DE3913861A1 - Verlagerungs-detektor - Google Patents
Verlagerungs-detektorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Verlagerungs-Detektor, ins
besondere einen Verlagerungs-Detektor, der magnetisch
eine lineare oder eine Winkelverlagerung berührungsfrei
erkennt und die erkannte Verlagerung in ein elektrisches
Signal umwandelt. Der Detektor nach der Erfindung hat
eine hohe Linearität zwischen Eingangsteil und Aus
gangssignal und kann als ausgezeichnetes Steuerelement
zur Feedback-Steuerung für Handhabungsgeräte, Aufzeich
nungselemente oder dergleichen verwendet werden.
Die deutsche Patentschrift 25 11 683 zeigt einen typi
schen Detektor zum magnetischen Erkennen einer Verlage
rung, wie sie in der Draufsicht nach Fig. 4A und in der
Seitenansicht nach Fig. 4B dargestellt ist. Ein Kern 1
mit U-förmigen Querschnitt besteht aus einem magneti
schen Material mit einer hohen Permeabilität, um den
eine Erregerspule 2 gewickelt ist. Eine Wechselspan
nungsquelle 16 ist mit den Erregeranschlüssen D 1 und D 2
der Erregerspule 2 zur Erregung des Kerns 1 verbunden.
Der Kern 1 hat einen Spalt 20, durch den sich eine ge
druckte Schaltkarte 3 erstreckt. Eine Detektionsspule
4 a, die auf der gedruckten Schaltung 3 ausgebildet ist,
kreuzt den Spalt 20, so daß eine Verkettung zwischen dem
magnetischen Fluß des Spalts 20 und der Detektionsspule
4 a bewirkt wird. Die Detektionsspule 4 a hat eine Anzahl
von Bahnen, die jeweils einen kantenartigen schrägen Ab
schnitt 4 b aufweisen, so daß die Verkettung zwischen der
Detektionsspule 4 a und dem magnetischen Fluß des Spalts
20 sich in Abhängigkeit von der Position des Kerns 1 re
lativ zu der gedruckten Schaltkarte 2 ändert.
Die Erregerspule 2 kann entweder auf einem Verbindungs
abschnitt der beiden Schenkel des U-förmigen Kerns 1,
wie in den Fig. 4B und 4C gezeigt, oder aber auf den
beiden Schenkeln, wie in Fig. 4D gezeigt, gewickelt
sein. Bei einem U-förmigen Kern 1 ist der magnetische
Widerstand des Spalts 20, wie er von der Erregerspule 2
gesehen wird, nicht gleichförmig. Wenn der Kern 1 durch
eine Wechselspannung von der Wechselspannungsquelle 16
erregt wird, ist die Flußdichte in dem Spalt 20 nicht
gleichförmig. Die Flußdichten in dem Spalt 20 sind in
dem geschlossenen Abschnitt, dem Zentralabschnitt und
dem offenen Endabschnitt durch B 1, B 2 und B 3 angegeben.
Ihre Größen nehmen in dieser Reihenfolge ab, d. h. B 1 <
B 2 < B 3. Wenn der Kern 1 aus einem Material mit hoher
Permeabilität, etwa Ferrit besteht, ist das Verhältnis
der Permeabilität zwischen Ferrit und Luft in der Grö
ßenordnung von 100 : 1, die Ungleichmäßigkeit der magneti
schen Flußdichte in dem Luftspalt 20 kann daher nicht
vernachlässigt werden.
Der U-förmige Kern 1 nach dem Stand der Technik hat wei
ter Nachteile. So ist es schwierig, eine Wicklung oder
Spule auf einen solchen Kern aufzubringen, eine besonde
re Wicklungsmaschine ist erforderlich. Die Ausbildung
der Erregerspule 2 auf dem Kern 1 ist relativ schwierig.
Der Spalt 20 wird groß gemacht, um das Aufwickeln der
Erregerspule 2 zu ermöglichen, was zu einer Reduktion
der in der Detektionsspule 4 a erzeugten Spannung führt.
