DE3738151A1 - Kolbenpositionsdetektor fuer druckmittelzylinder - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenpositions­ detektor für Druckmittelzylinder, die durch Luftdruck oder Öldruck betätigt werden, wobei die Position eines in einem Zylinder gleitenden Kolbens von außerhalb des Zylinders detektiert wird, wobei der Kolben durch das Detektorsignal gestoppt wird und ein Operationssignal auf den anderen Antrieb übertragen wird. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Positionsdetektor für den Fall, daß der Zylinder aus einem nichtmagnetischen Material wie beispielsweise Aluminium besteht und das Detektieren der Kolbenposition auf der Veränderung des Magentfeldes beruht, welches durch einen am Kolben montierten Perma­ nentmagneten erzeugt wird.

Ein derartiger Kolbenpositionsdetektor ist durch die JP-PS 47-46 840 bekannt, wobei ein Zungenschalter, der nur auf den Magnetfluß in der Bewegungsrichtung des Kolbens reagiert, als Detektor verwendet wird. Durch die JP-PA 58-1 29 106 ist weiterhin ein Kolbenpositionsdetektor be­ kannt, bei dem eine Anzahl magnetischer Widerstandsele­ mente in einer Brücke vereint sind und als Detektor ver­ wendet werden, und dabei auf die Stärke eines wirkenden Magnetflusses ungeachtet seiner Richtung reagieren. Üblicherweise ist ein an einen Kolben befestigter Perma­ nentmagnet ringförmig und konzentrisch am Außenumfang des Kolbens befestigt, wobei durch den Permanentmagnet ein Magnetfeld erzeugt wird, wie es in der Fig. 4 (1) durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Hierbei ist die X-Achse die Achse durch den Querschnittsmittelpunkt des Permanentmagneten parallel zur Mittelachse des Zylinders, d.h. der Bewegungsrichtung des Permanentmagneten a. Die Stärke des Magnetfeldes auf der Linie b in Abstand zur X-Achse ist ungeachtet der Richtung des Magnetflusses proportional zur Gesamtmenge des Magnetflusses in allen Richtungen. Wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 4 (2) gezeigt, ist die Magnetfeldstärke an der Linie b, Fig. 4 (1), un­ geachtet der Richtung am stärksten an einer Position in der Mitte des Permanentmagneten a und wird nach beiden Seiten hin mit größerem Abstand zum Mittelpunkt schwächer, d.h. die Verteilung ist bergförmig. Im Gegensatz hierzu wird die Magnetfeldstärke an der Linie b in Richtung der Linie b an der Position entsprechend dem Mittelpunkt des Permanentmagneten a am stärksten, und da der Magnetfluß rechtwinkelig zur Linie b verläuft, wird die Magnetfeldstärke auf der Linie b und in Richtung der Linie b beidseitig des Mittelpunkts im Abstand x einmal Null. Da die Richtung des Magentflusses langsam flacher wird, wird an vom Mittelpunkt weiter entfernten Positionen die Komponente in Richtung der Linie b nochmals ansteigen, um einen kleinen Berg zu bilden und fällt dann nochmals mit der Flußdichte ab. Somit hat die Magentfeldstärke in Richtung der Linie b eine Verteilung, bei der beidseitig des mittleren, höheren Spitzenwertes niedrigere Spitzen­ werte auftreten.

