DE60216263T2 - Positionsdetektor - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Positionssensor und insbesondere einen Positionssensor, der hinsichtlich Temperatureigenschaften und Linearität seines Ausgangs gegenüber der zu messenden Verschiebung verbessert ist.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein herkömmlicher Positionssensor umfasst bekanntermaßen eine Spule und ein Magnetelement, die so angeordnet sind, dass die Größe ihrer überlappenden Fläche sich ändert, wenn sich die Position eines zu überprüfenden Objekts verändert, einen Widerstand, der mit der Spule in Reihe geschaltet ist, einen Kondensator, der so angeordnet ist, dass er durch die Reihenschaltung der Spule und des Widerstands abwechselnd geladen und entladen wird, und einen Komparator mit invertiertem Ausgang, um die Ladungsspannung des Kondensators als Eingangssignal aufzunehmen und bei hohem Potential des Ausgangs den Kondensator zu laden und bei niedrigem Potential des Ausgangs den Kondensator zu entladen, wobei eine Verschiebung des Objekts als Veränderung der Periodendauer T einer kontinuierlichen oszillierenden Bewegung festgestellt wird.
  • Ein solcher herkömmlicher Positionssensor weist jedoch den Nachteil auf, dass die Periodendauer T aufgrund von Temperaturabweichungen, einschließlich einer Veränderung des Widerstands der Spule, nicht einheitlich bleibt, wodurch die Temperatureigenschaften verschlechtert werden.
  • Da die Periodendauer T im herkömmlichen Positionssensor sich umgekehrt proportional zur Verschiebung des zu überprüfenden Objekts verhält, wird die Linearität des Ausgangs verringert.
  • In der französischen Patentanmeldung FR 2.538.100 ist ein induktiver Verschiebungssensor offenbart, der eine Spule umfasst, die in Bezug auf einen Stab verschiebbar ist. Ein Oszillator, der einen Kondensator und ein inverses Logikgatter um fasst, übermittelt Rechteckwellensignale, deren Frequenz von der Verschiebung des Stabs in Bezug auf die Spule abhängt.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 0030997 offenbart einen digitalen Positionssensor mit einem Positionssensorelement, das einen Blindwiderstand (induktiv oder kapazitiv) im L/C-Abstimmkreis eines Oszillators bildet. Der Ausgang des Oszillators stellt ein Rechteckwellensignal bereit, dessen Frequenz eine direkte Funktion der Position des Sensorelements in Bezug auf ein vorbestimmtes Objekt darstellt.
  • Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Positionssensor bereitzustellen, der hinsichtlich Temperatureigenschaften Verbesserungen aufweist, sowie einen solchen Positionssensor bereitzustellen, bei dem der Ausgang, welcher eine Verschiebung darstellt, hinsichtlich Linearität verbessert wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Als erstes Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein wie in Anspruch 1 dargelegter Positionssensor bereitgestellt.
  • Die Periodendauer T hängt von der Zeitkonstante zum Laden und Entladen des Kondensators 4 ab und erhöht sich mutmaßlich, wenn der Widerstand des Widerstands 6 oder der Spule 1 zunimmt. Es wurde jedoch in einer Reihe von Experimenten, die von den Erfindern durchgeführt wurden, herausgefunden, dass die Periodendauer T unter bestimmten Umständen kurz wurde, wenn der Widerstand ausgehend von 0 Ω zunahm. Die Periodendauer T wurde an einem Punkt als am kürzesten gemessen und wurde dann länger. Der Grund dafür, wieso die Periodendauer an jenem Punkt am kürzesten wird, ist zwar nicht klar, könnte jedoch in engem Zusammenhang mit einigen Faktoren stehen, einschließlich der Oszillation der Spannung durch die Wirkung von elektromotorischer Gegenkraft auf die Spule 1 sowie der Phase und Überschwingung von Lade- und Entladeströmen.
  • Die Anordnung im Positionssensor 100 des ersten Merkmals ist daher so gewählt, dass der Widerstand der Spule 1 und der Widerstand des Widerstands 6 eine vorbestimmte von Null verschiedene Summe aufweisen, sodass die Periodendauer T einen Minimalwert für einen vorbestimmten Temperaturwert aufweist. Dadurch können Veränderungen der Periodendauer T minimiert werden, wenn sich die Betriebstemperatur im vorbestimmten Grad (z.B. 25 °C) innerhalb des Temperaturbereichs (z.B. von -25 °C bis 75 °C) stark verändert.
  • Wenn die Spule 1 in den elektrischen Leiter 2 eingeführt wird, kann dessen induzierender Magnetfluss einen Wirbelstrom auf dem elektrischen Leiter 2 bewirken, was zu Energieverlust führt und die Induktivität der Spule 1 verringert.
  • Alternativ dazu kann bei der Einführung der Spule 1 in das Magnetelement 3 dessen induzierender Magnetfluss durch die Wirkung des Magnetelements 3 konzentriert werden, wodurch die Induktivität der Spule 1 zunimmt.
  • Je nachdem, ob der elektrische Leiter 2 oder das Magnetelement 3 verwendet wird, kann festgestellt werden, ob die Induktivität der Spule 1 zu- oder abnimmt.
  • Wenn die Spule 1 nicht vom Kerntyp und der elektrische Leiter 2 nicht magnetisch ist, wird die Wirkung der Direktstrom-Umgebungsmagnetisierung minimiert, wodurch die Gesamtgröße der Spule 1 verringert wird, während die Wirkung des Wechselstrommagnetfelds kaum davon beeinflusst ist.
  • Wenn der Spule 1 ein Impuls aus der Spannung zugeführt wird, kann ihr Ausgang auch zufrieden stellend hoch sein, sogar wenn ihre Induktivität niedrig ist. Demnach kann die Gesamtgröße der Spule 1 reduziert werden.
  • Vorzugsweise wird der Positionssensor, worin der Schwellenwert des Komparators 5 eine Hysterese aufweist, modifiziert, wodurch eine stabile Wirkung der Oszillation gewährleistet wird.
  • Vorzugsweise wird der Positionssensor der vorliegenden Erfindung, worin das zu überprüfende Objekt zusammen mit der Spule 1 oder dem elektrischen Leiter 2 oder dem Magnetelement 3 bereitgestellt ist, modifiziert, sodass sich die Größe der überlappenden Fläche entweder an einer Außen- und/oder Innenseite der Spule 1 ändert, wenn sich das Objekt linear bewegt.
  • Dies ermöglicht, dass eine Spule vom Kerntyp als Spule 1 verwendet werden kann, wenn die Größe der überlappenden Fläche an der Außenseite gemessen wird. Alternativ dazu kann eine Spule, die nicht vom Kerntyp ist, als Spule 1 verwendet werden, wenn die Größe der überlappenden Fläche an der Innenseite gemessen wird.
  • Als erste Alternative wird der Positionssensor der vorliegenden Erfindung, worin das zu überprüfende Objekt zusammen mit der Spule 1 oder dem elektrischen Leiter 2 oder dem Magnetelement 3 bereitgestellt ist, modifiziert, sodass sich die Größe der überlappenden Fläche sowohl an der Außen- als auch der Innenseite der Spule 1 ändert, wenn sich das Objekt linear bewegt.
  • Die Position des Sensors des siebten Merkmals kann ein höheres Potential des Ausgangs bewirken.
  • Als zweite Alternative wird der Positionssensor der vorliegenden Erfindung modifiziert, indem das zu überprüfende Objekt eine Drehachse 14 ist, auf der ein elektrischer Leiter 15 oder ein Magnetelement 15 mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform befestigt ist, und eine Spule 17 so angeordnet ist, dass sich die Größe ihrer überlappenden Fläche ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Dadurch kann die Winkelposition in Drehrichtung der Drehachse 14 vorteilhaft gemessen werden.
  • Als dritte Alternative wird der Positionssensor modifiziert, indem das zu überprüfende Objekt eine Drehachse 14 ist, auf der ein elektrischer Leiter 15 oder ein Magnetelement 16 mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform befestigt ist, und ein Spulenpaar 17 so angeordnet ist, dass die fortschreitend radial abweichende Scheibe eingeschoben wird, sodass sich die Größe ihrer überlappenden Fläche ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Dadurch kann die Scheibe des elektrischen Leiters 15 oder das Magnetelement 16 zwischen die Spulenpaare 17 eingeschoben werden, wodurch die durch eine Schubkraft verursachte Wirkung der Axialverschiebung der Drehachse 14 ausgeglichen wird. Folglich kann eine etwaige Änderung im Ausgang minimiert werden.
  • Als vierte Alternative wird der Positionssensor der vorliegenden Erfindung modifiziert, indem das zu überprüfende Objekt eine Drehachse 14 ist, auf der ein Paar der elektrischen Leiter 15 oder der Magnetelemente 16 mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform in einer Entfernung voneinander und phasengleich miteinander befestigt sind, und eine Spule 17 so zwischen den Scheibenpaaren angeordnet ist, dass sich die Größe ihrer überlappenden Fläche ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Dadurch wird ermöglicht, dass die Spule 17 zwischen den Paaren an elektrischen Leitern 15 oder die Magnetelemente 16 eingeschoben werden kann, wodurch die durch eine Schubkraft verursachte Wirkung der Axialverschiebung der Drehachse 14 ausgeglichen wird. Folglich kann eine etwaige Änderung im Ausgang minimiert werden.
  • Als fünfte Alternative wird der Positionssensor der vorliegenden Erfindung modifiziert, indem das zu überprüfende Objekt eine Drehachse 14 ist, auf der ein elektrischer Leiter 15 oder ein Magnetelement 16 mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform symmetrisch um den Mittelpunkt herum befestigt ist, und ein Spulenpaar 17 symmetrisch um den Mittelpunkt herum positioniert ist, sodass sich die Größe ihrer überlappenden Fläche ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Dadurch wird ermöglicht, dass die zwei Spulen 17 symmetrisch um die Achse der Drehachse 14 angeordnet werden können, wodurch die durch eine radiale Kraft ver ursachte Wirkung der Axialverschiebung der Drehachse 14 ausgeglichen wird. Folglich kann eine Änderung im Ausgang minimiert werden.
  • Als sechste Alternative wird der Positionssensor der vorliegenden Erfindung modifiziert, indem das zu überprüfende Objekt eine Drehachse 14 ist, auf der ein elektrischer Leiter 15 oder ein Magnetelement 16 mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform, die um den Mittelpunkt herum symmetrisch ist, befestigt ist, und zwei Spulenpaare 17 symmetrisch um den Mittelpunkt herum positioniert sind, damit sich die Scheibe zwischen jedem der Paare befindet, sodass sich die Größe ihrer überlappenden Fläche ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Dadurch wird ermöglicht, dass sich die Scheibe des elektrischen Leiters 15 oder des Magnetelements 16 zwischen jeder der Spulen 17 befindet, wodurch sowohl die durch eine Schubkraft verursachte Wirkung der Axialverschiebung der Drehachse 14 als auch die durch eine Radialkraft verursachte Wirkung der Radialverschiebung der Drehachse 14 ausgeglichen wird. Folglich kann eine Änderung im Ausgang zusätzlich minimiert werden.