Wenn ein Fremdmaterial in die Nähe des offenen Endes des
Spalts 20 gebracht wird, wird die Flußdichte in dem
Spalt 20 gestört, dies kann zu einem Fehler führen.
In Abhängigkeit von der Verkettung des Wechselstromflus
ses erzeugt die Erregerspule 4 a ein elektrisches Signal
e über den Ausgangsanschlüssen T 1 und T 2. Da jede Bahn
der Detektionsspule 4 a einen schrägen Abschnitt 4 b hat,
hängt die Wechselstrom-Flußverkettung der Detektionsspu
le 4 a von der Relativverlagerung zwischen dem Kern 1 und
der gedruckten Schaltung 3 ab. Das Ausgangssignal e gibt
so die Relativverlagerung an. Insbesondere wird die me
chanische Relativverlagerung X zwischen dem Kern 1 und
der gedruckten Schaltung 3, wie sie in Fig. 4A gezeigt
ist, in ein elektrisches Signal e gewandelt.
In Fig. 4A kann, wenn der Ursprung des Koordinatensy
stems für die Verlagerung X auf dem äußeren linken Ende
der Detektionsspule 4 a angeordnet ist und wenn die
schrägen Abschnitte 4 b der benachbarten Bahnen der De
tektionsspule 4 a aufeinanderfolgend mit Abstand vonei
nander angeordnet sind, wie dies in der Figur darge
stellt ist, das Verhältnis zwischen der Verlagerung X
und dem Ausgang E ausgedruckt werden, wie dies in der
Darstellung von Fig. 5 wiedergegeben ist. Das Symbol 1′
von Fig. 4A zeigt den Kern 1 an dem Ursprung des Koor
dinatensystems, das Bezugszeichen 5 gibt ein Isolations
blatt auf der gedruckten Schaltkarte 3 an. Die durchge
zogene gestreckte Linie OP von Fig. 5 stellt eine li
neare Beziehung an, die nur erreicht werden kann, wenn
die magnetische Flußdichte, in dem Spalt 20 des Kerns 1
gleichförmig ist. Die vertikale Höhe der durchgezogenen
Linie OP ist proportional zu dem physikalischen Bereich
der Verkettung zwischen der Detektionsspule 4 a und dem
Kern 1 und mit einem kantenförmigen schrägen Abschnitt
4 b der Detektionsspule 4 a. Der physikalische Verket
tungsbereich verändert sich linear mit der Relativverla
gerung X. Die magnetische Flußdichte in dem Spalt 20 des
Kerns 1 ist so gleichförmig, die lineare Beziehung der
gestreckten Linie OP kann bewirkt werden.
Die tatsächliche magnetische Flußdichte in dem Spalt 20,
ist tatsächlich jedoch, wie oben ausgeführt, nicht
gleichförmig. Das tatsächliche Ausgangssignal e wird,
beispielsweise, durch eine Anzahl von Kurven 6, 7 und 8
von Fig. 5 wiedergegeben, die von der durchgezogenen
Linie OP abweichen.
Um eine derartige Nicht-Linearität zu vermeiden, wurden
eine Mehrzahl von Verfahren vorgeschlagen. Der Spalt 20
kann schräg zulaufend ausgebildet werden, so daß er en
ger wird und der magnetische Widerstand geringer wird,
wenn sich dieser von dem geschlossenen Ende zu dem offe
nen Ende erstreckt, so daß eine im wesentlichen gleich
förmige Verteilung der magnetischen Flußdichte in diesem
ergibt. Es ist jedoch schwierig, den Kern 1 mit einem
derartig zulaufenden Spalt auszubilden, ein sich verjün
gender Spalt 20 wurde nicht verwendet.