Daraus folgt, daß wenn der Magnetdetektor, der auf die Stärke des Magentflusses ungeachtet seiner Richtung an­ spricht, auf der Linie b angeordnet ist, keine große Meß­ genauigkeit erzielt werden kann, da der Magnetdetektor in einem weiten Bereich des Kolbenhubs anspricht. Auch wenn ein Magnetdetektor, wie beispielsweise ein Zungenschalter, der nur auf dem Magnetfluß in der Bewegungsrichtung des Kolbens anspricht, verwendet wird, werden in Abhängigkeit von der Empfindlichkeitseinstellung, die Detektorsignale nicht nur an der, der Mitte des Permanentmagneten entsprech­ enden Position erzeugt, sondern auch an Positionen erzeugt, die beidseitig zum Mittelpunkt einen Abstand aufweisen, was zu einem fehlerhaften Betrieb führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen und einen Positions­ detektor zu schaffen, der die Kolbenposition mit hoher Genauigkeit detektiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein blatt­ förmiges magnetisches Induktionsteil, das zwischen Zylinder und Magnetdetektor angeordnet ist, wobei das magnetische Induktionsteil eine ebene Fläche aufweist, die im wesentlichen größer als die des Magnetdetektors ist und einen kleinen Restmagnetismus aufweist, so daß wenn der Permanentmagnet dem Magnetdetektor gegenüber­ liegt, das magnetische Induktionsteil eine Nebenschluß­ induktion von einem Teil des Magnetflusses des Permanent­ magneten erzeugt, der auf dem Magnetdetektor wirkt, wo­ durch die magnetische Sättigung des magnetischen Induk­ tionsteil erfolgt, und wenn der Permanentmagnet der Position gegenübersteht, die von der Vorderseite des Magnetdetektors her verschoben ist, erzeugt das magnetische Induktionsteil eine Nebenschlußinduktion des größten Teils des Magnetflusses des Permanentmagneten, der auf den Magnetdetektor wirkt. Wenn in diesem Zustand der Permanentmagnet sich an der Position entsprechend der Vorderseite des Magnetdetektors befindet, ist die auf den Magnetdetektor wirkende Magnetflußdichte hoch und der durch das magnetische Induktionsteil induzierte Magnetfluß wird ein relativer Teil und der größte Teil des Magnetflusses wirkt auf den Magnetdetektor. Wenn im Gegensatz hierzu der Permanentmagnet vom Magnetde­ tektor abrückt und daher die auf den Magnetdetektor wirkende Magnetflußdichte langsam abnimmt, wird der Anteil des Magnetflusses, der durch das magnetische Induktionsteil einer Nebenschlußinduktion unterzogen wird, relativ ansteigen und die auf den Magnetdetektor wirkende Flußdichte wird schnell verringert und darüber hinaus besteht ein sehr geringer Einfluß der Magnetkraft auf den Magnetdetektor, da das magnetische Induktionsteil eine kleine Menge Restmagnetismus aufweist.

Daraus folgt, daß bei der vorliegenden Erfindung nur wenn der Permanentmagnet von der Vorderseite des Magnetdetek­ tors her verschoben wird und es besteht ein enger Bereich an beiden Seiten der vorderen Position, der Magnetfluß mit hoher Dichte auf den Magnetdetektor wirkt, und wenn der Permanentmagnet leicht aus der Mitte des Magnetdetek­ tors verschoben wird, kann die Position des Kolbens mit hoher Genauigkeit ohne irgendwelche irrtümlichen Operationen detektiert werden (da der auf den Magnetdetektor wirkende Magnetfluß schnell verringert wird).

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren im einzelnen beschrieben: Es zeigt:

Fig. 1 einen Positionsdetektor gemäß einer Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung im Schnitt, wo­ bei ein Permanentmagnet einem Magnetdetektor­ element gegenübersteht;

Fig. 2 die Verteilung der Magnetkraftlinien im Zustand gemäß Fig. 1 im Schnitt;

Fig. 3 die Verteilung der Magnetkraftlinien bei leich­ ter Verschiebung des Permanentmagneten gegen­ über dem Magnetdetektor, im Schnitt, wobei ein magnetisches Induktionsteil 12 mit übertrieben dargestellter Dicke jeweils dargestellt ist;

Fig. 4 (1) ein Verteilungsdiagramm der Magnetkraftlinien, die durch den Permanentmagneten erzeugt werden; und

Fig. 4 (2) eine grafische Darstellung der Magnetfeldstärke (durchgezogene Linie) in Richtung der Linie b in Fig. 4 (1) und der Magnetfeldstärke (ge­ strichelte Linie) unabhängig von der Richtung.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die beim Detektieren der Kolbenposition eines Luftzylinders ange­ wendet ist, wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 be­ schrieben.