  • Als siebte Alternative wird der Positionssensor der vorliegenden Erfindung modifiziert, indem das zu überprüfende Objekt eine Drehachse 14 ist, auf der ein Paar elektrischer Leiter 15 oder Magnetelemente 16 mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform, die um den Mittelpunkt herum symmetrisch ist, in einer Entfernung voneinander und phasengleich miteinander befestigt sind, und ein Spulenpaar 17 so zwischen den Scheibenpaaren angeordnet ist, dass sich die Größe ihrer überlappenden Fläche ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Dadurch wird ermöglicht, dass sich jede der Spulen 17 zwischen den zwei elektrischen Leitern 15 oder den Magnetelementen 16 befindet, wodurch sowohl die durch eine Schubkraft verursachte Wirkung der Axialverschiebung der Drehachse 14 als auch die durch eine Radialkraft verursachte Wirkung der Radialverschiebung der Drehachse 14 ausgeglichen wird. Folglich kann eine etwaige Änderung im Ausgang zusätzlich minimiert werden.
  • Als achte Alternative wird der Positionssensor der vorliegenden Erfindung modifiziert, indem die Spule 1 vom Kerntyp ist, und einen magnetischen Kern in ihrem Mittelpunkt aufweist.
  • Dadurch wird ermöglicht, dass die Spule 11 vom Kerntyp einen in ihrem Mittelpunkt bereitgestellten Magnetkern aufweist, wodurch sich ihre Induktivität erhöht, sogar wenn ihre Dimensionen eingeschränkt sind. Die Spule 11 kann darüber hinaus in einem Edelstahldruckgefäß mit Verdickungswänden oder dergleichen eingebaut werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Positionssensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Wellenformdiagramm, das die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung eines Komparators im Positionssensor der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 3 ist ein Wellenformdiagramm der Wellenform von Vergleichssignalen, die durch den Induktivitätswert klassifiziert sind, im Positionssensor der ersten Ausführungsform;
  • 4 ist ein Wellenformdiagramm der Wellenform von Vergleichssignalen, die durch den Widerstandswert klassifiziert sind, im Positionssensor der ersten Ausführungsform;
  • 5 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen Periodendauer T und Widerstand eines Widerstands im Positionssensor der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 6 ist ein schematisches Diagramm des Positionssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ist ein Wellenformdiagramm der Wellenform von Vergleichssignalen im Positionssensor der zweiten Ausführungsform;
  • 8 ist ein Wellenformdiagramm der Wellenform von Vergleichssignalen, die durch den Induktivitätswert klassifiziert sind, im Positionssensor der zweiten Ausführungsform;
  • 9 ist ein Wellenformdiagramm der Wellenform von Vergleichssignalen, die durch den Widerstandswert klassifiziert sind, im Positionssensor der zweiten Ausführungsform;
  • 10 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen Periodendauer T und Widerstand eines Widerstands im Positionssensor der zweiten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 11 ist ein schematisches Diagramm eines Positionssensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12 ist ein Wellenformdiagramm der Wellenform von Vergleichssignalen im Positionssensor der dritten Ausführungsform;
  • 13 ist eine Querschnittsansicht eines Verschiebungsdetektors, die eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 14 ist eine Querschnittsansicht eines Verschiebungsdetektors, die eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 15 ist eine Querschnittsansicht eines Verschiebungsdetektors, die eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 16 ist eine Querschnittsansicht eines Verschiebungsdetektors, die eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 17 ist eine Querschnittsansicht eines Verschiebungsdetektors, die eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 18 ist eine Querschnittsansicht eines Verschiebungsdetektors, die eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 19 ist eine Querschnittsansicht eines Verschiebungsdetektors, die eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 20 ist eine Querschnittsansicht eines Verschiebungsdetektors, die eine elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 21 ist eine Querschnittsansicht eines Verschiebungsdetektors, die eine zwölfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 22 ist eine Querschnittsansicht eines Verschiebungsdetektors, die eine dreizehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 23 ist eine Querschnittsansicht eines Positionsdetektors, die eine vierzehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 24 ist ein schematisches Diagramm eines Positionssensors gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • BESTE ART DER DURCHFÜHRUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend bezugnehmend auf einige Ausführungsformen, die in den entsprechenden Zeichnungen gezeigt werden, detaillierter be schrieben. Dabei sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Positionssensors 100, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Der Positionssensor 100 umfasst einen Verschiebungsdetektor 30, ein Impulsausgangsmodul 40, einen Spannungswandler 60 und einen Ausgangswandler 70.
  • Der Verschiebungsdetektor 30 umfasst eine Spule 1 und einen elektrischen Leiter 2 oder ein Magnetelement 3.
  • Der elektrische Leiter 2 oder das Magnetelement 3 liegen in Bezug auf die Spule 1 so vor, dass sich ihre mit der Spule 1 überlappende Länge p je nach Positionsverschiebung des zu überprüfenden Objekts ändert.
  • Die Spule 1 kann eine Vierlagenwalze aus einem 0,071 mm dicken emaillierten Kupferdraht sein, der einen Innendurchmesser von 2,3 mm und eine Länge von 22 mm und 1.240 Windungen aufweist. Die Spule 1 kann in einem Edelstahlschutzrohr, der einen Innendurchmesser von 3 mm und einen Außendurchmesser von 3,8 mm aufweist, untergebracht sein.
  • Der elektrische Leiter 2 oder das Magnetelement 3 können aus einem Aluminiumrohr bestehen, das einen Innendurchmesser von 4,5 mm und einen Außendurchmesser von 6,5 mm aufweist.
  • Das Impulsausgangsmodul 40 umfasst einen Kondensator 4, einen Komparator 5 und einen Widerstand 6. Der Kondensator 4 kann von einem 15000-pF-Typ sein. Der Widerstand 6 kann vom 60-Ω-Typ sein.
  • Der Kondensator 4 ist an einem Ende mit einem Eingangsanschluss des Komparators 5 und am anderen Ende mit einer 0-V-Quelle oder mit Masse verbunden. Der Widerstand 6 ist mit dem Verschiebungsdetektor 30 in Reihe geschaltet. Der in Reihe geschaltete Stromkreis des Widerstands 6 und des Verschiebungsdetektors 30 ist an einem Ende mit dem Eingangsanschluss des Komparators 5 und am anderen Ende mit einem Ausgangsanschluss des Komparators 5 verbunden.
  • Der Komparator 5 ist vom inversen Ausgangstyp, um ein Ausgangssignal mit hohem Potential abzugeben, wenn sich die Eingangsspannung S1 erhöht und nicht höher als ein oberer Schwellenwert VthH bleibt, und um ein Ausgangssignal mit niedrigem Potential abzugeben, wenn die Eingangsspannung S1 den oberen Schwellenwert VthH überschreitet. Alternativ dazu wird ein Ausgangssignal mit geringem Potential abgegeben, wenn die Eingangsspannung S1 abnimmt und nicht unter einem Wert des unteren Schwellenwerts VthL bleibt, und ein Ausgang mit hohem Potential abgegeben, wenn die Eingangsspannung S1 unter den Schwellenwert VtHL abfällt.
  • Der Spannungswandler 60 umfasst eine Einkreisschaltung 61 zur Erzeugung einer Rechteckwelle m einer Impulsbreite t bei Auslösen während des Anstiegs und Abfalls der Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 und eine Glättungsschaltung 62 zur Erzeugung eines Spannungsausgangs, der proportional zur Fläche ist, die durch die Zeiteinheit der Rechteckwelle m mit der Impulsbreite t definiert ist. Diese Anordnung ist als Spannungs-Frequenz-Wandlerschaltung allgemein bekannt.
  • Der Ausgangswandler 70 dient zur Abgabe einer Spannung oder eines Stroms entsprechend der Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60 oder zur Überprüfung, ob die Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60 geringer oder höher als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, um einen Schaltausgang zu erzeugen.
  • Die Wirkung des Positionssensors 100 wird nachstehend detaillierter beschrieben.
  • Wie durch das Zeitintervall a in 2 gekennzeichnet, wird der Kondensator 4 aus dem Ausgangsanschluss des Komparators 5 bei einer Zeitkonstante geladen, die durch das Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 bestimmt wird, wenn die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 ein hohes Potential aufweist. Insbesondere nimmt die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 von der geringeren Spannung ausgehend zu.
  • Bevor die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 den oberen Schwellenwert VthH erreicht, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf einem hohen Potential gehalten.
  • Wie durch das Zeitintervall b in 2 gekennzeichnet, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf niedriges Potential (0 V oder Masse) zurückgestellt, wenn die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 den oberen Schwellenwert VthH übersteigt. Der Kondensator 4 wird anschließend in den Ausgangsanschluss des Komparators 5 bei einer Zeitkonstante entladen, die durch das Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 bestimmt wird, wenn sich die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf geringem Potential befindet.
  • Bevor die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 den unteren Schwellenwert VthL erreicht, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf geringem Potential gehalten.
  • Wie durch das Zeitintervall c in 2 gekennzeichnet, nimmt die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 nicht unmittelbar nachdem die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf niedriges Potential zurückgestellt wurde ab, sondern wird zuerst überschritten und anschließend verringert.
  • Wenn die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 geringer als der untere Schwellenwert VthL ist, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf hohes Potential zurückgestellt, und der Vorgang beginnt mit obigen Schritten von neuem.
  • Indem diese Schritte wiederholt werden, kann die Schwingung kontinuierlich durchgeführt werden.
  • Es wird angenommen, dass die zwei Schwellenwerte VthH und VthL im Komparator 5 eine Hysterese vorweisen, da der obere Schwellenwert VthH > der untere Schwellenwert VthL ist. Die Schwingung kann somit gleichbleibend durchgeführt werden, wenn die in 2 gezeigte Spannungsdifferenz ΔV bei einem ausreichenden Potential gehalten wird.
  • Die Schwingung kann erfolgreich durchgeführt werden, indem das Ausgangssignal mittels elektromotorischer Gegenkraft auf die Spule 1 überhöht wird, sogar wenn die zwei Schwellenwerte VthH und VthL im Komparator 5 keine Hysterese vorweisen, da VthH = VthL ist.
  • Die Induktivität der Spule 1 im Verschiebungsdetektor 30 kann je nach Verschiebung des zu überprüfenden Objekts verändert werden, wenn sich die zwischen Spule 1 und elektrischem Leiter 2 oder Magnetelement 3 überlappende Länge ändert.
  • Die Periodendauer T des Signals nimmt ab, wenn die Induktivität der Spule, wie durch die durchgehende Linie in 3 gekennzeichnet, niedrig ist. Die Periodendauer T des Signals nimmt jedoch zu, wenn die Induktivität der Spule 1, wie durch die punktierte Linie in 3 gekennzeichnet, hoch ist.
