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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Hubsensoren, die
in der Lage sind, eine Hubposition eines Hydraulikzylinders oder
eine Schieberposition eines Schieberventils zu detektieren, und insbesondere
auf Hubsensoren von der Art, die einen Spulenabschnitt, der durch
ein Wechselstromsignal erregbar ist, und eine magnetische Substanz
oder einen elektrischen Leiter aufweisen, der in bezug auf den Spulenabschnitt
bewegbar ist. Noch spezieller betrifft die vorliegende Erfindung
einen Hubsensor der selbstinduktiven Art, der nur Primärspulen
verwendet, die durch ein Einphasen-Wechselstromsignal erregbar sind,
um Wechselstrom-Ausgangssignale zu erzeugen, die Amplituden-Funktionscharakteristiken
einer Vielzahl von Phasen präsentieren,
im Ansprechen auf eine zu detektierende Hubposition.
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Seither
waren verschiedene Arten von Positionsdetektorvorrichtungen bekannt,
die konzipiert waren, eine Hubposition in einem Hydraulikzylinder oder
dergleichen zu detektieren. Von diesen Positiondetektorvorrichtungen
sind Zylinder-Positionsdetektorvorrichtungen der induktiven Art,
die elektromagnetische Spulen verwenden, beispielsweise aus der Japanischen
Gebrauchsmuster-Veröffentlichung
Nr. HEI-2-26003
bekannt. Bei jeder dieser herkömmlichen
Zylinder-Positionsdetektorvorrichtungen der induktiven Art werden
erhabene und vertiefte Abschnitte oder ein Muster einer magnetischen
Substanz oder ein elektrischer Leiter zunächst auf der Oberfläche der
Kolbenstange ausgebildet und dann wird eine vorgegebene Schutzbeschichtung
auf die Oberfläche
der Kolbenstange mit den erhabenen und vertieften Abschnitten oder
dem Muster einer magnetischen Substanz oder eines elektrischen Leiters
aufgebracht. Insbesondere die bekannten Vorrichtungen basieren auf
einem Positionsdetektionsschema des Phasenverschiebungstyp, bei
dem eine Vielzahl von Primärspulen
durch Mehrphasen-Wechselstromsignale (z.B. sinωt und cosωt) erregt werden, die gegeneinander
in ihrer elektrischen Phase verschoben sind, und Signale, die durch
die Primärspulen
auf Sekundärspulen
induziert werden, werden zusammen synthetisiert, um ein einziges
sekundäres
Ausgangssignal zu erzeugen, so dass, aus den erregenden Wechselstromsignalen,
eine elektrische Phasen-Differenz von Ausgangssignalen von den Sekundärspulen
eine zu detektierende Position des Kolbens anzeigt.
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Bei
den herkömmlichen
Zylinder-Positionsdetektorvorrichtungen der induktiven Art mit der
Kolbenstangenoberfläche,
auf der erhabene und vertiefte Abschnitte oder ein Muster einer
magnetischen Substanz oder ein elektrischer Leiter ausgebildet sind,
ist die Herstellung und Bearbeitung der Kolbenstange jedoch sehr
mühsam
und zeitaufwendig. Zudem muß in
diesem Fall jede Kolbenstange in einer speziellen Reihenfolgen hergestellt
und bearbeitet werden. Daher kann die gleiche Positionsdetektorvorrichtung
nicht bei Zylindern von verschiedenen unterschiedlichen Arten und
Größen verwendet
werden. Ferner zeigt, sogar bei der bearbeiteten Kolbenstange, die
den vorgegebenen Beschichtungsprozess durchlaufen hat, die Beschichtung
nach mehreren Jahren des Gebrauchs die Tendenz abzublättern aufgrund
der Gleitabnutzung, die durch eine wiederholte Hin- und Herbewegung
der Kolbenstange verursacht wird, welche zu einer schlechten Haltbarkeit der
Kolbenstange führen
würde.
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Um
die Nachteile der bekannten herkömmlichen
Zylinder-Positionsdetektorvorrichtung der induktiven Art zu vermeiden,
wurde eine hochentwickeltere Positiondetektorvorrichtung für einen
Hubzylinder beispielsweise in der offengelegten Japanischen Patentveröffentlichung
Nr. HEI 10-153203 vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Zylinder-Positionsdetektorvorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange einen Innenraum
für das
Eintreten einer Sensorstruktur aufweist, so dass die Erfordernis
für das
Anwenden einer besonderen Bearbeitung an der Umfangsoberfläche der
Kolbenstange entfällt
und verschiedene Komponenten der Detektorvorrichtung betriebsbereit
von Zylindern verschiedener unterschiedlicher Größen gemeinsam genutzt werden
können.
Die so ausgelegte vorgeschlagene Zylinder-Positionsdetektorvorrichtung kann auch eine
erhöhte
Lebensdauer aufweisen, um die Möglichkeit
von unerwünschter
Gleitabnützung
zu vermeiden. Die Sensorstruktur, die in dem Innenraum der Kolbenstange
vorgesehen ist, enthält
sowohl Primärspulen
als auch Sekundärspulen
und die Spulenstruktur läßt noch
Raum für
Verbesserungen.
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Da
nämlich
für die
Spulenstruktur des Positionssensors der induktiven Art, die bei
der herkömmlichen
Zylinder-Positionsdetektorvorrichtung verwendet wird, sowohl die
Primär-
als auch die Sekundärspulen
erforderlich sind, nimmt die erforderliche Anzahl der Komponententeile
in der Vorrichtung signifikant zu, so dass man an enge Grenzen bei
der Reduzierung der Herstellungskosten und Größe der Detektorvorrichtung
stoßen
würden.
Es ist auch ein Positiondetektor bekannt, der derart ausgelegt ist,
dass er die Selbstinduktion der Erregerspulen messen kann und die
erforderliche Anzahl der Spulen reduzieren kann; eine Phasenänderungsgröße, die
einer Verschiebung eines zu detektierenden Objektes entspricht,
kann jedoch von diesem Positionsdetektor nur in einem sehr engen
Bereich erhalten werden. Somit weist der Positionsdetektor die Probleme
auf, dass die Messung der Phasenänderungsgröße tatsächlich schwierig
ist und die Detektionsauflösung sehr
gering ist, so dass er für
den praktischen Gebrauch nie geeignet sein kann.
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US-A-4
646 012 offenbart einen digitalen Stangenpositionsindikator mit
einzelnen diskreten Spulen, die entlang des Bewegungsweges eines länglichen
magnetisch permeablen Elements beabstandet sind. Im Ansprechen auf
die Bewegung des magnetisch permeablen Elements werden entsprechende
Induktivitäten
der Spulen hervorgerufen, die auf eine solche Weise variieren, dass
während
einer Bewegung von einem Ende zum anderen einer besonderen der Spulen
eine Spannung über
die besondere Spule hervorgerufen wird, die progressiv abnimmt oder
zunimmt. Der digitale Stangenpositionsindikator speichert in digitaler
Form Kompensationssignale zur automatischen Einstellung der Position
in bezug auf die Spulen.
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DE 39 29 681 A offenbart
einen Hubsensor, wie er in dem Oberbegriff des neuen Anspruchs 1 vorgetragen
ist.
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Hubsensor der
selbstinduktiven Art bereitzustellen, der kompakt in der Größe und einfach im
Aufbau ist, einen breiteren detektierbaren Hubbereich bereitstellt
und auch eine Hochauflösungsdetektion
erreicht, sogar wenn die Verschiebung eines zu detektierenden Objektes
sehr klein ist.
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Um
das vorher erwähnte
Ziel zu erreichen, stellt die vorliegenden Erfindung einen verbesserten Hubsensor
bereit, wie er in Anspruch 1 vorgetragen ist.
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In
dem Fall, in dem die vorliegende Erfindung als Hubsonsor für einen
Hydraulikzylinder verwendet wird, entspricht der vorher erwähnte "Körper" dem Zylinderkörper und das vorher erwähnte "bewegbare Element" entspricht der Kolbenstange.
In diesem Fall wird das Sensorelement an einem Ende ausragend an
einem vorgegebenen Ende des Zylinderkörpers auf solche Weise gehalten,
dass sich sein anderes Ende in den Raum des Zylinderkörpers erstreckt.
Der Kolben und die Kolbenstange, i.e. das bewegbare Element, weist
ferner einen in ihrem Innern ausgebildeten Innenraum auf, der dem
Sensorelement das Eintreten in das bewegbare Element ermöglicht.
Eine derartige Struktur ist dem ähnlich,
was in der offengelegten Japanischen Patentveröffentlichung Nr. HEI 10-153203,
die vorher besprochen wurde, veröffentlicht
ist, welche, wie darin beschrieben wurde, verschiedene Vorteile
bietet, wie beispielsweise Vereinfachung, verbesserte Lebensdauer,
Kompaktheit und breitete Anwendungsmöglichkeiten der Struktur. Die Hubpositionsdetektion
wird hier durch Detektieren, in Entsprechung zu den Induktionsgesetzen,
von relativen Positionen des Spulenabschnitts und einer auf Magnetismus
ansprechenden Substanz, die zur relativen Verschiebung des Spulenabschnitts
vorgesehen ist, auf der Grundlage von Ausgangsspannungen bewirkt,
die Induktivitätsänderungen
der einzelnen Spulensegmente entsprechen, die im Ansprechen auf Änderungen
von relativen Positionen des Spulenabschnitts und der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz auftreten. Falls die vorliegende Erfindung
als Schieberventil-Positionsdetektorvorrichtung verwendet wird,
entspricht andererseits das vorher erwähnte "bewegbare Element" dem Schieber.
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Ist
beispielsweise der Spulenabschnitt auf dem Sensorelement vorgesehen,
ist in diesem Fall die auf Magnetismus ansprechende Substanz an
der inneren Umfangswand des bewegbaren Elements, die den Innenraum
definiert, vorgesehen. Wenn das Material des bewegbaren Elements
selbst eine vorgegebene auf Magnetismus ansprechende Substanz aufweist,
dann arbeitet die innere Umfangswand des bewegbaren Elements, die
den Innenraum definiert, selbst als die vorher erwähnte auf
Magnetismus ansprechende Substanz, weshalb daher die Erfordernis für das Bereitstellen
einer getrennten auf Magnetismus ansprechenden Substanz, die nicht
die innere Umfangswand ist, entfällt.
Falls das Material des bewegbaren Elements selbst nicht eine vorgegebene auf
Magnetismus ansprechende Substanz aufweist, muß eine solche vorgegebene auf
Magnetismus ansprechende Substanz getrennt an der inneren Umfangswand
des bewegbaren Elements, die den Innenraum definiert, vorgesehen
werden. Im Gegensatz dazu kann der Spulenabschnitt auf der inneren Umfangswand
des bewegbaren Elements, die den Innenraum definiert, der auf dem
Sensor vorgesehen ist, vorgesehen sein und die auf Magnetismus ansprechende
Substanz kann auf dem Sensorelement vorgesehen sein, da die Positionsbeziehung
zwischen dem Spulenabschnitt und der auf Magnetismus ansprechenden
Substanz umgekehrt werden kann, ohne Unanehmlichkeiten mit sich
zu bringen.