Der in Fig. 1 gezeigte Zylinder 1 besteht aus einem nicht­ magnetischen Material, wie beispielsweise Aluminium, nicht­ magnetischem, nicht rostendem Stahl od. dgl., und in dem Zylinder 1 ist ein Kolben 2 passend und bewegbar aufge­ nommen. In einer Nut, die am Außenumfang des Kolbens 2 ausgebildet ist, sitzt ein ringförmiger Permanentmagnet 3 mit rechteckigem Querschnitt, und hat Magnetpole mit entgegengesetzter Polarität, die an beiden seitlichen Stirnflächen (in der Figur gesehen) ausgebildet sind. An der Außenfläche des Zylinders 1 ist ein Sensorkörper 5 durch Befestigungsmittel (nicht dargestellt) befestigt, wobei die untere Seite des Gehäuses 6, die an der Außen­ fläche des Zylinders 1 anliegt, aus einem nichtmagnetischen Material besteht, so daß die Montageposition des Sensor­ körpers 5 bewegbar und einstellbar ist. Im Gehäuse 6 des Sensorkörpers 5 befindet sich ein magnetisches Detektor­ element 7, bestehend aus einem magnetischen Widerstands­ material, dessen Widerstandswert entsprechend der magne­ tischen Feldstärke entlang der Bewegungsrichtung des Kolbens 2 ansteigt, ein Hall-Element oder ein Zungen­ schalter und dgl. der auf einem Substrat 8 im Gehäuse 6 befestigt ist, und zwischen dem magnetischen Detektor­ element 7 und der inneren Bodenfläche des Gehäuses 6 ist wie vorstehend beschrieben ein Spalt gelassen. Der Steuer­ schaltkreis 10 des magnetischen Detektorelementes 7 ist auf einer Oberseite des Substrats 8 angeordnet und ein an den Steuerschaltkreis 10 angeschlossener Zuführungsdraht 11 ist aus dem Gehäuse 6 herausgeführt. Ein magnetisches Induktionsteil 12 in Form eines Blattes, bestehend aus einem magnetischen Material mit einem kleinen Anteil Restmagnetismus ist in den Spalt zwischen der Unterseite des magnetischen Detektorelementes 7 und der inneren Boden­ fläche des Gehäuses 6 angeordnet.

Das magnetische Induktionsteil 12 hat eine ebene Fläche, die gleich oder größer als die des magnetischen Detektor­ elementes 7 ist, beispielsweise 5×5 mm bis 20×20 mm; und ist äußerst dünn beispielsweise 20 µ bis 100 µ. Daraus folgt, daß das magnetische Induktionsteil 12 durch einen Magnetfluß von nur 10 Gauß gesättigt wird. Als Material kommt insbesondere eine amorphe Legierung von Eisennickel­ reihen oder Eisennickelkobalt-Reihen in Frage, da sie eine Permeabilität, kleinen Restmagnetismus aufweisen, wo­ bei insbesondere der Restmagnetismus verglichen mit dem mit hoher Frequenz variierenden magnetischen Feld klein ist. Die amorphe Legierung kann auch in Form von Pulver verwendet werden, welches auf ein Blatt, eine Anzahl von dünnen Drähten oder ein aus dünnen Drähten gewirktes Netz aufgebracht wird.