  • Wie in 3 gezeigt, ist die Einkreisschaltung 61 im Spannungswandler 60 mit der Zunahme und dem Abfall der Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 zeitlich übereingestimmt, um die Rechteckwelle m der Impulsbreite t zu erzeugen.
  • Die Glättungsschaltung 62 im Spannungswandler 60 gibt einen Effektivwert der Rechteckwelle m aus und gibt diesen als Ausgangsspannung ab.
  • Wenn die Induktivität der Spule 1 gering ist und die Periodendauer T des Signals kurz ist, wie durch die durchgehende Linie in 3 gekennzeichnet, kann die Recht eckwelle m der Impulsbreite t in der Erzeugungsfrequenz pro Zeiteinheit erhöht werden, wodurch die Ausgangsspannung erhöht wird.
  • Wenn im Gegenteil dazu die Induktivität der Spule 1 hoch und die Periodendauer T des Signals lang ist, wie durch die punktierte Linie in 3 gekennzeichnet, kann die Rechteckwelle m der Impulsbreite t während der Frequenzbildung pro Zeiteinheit verringert werden, wodurch die Ausgangsspannung abnimmt.
  • Folglich kann dessen Ausgang ein Detektionssignal sein, das die Position des zu überprüfenden Objekts oder Stroms angibt, wenn der Ausgangswandler 70 eine Spannung oder einen Strom mit hohem Potential erzeugt, die der Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60 entsprechen.
  • Es wird auch überprüft, ob die Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60 unter oder über dem Schwellenwert zur Erzeugung des Schaltausgangs liegt, was ein Bewertungssignal sein kann, das angibt, dass sich das zu überprüfende Objekt an einer bestimmten Seite des Schwellenwertpunkts befindet.
  • 4 ist ein Wellenformdiagramm, wenn sich der Widerstand des Widerstands 6 mit den Schwellenwerten VthH und VthL des Komparators 5 ändert und der Widerstand der Spule 1 und des Kondensators 4 unverändert bleibt.
  • Die von der durchgehenden Linie gekennzeichnete Wellenform liegt vor, wenn der Widerstand des Widerstands 6 gering ist, während die von der punktierten Linie gekennzeichnete Wellenform vorliegt, wenn der Widerstand hoch ist. Je höher der Widerstand des Widerstands 6, desto länger wird die Periodendauer T der Wellenform erhöht.
  • Folglich wird die Periodendauer T instabil, wenn sich der Widerstand des Widerstands 6 oder der Spule 1 aufgrund von Temperaturveränderungen ändert, wodurch es zu einem Positionsdetektionsfehler kommt. Es ist daher erforderlich, die Temperatur auszugleichen.
  • Die Periodendauer T hängt von der Zeitkonstante zum Laden und Entladen des Kondensators 4 ab und erhöht sich wahrscheinlich, wenn der Widerstand des Widerstands 6 oder der Spule 1 zunimmt. Insbesondere wird angenommen, dass sie eine wie in 5a gezeigte Kennlinie aufweist.
  • Es wurde jedoch in einer Reihe von Experimenten, die von den Erfindern durchgeführt wurden, herausgefunden, dass die Periodendauer T nicht nur als Kennlinie in 5a gekennzeichnet ist, sondern auch als jene in 5b. Es wurde gemessen, dass die Periodendauer unter bestimmten Umständen abnahm, wenn der Widerstand ausgehend von 0 Ω zunahm, und die Periodendauer T den Minimalwert erreichte und anschließend anstieg.
  • Der Grund dafür, wieso die Periodendauer an jenem Punkt am kürzesten wird, ist zwar nicht klar, könnte jedoch in engem Zusammenhang mit einigen Faktoren stehen, die die Oszillation der Spannung durch die Wirkung von elektromotorischer Gegenkraft auf die Spule 1 sowie die Phase von Lade- und Entladeströmen einschließen. Zudem kann dies das Ergebnis einer von c in 2 gekennzeichneten Überschwingung sein.
  • Die Anordnung im Positionssensor 100 ist daher so gewählt, dass die Summe des Widerstands der Spule 1 und des Widerstands des Widerstands 6 in einem Betriebstemperaturbereich auf einen in 5b gezeigten bestimmten Wert ro oder in etwa diesem Wert entsprechend eingestellt wird.
  • Dies ermöglicht, dass eine Veränderung in der Periodendauer T minimal ausfällt, wenn sich die Spule hinsichtlich Temperatur und folglich hinsichtlich Widerstand ändert.
  • Der Grund dafür, wieso die Summe des Widerstands auf einen bestimmten Wert ro oder in etwa diesem Wert entsprechend eingestellt wird, ist nachstehend erläutert. Wenn die Spule 1 hinsichtlich Temperatur verändert wird, können sich dadurch ihre statische Kapazität oder Form sowie ihr Widerstand ändern. Es gilt daher, dass der bestimmte Wert ro des Widerstands für den Temperaturausgleich fast nie ideal ist. Es wird jedoch bewiesen, dass der Widerstand einer der Hauptgründe zur Veränderung der Periodendauer T ist, und dessen Optimalwert für den Temperaturausgleich weicht fast nie von ro ab.
  • Die Messung wurde mit dem Positionssensor 100 vorgenommen, der die Spule 1 mit 3 mm Außendurchmesser und den aus einem Aluminiumrohr bestehenden elektrischen Leiter 2 umfasste und dessen Messentfernung (Maximum von p) 50 mm betrug. Bei einem Temperaturveränderungsbereich der Spule 1 von 25 bis 75 °C betrug die Rate des veränderten Werts pro 1 °C bis zur Gesamtveränderung 30 bis 50 ppm. Die Größenordnung von 30 ppm entspricht im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungsfaktor der Spule 1 oder des Aluminiumrohrs, wodurch eine Messung unter 30 ppm unpraktisch wird.
  • Im Folgenden sind die Vorteile des Positionssensors 100 der ersten Ausführungsform angeführt:
    Seine Dimensionen können minimiert werden, da zwei herkömmliche Spulen vom Magnetisierungstyp und Differentialtyp durch die Einzelspule 1 ersetzt werden und deren Verwendung vorzugsweise in einem klein ausgebildeten System oder zumindest in einem eingeschränkten Einbaubereich erfolgt.
  • Seine Ausgangsspannung ist umgekehrt proportional zur Verschiebung, die gemessen werden soll.
  • Darüber hinaus kann sein Temperaturausgleich ohne Verwendung der zwei herkömmlichen Spulen vom Differentialtyp durchgeführt werden, und die Temperaturveränderung nimmt fast keinen Einfluss auf die zu messende Verschiebung.
  • Während der Temperaturausgleich in dieser Ausführungsform durch das Einstellen der Summe des Widerstands der Spule 1 und des Widerstands des Widerstands 6 durchgeführt wird, kann sie umgesetzt werden, indem die Kapazität des Kondensa tors 4 und die Schwellenwerte VthH und VthL des Komparators 5 bestimmt werden. Die Kapazität des Kondensators 4 und die Schwellenwerte VthH und VthL des Komparators 5 können bestimmt werden, indem das Verhältnis zwischen der Periodendauer T und solchen Werten, wie z.B. die Kapazität und Schwellenwertspannungen, überprüft und jene Werte gefunden werden, die die Periodendauer T bei einem Minimum und einem gewünschten Temperaturbereich halten. Im gegenwärtigen Vorgang zur Regelung des Widerstands des Widerstands 6 ist es jedoch einfach und praktisch, wenn die anderen Bedingungen gleich bleiben.
  • Zweite Ausführungsform
  • Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird angeordnet, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die proportional zur Verschiebung steht. Wie beschrieben, ist die Ausgangsspannung in der ersten Ausführungsform umgekehrt proportional zur Verschiebung.
  • 6 ist eine schematische Ansicht eines Positionssensors 200a, die eine zweite Ausführungsform darstellt.
  • Der Positionssensor 200a umfasst einen Verschiebungsdetektor 30, ein Impulsausgangsmodul 40, eine Zeitschaltung 50a, einen Spannungswandler 60 und einen Ausgangswandler 70.
  • Der Verschiebungsdetektor 30 umfasst eine Spule 1 und einen elektrischen Leiter 2 oder ein Magnetelement 3.
  • Der elektrische Leiter 2 oder das Magnetelement 3 liegen in Bezug auf die Spule 1 so vor, dass sich ihre mit der Spule 1 überlappende Länge p je nach Positionsverschiebung des zu überprüfenden Objekts ändert.
  • Die Spule 1 kann eine vierlagige Rolle aus einem 0,071 mm dicken emaillierten Kupferdraht sein, der einen Innendurchmesser von 2,3 mm und eine Länge von 22 mm und 1.240 Windungen aufweist. Die Spule 1 kann in einem Edelstahlschutzrohr, der einen Innendurchmesser von 3 mm und einen Außendurchmesser von 3,8 mm aufweist, untergebracht sein.
  • Der elektrische Leiter 2 oder das Magnetelement 3 können aus einem Aluminiumrohr bestehen, das einen Innendurchmesser von 4,5 mm und einen Außendurchmesser von 6,5 mm aufweist.
  • Das Impulsausgangsmodul 40 umfasst einen Kondensator 4, einen Komparator 5 und einen Widerstand 6. Der Kondensator 4 kann von einem 15000-pF-Typ sein. Der Widerstand 6 kann vom 60-Ω-Typ sein.
  • Der Kondensator 4 ist an einem Ende mit einem Eingangsanschluss des Komparators 5 und am anderen Ende mit einer 0-V-Quelle oder mit Masse verbunden. Der Widerstand 6 ist mit der Spule 1 in Reihe geschaltet. Der in Reihe geschaltete Stromkreis der Spule 1 und des Widerstands 6 ist an einem Ende mit dem Eingabeanschluss des Komparators 5 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Komparators 5 ist mit einem Eingangsanschluss der Zeitschaltung 50a verbunden.
  • Der Komparator 5 ist vom inversen Ausgangstyp, um einen Ausgang mit hohem Potential freizusetzen, wenn sich die Eingangsspannung S1 erhöht und bleibt nicht höher als ein oberer Schwellenwert VthH, und um einen Ausgang mit geringem Potential freizusetzen, wenn die Eingangsspannung S1 den oberen Schwellenwert VthH überschreitet. Alternativ dazu wird ein Ausgangssignal mit geringem Potential abgegeben, wenn die Eingangsspannung S1 abnimmt und nicht unter einem Wert des unteren Schwellenwerts VthL bleibt, und ein Ausgangssignal mit hohem Potential abgegeben, wenn die Eingangsspannung S1 unter den Schwellenwert VthL abfällt.
  • Die Zeitschaltung 50a umfasst einen Oszillator 51, einen Flipflop 52 und einen Puffer 54. Der Oszillator 51 kann angeordnet sein, um eine Rechteckwelle zu erzeugen, die eine relative Einschaltdauer von 1:1 bei 100 kHz aufweist.