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Kennzeichnenderweise
kann die auf Magnetismus ansprechende Substanz wenigstens eines der
folgenden aufweisen: ein magnetisches Material und/oder einen elektrischen
Leiter. In dem Fall, in dem die auf Magnetismus ansprechende Substanz ein
magnetisches Material aufweist, nimmt, wenn die auf Magnetismus
ansprechende Substanz sich näher an
oder tiefer in eines der Spulensegmente bewegt, die Selbst-Induktion zu und
somit nimmt die Spannung über
(i.e., zwischen den gegenüberliegenden Enden
des) das Spulensegment progressiv während der Verschiebung der
oberen Spitze der auf Magnetismus ansprechenden Substanz von einem
Ende zu dem anderen Ende dieser Spule zu. Da die Vielzahl der Spulensegmente
entlang der Verschiebungsrichtung des bewegbaren Elements, das das
Objekt der Positionsdetektion ist, in Serie angeordnet sind, werden
hier progressive Zunahme- oder
progressive Abnahme-) Änderungen
bei den jeweiligen Spannungen der Spulensegmente sequentiell auftreten,
wenn die auf Magnetismus ansprechende Substanz sich in bezug auf
den Spulenabschnitt im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden
Objektes bewegt. Wenn Kombinationen der progressiven Zunahme- (oder
progressiven Abnahme-) Änderungen bei
den jeweiligen Zwischen-Abgriffspannungen
der Spulensegmente verwendet werden, während die Spannungsänderungen
als Änderung
im partiellen Phasenbereichen von vorbestimmten zyklischen Funktionen
betrachtet werden, kann eine Vielzahl von Wechselstrom-Ausgangssignalen
erzeugt werden, die Amplituden von vorgegebenen zyklischen Funktionscharakteristiken
in Entsprechung zu der Hubposition des zu detektierenden Objektes
aufweisen. Die Vielzahl der Wechselstrom-Ausgangssignale, die Amplituden
von vorgegebenen zyklischen Funktionscharakteristiken in Entsprechung
zu der Hubposition des zu detektierenden Objektes repräsentieren,
können
durch Abnehmen der jeweiligen Zwischen-Abgriffspannungen der einzelnen
Spulensegmente und Durchführen
von Addition und/oder Subtraktion zwischen den abgenommenen Spannungen
der Spulensegmente erzeugt werden, um dadurch Kombinationen der
Zwischen-Abgriffspannungen bereitzustellen.
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Zum
Beispiel kann eine progressiv zunehmende Änderungskurve der Spannung
entlang eines der Spulensegmente, welche während der Bewegung der auf
Magnetismus ansprechenden Substanz von einem Ende zum anderen des
Spulensegments stattfindet, mit einer Funktionswertänderung
in einem Bereich von 0° – 90° der Sinusfunktion
verglichen werden. Die progressiv zunehmende Änderungskurve kann in eine Änderungskurve,
die von einem vorgegebenen Pegel progressiv abnimmt, durch Invertieren
der Amplitudenwerte in entsprechende negative Werte und durch Unterziehen
der invertierten Amplitudenwerte einer Spannungs-Verschiebungsoperation
konvertiert werden, um diesen vorgegebene Pegel hinzuzufügen (Versatzpegel).
Eine derartige progressiv abnehmende Änderungskurve kann zum Beispiel
mit einer Funktionswertänderung
innerhalb eines Bereiches von 90° – 180° der Sinuskurve
verglichen werden. Mittels Durchführens einer geeigneten Addition
und/oder Subtraktion zwischen den Zwischen-Abgriffspannungen, wie
es erforderlich ist, können
somit die progressiv zunehmenden Änderungen der Zwischen-Abgriffspannungen,
die in seriell angeordneten vier Spulensegmenten auftreten, jeweils
mit Funktionswertvariationen in dem Bereich von 0° – 90°, dem Bereich
90° – 180°, dem Bereich 180° – 270° und dem
Bereich 270° – 360° der Sinuskurve
verglichen werden. Die Neigungsrichtungen der Kurven in den einzelnen
Bereichen und Spannungsverschiebungs-Abweichungspegel können, wenn
es erforderlich ist, durch geeignete analoge arithmetische Operationen
gesteuert werden. Auf diese Weise kann ein erstes Wechselstrom-Ausgangssignal,
das eine Amplitude der Sinusfunktionscharakteristiken präsentiert,
in Entsprechung zu der Position des zu detektierenden Objektes und
eine zweites Wechselstrom-Ausgangsignal erzeugt werden, das eine
Amplitude der gleichen Funktioncharakteristiken präsentiert,
welche von der Sinusfunktion um 90° phasenverschoben ist.
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Als
bevorzugte Ausführung
können
zwei Wechselstrom-Ausgangssignale, die jeweils Amplituden der Sinus-
und Cosinusfunktionscharakteristiken präsentieren, in Entsprechung
zu der Position des zu detektierenden Objekts erzeugt werden. Allgemein gesprochen,
kann, wenn die Position des zu detektierenden Objektes durch einen
Winkel θ bezeichnet wird,
das Wechselstrom-Ausgangssignal der Amplitude, das die Sinusfunktioncharakteristiken
präsentiert,
durch "sinθsinωt" repräsentiert
werden, während
das Wechselstrom-Ausgangssignal der Amplitude, das die Cosinusfunktioncharakteristiken
präsentiert,
durch "cosθsinωt" repräsentiert
wird. Die Signale sind ähnlich
in der Form zu Ausgangssignalen von herkömmlichen Positionsdetektorvorrichtungen, die
allgemein als "Koordinatenwandler" bezeichnet werden,
und sie können äußerst nutzbringend
verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann zum Beispiel einen
Amplituden-Phasen-Konvertierungsabschnitt aufweisen, der die Vielzahl
von Wechselstrom-Ausgangssignalen, die durch die analoge arithmetische Operationsschaltung
erzeugt werden, empfängt
und, aus einer Beziehung zwischen Amplitudenwerten in der Vielzahl
von Wechselstrom-Ausgangssignalen, besondere Phasenwerte in den
vorgegebenen zyklischen Funktionen detektiert, die die Amplitudenwerte
definieren, um Daten, die für
die Position des zu detektierenden bewegbaren Elements kennzeichnend
sind, auf der Grundlage der detektierten besonderen Phasenwerte
zu erzeugen.
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In
dem Fall, in welchem das auf Magnetismus ansprechende Element einen
guten elektrischen Leiter, wie beispielsweise Kupfer, aufweist,
würde die Selbstinduktion
der Spulensegmente aufgrund eines Wirbelstromeverlustes abnehmen,
so dass während der
Bewegung der auf Magnetismus ansprechenden Substanz von einem Ende
zu dem anderen eines besonderen der Spulensegmente eine Spannung über das
besondere Spulensegment zur progessiven Abnahme veranlaßt wird.
Auch in diesem Fall kann die Positionsdetektion auf die gleiche
Weise wie in dem vorher beschriebenen Fall ausgeführt werden.
Die auf Magnetismus ansprechende Substanz kann als ein Hybrid-Typ
vorgesehen sein, welcher eine Kombination des magnetischen Materials
und eines elektrischen Leiters aufweist. Als weitere Ausführungsform
kann eine Permanentmagnet als die auf Magnetismus ansprechende Substanz
verwendet werden und die Spulensegmente können einen magnetischen Kern
aufweisen. In einem solchen Fall, wenn der Permanentmagnet, der
als die auf Magnetismus ansprechende Substanz wirkt, sich irgendeinem
der Spulensegmente nähert,
wird ein Abschnitt des magnetischen Kern, der dem Permanentmagnet
nahe gekommen ist, magnetisch gesättigt oder übersättigt, was zu einem progressiven
Abfall bei der Zwischen-Abgriffspannung
der Spulensegmente während
der Verschiebung der auf Magnetismus ansprechenden Substanz, i.e.
des Permanentmagneten, von einem Ende zu dem anderen des Spulensegments
führt.
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Die
in dieser Art und Weise ausgelegte vorliegende Erfindung benötigt somit
nur Primärspulen und
eine Forderung nach Sekundärspulen
kann entfallen. Die Vielzahl von Spulenelementen ist ferner entlang
der Verschiebungsrichtung des zu detektierenden Objekts in Serie
angeordnet und Veränderungen
bei Charakteristiken der Spulensegmente, i.e. progressiv zunehmende
(oder progressiv abnehmende) Veränderungen
in jeweiligen Zwischen-Abgriffspannungen der Spulensegmente, treten
sequentiell auf, wenn die Spitze der auf Magnetismus ansprechenden
Substanz sich von einem Ende zu dem anderen einer der Spulen bewegt.
Durch Abnehmen der jeweiligen Zwischen-Abgriffspannungen der Spulensegmente
und ihrem nachfolgendem Kombinieren durch Addition und/oder Subtraktion
derselben, kann somit bequem eine Vielzahl von Wechselstrom-Ausgangssignalen
erzeugt werden, die jeweilige Amplituden von vorgegebenen zyklischen
Funktionscharakteristiken (z.B., zweier Wechselstrom-Ausgangssignalen,
die jeweilige Amplituden der Sinus- und Cosinusfunktionschrakteristiken
präsentieren)
im Ansprechen auf eine aktuelle Position des zu detektierenden Objekts
präsentieren.
Somit kann ein breiterer verfügbarer
Phasenwinkelbereich durch die vorliegende Erfindung geschaffen werden.
Die vorliegende Erfindung gestattet beispielsweise eine Detektion über den
vollen 0° – 360° Phasenwinkelbereich,
wie im vorhergehenden beschrieben wurde. Ferner erzielt durch Detektieren,
aus einer Beziehung zwischen den Anplitudenwerten in der Vielzahl
von Wechselstrom-Ausgangssignale, von Phasenwerten in den vorgegebenen
zyklischen Funktionen (z.B. Sinus- und Cosinusfunktionen), die die
Amplitudenwerte definieren, die vorliegende Erfindung eine Hochauflösungsdetektion,
auch wenn die Verschiebung des zu detektierenden Objektes sehr klein
ist.
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Zum
besseren Verständnis
der Ziele und anderer Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ihre
bevorzugten Ausführungsformen
nachfolgend detaillierter unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen
beschrieben. In den Zeichnungen ist folgendes gezeigt:
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1 ist
eine schematische Axialschnittansicht eines Hubsensors in Entsprechung
zu einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die bei einer Hydraulikzylindervorrichtung
angewendet wird.
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2A ist
eine schematische Außenansicht des
Hubsensors, welcher beispielhaft für Positionsdetektionsgesetze
ist, auf welchen der Hubsensor basiert und die eine Anordnung eines
in 1 gezeigten Spulenabschnitts und einer auf Magnetismus ansprechenden
Substanz im herausgezogenen Zustand zeigt, 2B ist
eine schematische Schnittansicht, die längs der Achse des Spulenabschnitts
genommen wurde, und 2C ist ein Blockschaltbild, das
eine zu dem Spulenabschnitt gehörende
elektrische Schaltung zeigt.
