruch 2, bei dem ferner vor dem Schritt des Auftragens der Schritt des Anwendens eines vorbestimmten Beschichtungsmaterials über die gesamte Oberfläche des Basisteils des Stangenteils erfolgt, wobei das Beschichtungsmaterial gegen ein zum Entfernen verwendetes Mittel beständig ist.