Als nächstes wird die Funktionsweise der Ausführungsform beschrieben. Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, ist, wenn der Permanentmagnet 3 der Vorderseite des magnetischen Detektorelementes 7 gegenüberliegt, das magnetische In­ duktionsteil 12 magnetisch gesättigt nur durch die Neben­ schlußinduktion eines Teils des Magnetflusses, da der Magnetfluß mit einer hohen Dichte von ungefähr 100 Gauß auf das magnetische Detektorelement 7 wirkt, und der größte Teil des Magnetflusses auf das magnetische Detektorelement 7 wirkt.

Im Gegensatz hierzu und wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, ist wenn der Kolben 2 und der Permanentmagnet 3 gegen­ über der Vorderseite des magnetischen Detektorelementes 7 verschoben sind, die Flußdichte, die auf das magnetische Detektorelement 7 wirkt, graduell verringert und das magnetische Induktionsteil 12 ist nicht magnetische ge­ sättigt, wodurch der Anteil der Nebenschlußinduktion des Flusses durch das magnetische Induktionsteil 12 schnell erhöht und die auf das magnetische Detektorele­ ment 7 wirkende Flußdichte relativ schnell verringert wird. Darüber hinaus besteht ein kleiner Einfluß durch die Magnetkraft des magnetischen Induktionsteils 12 auf das magnetische Detektorelement 7, da das magnetische Induktionsteil 12 einen geringen Anteil Restmagnetismus aufweist. Daraus folgt, daß durch geeignete Einstellung der Empfindlichkeit des magnetischen Detektorelementes 7 dieses nur dann Detektorsignale erzeugen kann, wenn der Permanentmagent 3 dem magnetischen Detektorelement 7 gegenüber oder innerhalb eines engen Bereiches an beiden Seiten desselben, liegt. Bei diesem Aufbau kann die Position des Kolbens 2 mit hoher Genauigkeit und ohne irgendwelche fehlerhaften Wirkungen detektiert werden.

Wenn die amorphe Legierung der Eisennickelreihe oder der Eisennickelkobalt-Reihe für das magnetische Induktions­ teil 12 verwendet wird, kann die korrekte Detektion selbst dann durchgeführt werden, wenn der Kolben 2 mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird, da der Restmagnetis­ mus für ein mit hoher Frequenz variierendes magnetisches Feld wie bereits beschrieben klein ist.

Claims (2)

1. Kolbenpositionsdetektor für einen Druckzylinder aus nichtmagnetischem Material, in dem ein passender Kolben beweglich aufgenommen ist, gekennzeich­ net durch:
einen am Kolben (2) befestigten Permanentmagneten (3);
ein an einer erforderlichen Position an der Außenseite des Zylinders (1) angeordnetes magnetisches Detektor­ element (7), das auf das vom Permanentmagneten erzeugte magnetische Feld reagiert und elektrische Detektorsignale erzeugt; und
ein magnetisches Induktionsteil (12), das in Form eines Blattes zwischen dem magnetischen Detektorelement (7) und dem Zylinder (1) angeordnet ist und eine ebene Fläche aufweist, die gleich, oder vorzugsweise größer als die des magne­ tischen Detektorelementes ist, und das einen geringen Anteil Restmagnetismus aufweist;
wobei bei dem magnetischen Detektorelement gegenüber­ stehenden Permanentmagneten das magnetische Induktions­ teil (12) magnetisch gesättigt ist, wobei es eine Neben­ schlußinduktion nur eines Teils des auf das magnetische Detektorelement wirkenden Magnetflusses des Permanent­ magneten bewirkt; und wenn der Permanentmagnet im wesentlichen aus der dem magnetischen Detektorelement gegenüberstehenden Position verschoben ist, das Verhältnis, des eine Nebenschlußinduktion durch das magnetische Induktionsteil ausübenden Magnetfluß zum auf das magne­ tische Detektorelement wirkenden Magnetfluß erhöht ist.

2. Kolbenpositionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das magnetische Induktions­ teil (12) aus einer amorphen Legierung der Eisen-Nickel- Reihe oder der Eisen-Nickel-Kobalt-Reihe besteht.