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3 ist
ein Beispiel einer Positionsdetektionsoperation der in 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform,
bei dem Teil (A) ein Diagramm ist, das beispielhaft Ausgaben von
Spulen zeigt und Teil (B) ein Diagramm ist, das ein Beispiel einer
arithmetischen Synthese von den Ausgaben der einzelnen Spulen zeigt.
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4 ist
eine schematische Schnittansicht, die eine Modifikation der in 1 und 2 gezeigten
auf Magnetismus ansprechenden Substanz zeigt, die insbesondere eine
modifizierte Form eines oberen Endabschnitts der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz zeigt.
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5 ist
eine schematischer Axialschnittansicht, die eine weitere Ausführungsform
des Hubsensors nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
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6 ist
ein Blockschaltbild, das die zu dem Spulenabschnitt gehörende elektrische
Schaltung der zweiten Ausführungsform
zeigt.
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7 ist
beispielhaft für
eine Positionsdetektionsoperation der in 5 gezeigten
zweiten Ausführungsform
ist, wobei Teil (A) ein Diagramm ist, das beispielhaft Ausgaben
von Seinzelnen pulen zeigt, und Teil (B) ein Diagramm ist, das ein
Beispiel einer arithmetischen Synthese von den Ausgaben der einzelnen
Spulen zeigt.
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8 ist
eine schematische Schnittansicht, die eine modifizierte Form des
oberen Endabschnitts der auf Magnetismus ansprechenden Substanz
und eine modifizierte Anordnung der Spulen zeigt.
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9 eine
schematische Schnittansicht, die noch eine andere modifizierte Anordnung
der Spulen zeigt. Und
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10A und 10B sind
schematische Schnittansichten, die noch weitere modifizierte Anordnungen
der Spulen zeigen.
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1 zeigt
einen Hubsensor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, der als Zylinder-Positionsdetektorvorrichtung
angebaut ist, und insbesondere ist 1 eine Schnittansicht
der Zylinder-Positionsdetektorvorrichtung, die längs der Achse des Zylinders
genommen wurde. Die Zylindervorrichtung 1, bei der die
Zylinder-Positionsdetektorvorrichtung der vorliegenden Erfindung
angewendet wird, kann von irgendeiner Art sein, wie beispielsweise
hydraulisch oder pneumatisch. Wie herkömmlicherweise bekannt ist,
weist die Zylindervorrichtung 1 einen Zylinderkörper 2 und
ein in den Zylinderkörper 2 eingesetztes
Kolbenelement 3 zur linearen Bewegung oder Verschiebung
in bezug auf den Zylinderkörper 2 auf.
Es ist anzumerken, dass die Darstellung einer zum Zylinderkörper 2 in
Beziehung stendenden hydraulischen oder pneumatischen Schaltung
der Einfachheithalber weggelassen wurde.
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Innerhalb
des Zylinderkörpers 2 wird
ein längliches
Sensorelement 4 an seinem einen Ende ausragend neben einem
geschlossenen Ende 2a des Zylinderkörpers 2 gehalten und
das Sensorelement 4 weist ein anderes Ende auf, das sich
in einen Raum des Zylinderkörpers 2 auf
sein offenes Ende 2b hin erstreckt. Das Kolbenelement 3,
das sich linear rückwärts und
vorwärts
in eine "x"-Richtung innerhalb
des Zylinderkörpers 2 bewegt,
muß daher
ein Berühren des
länglichen
Sensorelements 4 entsprechend vermeiden. Somit ist ein
vorgegebener Innenraum 5 in dem Kolbenelement 3 ausgebildet,
um dem Sensorelement 4 einen freien Eintritt zu gestatten.
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Das
Sensorelement 4 weist einen Spulenabschnitt 10 mit
einer Vielzahl von Spulensegmenten (in dem dargestellten Beispiel,
vier Spulensegmente LA, LB, LC und LD) auf, die durch ein vorgegebenes Einphasen-Wechselstromsignal
erregbar sind, und diese Spulensegmente sind längs der linearen Bewegungsrichtung
x des Kolbenelements 3 in Serie angeordnet. Speziell der
Spulenabschnitt 10 mit der Vielzahl von Spulensegmenten
LA, LB, LC und LD ist um einen Spulenabschnitt 6 gewunden
und sein Außenumfang
ist mit einem nicht-magnetischen oder nichtelektrisch leitenden
Schutzrohr (oder Beschichtung oder Form) 7 bedeckt. Obgleich
das Schutzrohr 7 aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt
sein kann, wird bevorzugt, dass das Rohr 7 ein thermisch kontrahierbares
Rohr ist, das wegen der geringen Kosten aus einem Isolierkunstharz
hergestellt ist. Da die Spulensegmente LA, LB, LC und LD durch das vorgegebene
Einphasen-Wechselstromsignal erregt werden, müssen sie nicht notwendigerweise
physikalisch getrennte Spulen sein und können aus einer im wesentlichen
einzelnen Spule als eine Gesamtheit ausgebildet sein. Die einzelne
Spule kann nämlich
in eine Vielzahl von Zwischenpositionen in Entprechung zu den Spulensegmenten
LA, LB, LC und LD unterteilt sein und Ausgangsanschlüsse oder
Abgriffstellen können
bei den Zwischenpositionen vorgesehen sein, um dadurch die Spulensegmente
LA, LB, LC und LD zu schaffen, die in Serie verbunden sind und durch
das vorgegebene Einphasen-Wechselstromsignal erzeugt werden. Die
vorliegende Erfindung ist natürlich
nicht dahingehend eingeschränkt
und die Spulensegmente LA, LB, LC und LD können getrennte Spulen sein,
die in Serie verbunden sind und zusammen durch ein vorgegebenes
Einphasen-Wechselstromsignal erregt werden oder in der gleichen Phase
durch ein vorgegebenes Einphasen-Wechselstromsignal, das über verschiedene
Anregungsschaltung geliefert wird. Die einfachste ist jedoch die vorher
erwähnte
Anordnung, bei der die Einzelspule in eine Vielzahl von Zwischenpositionen
in Entsprechung zu den Spulensegmente LA, LB, LC und LD unterteilt
ist. Die Spulensegmente LA, LB, LC und LD werden jeweils einfach
als eine "Spule" bezeichnet.
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Der
Spulenabschnitt 6 ist in der Form eines nicht-magnetischen
Hohlzylinders, in welchen einer oder mehrere Magnetstäbe 8 aufgenommen
werden. Die Magnetstäbe 8 erstrecken
sich durch die Länge des
Spulenabschnitts 10 und und ihre Funktion ist, einen Induktionswert,
i.e., eine Inpedanz, längs
der gesamten Länge
des Spulenabschnitts 10 einzustellen. Die Einstellung eines
solchen Induktionswertes längs der
gesamten Länge
des Spulenabschnitts 10 kann, wie gewünscht, durch eine geeignete
Anpassung der Dicke und der Anzahl der Stäbe 8, die in dem Spulenabschnitt 6 aufgenommen
werden, geändert
werden. Vorzugsweise ist jeder Magnetstab mit Kupfer oder dergleichen
beschichtet, um eine elektrisch leitende Beschichtung auf seiner
Umfangsoberfläche
zu schaffen, so dass die leitende Beschichtung hilft, Temperaturverschiebungscharakteristiken
auszugleichen, wie es nachfolgend beschrieben wird. Der Spulenabschnitt 6 kann
aus irgendeinem geeigneten Metall oder Kunstharz ausgebildet sein,
solange er nur nicht-magnetisch ist. In Fällen, in denen die Zylindervorrichtung 1,
die die erfinderische Sensorvorrichtung angewendet, bei großen Baumaschinen
oder dergleichen verwendet wird, die relativ großen Belasten ausgesetzt sind,
ist es eher vorzuziehen, dass der Spulenabschnitt 6 aus
Metal, wie beispielsweise nicht-magnetischem rostfreiem Stahl, gebildet
wird, um eine ausreichende mechanische Festigkeit sicherzustellen.
Wenn ein Abdeckungselement 9 an dem geschlossenen Ende 2a des
Zylinders vorgesehen ist, zum Verschließen und Öffnen des Zylinderkörpers 2 und
zum luftdichten und flüssigkeitsdichten Abdichten
des Zylinderkörpers 2 und
auch zum Schaffen einer solchen Anordnung, die gestattet, ein Einsetzen
und Entfernen des Sensorelements 4 in und aus dem Zylinder
durch Öffnen
des Abdeckungselements 9 durchzuführen, kann eine Installation
des Sensorelements 4 in den Zylinder und eine Wartung des
Sensorelements 4 sehr einfach durchgeführt werden. Leitungen (nicht
gezeigt) des Spulenabschnitts 10 werden durch einen Durchgang
(ebenfals nicht gezeigt) durchgeführt, der in einem geeigneten Abschnitt
des geschlossenen Endes 2a des Zylinders ausgebildet wird
(welcher beispielsweise ein Abschnitt des Abdeckungselements 9 sein
kann), und an einen Kontaktanschluß (ebenfalls nicht gezeigt)
nach außen
gekoppelt.
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Ferner
ist bei der hier beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eine vorgegebene auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 an
der inneren Umfangswandoberfläche
des Kolbenelements 3, die den Innenraum 5 definiert,
vorgesehen. In 1 ist die in 1 gezeigte
auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 von der Art, dass
die Substanz 11 visuell von dem auf Magnetismus ansprechenden
Material des Kolbenelements 3 unterschieden werden kann.
Falls das Kolbenelement 3 jedoch aus dem gleichen Material
hergestellt ist wie die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11,
darf die innere Umfangswandfläche
des Kolbenelements 3 selbst als die auf Magnetismus ansprechende
Substanz 11 wirken, ohne eine separate auf Magnetismus
ansprechende Substanz 11 vorzusehen. Wenn ein magnetisches
Material als die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 verwendet
wird und das Kolbenelement 3 selbst aus einem ferromagnetischen
Material, wie beispielsweise Eisen, hergestellt ist, darf die innere
Umfangswandfläche
des Kolbenelements 3 als die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 wirken,
ohne eine separate auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 vorzusehen,
wie im vorhergehenden erwähnt
wurde; wenn das Kolbenelement 3 jedoch aus einem nicht-magnetischen Material,
wie beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt wird, dann wird
eine Manschette eines guten elektrischen Leiters oder ferromagnetischen
Materials auf die innere Umfangswandfläche des Kolbenelements 3,
die den Inneraum 5 definiert, so angepaßt, dass die Manchette als
die vorgegebene auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 wirken
kann. In einem solchen Fall kann die innere Umfangswandfläche des
Kolbenelements 3, die den Innenraum 5 definiert,
mit Kupfer beschichtet sein, um die auf Magnetismus ansprechende
Substanz 11 von guter elektrischen Leitfähigkeit
zu schaffen.