  • Der Puffer 54 im Zeitschalter 50a ist an seinem Ausgangsanschluss mit dem anderen Ende des in Reihe geschalteten Stromkreises der Spule 1 und des Widerstands 6 verbunden.
  • Der Spannungswandler 60 umfasst einen Flipflop 63 zur Einstellung des Ausgangs auf ein hohes Potential, wenn ein Taktsignal CK des Oszillators 51 bei hohem Potential bleibt sowie zur Wiedereinstellung des Ausgangs auf ein niedriges Potential als Antwort auf den Anstieg der Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5, was bedeutet, dass eine Rechteckwelle m mit einer Impulsbreite t erzeugt wird, die sich vom Anstieg des Taktsignals CK bis zum Anstieg der Ausgangsspannung S2 des Komparators 5 ausbreitet, nachdem das Taktsignal CK auf niedriges Potential gestellt wurde, und eine Glättungsschaltung 62 zur Erzeugung eines Spannungsausgangs, der proportional zur Fläche ist, die durch die Zeiteinheit der Rechteckwelle m definiert ist. Diese Anordnung dient als Spannungs-Frequenz-Wandlerschaltung, die später detaillierter beschrieben wird.
  • Der Ausgangswandler 70 dient zur Freisetzung einer Spannung oder eines Stroms entsprechend der Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60 oder zur Überprüfung, ob die Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60 geringer oder höher als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, um einen Schaltausgang zu erzeugen.
  • Die Wirkung des Positionssensors 200a wird nachstehend detaillierter beschrieben.
  • Wie in 7 gezeigt, erzeugt der Oszillator 51 das Taktsignal CK im Zeitschalter 50a in Intervallen der Periodendauer T. Bei der Einstellung des Anstiegs des Taktsignals CK wird der Ausgang S4 des Flipflops 52, nämlich das Ausgangssignal S3 des Puffers 54, auf hohes Potential gestellt.
  • Während das Ausgangssignal S3 aus dem Puffer 54, wie in 7 gekennzeichnet, auf hohem Potential bleibt, wird der Kondensator 4 aus dem Ausgabeanschluss des Puffers 54 bei einer Zeitkonstante entladen, die durch das Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 bestimmt wird. Dadurch wird es möglich, dass die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 in den additiven Modus gelangt.
  • Die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 bleibt auf dem hohen Potential bevor die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 den oberen Schwellenwert VthH erreicht.
  • Wenn die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 den oberen Schwellenwert VthH, wie in 7 gekennzeichnet, übersteigt, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf niedriges Potential (0 V oder Masse) zurückgestellt. Folglich werden der Ausgang S4 des Flipflops 52 oder das Ausgangssignal S3 des Puffers 54 auf niedriges Potential zurückgestellt.
  • Während das Ausgangssignal S3 aus dem Puffer 54 auf niedrigem Potential bleibt, wird der Kondensator 4 in den Ausgabeanschluss des Puffers 54 bei einer Zeitkonstante entladen, die durch das Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 bestimmt wird.
  • Die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 bleibt auf niedrigem Potential bevor die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 auf den niedrigeren Schwellenwert VthL abfällt.
  • Die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 nimmt nicht unmittelbar nachdem die Ausgangsspannung S3 aus dem Puffer 54 auf niedriges Potential zurückgestellt wurde ab, sondern wird zuerst überschritten und anschließend verringert, wie durch c in 7 gekennzeichnet ist.
  • Wenn die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 geringer als der niedrigere Schwellenwert VthL wird, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf hohes Potential zurückgestellt. Zeitlich mit dem Anstieg des Taktsignals CK abgestimmt, während die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf dem hohen Potential bleibt, wird der Ausgang Q des Flipflops 52 oder das Ausgangssignal S3 des Puffers 54 auf hohes Potential zurückgestellt und der Vorgang beginnt mit obigen Schritten von neuem. Indem diese Schritte wiederholt werden, kann die Schwingung kontinuierlich durchgeführt werden.
  • Die Schwingung kann daher gleichmäßig fortgeführt werden, wenn die zwei Schwellenwerte VthH und VthL im Komparator 5 eine Hysterese vorweisen, da der obere Schwellenwert VthH > der untere Schwellenwert VthL ist und die in 7 gezeigte Spannungsdifferenz ΔV bei einem ausreichenden Potential gehalten wird.
  • Die Schwingung kann erfolgreich durchgeführt werden, indem der Ausgang mithilfe einer elektromotorischen Gegenkraft auf die Spule 1 überschritten wird, sogar wenn die zwei Schwellenwerte VthH und VthL im Komparator 5 keine Hysterese vorweisen, da VthH = VthL ist.
  • Die Induktivität der Spule 1 im Verschiebungsdetektor 30 kann je nach Verschiebung des zu überprüfenden Objekts verändert werden, wenn sich die zwischen Spule 1 und elektrischem Leiter 2 oder Magnetelement 3 überlappende Länge ändert. Die Zeitkonstante des Kondensators 4 während des Ladens und Entladens wird wahrscheinlich verringert, wenn die Induktivität der Spule 1 gering ist, wie durch die durchgehende Linie in 8 gekennzeichnet ist. Die Zeitkonstante des Kondensators 4 erhöht sich jedoch, wenn die Induktivität der Spule 1 hoch ist, wie durch die punktierte Linie in 8 gekennzeichnet ist.
  • Die Periodendauer T bleibt jedoch einheitlich, da die zeitliche Übereinstimmung des Ladebeginns ausschließlich vom Taktsignal CK des Oszillators 51 geregelt wird. Das Intervall t aus dem Anstieg des Taktsignals CK zum Anstieg der Ausgangsspannung S2 wird verringert, wenn die Induktivität der Spule 1 gering ist, wie durch die durchgehende Linie in 8 gekennzeichnet ist. Der Intervall t erhöht sich, wenn die Induktivität der Spule 1 hoch ist, wie durch die punktierte Linie in 8 gekennzeichnet ist.
  • Wie in 8 gezeigt, erzeugt der Flipflop 63 im Spannungswandler 60 eine Rechteckwelle m mit einer Impulsbreite t bei Intervallen einer Periodendauer T, die der Induktivität der Spule 1 entspricht.
  • Die Glättungsschaltung 62 im Spannungswandler 60 gibt einen Effektivwert der Rechteckwelle m aus und setzt diesen als Ausgangsspannung frei.
  • Wenn die Induktivität der Spule 1 gering ist und die Impulsbreite t des Signals kurz ist, wie durch die durchgehende Linie in 8 gekennzeichnet, fällt die Ausgangsspannung klein aus.
  • Wenn im Gegenteil dazu die Induktivität der Spule 1 hoch und die Impulsbreite t des Signals lang ist, wie durch die punktierte Linie in 8 gekennzeichnet, fällt die Ausgangsspannung groß aus.
  • Folglich kann dessen Ausgang ein Detektionssignal sein, das die Position des zu überprüfenden Objekts angibt, wenn der Ausgangswandler 70 eine Spannung oder einen Strom mit einem Potential erzeugt, das der Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60 entspricht.
  • Es wird andererseits auch überprüft, ob die Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60 unter oder über dem Schwellenwert zur Erzeugung des Schaltausgangs liegt, was ein Bewertungssignal sein kann, das angibt, dass sich das zu überprüfende Objekt an einer bestimmten Seite des Schwellenwertpunkts befindet.
  • 9 ist ein Wellenformdiagramm, wenn sich der Widerstand des Widerstands 6 mit den Schwellenwerten VthH und VthL des Komparators 5 ändert und der Widerstand der Spule 1 und des Kondensators 4 unverändert bleibt.
  • Die von der durchgehenden Linie gekennzeichnete Wellenform liegt vor, wenn der Widerstand des Widerstands 6 gering ist, während die von der punktierten Linie ge kennzeichnete Wellenform vorliegt, wenn der Widerstand hoch ist. Je höher der Widerstand des Widerstands 6, desto länger wird die Impulsbreite t des Signals erhöht.
  • Folglich wird die Impulsbreite t instabil, wenn sich der Widerstand des Widerstands 6 oder der Spule 1 aufgrund von Temperaturveränderungen ändert, wodurch es zu einem Positionsdetektionsfehler kommt. Es ist daher erforderlich, die Temperatur auszugleichen.
  • Die Impulsbreite t hängt von der Zeitkonstante zum Laden und Entladen des Kondensators 4 ab und erhöht sich wahrscheinlich, wenn der Widerstand des Widerstands 6 oder der Spule 1 zunimmt. Insbesondere wird angenommen, dass sie eine wie in 10a gezeigte Kennlinie aufweist.
  • Es wurde jedoch in einer Reihe von Experimenten, die von den Erfindern durchgeführt wurden, herausgefunden, dass die Impulsbreite t nicht nur als Kennlinie in 10a gekennzeichnet ist, sondern auch als jene in 10b. Es wurde gemessen, dass die Impulsbreite t unter bestimmten Umständen abnahm, wenn der Widerstand ausgehend von 0 Ω zunahm, und die Impulsbreite t den Minimalwert erreichte und anschließend anstieg.
  • Der Grund dafür, wieso die Pulsbreite t an jenem Punkt am kürzesten wird, ist zwar nicht klar, könnte jedoch in engem Zusammenhang mit einigen Faktoren stehen, die die Oszillation der Spannung durch die Wirkung von elektromotorischer Gegenkraft auf die Spule 1 sowie die Phase von Lade- und Entladeströmen einschließen.
  • Alternativ dazu kann dies das Ergebnis einer durch c in 7 gekennzeichneten Überschwingung sein. Das Ergebnis kann auch auf die gegenseitige Interferenz zwischen der Zeitkonstante zum Laden oder Entladen des Kondensators 4 und der Periodendauer T des Taktsignals CK zurückgeführt werden.
  • Die Anordnung im Positionssensor 200a der vorliegenden Erfindung ist daher so gewählt, dass die Summe des Widerstands der Spule 1 und des Widerstands des Wi derstands 6 in einem Betriebstemperaturbereich auf einen in 10b gezeigten bestimmten Wert ro oder in etwa diesem Wert entsprechend eingestellt wird.
  • Dies ermöglicht, dass eine Veränderung in der Impulsbreite t minimal ausfällt, sogar wenn sich die Spule hinsichtlich Temperatur und folglich hinsichtlich Widerstand ändert.
  • Der Grund dafür, wieso die Summe des Widerstands auf einen bestimmten Wert ro oder in etwa diesem Wert entsprechend eingestellt wird, ist nachstehend erläutert. Wenn die Spule 1 hinsichtlich Temperatur verändert wird, können sich dadurch ihre statische Kapazität oder Form sowie ihr Widerstand ändern. Es gilt daher, dass der bestimmte Wert ro des Widerstands für den Temperaturausgleich fast nie ideal ist. Es wird jedoch bewiesen, dass der Widerstand einer der Hauptgründe zur Veränderung der Periodendauer T ist, und dessen Optimalwert für den Temperaturausgleich weicht fast nie von ro ab.