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Die
folgenden Absätze
beschreiben die Grundprinzipien zum Detektieren eines relativen
Positionsverhältnisses
zwischen dem Spulenabschnitt 10 und der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 bei der vorliegenden Ausführungsform. 2A ist
eine schematische Außenansicht,
die eine in 1 gezeigte Anordnung von dem
Spulenabschnitt 10 und der auf Magnetismus ansprechenden Substanz 11 (die
innere Umfangswandfläche
des Kolbenelements 3) oder das Positionsverhältnis zwischen
denselben im herausgezogenen Zustand zeigt, 2B ist
eine Schnittansicht, die längs
der Achse des Spulenabschnitts 10 genommen wurde, und 2C ist
ein Blockschaltbild, das eine zu dem Spulenabschnitt 10 gehörende elektrische
Schaltung zeigt. Der Spulenabschnitt 10 weist die vier
Spulen LA, LB, LC und LD auf, wobei jede die gleichen Charakteristiken
aufweist, wie beispielsweise die gleiche Anzahl von Windungen und
die gleiche Spulenlänge, die
segentiell oder in Serie längs
der Richtung der linearen Bewegung des Kolbenelements 3 angeordnet
sind. Wenn das Kolbenelement 3 sich in kontrahierender
(Einzugs-Richtung) bewegt, wird sich das stabförmige Sensorelement 4 dazu
veranlaßt,
sich längs
der zylindrisch ausgebildeten auf Magnetismus ansprechenden Substanz 11,
die die inneren Umfangswandfläche
bildet, in den Innenraum 5 des Kolbenelements 3 zu
bewegen, so dass die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 in
die jeweiligen magnetischen Felder der einzelnen Spulen des Spulenabschnitts 10 eintritt.
Da in dem dargestellten Beispiel die auf Magnetismus ansprechende
Substanz 11 sich auf das hintere Ende des Spulenabschnitts 10 bewegt,
nämlich
in der Figur nach rechts, im Ansprechen auf die Bewegung des Kolbenabschnitts 3 in
die Einzugsrichtung, tritt die Spitze 11a der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 in das magnetische Feld der Anfangsspule
LA zuerst ein und tritt dann in die jeweiligen Felder der anderen
Spulen LB, LC und LD sequentiell in der erwähnten Reihenfolge ein. Eine
Punkt-und-Strich-Linie 11' in 2B bildet die
auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 ab, die soweit
in das magnetische Feld der letzten Spule (ganz rechte Spule in
der Figur) LD vollständig
eingetreten ist. Axiale Bereiche, die den vier Spulen LA, LB, LC
und LD entsprechen, bilden zusammen den wirksamen Detektionsbereich
der Sensorvorrichtung. Wenn nämlich
die Länge
von jeder der Spulen durch K repräsentiert wird, ist der wirksame
Detektionsbereich gleich einem Vierfachen der Länge K, i.e. 4K. Es ist anzumerken,
dass, da Detektionsgenauigkeit in Wirklichkeit dazu neigt, an den
gegenüberliegenden
Enden des wirksamen Detektionsbereiches herabgesetzt zu werden,
die gegenüberliegenden
Enden des wirksamen Detektionsbereichs nicht zu Detektionszwecken
in der vorliegenden Ausführungsform
verwendet werden, so dass die tatsächliche Länge des wirksamen Detektionsbereiches
ein wenig kürzer
als 4K ist.
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Der
eine oder die mehreren Magnetstäbe 8 erstrecken
sich axial durch die jeweiligen Kernbereiche der einzelnen Spulen
LA, LB, LC und LD. Der eine oder die mehreren Magnetstäbe 8 präsentieren einen
maximalen Induktivtätswert,
falls die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 sich
nicht ausreichend nahe an dem Spulenabschnitt 10 befindet. Wenn
die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 sich näher zu oder
weiter in das magnetische Feld einer der Spulen bewegt, nimmt die
Selbstinduktion der Spule ab; somit wird eine Spannung zwischen gegenüberliegenden Enden
der Spule progressiv abnehmen, wenn die Spitze 11a der
auf Magnetismus ansprechenden Substanz 11 von einem Ende
zu dem anderen Ende der besagten Spule verschoben wird. Genauer
gesagt, falls die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 aus
einer magnetischen Substanz ausgebildet ist, bedeckt die magnetische
Substanz den Außenumfang
der Spule, welche durch die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 umgeben
wurde, wodurch ein magnetischer Fluß, der in soweit allein in
den magnetischen Kernen 8, nämlich den Stäbe 8,
in dem Spulenkernbereich konzentriert war, aus der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 austritt, so dass es zum Abnehmen
der Selbstinduktion der Spule führt.
Falls weiterhin die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 aus
einer elektrisch leitenden Substanz ausgebildet ist, bedeckt die
elektrisch leitende Substanz den Außenumfang der Spule, welche
durch die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 umgeben
wurde und somit findet ein Wirbelstromverlust aufgrund des magnetischen
Feldes statt, was auch zu einer Abnahme der Selbstinduktion der
Spule führt.
Die Verwendung der elektrisch leitenden Substanz als der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 wird mehr bevorzugt, da die Rate
der Induktionabnahme, die durch den Wirbelstromverlust in der die
Spule umgebenden leitenden Substanz hervorgerufen wird, größer ist
als die Raten der Induktionsabnahme, die durch das Austreten des
Magnetflusses in die die Spule umgebenden magnetischen Substanz
hervorgerufen wird.
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Wie
in 2C gezeigt ist, werden die einzelnen Spulen LA,
LB, LC und LD bei konstanter Spannung oder Strom durch ein vorgegebenes
Einphasen-Wechselstromsignal
(vorläufig
durch "sinωt" bezeichnet) erregt,
das durch eine Wechselstromenergiequelle 12 erzeugt wurde.
Spannungen zwischen den jeweiligen gegenüberliegenden Enden dieser Spulen
LA, LB, LC und LD werden in der Figur jeweils mit "VA", "VB", "VC" und "VD" bezeichnet und Abgriffstellen 14 – 18 sind
vorgesehen, um diese Spannungen VA, VB, VC und VD abzunehmen. Wie
leicht zu verstehen ist, müssen
diese Spulen LA, LB, LC und LD nicht notwendigerweise physikalisch
getrennte Spulen sein und sie können
durch nur eine einzige kontinuierliche Spule ersetzt werden, die
in vier Längen
oder Spulenabschnitte durch die Zwischenabgriffstellen 14 – 18 unterteilt
wird; das heißt,
der Spulenabschnitt zwischen den Abgriffstellen 14 und 15 arbeitet
als die Spule LA, der Spulenabschnitt zwischen den Abgriffstellen 15 und 16 arbeitet
als die Spule LB, der Spulenabschnitt zwischen den Abgriffstellen 16 und 17 arbeitet
als die Spule LC und der Spulenabschnitt zwischen den Abgriffstellen 17 und 18 arbeitet
als die Spule LD. Die Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD von den
einzelnen Spulen werden in vorgegebenen Kombinationen an zwei analoge
arithmetische Operationsschaltungen 20 und 21 abgegeben,
in welchen sie einer Addition und/oder Subtraktion auf der Grundlage
vorgegebener mathematischer Ausdrücke unterzogen werden, wie
später
detailliert beschrieben wird. Diese analogen arithmetischen Operationsschaltungen 20 und 21 erzeugen
so zwei Wechselstrom-Ausgangssignale von Amplituden, die Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken
(i.e., zwei Wechselstrom-Ausgangssignale mit Amplitudenfunktionscharakteristiken,
die voneinander um 90° phasenverschoben
sind) präsentieren,
die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objektes entsprechen.
Zum Zwecke der Veranschaulichung wird das Ausgangssignal von der analogen
arithmetischen Operationsschaltung 20 mit sinθsinωt bezeichnet,
während
das Ausgangssignal von der anderen analogen arithmetischen Operationsschaltung 21 mit
cosθsinωt bezeichnet
wird. Die analogen arithmetischen Operationsschaltungen 20 und 21 weisen
Operations-Verstärker
OP1, OP2 und Widerstandsschaltungen RS1, RS2 auf.
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Da
die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 sich näher zu oder
weiter in das magnetische Feld irgendeiner der Spulen bewegt, wie
bereits erwähnt
wurde, nimmt die Selbstinduktion der Spule ab und somit nimmt die
Spannung zwischen den gegenüberliegenden
Enden der Spule während
einer Verschiebung der Spitze 11a der Substanz 11 von
einem Ende zu dem anderen der Spule progressiv ab. Da die Spulen
LA, LB, LC und LD längs
der Verschiebungsrichtung des zu detektierenden Objektes in Serie
plaziert sind, werden hier progressive Änderungen bei den jeweiligen
Spannungen VA, VB, VC und VD der Spulen LA, LB, LC und LD sequentiell
auftreten, wie es in Teil (A) von 3 veranschaulichend gezeigt
ist, wenn die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 sich
in bezug auf die Spulen LA, LB, LC und LD im Ansprechen auf die
Verschiebung des zu detektierenden Objektes bewegt. In Teil (A)
aus 3 repräsentiert
eine Neigung in jeder der Kurven, die für die Ausgangsspannungen VA,
VB, VC und VD von den Spulen LA, LB, LC und LD kennzeichnend sind,
einen Bereich, in welchem die Spitze 11a der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 sich von einem Ende auf das andere
Ende der betreffenden Spule bewegt. Kennzeichnenderweise kann eine progressive
Variationskurve der Spannung zwischen den gegenüberliegenden Enden der Spule,
die während
der Bewegung der auf Magnetismus ansprechenden Substanz 11 von
einem Ende zu dem anderen Ende der Spule auftritt, mit einer Funktionswertänderung
in einem 90°-Bereich der Sinus-
oder Cosinusfunktion verglichen werden. Durch geeignetes Kombinieren
der Ausgangspannungen VA, VB, VC und VD von den einzelnen Spulen
LA, LB, LC und LD und Durchführen
einer Addition und/oder Subtraktion zwischen den Kombinationen ist
es möglich,
zwei Wechselstrom-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt der Amplituden zu erzeugen,
die Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken präsentieren,
die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objektes entsprechen.
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Genauer
gesagt, kann die analoge arithmetische Operationsschaltung 20 ein
Wechselstrom-Ausgangssignal, das für eine Amplitudenkurve der
Sinusfunktionscharakteristik kennzeichnend ist, wie es in Teil (B)
aus 3 gezeigt ist, mittels Durchführens von arithmetischen Operationen
an den Ausgabespannungen VA, VB, VC und VD von den Spulen LA, LB,
LC und LD in Entsprechung zu nachfolgendem Ausdruck (1) bereitstellen;
das Wechselstrom-Ausgangssignal von der analogen arithmetischen
Schaltung 20 kann äquivalent
durch "sinθsinωt" repräsentiert
werden. (VB – VA) – (VD – VC) – Vo Ausdruck (1)
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Es
ist anzumerken, dass "Vo" eine Referenzspannung
repräsentiert,
die einem minimalen Induktionswert entspricht, der erhalten wird,
wenn die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 eine
der Spulen in ihrer Gesamtheit vollständig bedeckt hat, und diese
Referenzspannung wird hier verwendet, um die Ausgangsspannung auf
einen Nullpegel zu versetzen.
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Ferner
kann die analoge arithmetische Operationsschaltung 21 ein
Wechselstrom-Ausgangssignal,
das für
eine Amplitudenkurve der Cosinusfunktionscharakteristik kennzeichnend
ist, wie es in Teil (B) aus 3 gezeigt
ist, mittels Durchführens
von arithmetischen Operationen an den Ausgabespannungen VA, VB,
VC und VD von den Spulen LA, LB, LC und LD in Entsprechung zu nachfolgendem
Ausdruck (2) bereitstellen; das Wechselstrom-Ausgangssignal von der
analogen arithmetischen Schaltung 20 kann äquivalent
durch "cosθsinωt" repräsentiert
werden. VA + (VB – VC) +
(Vp – VD) – Vo Ausdruck (2)
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Es
ist anzumerken, dass "Vp" eine Referenzspannung
repräsentiert,
die einem maximalen Induktionswert entspricht, der erhalten wird,
wenn die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 sich
nicht ausreichend nahe an irgendeiner der Spulen befindet und diese
Referenzspannung wird hier verwendet, um die Ausgangsspannung VD
zu versetzen. Zieht man Temperaturverschiebungen in Betracht, müßte eine
Erzeugung der Referenzspannungen Vo und Vp besser unter Verwendung
einer geeigneten Testspule ausgeführt werden, so dass diese Spannungen
Vo und Vp mit den gleichen Temperaturverschiebungscharakteristiken
erzeugt werden können
wie die der Spulen LA, LB, LC und LD. Irgendwelche andere geeigneten
Temperaturausgleichsmittel können
jedoch natürlich
verwendet werden.
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Ein
Phasenwinkel θ bei
den Sinus- und Cosinusfunktionen, die Amplitudenkomponenten der
einzelnen Wechselstrom-Ausgangssignale sind, entspricht der aktuellen
zu detektierenden Position, und ein Phasenwinkel θ in dem
90°-Bereich
entspricht der Länge
K einer der Spulen. Somit entspricht der wirksame Detektionsbereich
der 4K-Länge einem
0° bis 360° Bereich
des Phasenwinkels θ.
Jede Position innerhalb des wirksamen Detektionsbereichs der 4K-Länge kann
daher in einem Absolutwert durch Detektieren eines solchen Phasenwinkels θ detektiert
werden.
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Nachfolgend
wird der Ausgleich der Temperaturcharakteristiken erläutert. Die
Impedanz der einzelnen Spulen variiert mit einer Änderung
der Temperatur und eine solche Impedanzvariation resultiert in Variationen
bei den Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD der einzelnen Spulen.
Wie in Teil (A) aus 3 dargestellt ist, würde beispielsweise
jede der Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD variieren, um in eine
Richtung zuzunehmen oder abzunehmen, in bezug auf eine ausgezogene
Linie, wie es durch die gestrichelte Line abgebildet ist. Jedoch
bei den Wechselstrom-Ausgangssignale
sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus-
und Cosinusfunktionscharakteristiken, die durch die additiven und
subtraktiven Synthesen der Spannungssignale erhalten werden, würden Variationen
als positive und negative Amplitudenvariationen erscheinen, wie
es durch gestrichelte Linien im Gegensatz zu den ausgezogenen Kurven
in Teil (B) der 3 gezeigt ist. Wenn ein Amplitudenkoeffizient
A verwendet wird, kann er durch Asinθsinωt und Acosθsinωt repräsentiert werden und dieser
Amplitudenkoeffizient A wird mit der Umgebungstemperatur variieren.
Die Amplitudenkoeffizientenvariation erscheint in gleicher Weise
in den zwei Wechselstrom-Ausgangssignalen. Wie man daraus ersehen kann,
beeinflußt
der Amplitudenkoeffizient A, der für Temperaturcharakteristiken
repräsentativ
ist, den Phasenwinkel θ nicht
in den Sinus- und Cosinusfunktionen nicht. Das bedeutet, dass ein
Ausgleich der Temperaturverschiebungscharakteristiken in der vorliegenden
Erfindung automatisch richtig, erhalten wurden, ohne den Phasenwinkel θ bei den
einzelnen Sinus- und Cosinusfunktionen zu beeinflussen, und somit
eine Präzisionsdetektion
mittels der Positionsdetektorvorrichtung bereitgestellt wird. Ferner
kann der Temperaturverschiebungsausgleich durch Ausbilden einer
leitenden Beschichtung, wie beispielsweise Kupferbeschichtung, am
Außenumfang
eines jeden der Magnetstäbe 8,
die als die Magnetkerne des Spulenabschnitts 10 wirken,
durchgeführt
werden, wie es im vorhergehenden dargelegt wurde. Genauer gesagt,
obgleich die leitenden Beschichtungen der Magnetstäbe 8 zur
Reduzierung der Induktion der magnetischen Schaltung aufgrund ihrer
darin erzeugten Wirbelstromverluste aktiv sind, nimmt der Wirbelstromverlust
in den leitenden Beschichtungen ab, um zu veranlassen, dass die
Induktion der magnetischen Schaltung relativ zunimmt, wenn die Spuleninduktion
zum Beispiel im Ansprechen auf eine Temperaturzunahme zunimmt (was
jedoch eine Zunahme bei der Selbstinduktion mit sich bringen würde), was
somit die Temperaturverschiebungen der Spuleninduktion ausgleichen
kann. Aus dem gleichen Grund kann ein ähnlicher Temperaturverschiebungsausgleichseffekt
durch Verwenden einer mehr oder weniger leitenden Substanz als das
nicht-magnetischen Metall des Spulenabschnitts 6 vorgesehen sein.
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Jede
Hubposition innerhalb des wirksamen Detektionsbereiches kann in
einem Absolutwert mit Hilfe der Phasendetektionsschaltung (oder
Amplituden/Phasen-Konvertierungsmittel) 22 detektiert
werden, welche die Phasenkomponente θ der Amplitudenfunktion sinθ und cosθ in den
Wechselstrom-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken
detektiert. Die Phasendetektionsschaltung 22 kann so implementiert
sein, wie beispielsweise durch Verwendung einer Technik, die von
dem Bevollmächtigten
der vorliegenden Anmeldung in der offengelegten Japanischen Patenveröffentlichung
Nr. Hei-9-126809 (die U.S. Patent Nr. 5 710 509 entspricht) offenbart
ist. Beispielsweise wird ein Wechselstromsignal sinθcosωt durch
elektrisches Verschieben des ersten Wechselstrom-Ausgangssignals
sinθsinωt um 90° erzeugt
und die zwei Wechselstromsignale sin(ωt+θ) und sin(ωt-θ), die in einer Phasenvorschub-
oder Phasenverzögerungs-Richtung
in Entsprechung zu θ phasenverschoben
sind (i.e., Signale, die ihre Phasenkomponenten θ in Wechselstrom-Phasenverschiebungen
konvertiert haben), werden durch additives und subtraktives Synthetisieren
dieses Signals sinθcosωt und des
zweiten Wechselstrom-Ausgangssignals cosθsinωt auf eine solche Weise erzeugt,
das Daten, die für
eine detektierte Hubposition kennzeichnend sind (Hubpositions-Detektionsdaten),
durch Messen der Phase θ erhalten
werden können.
Diese Phasendetektionsschaltung 22 kann entweder durch
eine anwendungsspezifische Schaltung in Form einer LSI oder durch
eine Software- Verarbeitung,
die eine CPU, einen Prozessor, Computer oder dergleichen verwendet,
implementiert sein. Alternativ kann ein herkömmlich bekannter R/D-Wandler
normalerweise zur Verarbeitung einer Koordinatenwandler-Ausgabe
als die Phasen-Detektionsschaltung 22 verwendet
werden. Eine Detektion der Phasenkomponente θ in der Phasen-Detektionsschaltung 22 kann
vielmehr durch einen analogen Prozeß unter Verwendung einer Integrationsschaltung
oder dergleichen als durch einen digitalen Prozeß durchgeführt werden. Alternativ können digitale Detektionsdaten,
die für
eine Drehposition θ kennzeichnend
sind, durch einen digitalen Phasendetektionsprozeß erzeugt
werden und dann können
analoge Detektionsdaten, die für
eine Drehposition θ kennzeichnend
sind, durch Konvertieren der digitalen Detektionsdaten in eine analogen
Darstellung erhalten werden. Die Wechselstrom-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt von den
arithmetischen Operationsschaltungen 20 und 21 können natürlich direkt ausgegeben
werden, ohne durch die Phasendetektionsschaltung 22 verarbeitet
worden zu sein, wobei in diesem Fall die Detektionsschaltung 22 weggelassen werden
kann.
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Wenn
es eine lineare Korrespondenz zwischen dem Phasenwinkel θ und der
Position x des zu detektierenden Objektes gibt, werden die Amplituden in
den Wechselstrom-Ausgangssignalen
sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus-
und Cosinusfunktionscharakteristiken nicht reale Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken
aufweisen, wie es in (B) aus 3 gezeigt
ist. Die Phasendetektionsschaltung 22 führt jedoch den Phasendetektionsprozeß an diesen Wechselstrom-Ausgangssignalen
sinθsinωt und cosθsinωt aus, als
wenn sie offenbar reale Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken
hätten.
Als Ergebnis dieses Phasendetektionsprozesses wird der detektierte
Phasenwinkel θ keine
Linearität
in bezug auf die Position x des zu detektierenden Objektes präsentieren.
Beim Detektieren der Position spielt jedoch die Nicht-Linearität zwischen
den Detektions-Ausgabedaten (detektierter Phasenwinkel θ) und der
aktuellen Position des zu detektierenden Objektes keine große Rolle.
Es ist nämlich
nur erforderlich, dass man in der Lage ist, die Positionsdetektion mit
einer vorgegebenen repetetiven Reproduzierbarkeit durchzuführen. Ferner
können,
wenn es erforderlich ist, die Ausgabedaten von der Phasendetektionsschaltung 22 in
eine andere Datenform durch Verwendung einer geeigneten Datenkonvertierungstabelle
konvertiert werden, so dass eine exakte Linearität schnell zwischen den Detektionsausgangsdaten und
der aktuellen Position des zu detektierenden Objektes geschaffen
werden kann. Demgemäß müssen die "Wechselstrom-Ausgangssignale
sinθsinωt und cosθsinωt mit Amplitudencharakteristiken
der Sinus- und Cosinusfunktionen",
auf die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird,
nicht notwendigerweise reale Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken
sein; in Wirklichkeit können
sie irgendwie ähnlichen
denen einer Dreieckswellenform sein, wie es veranschaulichend in (B)
aus 3 gezeigt ist, solange sie soche Tendenzen aufweisen.
Mit anderen Worten, es ist nur notwendig, dass die Sinus- und Cosinusfunktionen
in der vorliegenden Erfindung periodische Funktionen ähnlich zu
trigonometrischen Funktionen sind, wie beispielsweise einer Sinusfunktion.
In dem veranschaulichten Beispiel von (B) aus 3,
kann, wenn die horizontale Achse den Phasenwinkel θ darstellt und
vorgegebene nicht-lineare Kalibrierung aufweist, sogar eine Funktion,
die augenscheinlich als eine Dreieckswellenform erscheint, wenn
angenommen wird, dass die Kalibrierungen der horizontalen Achse die
Positionen x darstellen, als eine Sinus- oder Cosinusfunktion in
Bezug auf den Phasenwinkel θ betrachtet
werden.