  • Die Messung wurde mit dem Positionssensor 200a vorgenommen, der die Spule 1 mit 3 mm Außendurchmesser und den aus einem Aluminiumrohr bestehenden elektrischen Leiter 2 umfasste und dessen Messentfernung (Maximum von p) 50 mm betrug. Bei einem Temperaturveränderungsbereich der Spule 1 von 25 bis 75 °C betrug die Rate des veränderten Werts pro 1 °C bis zur Vollanschlagveränderung 30 bis 50 ppm. Die Größenordnung von 30 ppm entspricht im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungsfaktor der Spule 1 oder des Aluminiumrohrs, wodurch eine Messung unter 30 ppm unpraktisch wird.
  • Im Folgenden sind die Vorteile des Positionssensors 200a der zweiten Ausführungsform angeführt:
    Seine Dimensionen können minimiert werden, da zwei herkömmliche Spulen vom Magnetisierungstyp und Differentialtyp durch die Einzelspule 1 ersetzt werden und deren Verwendung vorzugsweise in einem klein ausgebildeten System oder zumindest in einem eingeschränkten Einbaubereich erfolgt.
  • Seine Ausgangsspannung ist proportional zur Verschiebung eines Objekts und kann vorzugsweise eingesetzt werden, wenn die Messung der Position entlang einer linearen Richtung hinsichtlich Linearität verbessert werden soll.
  • Darüber hinaus kann sein Temperaturausgleich ohne Verwendung der zwei herkömmlichen Spulen vom Differentialtyp durchgeführt werden, und die Temperaturveränderung nimmt fast keinen Einfluss auf die zu messende Verschiebung.
  • Während der Temperaturausgleich in dieser Ausführungsform durch das Einstellen der Summe des Widerstands der Spule 1 und des Widerstands des Widerstands 6 durchgeführt wird, kann sie umgesetzt werden, indem die Kapazität des Kondensators 4 und die Schwellenwerte VthH und VthL des Komparators 5 bestimmt werden. Die Kapazität des Kondensators 4 und die Schwellenwerte VthH und VthL des Komparators 5 können bestimmt werden, indem das Verhältnis zwischen der Periodendauer T und solchen Werten, wie z.B. die Kapazität und Schwellenwertspannungen, überprüft und jene Werte gefunden werden, die die Periodendauer T bei einem Minimum und einem gewünschten Temperaturbereich halten. Alternativ dazu kann der Temperaturausgleich durchgeführt werden, indem die Periodendauer T des Taktsignals CK geregelt wird, da die kontinuierliche Schwingung von jener Zeit beeinflusst wird, bei der die anschließende Periodendauer T während des Ladens oder Entladens des Kondensators 4 beginnt. Darüber hinaus kann der Temperaturausgleich durchgeführt werden, indem die Wellenform einer an die Spule 1 angelegten Spannung geregelt wird, da die kontinuierliche Schwingung durch die Form eines Impulses der Wellenform, die spitz oder stumpf ist, beeinflusst wird. Im gegenwärtigen Vorgang zur Regelung des Widerstands des Widerstands 6 ist es jedoch einfach und praktisch, wenn die anderen Bedingungen gleich bleiben.
  • Dritte Ausführungsform
  • Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird angeordnet, um ein gewünschtes Potential der Ausgangsspannung zu erzeugen, sogar wenn die Zeitkonstante durch Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 viel kleiner als die Periodendauer T des Taktsignals CK ist. Dazu kann es kommen, wenn die Induktivität der Spule 1 aufgrund Dimensionseinschränkungen gering wird. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung in der zweiten Ausführungsform gering sein.
  • 11 ist eine schematische Ansicht eines Positionssensors 200b, die eine dritte Ausführungsform darstellt.
  • Der Positionssensor 200b ist im Wesentlichen mit der Anordnung des Positionssensors 200a der zweiten Ausführungsform identisch, mit der Ausnahme der Zeitschaltung 50b.
  • Die Zeitschaltung 50b umfasst einen Oszillator 51, einen Flipflop 52, einen UND-Schaltkreis 53, einen Puffer 54 und eine Zählerschaltung 56.
  • Der Puffer 54 im Zeitschalter 50b ist an seinem Ausgangsanschluss mit dem anderen Ende des in Reihe geschalteten Stromkreises der Spule 1 und des Widerstands 6 verbunden.
  • Der Spannungswandler 60 umfasst einen Flipflop 63 zur Einstellung des Ausgangs auf ein hohes Potential, wenn ein Ausgangssignal S4 des Flipflops 52 bei hohem Potential bleibt sowie zur Wiedereinstellung des Ausgangs auf ein niedriges Potential als Antwort auf den Anstieg der Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5, was bedeutet, dass eine Rechteckwelle m mit einer Impulsbreite t erzeugt wird, die sich vom Anstieg des Ausgangssignals S4 bis zum Anstieg der Ausgangsspannung S4 des Komparators 5 ausbreitet, nachdem der Spannungsausgang S4 auf niedriges Potential zurückgestellt wurde, und eine Glättungsschaltung 62 zur Erzeugung eines Spannungsausgangs, der proportional zur Fläche ist, die durch die Zeiteinheit der Rechteckwelle m definiert ist. Diese Anordnung dient als Spannungs-Frequenz-Wandlerschaltung, die später detaillierter beschrieben wird.
  • Die Wirkung des Positionssensors 200b wird nachstehend detaillierter beschrieben.
  • Es wird angenommen, dass sich das Ausgangssignal S2 des Komparators 5 im Anfangszustand auf hohem Potential befindet. Das Ausgangssignal S4 des Flipflops 52 ist ebenfalls auf hohes Potential zurückgestellt. Die Zählerschaltung 56 zählt Null und ihr "3"-Anschlussausgangssignal S5 bleibt auf niedrigem Potential.
  • Wie in 12 gezeigt, erzeugt der Oszillator 51 das Taktsignal CK im Zeitschalter 50b in Intervallen der Periodendauer T. Bei der Einstellung des Anstiegs des Taktsignals CK wird der Ausgang S4 des Flipflops 52 auf hohes Potential zurückgestellt.
  • Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Ausgang des UND-Schaltkreises 53, nämlich des Ausgangssignals S3 des Puffers 54, auf hohem Potential, wenn das Ausgangssignal S2 aus dem Komparator 5 auf hohem Potential bleibt.
  • Während das Ausgangssignal S3 aus dem Puffer 54, wie in 12 gekennzeichnet, auf hohem Potential bleibt, wird der Kondensator 4 aus dem Ausgangsanschluss des Puffers 54 bei einer Zeitkonstante geladen, die durch das Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 bestimmt wird. Dadurch wird es möglich, dass die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 in den Aufwärts-Modus gelangt.
  • Die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 bleibt auf hohem Potential bevor die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 den oberen Schwellenwert VthH erreicht.
  • Wenn die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 den oberen Schwellenwert VthH, wie durch b in 12 gekennzeichnet, übersteigt, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf niedriges Potential (0 V oder Masse) zurückgestellt. Anschließend zählt die Zählerschaltung 56 den Abfall der Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 und dessen Zählverschiebungen auf "1". Bis zu diesem Zeitpunkt bleibt das "3"-Anschlussausgangssignal S5 der Zählerschaltung 56 auf niedrigem Potential. Der Ausgang des UND-Schaltkreises 53 oder das Ausgangssignal S3 des Puffers 54 werden ebenfalls auf niedriges Potential zurückgestellt.
  • Während das Ausgangssignal S3 aus dem Puffer 54 auf niedrigem Potential bleibt, wird der Kondensator 4 in den Ausgangsanschluss des Puffers 54 bei einer Zeitkonstante entladen, die durch das Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 bestimmt wird.
  • Die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 bleibt auf niedrigem Potential bevor die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 auf den niedrigeren Schwellenwert VthL abfällt.
  • Die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 nimmt nicht unmittelbar nachdem die Ausgangsspannung S3 aus dem Puffer 54 auf niedriges Potential zurückgestellt wurde ab, sondern wird zuerst überschritten und anschließend verringert, wie durch c in 12 gekennzeichnet ist.
  • Wenn die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 geringer als der niedrigere Schwellenwert VthL wird, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf hohes Potential zurückgestellt, wie durch d in 12 gekennzeichnet. Anschließend wird der Ausgang des UND-Schaltkreises 53 oder das Ausgangssignal S3 des Puffers 54 auf hohes Potential zurückgestellt.
  • Während die Ausgangsspannung S3 aus dem Puffer 54 bei hohem Potential bleibt, wird der Kondensator 4 aus dem Ausgangsanschluss des Puffers 54 bei einer Zeitkonstante geladen, die durch das Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 bestimmt wird.
  • Die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 erhöht sich nicht unmittelbar nachdem die Ausgangsspannung S3 aus dem Puffer 54 auf hohes Potential zurückgestellt wird, sondern wird zuerst überschritten und anschließend, wie durch e in 12 gezeigt, erhöht.
  • Wenn die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 den oberen Schwellenwert VthH überschreitet, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf nied riges Potential zurückgestellt, wie durch f in 12 gekennzeichnet ist. Anschließend zählt die Zählerschaltung 56 den Abfall der Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 und dessen Zählverschiebungen auf "2". Bis zu diesem Zeitpunkt bleibt das "3"-Anschlussausgangssignal S5 der Zählerschaltung 56 auf niedrigem Potential. Der Ausgang des UND-Schaltkreises 53 oder das Ausgangssignal S3 des Puffers 54 werden ebenfalls auf niedriges Potential zurückgestellt.
  • Während das Ausgangssignal S3 aus dem Puffer 54 auf niedrigem Potential bleibt, wird der Kondensator 4 in den Ausgangsanschluss des Puffers 54 bei einer Zeitkonstante entladen, die durch das Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 bestimmt wird.
  • Die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 bleibt auf niedrigem Potential bevor die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 auf den niedrigeren Schwellenwert VthL abfällt.
  • Wenn die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 geringer als der niedrigere Schwellenwert VthL wird, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf hohes Potential zurückgestellt, wie durch g in 12 gekennzeichnet. Anschließend wird der Ausgang des UND-Schaltkreises 53 oder das Ausgangssignal S3 des Puffers 54 auf hohes Potential zurückgestellt.
  • Während die Ausgangsspannung S3 aus dem Puffer 54 bei hohem Potential bleibt, wird der Kondensator 4 aus dem Ausgabeanschluss des Puffers 54 bei einer Zeitkonstante geladen, die durch das Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 bestimmt wird.
  • Wenn die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 den oberen Schwellenwert VthH überschreitet, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf niedriges Potential zurückgestellt, wie durch h in 12 gekennzeichnet ist. Anschließend zählt die Zählerschaltung 56 den Abfall der Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 und dessen Zählverschiebungen auf "3", wodurch bewirkt wird, dass sich das "3"-Anschlussausgangssignal S5 der Zählerschaltung 56 auf hohes Potential einstellt.