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Ein
Variationsbereich der Phasenkomponente θ der Amplitudenfunktionen sinθ und cosθ in den Wechselstrom-Ausgangssignalen
sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus-
und Cosinusfunktionen muß nicht
notwendigerweise der volle 0° – 360°-Bereich sein
wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform und kann ein engerer
Winkelbereich sein, wobei in diesem Fall die Spulenkonstruktion
signifikant vereinfacht sein kann. In dem Fall, in dem der wirksame Detektionsbereich
eingeengt werden kann, kann der detektierbare Phasenbereich irgendein
Bereich, der kleiner als 360° ist,
sein. Es gibt verschieden Fälle,
in welchen der detektierbare Phasenbereich irgendein geeigneter
Bereich unter 360°,
abhängend
von dem gewünschten
Zweck der Detektion, sein kann, so dass der engere wirksamere Detektionsbereich
bei einem von solchen Fällen
als geeignet angewendet werden kann.
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4 ist
eine Schnittansicht, die eine modifizierte Anordnung der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 zeigt. Der Innenraum 5 des
Kolbenelements 3 ist so geformt, dass er einen in Richtung auf
seine Auslaßöffnung progressiv
zunehmenden Durchmesser aufweist. Folglich ist die auf Magnetismus
ansprechende Substanz 11, die an der inneren Umfangswandfläche des
Kolbenelements 3 ausfgeformt ist und den Innenraum 5 definiert,
in einer solchen Weise abgeschrägt,
dass der radiale Abstand der Substanz 11 von dem Sensorelement 4,
i.e., dem Spulenabschnitt 10, progressiv in Richtung auf
die Spitze 11a zunimmt. Der abgeschrägte Bereich der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 kann eine axiale Länge haben,
die im wesentlichen gleich der Länge
K ist. Der radiale Abstand der auf Magnetismus ansprechenden Substanz 11 von
dem Spulenabschnitt 10 variiert in Entsprechung zu der Schräge, welche
eine sanfte oder nicht-lineare Induktionsänderung hervorruft; das heißt, dass
die Induktionsänderung
in dem Spulenabschnitt 10, der auf die Bewegung der Spitze 11a der
auf Magnetismus ansprechenden Substanz 11 anspricht, so
erzeugt werden kann, dass sie sanfte oder nicht-lineare progressiv
abnehmende Charakteristiken aufweist.
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5 ist
eine Schnittansicht, die eine weitere oder zweite Ausführungsform
des Hubsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, welche so angeordnet ist, dass, wenn die auf Magnetismus
ansprechende Substanz 11 des Kolbenelements 3 sich längs des
Außenumfangs
des Spulenabschnitts 10 zu dem hinteren (rechts in der
Figur) Ende des Spulenabschnitts 10 bewegt, die Spuleninduktion
progressiv zunimmt. In diesem Fall ist der Spulenabschnitt 60 nämlich aus
einem nicht-magnetischen Material hergestellt, während die auf Magnetismus ansprechende
Substanz 11, die an der inneren Umfangswandfläche des
Kolbenelements 3 ausfgeformt ist und den Innenraum 5 definiert,
aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist. Bei dieser
Anordnung nimmt, wenn die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 sich
näher an
oder weiter in das Magnetfeld einer der Spulen des Spulenabschnitts 10 aufgrund
des Einzugshubs des Kolbenelements 3 bewegt, die Selbstinduktion
der Spule zu und somit nimmt die Spannung zwischen gegenüberliegenden Enden
der Spule progressiv während
der Verschiebung der Spitze der Substanz 11 von einem Ende
zu dem anderen der Spule zu. Bei dem Ausfahr(vorstehenden)-Hub des
Kolbenelements 3 findet eine zu der oben erwähnten umgekehrte
Operation statt.
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In
dem dargestellten Beispiel aus 5 weist
zudem der Spulenabschnitt 10 weitere Zusatzspulen Lα und Lβ vor und
hinter den Spulen LA, LB, LC und LD, die dem wirksamen Detektionsbereich entsprechen,
auf. Der Spulenabschnitt 10 weist diese sechs Spulen LA,
LB, LC und LD und Lα,
Lβ auf,
wobei sie jeweils gleiche Charakteristiken haben, wie beispielsweise
die gleiche Anzahl von Windungen und die gleiche Länge, welche
sequentiell längs
der Richtung der linearen Bewegung des Kolbenelements 3 angeorgnet
sind. Die Zusatzspulen Lα und Lβ sind hier
vorgesehen, um Cosinusfunktionscharakteristiken exakt aufzunehmen
und es kann auf sie verzichtet werden, wenn eine sehr hohe Detektionsgenauigkeit
nicht erforderlich ist.
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Bei
der Ausführungsform
von 5 variiert das relative Positionsverhältnis zwischen
dem Spulenabschnitt 10 und der auf Magnetismus ansprechenden
Substanz 11 im Ansprechen auf eine Änderung einer Hubposition des
Kolbenelements 3 im wesentlichen auf die gleiche Weise
wie bei der ersten Ausführungsform
aus 1. Wenn nämlich
das Kolbenelement 3 sich in die kontrahierende (Einzugs-)Richtung
bewegt, verursacht die zylindrisch geformte auf Magnetismus ansprechende
Substanz 11, die die innere Umfangswandfläche des
Kolbelelements 3 bildet, dass das stabförmige Sensorelement 4 tiefer
in den Innenraum 5 des Kolbenelements 3 eingeführt wird,
so dass die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 sequentiell
in die jeweiligen magnetischen Felder des Spulenabschnitts 10 eintritt.
In dem dargestellten Beispiel aus 5 tritt,
wenn die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 sich auf
das hintere Ende des Spulenabschnitts 10, nämlich nach
rechts in der Figur, im Ansprechen auf die Bewegung des Kolbenabschnitts 3 in
der kontrahierenden Richtung bewegt, die Spitze der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 zuerst in das magnetische Feld
der Zusatzspule Lα ein,
dann tritt sie in die jeweiligen Felder der anderen Spulen LA, LB,
LC und LD ein und schließlich
tritt sie in das magnetische Feld der Zusatzspule Lβ ein. Bei
dieser Ausführungsform
ist der Spulenabschnitt 60 aus einem nicht-magnetischen
Material hergestellt, wobei er auch nicht-magnetisches Material
innen enthält, während die
auf Magnetismus ansprechende Substanz 11, die auf der inneren
Umfangswandfläche des
Kolbenelements 3 ausgebildet ist und den Innenraum 5 definiert,
aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist, wie im vorhergehenden
erwähnt wurde,
so dass, wenn sich die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 näher zu oder
weiter in das magnetische Feld einer der Spulen bewegt, die Selbstinduktion
der Spule zunimmt und somit die Spannung zwischen den gegenüberliegenden
Enden der Spule während
einer Verschiebung der Spitze der Substanz 11 von einem
Ende zu dem anderen der Spule progressiv zunimmt.
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6 zeigt
ein Beispiel einer elektrischen Verbindung des Spulenabschnitts 10 in
der in 5 gezeigten Ausführungsform. Die einzelnen Spulensegmente
Lα, LA,
LB, LC, LD und Lβ werden
bei einer konstanter Spannung oder Strom durch ein vorgegebenes
Einphasen-Signal ("sinωt") angeregt, das durch
eine Wechselstrom-Energieversorgung 12 erzeugt wird. Spannungen
zwischen den jeweiligen gegenüberliegenden
Enden (Zwischen-Abgriffspannungen) dieser Spulensegmente Lα, LA, LB,
LC, LD und Lβ werden
hier jeweils mit "Vα", "VA", "VB", "VC", "VD" und "Vβ" bezeichnet und Zwischenausgabeanschlüsse oder
Abgriffstellen 13 – 19 sind
vorgesehen, um die Spannungen Vα,
VA, VB, VC, VD und Vβ abzunehmen.
Wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform müssen die
Spulensegmente Lα,
LA, LB, LC, LD und Lβ nicht notwendigerweise
physikalisch getrennte Spulen sein und sie können durch einfach eine einzige
kontinuierliche Spule, die in sechs Spulenlängen oder -abschnitte durch
die zwischenliegenden Abgriffstellen 13 – 19 unterteilt
sind, implementiert sein; das heißt, der Spulenabschnitt zwischen den
Abgriffstellen 13 und 14 arbeitet als das Spulensegment
Lα, der
Spulenabschnitt zwischen den Abgriffstellen 14 und 15 arbeitet
als das Spulensegment LA, der Spulenabschnitt zwischen den Abgriffstellen 15 und 16 arbeitet
als das Spulensegment LB, der Spulenabschnitt zwischen den Abgriffstellen 16 und 17 arbeitet
als das Spulensegment LC, der Spulenabschnitt zwischen den Abgriffstellen 17 und 18 arbeitet
als das Spulensegment LD und der Spulenabschnitt zwischen den Abgriffstellen 18 und 19 arbeitet als
das Spulensegment Lβ.
Die Ausgangsspannungen Vα,
VA, VB, VC, VD und Vβ von
den einzelnen Spulensegmenten werden in vorgegebenen Kombinationen
an zwei analoge arithmetische Operationsschaltungen 20 und 21 abgegeben,
in welchen sie einer Addition und/oder Subtraktion auf der Grundlage vorgegebener
mathematischer Ausdrücke
unterzogen werden. Diese analogen arithmetischen Schaltungen 20 und 21 erzeugen
somit zwei Wechselstrom-Ausgangssignale sinesinωt und cosesinωt von Amplituden,
die Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken zeigen, die einer
aktuellen Position des zu detektierenden Objektes entsprechen.
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Bei
den vorher beschriebenen Anordnungen nimmt, wenn die auf Magnetismus
ansprechende Substanz 11 sich näher zu oder weiter oder tiefer
in eine der Spulen bewegt, die Selbstinduktion, i.e. Impedanz, der
Spule zu und somit nimmt die Spannung zwischen den gegenüberliegenden
Enden der Spule während
einer Verschiebung der Spitze der auf Magnetismus ansprechenden
Substanz 11 von einem Ende zu dem anderen dieser Spule
progressiv zu. Da die Spulen Lα,
LA, LB, LC, LD und Lβ in
Serie längs der
Verschiebungsrichtung des zu detektierenden Objektes angeordnet
sind, werden hier progressiv zunehmende (progressiv abnehmende)
Veränderungen
bei den jeweiligen Spannungen Vα,
VA, VB, VC, VD und Vβ der
Spulen Lα,
LA, LB, LC, LD und Lβ sequentiell
auftreten, wie es veranschaulichend in Teil (A) aus 7 gezeigt
ist, wenn die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 sich
in bezug auf die Spulen im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden
Objektes bewegt. In Teil (A) aus 7 repräsentiert
eine Neigung in jeder der Kurven, die für die Ausgangsspannung von
einer der Spulen kennzeichnend sind, einen Bereich, in dem die Spitze der
auf Magnetismus ansprechenden Substanz 11 sich von einem
Ende auf das andere der besagte Spule bewegt. Kennzeichnenderweise
kann die progressiv zunehmende Variationskurve der Spannung zwischen
den gegenüberliegenden
Enden der Spule, welche während
der Bewegung der Spitze 11a der auf Magnetismus ansprechenden
Substanz 11 von einem Ende zu dem anderen der Spule auftritt,
mit einer Funktionswertveränderung
innerhalb eines 90°-Bereiches
der Sinus- oder Cosinusfunktion verglichen werden. Durch geeignetes
Kombinieren der Ausgangsspannungen Vα, VA, VB, VC, VD und Vβ von den
Spulen Lα,
LA, LB, LC, LD und Lβ und
durch Ausführen
einer Addition und/oder Subtraktion zwischen den Kombinationen,
ist es möglich,
zwei Wechselstrom-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt von Amplituden zu erzeugen,
die Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken zeigen, die einer aktuellen
Position des zu detektierenden Objektes entsprechen.
-
Genauer
gesagt, die in 6 gezeigte analoge arithmetische
Schaltung 20 kann ein Wechselstrom-Ausgangssignal bereitstellen,
das eine Amplitudenkurve der Sinusfunktioncharakteristik zeigt,
wie es in Teil (B) aus 3 gezeigt ist, mittels Durchführens von
arithmetischen Operationen an den Ausgangsspannungen VA, VB, VC
und VD von den Spulen LA, LB, LC und LD in Entsprechung zu nachfolgendem
Ausdruck (3); das Wechselstrom-Ausgangssignal kann in äquivalenter
Weise folgendermaßen durch "sinθsinωt" repräsentiert
werden. (VA – VB) +
(VD – VC) Ausdruck (3)
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Ferner
kann die in 6 gezeigte andere analoge arithmetische
Operationsschaltung 21 ein Wechselstrom-Ausgangssignal
bereitstellen, das eine Amplitudenkurve der Cosinusfunktionscharakteristik
aufweist, wie es in Teil (B) aus 7 gezeigt
ist, mittels Durchführens
von arithmetischen Operationen an den Ausgangsspannungen Vα, VA, VB,
VC, VD und Vβ der
Spulen Lα,
LA, LB, LC, LD und Lβ gemäß dem nachfolgenden
Ausdruck (4). Obgleich die Amplitudenkurve der Cosinusfunktionscharakteristik, wie
sie in Teil (B) aus 7 gezeigt ist, in Wirklichkeit eine
Minus-Cosinusfunktionscharakteristik, i.e., "–cosθsinωt" darstellt, entspricht
die Amplitudenkurve der Cosinusfunktionscharakteristik, da sie eine 90°-Verschiebung
in bezug auf die Sinusfunktionscharakteristik aufweist. Daher kann
dieses als ein Wechselstrom-Ausgangssignal
der Cosinusfunktionscharakteristik betrachtet werden, was gleichermaßen durch "cosθsinωt" repräsentiert
werden kann. (VA – Vα) + (VB – VC) +
(Vβ – VD) Ausdruck (4)
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Es
ist anzumerken, das der folgende mathematische Ausdruck anstelle
des vorhergehenden Ausdrucks (4) angewendet werden kann: (VA – Vα) + (VB – VC) – VD Ausdruck (4')
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Das
Wechselstrom-Ausgangssignal "–cosθsinωt" der durch den Ausdruck
(4) ausgerechneten Minus-Cosinusfunktionscharakteristik kann um
180° elektrisch
phaseninvertiert werden, um dadurch ein Signal "cosθsinωt" zur Verwendung als
das Wechselstrom-Ausgangssignal der Cosinusfunktionscharakteristik
aktuell zu erzeugen. In einer Situation, in der das Wechselstrom-Ausgangssignal
der Cosinusfunktionscharakteristik jedoch durch eine Phasendetektionsschaltung 22 bei
einer nachfolgenden Stufe für eine
subtraktive arithmetische Operation in Form von "–cosθsinωt" verwendet wird,
kann das Wechselstrom-Ausgangssignal "–cosθsinωt" der Minus-Cosinusfunktionscharakteristik
natürlich
gerade so verwendet werden, wie es ist. Es ist auch anzumerken, dass
das Wechselstrom-Ausgangssignal "cosθsinωt" der augenblicklichen
Cosinusfunktionscharakteristik mittels Durchführens des folgenden mathematischen Ausdrucks
anstelle von Ausdruck (4) erzeugt werden kamm: (VA – Vα) + (VC – VB) + (VD – Vβ) Ausdruck (4")
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Der
Phasenwinkel θ in
den Sinus- und Cosinusfunktionen, die die Amplitudenkomponenten
der einzelnen Wechselstrom-Ausgangssignale sind, entspricht der
derzeitigen Position des zu detektierenden Objektes, und der Phasenwinkel θ innerhalb
eines 90°-Bereiches
entspricht der Länge
K einer jeden der Spulen. Der wirksame Detektionsbereich der 4K-Länge entspricht
somit einem Phasenwinkel θ in dem
Bereich von 0° bis
360°. Daher
kann jede Position innerhalb des wirksamen Detektionsbereichs der 4K-Länge in einem
Absolutwert durch Detektieren eines solchen Phasenwinkels θ detektiert
werden.
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Eine
Kompensation der Temperaturverschiebungscharakteristiken in der
Ausführungsform
aus 5 wird ebenfalls auf die gleiche Weise wie in
der Ausführungsform
aus 1 erreicht. Die Temperaturverschiebungscharakteristiken
sind, wie sie in Teil (A) aus 7 veranschaulicht
sind und jede der Ausgangsspannungen würde variieren, um in einer
Richtung zuzunehmen oder abzunehmen, wie es durch eine gepunktete
Linie im Gegensatz zu einer Kurve mit durchgezogener Line abgbildet
ist. Bei den Wechselstrom-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken,
die durch additive und subtraktive Synthesen der Ausgangsspannungen
erhalten werden, würden
die Variationen als positive und negative Amplitudenvariationen
erscheinen, wie es durch gepunktete Linien im Gegensatz zu durchgezogenen Linien-Kurven
in Teil (B) aus 7 gezeigt ist. Wenn ein Amplitudenkoeffizient
A verwendet wird, können die
Wechselstrom-Ausgangssignale jeweils als Asinθsinωt und Acosθsinωt dargestellt werden und es ist
der Amplitudenkoeffizient A, der im Ansprechen auf eine Änderung
einer Umgebungstemperatur variiert. Wie man daraus klar entnehmen
kann, beeinflußt
der Amplitudenkoeffizient A, der für die Temperaturcharakteristiken
kennzeichnend ist, den Phasenwinkel θ in den Sinus- und Cosinusfunktionen nicht.
In der vorliegenden Erfindung können
somit Temperaturcharakteristiken auf automatische Weise genau kompensiert
werden, um dabei eine Präzisionspositionsdetektion
zu erreichen.
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Jede
Position des zu detektierenden Objektes kann als ein Absolutwert
durch die Phasendetektionsschaltung (oder Amplituden/Phasen-Konvertierungsmittel) 22 detektiert
werden, die die Phasenkomponente θ der Amplitudenfunktionen sinθ und cosθ in den
Wechselstrom-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Cosinusfunktionen
mißt.
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8 ist
eine schematische Schnittseitenansicht, die andere Beispiele des
Spulenabschnitts 10 und der auf Magnetismus ansprechenden
Substanz 11 zeigt. In diesem Fall sind die Spulen Lα, LA – LD und
Lβ voneinander
um einen Abstand K wie in dem Beispiel aus 5 beabstandet,
aber jede der Spulen ist kleiner in der Länge als die in den Beispielen aus 1 und 5.
Die benachbarten Spulen Lα, LA – LD und
Lβ müssen nämlich nicht
so nah beieinander sein wie in den Beispielen von 1 und 5 und
können
voneinander beabstandet sein wie es zweckmäßig ist. Der Innenraum 5 des
Kolbenelements 3 ist ist so geformt, dass er einen in Richtung auf
seine Auslaßöffnung progressiv
zunehmenden Durchmesser aufweist. Folglich ist die auf Magnetismus
ansprechende Substanz 11, die an der inneren Umfangswandfläche des
Kolbenelements 3 ausgebildet ist und und den Innenraum 5 definiert,
in solcher Weise abgeschrägt,
dass der radiale Abstand der Substanz 11 von dem Sensorelement 4,
i.e. Spulenabschnitt 10, progressiv in Richtung auf die
Spitze 11a zunimmt. Der abgeschrägte Bereich der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 weist eine axiale Länge auf,
die im wesentlichen gleich zu der Länge K ist. In Entsprechung
zu der Schräge
der auf Magnetismus ansprechenden Substanz 11 variiert der
radiale Abstand oder Abstandgröße der Substanz 11 in
bezug auf die Spulen progressiv, so dass sanfte Induktionsvariantionen
in den Spulen auftreten. Die Spulen-Induktionsvariationen, die auf
die Bewegung der Spitze 11a der auf Magnetismus ansprechenden
Substanz 11 ansprechen, können nämlich sanfte, progressiv zunehmende
(oder progressiv abnehmende) Charakteristiken aufweisen. Natürlich kann,
sogar in dem Fall, in dem die Spulen Lα, LA – LD und Lβ nahe zueinander wie in den
Beispielen aus 1 und 5 plaziert
sind, die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 so geformt
sein, dass sie über
einen vorgegebenen Bereich von ihrer Spitze 11a abgeschrägt ist,
wie es in 8 gezeigt ist, wie es im vorhergehenden
in Bezug auf 4 aufgezeigt wurde. Ferner können, sogar
wenn die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11, die
an der inneren Umfangswandfläche
des Kolbenelements 3 ausgebildet ist, keinen abgeschrägten Abschnitt
aufweist wie in den Beispielen aus 1 und 5,
die benachbarten Spulen Lα,
LA – LD
und Lβ voneinander
beabstandet sein wie es zweckmäßig ist,
wie es in 8 gezeigt ist.
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Als
ein weiteres modifiziertes Beispiel kann jede der Spulen in dem
Spulenabschnitt 10 eine Vielzahl von getrennten Spulensegmenten
aufweisen. 9 zeigt eine beispielhafte Anordnung
der getrennten Spulensegmente, bei welchen eine Spule LA aus vier
voneinander beabstandeten Spulensegmenten LA1, LA2, LA3 und LA4
besteht, die zusammen die Länge
K abdecken. Diese Spulensegmente LA1, LA2, LA3 und LA4 sind in Serie
miteinander verbunden, um eine Zwischen-Abgriffspannung VA der Spule
LA zu erzeugen. In diesem Fall können
die Spulensegmente LA1, LA2, LA3 und LA4 entweder identisch zueinander
sein oder sich voneinander in der Anzahl der Spulenwindungen unterscheiden.
Die Spulensegmente LA1, LA2, LA3 und LA4 können in gleichmäßigen oder
ungleichmäßigen Intervallen, wie
es gewünscht
wird, beabstandet sein. Durch Anwenden von unterschiedlichen Anzahlen
von Spulenwindungen und ungleichmäßigen Intervallen zwischen
den Spulensegmenten (nicht-lineare Anordnungen), usw. können Impedanzvariationen
mit Charakteristiken erzeugt werden, die näher an einer Sinus- oder Cosinusfunktionskurve
liegen, weche die vorher erwähnte
Nicht-Linearität
zwischen einem detektierten Phasenwinkel θ und einer aktuellen Entfernung
(Position) des zu detektierenden Objektes vermindern kann. In ähnlicher
Weise kann, sogar wenn sich die Spulen Lα, LA – LD und Lβ nahe beieinander befinden,
wie in dem Beispiel von 1 und 5, die Anzahl
der Spulenwindungen über
die Länge
K der betreffenden Spule gleichmäßig oder
nicht gleichmäßig zwischen
den Spulensegmenten, abhängend
von dem Bereich innerhalb der Länge
K, hergestellt sein. Auch diese Anordnung kann Impedanzvariationen
mit Charakteristiken erzeugen, die näher bei einer Sinus- oder Cosinusfunktionskurve liegen,
was dann die vorher erwähnte
Nicht-Linearität zwischen
einem detektierten Phasenwinkel θ und
einer zu detektierenden aktuellen Entfernung (Position) verringern
kann.