  • Zeitlich mit dem Anstieg des "3"-Anschlussausgangssignals S5 abgestimmt, wird das Ausgangssignal S4 des Flipflops 52 folglich auf niedriges Potential zurückgestellt. Anschließend wird die Zählerschaltung 56 nullgestellt, um ihren Zählerstand auf "0" zu stellen. In der Folge wird das "3"-Anschlussausgangssignal S5 aus der Zählerschaltung 56 auf niedriges Potential zurückgestellt.
  • Gleichzeitig wird der Ausgang des UND-Schaltkreises 53 oder das Ausgangssignal S3 des Puffers 54 auf niedriges Potential zurückgestellt.
  • Während die Ausgangsspannung S3 aus dem Puffer 54 bei niedrigem Potential bleibt, wird der Kondensator 4 aus dem Ausgabeanschluss des Puffers 54 bei einer Zeitkonstante entladen, die durch das Kombinieren der Spule 1, des Widerstands 6 und des Kondensators 4 bestimmt wird.
  • Die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 bleibt auf niedrigem Potential bevor die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 auf den niedrigeren VthL-Schwellenwert abfällt.
  • Wenn die Eingangsspannung S1 des Komparators 5 den unteren Schwellenwert VthL unterschreitet, wird die Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator 5 auf hohes Potential zurückgestellt, wie durch i in 12 gekennzeichnet ist. Da sich das Ausgangssignal S4 aus dem Flipflop 52 jedoch auf niedrigem Potential befindet, bleibt der Ausgang des UND-Schaltkreises 53, nämlich das Ausgangssignal S3 des Puffers 54, auf niedrigem Potential. Dadurch wird ermöglicht, dass der Kondensator 4 kontinuierlich in den Ausgabeanschluss des Puffers 54 entladen wird.
  • Zeitlich mit dem Anstieg des Taktsignals CK abgestimmt, wird anschließend der Ausgang S4 des Flipflops 52 auf hohes Potential eingestellt und der Vorgang beginnt bei obigen Schritten von neuem. Indem diese Schritte wiederholt werden, kann die Schwingung kontinuierlich durchgeführt werden.
  • Die Schwingung kann daher gleichmäßig fortgeführt werden, wenn die zwei Schwellenwerte VthH und VthL im Komparator 5 eine Hysterese vorweisen, da der obere Schwellenwert VthH > der untere Schwellenwert VthL ist und die in 12 gezeigte Spannungsdifferenz ΔV bei einem ausreichenden Potential gehalten wird.
  • Die Schwingung kann erfolgreich durchgeführt werden, indem der Ausgang mithilfe einer elektromotorischen Gegenkraft auf die Spule 1 überschritten wird, sogar wenn die zwei Schwellenwerte VthH und VthL im Komparator 5 keine Hysterese vorweisen, da VthH = VthL ist.
  • Wie in 12 gezeigt, erzeugt der Flipflop 63 im Spannungswandler 60 eine Rechteckwelle m mit einer Impulsbreite t, die sich vom Anstieg des Ausgangssignals S4 des Flipflops 52 bis zum Anstieg der Ausgangsspannung S2 aus dem Komparator ausbreitet, nachdem das Ausgangssignal S4 auf niedriges Potential eingestellt wird.
  • Die Induktivität der Spule 1 im Verschiebungsdetektor 30 kann je nach Verschiebung des zu überprüfenden Objekts verändert werden, wenn sich die zwischen Spule 1 und elektrischem Leiter 2 oder Magnetelement 3 überlappende Länge ändert. Wie bereits erklärt, wird die Zeitkonstante des Kondensators 4 während des Ladens und Entladens wahrscheinlich verringert, wenn die Induktivität der Spule 1 gering ist, wobei sich die Zeitkonstante erhöht, wenn die Induktivität der Spule 1 hoch ist.
  • Die Periodendauer T bleibt jedoch einheitlich, da die zeitliche Übereinstimmung des Lade- oder Entladebeginns ausschließlich vom Taktsignal CK des Oszillators 51 geregelt wird. Die Impulsbreite t des Rechteckwellenausgangs m verringert sich, wenn die Induktivität der Spule 1 gering ist, und die Impulsbreite t erhöht sich, wenn die Induktivität der Spule 1 hoch ist.
  • Die Glättungsschaltung 62 im Spannungswandler 60 gibt einen Effektivwert der Rechteckwelle m aus und gibt diesen als Ausgangsspannung ab. Wenn die Induktivität der Spule 1 gering ist und die Impulsbreite t des Signals kurz ist, fällt die Ausgangsspannung folglich klein aus. Wenn im Gegenteil dazu die Induktivität der Spule 1 hoch und die Impulsbreite t des Signals lang ist, fällt die Ausgangsspannung groß aus.
  • Folglich kann dessen Ausgang ein Detektionssignal sein, das die Position des zu überprüfenden Objekts angibt, wenn der Ausgangswandler 70 eine Spannung oder einen Strom mit einem Potential erzeugt, das der Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60 entspricht.
  • Es wird andererseits auch überprüft, ob die Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60 unter oder über dem Schwellenwert zur Erzeugung des Schaltausgangs liegt, was ein Bewertungssignal sein kann, das angibt, dass sich das zu überprüfende Objekt an einer bestimmten Seite des Schwellenwertpunkts befindet.
  • Ähnlich wie beim Positionssensor 200a der zweiten Ausführungsform wird die Impulsbreite t der vorliegenden Ausführungsform instabil, wenn sich der Widerstand des Widerstands 6 oder der Spule 1 aufgrund von Temperaturveränderungen ändert, wodurch es zu einem Positionsdetektionsfehler kommt. Es ist daher erforderlich, die Temperatur auszugleichen.
  • Die Impulsbreite t hängt von der Zeitkonstante zum Laden und Entladen des Kondensators 4 ab und erhöht sich wahrscheinlich, wenn der Widerstand des Widerstands 6 oder der Spule 1 zunimmt. Insbesondere wird angenommen, dass sie eine wie in 10a gezeigte Kennlinie aufweist.
  • Es wurde jedoch in einer Reihe von Experimenten, die von den Erfindern durchgeführt wurden, herausgefunden, dass die Impulsbreite t nicht nur als Kennlinie in 10a gekennzeichnet ist, sondern auch als jene in 10b. Unter bestimmten Umständen verkürzte sich Impulsbreite t, wenn der Widerstand ausgehend von 0 Ω zu nahm. Die Impulsbreite wurde an einem Punkt als die kürzeste Impulsbreite gemessen und wurde anschließend länger.
  • Der Grund dafür, wieso die Pulsbreite t an jenem Punkt am kürzesten wird, ist zwar nicht klar, könnte jedoch in engem Zusammenhang mit einigen Faktoren stehen, die die Schwingung der Spannung durch die Wirkung von elektromotorischer Gegenkraft auf die Spule 1 sowie die Phase von Lade- und Entladeströmen einschließen.
  • Alternativ dazu kann dies das Ergebnis einer durch c und e in 12 gekennzeichneten Überschwingung sein. Das Ergebnis kann auch auf die gegenseitige Interferenz zwischen der Zeitkonstante zum Laden oder Entladen des Kondensators 4 und der Periodendauer T des Taktsignals CK zurückgeführt werden.
  • Die Anordnung im Positionssensor 200b der vorliegenden Erfindung ist daher so gewählt, dass die Summe des Widerstands der Spule 1 und des Widerstands des Widerstands 6 in einem Betriebstemperaturbereich auf einen in 10b gezeigten bestimmten Wert ro oder in etwa diesem Wert entsprechend eingestellt wird.
  • Dies ermöglicht, dass eine Veränderung in der Impulsbreite t minimal ausfällt, sogar wenn sich die Spule hinsichtlich Temperatur und folglich hinsichtlich Widerstand ändert.
  • Der Grund dafür, wieso die Summe des Widerstands auf einen bestimmten Wert ro oder in etwa diesem Wert entsprechend eingestellt wird, ist nachstehend erläutert. Wenn die Spule 1 hinsichtlich Temperatur verändert wird, können sich dadurch ihre statische Kapazität oder Form sowie ihr Widerstand ändern. Es gilt daher, dass der bestimmte Wert ro des Widerstands für den Temperaturausgleich fast nie ideal ist. Es wird jedoch bewiesen, dass der Widerstand einer der Hauptgründe zur Veränderung der Impulsbreite t ist, und dessen Optimalwert für den Temperaturausgleich weicht fast nie von ro ab.
  • Die Messung wurde mit dem Positionssensor 200b vorgenommen, der die Spule 1 mit 3 mm Außendurchmesser und den aus einem Aluminiumrohr bestehenden elektrischen Leiter 2 umfasste und dessen Messentfernung (Maximum von p) 50 mm betrug. Bei einem Temperaturveränderungsbereich der Spule 1 von 25 bis 75 °C betrug die Rate des veränderten Werts pro 1 °C bis zur Gesamtveränderung 30 bis 50 ppm. Die Größenordnung von 30 ppm entspricht im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungsfaktor der Spule 1 oder des Aluminiumrohrs, wodurch eine Messung unter 30 ppm unpraktisch wird.
  • Im Folgenden sind die Vorteile des Positionssensors 200b der zweiten Ausführungsform angeführt:
    Seine Dimensionen können minimiert werden, da zwei herkömmliche Spulen vom Magnetisierungstyp und Differentialtyp durch die Einzelspule 1 ersetzt werden und deren Verwendung vorzugsweise in einem klein ausgebildeten System oder zumindest in einem eingeschränkten Einbaubereich erfolgt.
  • Seine Ausgangsspannung ist proportional zur Verschiebung und kann vorzugsweise eingesetzt werden, wenn die Messung der Position entlang einer linearen Richtung hinsichtlich Linearität verbessert werden soll.
  • Darüber hinaus kann sein Temperaturausgleich ohne Verwendung der zwei herkömmlichen Spulen vom Differentialtyp durchgeführt werden, und die Temperaturveränderung nimmt fast keinen Einfluss auf die zu messende Verschiebung.
  • Zudem kann der Spannungsausgang auf einem ausreichenden Potential bleiben, sogar wenn die Induktivität der Spule 1 aufgrund von Dimensionseinschränkungen gering ist.
  • Während der Temperaturausgleich in dieser Ausführungsform durch das Einstellen der Summe des Widerstands der Spule 1 und des Widerstands des Widerstands 6 durchgeführt wird, kann sie umgesetzt werden, indem die Kapazität des Kondensa tors 4 und die Schwellenwerte VthH und VthL des Komparators 5 bestimmt werden. Die Kapazität des Kondensators 4 und die Schwellenwerte VthH und VthL des Komparators 5 können bestimmt werden, indem das Verhältnis zwischen der Periodendauer T und solchen Werten, wie z.B. die Kapazität und Schwellenwertspannungen, überprüft und jene Werte gefunden werden, die die Periodendauer T bei einem Minimum und einem gewünschten Temperaturbereich halten. Alternativ dazu kann der Temperaturausgleich durchgeführt werden, indem die Periodendauer T des Taktsignals CK geregelt wird, da die kontinuierliche Schwingung nachteilig von jener Zeit beeinflusst wird, bei der die anschließende Periodendauer T während des Ladens oder Entladens des Kondensators 4 beginnt. Darüber hinaus kann der Temperaturausgleich durchgeführt werden, indem die Wellenform einer an die Spule 1 angelegten Spannung geregelt wird, da die kontinuierliche Schwingung durch die Form eines Impulses der Wellenform, die an ihrer Vorderkante spitz oder stumpf ist, beeinflusst wird. Im gegenwärtigen Vorgang zur Regelung des Widerstands des Widerstands 6 ist es jedoch einfach und praktisch, wenn die anderen Bedingungen gleich bleiben.
  • Vierte Ausführungsform
  • Wie in 13 gezeigt, wird die Anordnung modifiziert, wobei ein elektrischer Leiter 12 oder ein Magnetelement 13 in den Innenraum einer Spule 11 zur Feststellung der Position entlang einer linearen Richtung eingeführt wird.
  • Diese Ausführungsform wird bevorzugt, wenn das Volumen oder Gewicht des elektrischen Leiters 12 oder des Magnetelements 13 minimiert werden sollen.
  • Fünfte Ausführungsform
  • Wie in 14 gezeigt, wird die Anordnung modifiziert, wobei ein elektrischer Leiter 12 oder ein Magnetelement 13 beweglich über der Außenseite einer Spule 11 eingepasst wird, um die Position entlang einer linearen Richtung festzustellen.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht es, dass die Spule 11 durch einen Schutzüberzug ohne weiteres geschützt werden und deren Herstellung einfach sein kann.
  • Es wurde ein Versuch mit der Spule 11 durchgeführt, die einen Außendurchmesser von 0,9 mm und eine Messentfernung von 20 mm aufwies. Es konnte bewiesen werden, dass der Ausgang ausreichend hoch war, sodass die Spule 11 noch mehr verkleinert werden konnte.
  • Ferner wurde ein weiterer Versuch mit der Spule 11 durchgeführt, die in einem Edelstahldruckbehälter mit 5 mm Außendurchmesser und 0,5 mm Dicke untergebracht war. Es konnte bewiesen werden, dass sich die Anordnung zur Verwendung mit einem Hydraulikzylinder eignete.
  • Es wurde ein weiterer Versuch mit der Spule 11 von Kerntyp durchgeführt, die in ihrem Mittelpunkt einen magnetischen Kern aufweist und in einem Edelstahldruckbehälter mit 7 mm Außendurchmesser und 1 mm Dicke untergebracht war.
  • Es konnte bewiesen werden, dass der Edelstahldruckbehälter 1.000 atm oder mehr standhielt und sich daher vorzugsweise zur Verwendung mit einem herkömmlichen Hydrauliksystem eignete.
  • Sechste Ausführungsform
  • Wie in 15 gezeigt, wird die Anordnung modifiziert, wobei ein elektrischer Leiter 12 oder ein Magnetelement 13 beweglich auf und in eine Spule 11 eingepasst wird, um die Position entlang einer linearen Richtung festzustellen.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht es, dass der Ausgang signifikant erhöht werden kann und daher vorzugsweise zur Verbesserung der Auflösung verwendet werden kann.
  • Siebte Ausführungsform
  • In 16 ist diese Ausführungsform veranschaulicht, die zur Feststellung der Position in einer kreisförmigen Bewegung bereitgestellt ist.
  • Ein elektrischer Leiter 15 oder ein Magnetelement 13 mit einer fortschreitend radial abweichenden Scheibenform wird an eine Drehachse 14 befestigt, und eine Spule 17 ist so angeordnet, dass sich die Größe ihrer überlappenden Fläche p ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Bei der Anordnung dieser Ausführungsform kann der Drehwinkel bis maximal 270° gemessen werden. Eine ihrer Anwendungen liegt in der Feststellung des Drehwinkels auf einer mit Wasserkraft betriebenen Drehmagnetspule oder einem Drehantriebselement.
  • Achte Ausführungsform
  • Wie in 17 gezeigt, wird die Anordnung modifiziert, wobei während ein elektrischer Leiter 15 oder ein Magnetelement 13 mit einer fortschreitend radial abweichenden Scheibenform an eine Drehachse 14 befestigt wird, ein Spulenpaar 17 so angeordnet wird, dass sich die Größe ihrer überlappenden Fläche p ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht und ein Spulenpaar 17 miteinander in Reihe geschaltet ist.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht es, dass eine der zwei Spulen 17 näher am elektrischen Leiter 15 oder Magnetelement 16 liegt, sogar wenn die andere weit vom elektrischen Leiter 15 oder Magnetelement 16 entfernt liegt, wenn die Drehachse 14 durch Schubkraft axial verschoben ist, womit die Verschiebung ausgeglichen wird. Folglich kann die Ausgangsänderung, welche auf die Schubkraft auf die Drehachse 14 zurückzuführen ist, vermieden werden.
  • Neunte Ausführungsform
  • Wie in 18 gezeigt, wird die Anordnung modifiziert, wobei während ein Paar der elektrischen Leiter 15 oder Magnetelemente 16 mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform an die Drehachse 14 in einer Entfernung voneinander und phasengleich miteinander befestigt wird, die Spule 17 zwischen dem Paar angeordnet ist, sodass sich die Größe ihrer überlappenden Fläche p ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht, dass einer der zwei elektrischen Leiter 15 oder Magnetelemente 16 näher an der Spule 17 liegt, sogar wenn der andere weit von der Spule 17 entfernt liegt, wenn sich die Drehachse 14 mittels Schubkraft axial verschiebt, wodurch die Verschiebung ausgeglichen wird. Folglich kann die Ausgangsänderung, welche auf die Schubkraft auf die Drehachse 14 zurückzuführen ist, vermieden werden.
  • Zehnte Ausführungsform
  • Wie in 19 gezeigt, wird die Anordnung modifiziert, wobei während der elektrische Leiter 15 oder das Magnetelement 16 mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform, die um den Mittelpunkt herum symmetrisch und an die Drehachse 14 befestigt ist, angeordnet sind, ein Spulenpaar 17 miteinander in Reihe geschaltet und symmetrisch um den Mittelpunkt herum angeordnet ist, sodass sich die Größe ihrer überlappenden Flächen p ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht es, dass eine der zwei Spulen 17 in der mit dem elektrischen Leiter 15 oder dem Magnetelement 16 überlappenden Fläche p größer wird, sogar wenn die andere in der überlappenden Fläche p kleiner bleibt, wenn sich die Drehachse 14 mittels Radialkraft radial verschiebt, wodurch die Verschiebung ausgeglichen wird. Folglich kann die Ausgangsänderung, welche auf die Radialkraft auf die Drehachse 14 zurückzuführen ist, vermieden werden.
  • Die Anordnung dieser Ausführungsform wird besonders bevorzugt, wenn der Drehwinkel der Drehachse 14 relativ klein ist.
  • Elfte Ausführungsform
  • Wie in 20 gezeigt, wird die Anordnung modifiziert, wobei während der elektrische Leiter 15 oder das Magnetelement 16 mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform, die um den Mittelpunkt herum symmetrisch und an die Drehachse 14 befestigt ist, angeordnet sind, zwei Paare der Spulen 17 miteinander in Reihe geschaltet und symmetrisch um den Mittelpunkt herum angeordnet sind, sodass sich zwischen jedem der Paare der Spulen 17 der elektrische Leiter 15 oder das Magnetelement von beiden Seiten her befinden und sich die Größe ihrer überlappenden Flächen p ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht es, dass ein Paar der Spulen 17 näher am elektrischen Leiter 15 oder Magnetelement 16 liegt, sogar wenn das andere weit vom elektrischen Leiter 15 oder Magnetelement 16 liegt, wenn sich die Drehachse 14 mittels Schubkraft axial verschiebt, wodurch die Verschiebung ausgeglichen wird. Folglich kann die Ausgangsänderung, welche auf die Schubkraft auf die Drehachse 14 zurückzuführen ist, vermieden werden. Auf ähnliche Weise wird eines der Paare der Spulen 17 in der mit dem elektrischen Leiter 15 oder dem Magnetelement 16 überlappenden Fläche p größer, sogar wenn das andere in der überlappenden Fläche p kleiner bleibt, wenn sich die Drehachse 14 mittels Radialkraft radial verschiebt, wodurch die Verschiebung ausgeglichen wird. Folglich kann die Ausgangsänderung, welche auf die Radialkraft auf die Drehachse 14 zurückzuführen ist, vermieden werden.
  • Zwölfte Ausführungsform
  • Wie in 21 gezeigt, wird die Anordnung modifiziert, wobei ein Paar der elektrischen Leiter 15 oder Magnetelemente 16 mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform, die um den Mittelpunkt herum symmetrisch sowie an die Drehachse 14 in einer Entfernung voneinander und phasengleich miteinander befestigt ist, gleich angeordnet wird und ein Spulenpaar 17 miteinander in Reihe geschaltet und symmetrisch um den Mittelpunkt herum positioniert wird, sodass es zwischen den zwei elektrischen Leitern 15 oder den zwei Magnetelementen 16 liegt und sich die Größe ihrer überlappenden Flächen p ändert, wenn sich die Drehachse 14 dreht.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht, dass einer der zwei elektrischen Leiter 15 oder Magnetelemente 16 näher am Spulenpaar 17 liegt, sogar wenn der andere weit vom Spulenpaar 17 entfernt liegt, wenn sich die Drehachse 14 mittels Schubkraft axial verschiebt, wodurch die Verschiebung ausgeglichen wird. Folglich kann die Ausgangsänderung, welche auf die Schubkraft auf die Drehachse 14 zurückzuführen ist, vermieden werden. Auf ähnliche Weise wird eine der zwei Spulen 17 in der mit dem elektrischen Leiter 15 oder dem Magnetelement 16 überlappenden Fläche p größer, sogar wenn die andere in der überlappenden Fläche p kleiner bleibt, wenn sich die Drehachse 14 mittels Radialkraft radial verschiebt, wodurch die Verschiebung ausgeglichen wird. Folglich kann die Ausgangsänderung, welche auf die Radialkraft auf die Drehachse 14 zurückzuführen ist, vermieden werden.
  • Dreizehnte Ausführungsform
  • 22 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die zur Messung der Position einer Kolbenstange 18 in einem Druckluft- oder Hydraulikzylinder angeordnet ist.