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10A und 10B zeigen
Modifikationen der Plazierung der Spulen in dem Spulenabschnitt 10 aus 5,
die so geplant sind, dass sie Kreuzkopplung zwischen jeden benachbarten
Spulen verhindern und daher die Detektionsgenauigkeit verbessern.
In der Modifikation aus 10A sind
die Spulen Lα,
LA – LD
und Lβ voneinander über magnetische
Abstandshalter 31 beabstandet, um so zu verhindern, dass
der von den einzelnen Spulen erzeugte magnetische Fluß sich ausbreitet;
der magnetische Fluß von
jeder der Spulen folgt nämlich
einem Weg, der mit ϕ in der Figur bezeichnet ist, auf welchem
er aus dem Inneren der Spule fließt, dann ein nächstes Ende
(i.e., die Position des magnetischen Anstandshalters 31),
einen äußeren Umfang
der Spule und eine weiteres nächstes
Ende (i.e., die Position des magnetischen Anstandshalters 31)
passiert und dann in das Innere der Spule zurückkehrt. Eine solche Anordnung
verhindert wirksam die unerwünschte Kreuzkopplung
zwischen Spulen, was die Ansprechfähigkeit (Impedanzvariationen)
der einzelnen Spulen in bezug auf das Vorhandensein der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 stark verbessert, die sich näher an den äußeren Umfang
der Spulen bewegt, wodurch die Detektionsgenauigkeit verbessert
wird. Während
nur ein magnetischer Abstandshalter 31 zwischen jede von
benachbarten Spulen in dem Beispiel aus 10A angeordnet
ist, können zwei
magnetische Abstandshalter 31a und 31b etwas beabstandet
voneinander zwischen jeder von benachbarten Spulen angeordnet sein,
wie es in 10B veranschaulicht ist. In
dem Beispiel von 10A und 10B kann
ein nichtmagnetischer Körper
als ein Spulenkörperabschnitt 60 verwendet werden
und ein magnetisches Element, wie bespielsweise ein dünner Draht,
können
in das Zentrum des Spulenkörperabschnitts 60 eingesetzt
sein, so dass ein Fließen
des magnetischen Flusses erleichtert wird. Die Modifikationen aus 10A und 10B sind
auch bei der Ausführungsform
aus 1 anwendbar.
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Bei
jeder der vorher beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung kann die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 durch Kombinieren
eines magnetischen Materials und eines elektrischen Leiters, i.e.
als ein Hybrid von entgegensetzten Charakteristiken, eher gebildet
sein als wenn sie durch nur eines der folgenden, dem magnetischen
Material oder dem elektrischen Leiter, gebildet wird. Die auf Magnetismus
ansprechende Substanz 11 kann ferner einen Permanentmagnet aufweisen
und die Spulen des Spulenabschnitts können einen Eisenkern enthalten.
Der Spulenkörperabschnitt 6 kann
zum Beispiel einen Magnetstab 8 enthalten, wie es in 1 gezeigt
ist, und der als die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 verwendete
Permanentmagnet kann ein ringförmiger
Permanentmagnet mit einer axialen Länge sein, die wenigstens gleich
der Spulenlänge
K ist. In einem solchen Fall wird, wenn der als die auf Magnetismus
ansprechende Substanz 11 wirkende Permanentmagnet sich
irgendeiner der Spulen aufgrund der Bewegung des Kolbenelements 3 nähert, ein
Abschnitt des Eisenkerns, der dem Permanentmagnet des Kolbenelements 3 nahe
gekommen ist, magnetisch gesättigt über übersättigt, was
einen Abfall bei den Zwischen-Abgriffspannungen der Spule zu Folge
hat. Sogar in dem Fall, in dem der Permanentmagnet als die auf Magnetismus
ansprechende Substanz 11 verwendet wird, findet das gleiche
Verhalten statt wie in dem Fall, in welchen ein nicht-magnetischer
elektrischer Leiter als die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 verwendet
wird; das heißt,
dass die Zwischen-Abgriffspannung der Spule veranlaßt wird, während einer
Verschiebung der auf Magnetismus ansprechenden Substanz 11,
i.e. des Permanentmagneten, von einem Ende zu dem anderen der Spule progressiv
abzunehmen.
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Während jede
der Ausführungsformen
im vorhergehenden in bezug auf den Hubsensor beschrieben wurde,
der zwei Wechselstrom-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt mit Amplitudencharakteristiken
von Sinus- und Cosinusfunktionen erzeugt (i.e., einem Hubsensor
von sogenannter Koordinatenwandlerart, der zwei-Phasen-Ausgangssignale erzeugt),
ist die vorliegende Erfindung nicht dahingehend eingeschränkt und
kann so ausgelegt sein, dass sie drei oder mehrere Wechselstrom-Ausgangssignale erzeugt,
die Anplitudencharakteristiken von drei oder mehreren trigonometrischen
Funktionen aufweisen, wobei sie vorgegebene Phasendifferenzen aufweisen
(z.B., sinθsinωt, sin(θ – 120°)·sinωt, sin(θ – 240°)·sinωt).
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Es
sollte auch geschätzt
werden, dass bei jeder der Ausführungsformen
die Anzahl der Spulen zwei oder drei oder mehr als 4 sein kann;
gerade zwei oder drei Spulen werden in dem Fall ausreichend sein,
in dem der Variationsbereich der Phasenkomponente θ der Amplitudenfunktionen
in den Wechselstrom-Ausgangssignalen eher ein Bereich von etwa 90° oder 180° sein kann
als der volle 360°-Bereich.
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Als
eine Modifikation der vorliegenden Erfindung können die Spulen in mehreren
Phasen unter Verwendung von Zweiphasen-Wechselstromsignalen (z.B.,
sinωt und cosωt) erregt
werden, ebenso wie bei einer herkömmlichen Detektorvorrichtung
auf der Grundlage der Positionsdetektionsgesetze der Phasenverschiebungsart,
um ein Wechselstrom-Ausgangssignal zu erzeugen, das um einen Phasenwinkel θ phasenverschoben
ist, der einer zu detektierenden Hubposition (z.B.., sin(ωt + θ)) entspricht.
Für diesen
Zweck können
zwei Spulengruppen parallel zueinander vorgesehen sein und diese
zwei Spulen werden jeweils mit zwei Wechselstromsignalen von zwei
unterschiedlichen Phasen (z.B., sinωt und cosωt) in einer solchen Weise beliefert,
dass all die Spulen in jeder Spulengruppe durch eines der Wechselstromsignale
erregt werden. In einem solchen Fall wird ein Ausgabe cosθsinωt mittels
Durchführens von
analogen arithmetischen Operationen an der Ausgabe von einer der
Spulengruppen erzeugt, während
eine Ausgabe sinθcosωt mittels
Durchführens von
analogen arithmetischen Operationen an der Ausgabe von der anderen
Spulengruppe erzeugt wird; und dann kann ein phasenverschobenes
Wechselstrom-Ausgangssignal sin(ωt
+ θ) mittels
Durchführens
von Addition oder Subtraktion zwischen den zwei Ausgaben erhalten
werden.
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Zudem
kann bei jeder der vorher beschriebenen Ausführungsformen die Positionsbeziehung
zwischen dem Spulenabschnitt 10 und der auf Magnetismus
ansprechenden Substanz 11 umgekehrt sein; das heißt, dass
der Spulenabschnitt 10 in dem Innenraum 5 des
bewegbaren Elements, i.e, des Kolbenelements 3, vorgesehen
ist und die auf Magnetismus ansprechende Substanz 11 an
dem Sesorelement 4 befestigt sein kann.
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Überdies
kann der erfinderische Hubsensor, der in bezug auf die bevorzugten
Ausführungsformen beschrieben
wurde, bei irgendeiner Vorrichtung zur Detektion einer Hubposition
eines bewegbaren Elements, der nicht der Hydraulikzylinder ist,
wie beispielsweise eine Vorrichtung zum Detektieren einer Schieberposition
eines Schieberventils, angewendet werden. Ferner kann der erfinderische
Hubsensor als eine großformatige,
Großdetektorvorrichtung
in Konformität
zu der Größe einer
Vorrichtung, bei welcher der Hubsensor verwendet wird, oder kann
als eine Kompakt-Hubpositionsdetektorvorrichtung
konstruiert sein.
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Zusammenfassend
benötigt
die in soweit beschriebene vorliegende Erfindung nur Primärspulen und
eine Erfordernis für
Sekundärspulen
kann entfallen, so dass die vorliegende Erfindung einen Hubsensor
von vereinfachtem und kostengünstigen
Aufbau vorsehen kann, der leicht in der Größe reduziert werden kann. Ferner
ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine
Vielzahl von Spulensegmenten in Serie längs der Verschiebungsrichtung
des zu detektierenden Objekts angeordnet ist und Variationen in
Charakteristiken der Spulensegmente, i.e., progressiv zunehmende
(oder progressiv abnehmende) Variationen bei den jeweiligen Zwischen-Abgriffspannungen
der Spulensegmente, sequentiell auftreten, wenn die Spitze der auf
Magnetismus ansprechenden Substanz sich von einem Ende zu dem anderen
einer der Spulen bewegt. Durch Abnehmen der jeweiligen Zwischen-Abgriffspannungen der
Spulensegmente und ihrem nachfolgendem Kombinieren durch Addition
und/oder Subtraktion untereinander, kann einfach eine Vielzahl von
Wechselstrom-Ausgangssignalen,
die jeweilige Amplituden von vorgegebenen zyklischen Funktionscharakteristiken
aufweisen (z.B., zweier Wechselstrom-Ausgangssignale, die jeweilige
Amplituden von Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken aufweisen),
im Ansprechen auf eine aktuelle Position des zu detektierenden Objektes
erzeugt werden. Somit kann ein breiter verfügbarer Phasenwinkelbereich
durch die vorliegende Erfindung geschaffen werden. Die vorliegende
Erfindung ermöglicht
zum Beispiel eine Detektion über
den vollen 0° – 360°-Phasenwinkelbereich, wie
bereits beschrieben wurde. Ferner erreicht durch Detektieren, aus
einer Korrelation zwischen Amplitudenwerten in der Vielzahl von
Wechselstrom-Ausgangssignalen, wobei die Phasenwerte in den vorgegebenen
zyklischen Funktionen (z.B., Sinus-und Cosinusfunktionen) die Amplitudenwerte
definieren, die vorliegende Erfindung eine Hochauflösungsdetektion,
sogar wenn eine Verschiebung des zu detektierenden Objektes sehr
klein ist.