  • Die Kolbenstange 18, die zur Vor- und Rückwärtsbewegung in einem Zylinderrohr 24 dient, weist eine darin bereitgestellte Bohrung auf, worin ein elektrischer Leiter 19 oder ein Magnetelement 20 mit Rohrform untergebracht sind (vgl. der elektrische Leiter 19 oder das Magnetelement 20 werden beseitigt, wenn die Kolbenstange 18 selbst aus einem elektrisch leitenden oder magnetischen Material mit Bohrung besteht). Eine in einem Druckbehälter 21 eingebaute Spule 22 wird an den Zylinderkopf 22 befestigt. Gleichzeitig wird die Spule 22 im Druckbehälter 21 so positioniert, dass sie sich in den Innenraum der Rohrform des elektrischen Leiters 19 oder Magnetelements 20 erstreckt.
  • Vorzugsweise wird die Größe so gewählt, dass das Zylinderrohr 24 einen Innendurchmesser von 4 mm, die Kolbenstange 18 einen Außendurchmesser von 2 mm, die Kolbenstange 18 einen Bohrlochdurchmesser von 1 mm und der Druckbehälter 21 einen Außendurchmesser von 0,9 mm aufweist.
  • Vierzehnte Ausführungsform
  • 23 ist eine schematische Ansicht eines Positionssensors 200c, die eine vierzehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Der Positionssensor 200c ist eine Modifikation der zweiten Ausführungsform, wobei das Ausgangssignal S4 des Flipflops 52 in der Zeitschaltung 50a auf einen Spannungswandler 60c übertragen wird, wobei dessen Effektivwert von einer Glättungsschaltung 62 aufgenommen und als Ausgangsspannung freigesetzt wird.
  • Die Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60c ist proportional zur Impulsbreite t' des in 8 gezeigten Ausgangssignals S4. Die Impulsbreite t' entspricht der Ladungsdauer des Kondensators 4 und ist proportional zur Induktivitätsänderung der Spule 1 oder zur Verschiebung des zu überprüfenden Objekts, wodurch ein höherer Grad an Linearität erreicht wird.
  • Fünfzehnte Ausführungsform
  • 24 ist eine schematische Ansicht eines Positionssensors 200d, die eine fünfzehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Der Positionssensor 200d ist eine Modifikation der zweiten Ausführungsform, wobei das Ausgangssignal S2 des Komparators 5 auf einen Spannungswandler 60d übertragen wird, wo es von einem Inverterschaltkreis 64 invertiert wird, und dann dessen Effektivwert von einer Glättungsschaltung 62 aufgenommen wird bevor er als Ausgangsspannung abgegeben wird.
  • Die Ausgangsspannung aus dem Spannungswandler 60d ist proportional zur Dauer t" mit niedrigem Potential des in 8 gezeigten Ausgangssignals S2. Die Dauer t" mit niedrigem Potential entspricht der Entladungsdauer des Kondensators 4 und ist proportional zur Induktivitätsänderung der Spule 1 oder zur Verschiebung des zu überprüfenden Objekts, wodurch ein höherer Grad an Linearität erreicht wird.
  • Sechzehnte Ausführungsform
  • Die Periodendauer T, die Impulsbreite t, die Impulsbreite t' oder die Dauer t" mit niedrigem Potential werden mit einem elektronischen Zähler gemessen, der wiederum eine Spannung freisetzt, die proportional zur Messung ist.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Die Positionssensoren gemäß der vorliegenden Erfindung weisen folgende Vorteile auf:
    • (1) Die Temperatureigenschaften können verbessert werden, ohne dass dabei ein zusätzlicher Schaltkreis zum Temperaturausgleich verwendet wird.
    • (2) Der Ausgang, der eine zu messende Verschiebung angibt, kann hinsichtlich Linearität verbessert werden.
    • (3) Da die Spule, deren Induktivität relativ niedrig ist, mit einer Spannung in Impulsform angewandt wird, können ihre Wirbelströme aufgrund der Hochfrequenzkomponente der Spannung vorteilhaft eingesetzt werden. Dadurch kann die Größe der Spule reduziert werden. Der Positionssensor kann mit Logikbauelementen angewandt und somit in der IC-Technologie eingesetzt werden. Im Stand der Technik bedarf es jedoch der Zufuhr einer Sinuswellenform der Spannung, die eine Hochfrequenz von 200 bis 500 kHz aufweist, zur Spule mit geringer Induktivität. Folglich müssen im Stand der Technik übertlüssigerweise Leistungs-Operationsverstärker bereitgestellt sein.

Claims (11)

  1. Positionssensor, umfassend: eine Spule (1); ein Element, das ausgewählt ist aus: einem elektrischen Leiter (2) und einem Magnetelement (3), wobei beide über eine Fläche verfügen, die zumindest einen Teil der Spule (1) überlappen, wobei die Spule (1) und der oder das ausgewählte elektrische Leiter (2) oder Magnetelement (3) so zusammen angeordnet sind, dass die Größe der überlappenden Fläche sich ändert, wenn sich die Position eines Objekts, dessen Position ermittelt wird, verändert; einen Widerstand (6), der mit der Spule (1) in Reihe geschaltet ist und mit dieser eine Reihenschaltung bildet; einen Kondensator (4), der so angeordnet ist, dass er durch die Reihenschaltung der Spule (1) und des Widerstands (6) abwechselnd geladen und entladen wird; und einen Komparator mit invertiertem Ausgang (5), der einen Eingang, welcher verbunden ist, um die Ladespannung des Kondensators (4) aufzunehmen und einen Ausgang aufweist, der mit der Spule verbunden ist, wobei der Komparator (5) angeordnet ist, um das Laden des Kondensators (4) bei hohem Potential des Ausgangs und das Entladen des Kondensators (4) bei niedrigem Potential des Ausgangs durchzuführen; sodass eine Verschiebung des Objekts, dessen Position bestimmt wird, als Veränderung der Periodendauer (T) der Ausgangsspannung (S2) aus dem Komparator (5) detektierbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand der Spule (1) und der Widerstand des Widerstands (6) eine vorbestimmte von Null verschiedene Summe aufweisen, sodass die Periodendauer (T) einen Minimalwert für einen vorbestimmten Temperaturwert aufweist, damit Veränderungen der Periodendauer (T) minimiert werden, wenn sich der Widerstand der Spule (1) bei Veränderungen der Temperatur der Spule (1) ändert.
  2. Positionssensor nach Anspruch 1, worin die Schwellenspannung des Komparators (5) eine Hysterese aufweist.
  3. Positionssensor nach Anspruch 1, worin das Objekt, dessen Position bestimmt wird, zusammen mit der Spule (1) oder dem aus dem elektrischen Leiter (2) und dem Magnetelement (3) Ausgewählten bereitgestellt ist, sodass sich die Größe der überlappenden Fläche der Spule (1) an einer aus einer Außen- und Innenseite der Spule (1) und dem aus dem elektrischen Leiter (2) und dem Magnetelement (3) Ausgewählten, ändert, wenn sich das Objekt linear bewegt.
  4. Positionssensor nach Anspruch 1, worin das Objekt, dessen Position bestimmt wird, zusammen mit der Spule (1) oder dem aus dem elektrischen Leiter (2) und dem Magnetelement (3) Ausgewählten bereitgestellt ist, sodass sich die Größe der überlappenden Fläche sowohl der Außen- als auch der Innenseiten der Spule (1) ändert, wenn sich das Objekt linear bewegt.
  5. Positionssensor nach Anspruch 1, worin das Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, eine Drehachse (14) ist, auf der ein elektrischer Leiter (15) oder ein Magnetelement (15) mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform befestigt ist, und eine Spule (17) so angeordnet ist, dass sich die Größe der überlappenden Fläche der Spule (17) und dem aus dem elektrischen Leiter (15) und dem Magnetelement (16) Ausgewählten ändert, wenn sich die Drehachse (14) dreht.
  6. Positionssensor nach Anspruch 1, worin das Objekt, dessen Position bestimmt wird, eine Drehachse (14) ist, auf der ein elektrischer Leiter (15) oder ein Magnetelement (16) mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform befestigt ist, und ein Spulenpaar (17) so angeordnet ist, dass sich eine Spule (17) auf jeder der Seiten der fortschreitend radial abweichenden Scheibe befindet, sodass sich die Größe der überlappenden Fläche der Spulen (17) und dem aus dem elektrischen Leiter (15) und dem Magnetelement (16) Ausgewählten ändert, wenn sich die Drehachse (14) dreht.
  7. Positionssensor nach Anspruch 1, worin das Objekt, dessen Position bestimmt wird, eine Drehachse (14) ist, auf der ein Paar der elektrischen Leiter (15) oder der Magnetelemente (16) mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform in einer Entfernung voneinander und phasengleich miteinander befestigt sind, und eine Spule (17) so zwischen den Paaren an ausgewählten elektrischen Leitern (15) oder Magnetelementen (16) angeordnet ist, dass sich die Größe der überlappenden Fläche der Spule (17) und dem ausgewählten Paar an elektrischen Leitern oder Magnetelementen ändert, wenn sich die Drehachse (14) dreht.
  8. Positionssensor nach Anspruch 1, worin das Objekt, dessen Position bestimmt wird, eine Drehachse (14) ist, auf der ein elektrischer Leiter (15) oder ein Magnetelement (16) mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform befestigt ist, wobei die Form um den Mittelpunkt herum symmetrisch ist, und ein Spulenpaar (17) symmetrisch um den Mittelpunkt herum positioniert ist, sodass sich die Größe der überlappenden Fläche der Spulen (17) und dem aus dem elektrischen Leiter (15) und dem Magnetelement (16) Ausgewählten ändert, wenn sich die Drehachse (14) dreht.
  9. Positionssensor nach Anspruch 1, worin das Objekt, dessen Position bestimmt wird, eine Drehachse (14) ist, auf der ein elektrischer Leiter (15) oder ein Magnetelement (16) mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform, die um den Mittelpunkt herum symmetrisch ist, befestigt ist, und zwei Spulenpaare (17) symmetrisch um den Mittelpunkt herum positioniert sind, wobei sich die Scheibe zwischen jedem der Paare befindet, sodass sich die Größe der überlappenden Fläche der Spulen (17) und dem aus dem elektrischen Leiter (15) und dem Magnetelement (16) Ausgewählten ändert, wenn sich die Drehachse (14) dreht.
  10. Positionssensor nach Anspruch 1, worin das Objekt, dessen Position bestimmt wird, eine Drehachse (14) ist, auf der ein Paar der elektrischen Leiter (15) oder der Magnetelemente (16) mit fortschreitend radial abweichender Scheibenform, die um den Mittelpunkt herum symmetrisch ist, in einer Entfernung voneinander und phasengleich miteinander befestigt sind, und ein Spulenpaar (17) so zwischen den Paaren an ausgewählten elektrischen Leitern (15) oder Magnetelementen (16) angeordnet ist, dass sich die Größe der überlappenden Fläche der Spulen (17) und dem ausgewählten Paar an elektrischen Leitern (15) oder Magnetelementen (16) ändert, wenn sich die Drehachse (14) dreht.
  11. Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Spule einen magnetischen Kern in ihrem Mittelpunkt hat.
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