Das japanische Gebrauchsmuster 16 34 377 (japanische Ge
brauchsmusteranmeldung 33 369/85) offenbart ein praktika
bleres Verfahren, bei dem ein U-förmiger Kern mit zwei
langen Schenkeln und zwei gedruckten Schaltkarten ver
wendet werden, die in dem Spalt 20 zwischen den beiden
langen Schenkeln angeordnet sind. Eine erste der beiden
gedruckten Schaltkarten 3 hat einen Detektionskern 4 a
ähnlich demjenigen von Fig. 4A. Eine zweite der beiden
gedruckten Schaltkarten 3 ist auf der einen Seite der
ersten Schaltkarte 3 aufrecht angeordnet und trägt eine
(nicht gezeigte) Detektionsspule 4 a′. Die Detektionsspu
le 4 a und 4 a′ haben eine übereinstimmende Form, sie sind
jedoch in dem Spalt 20 umgekehrt angeordnet. Eine Abwei
chung von einer linearen Charakteristik in der zweiten
Spule 4 a ist entgegengesetzt zu derjenigen in der ersten
Detektionsspule 4 a. Die Spannung e in der ersten Detek
tionsspule 4 a und die Spannung e′ in der zweiten Detek
tionsspule 4 a′ werden addiert, so daß sich Abweichungen
von einer Linearcharakteristik in den beiden Spannungen
ausgleichen, die Summe (e + e′) wird als Ausgangssignal
des Verlagerungsdetektors verwendet. Statt die beiden
gedruckten Schaltkarten 3 Seite an Seite anzuordnen,
können die beiden gedruckten Schaltkarten einander über
lappend angeordnet sein, wobei die Neigungen der Spulen
4 a, 4 a′ in umgekehrter Richtung sind.
Das japanische Gebrauchsmuster 16 95 217 (japanische Ge
brauchsmusteranmeldung 3 684/87) lehrt eine andere Lö
sung, die eine gedruckte Schaltkarte 3 verwendet, die
erste und zweite Detektionsspulen 4 a, 4 a′ (nicht ge
zeigt) trägt, die auf den gegenüberliegenden Seiten der
gedruckten Schaltkarte 3 angeordnet sind. Die Form der
ersten Detektionsspule 4 a ist derart, daß die Verkettung
seines magnetischen Flusses mit der Verlagerung X zu
nimmt, während die zweite Detektionsspule 4 a′ so geformt
ist, daß die Verkettung des magnetischen Flusses während
der Verlagerung X abnimmt. Eine Abweichung von der Li
nearität wird eliminiert durch Bilden der Summe der bei
den Spannungen, die in der ersten und der zweiten Detek
tionsspule 4 a, 4 a′ induziert werden.
Die Lösungen der Nicht-Linearität in den beiden eben er
wähnten Gebrauchsmustern haben jedoch den Nachteil, daß
zwei Detektionsspulen 4 a, 4 a′ gebildet werden müssen,
was den Herstellungsprozeß komplizierter macht. Insbe
sondere wenn die gegenüberliegenden Flächen der gedruck
ten Schaltkarte durch die beiden Detektionsspulen 4 a,
4 a′ belegt werden, wird es schwierig oder teuer, andere
Mittel auf der gedruckten Schaltkarte für weitere Funk
tionen vorzusehen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ei
nen Verlagerungsdetektor zu schaffen mit einem verbes
serten Kern, der eine vergleichsweise gleichförmige Ver
teilung der magnetischen Flußdichte in seinem Spalt hat.
Der Kern in dem Verlagerungsdetektor löst weiter die
Nachteile des Kerns nach dem Stand der Technik.
In einem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird der
Kern durch Bilden eines ersten und eines zweiten magne
tischen Elements geschaffen. Das erste magnetische Ele
ment hat drei Schenkel, die an dem einen Ende miteinan
der verbunden sind, so daß ein E-förmiger Querschnitt
gebildet wird. Der zentrale Schenkel ist kürzer als die
beiden seitlichen Schenkel. Eine erste Spule liegt auf
dem zentralen Schenkel auf. Das zweite magnetische Ele
ment erstreckt sich über die Enden der beiden seitlichen
Schenkel unter Bildung eines Spalts zwischen dem sich
erstreckenden Ende des zentralen Schenkels und dem zwei
ten magnetischen Element. Die erste Spule kann eine Er
regerspule zum Magnetisieren des Kerns zur Erzeugung ei
nes magnetischen Flusses in dem Spalt sein.
Mit dem Kern des Verlagerungsdetektors nach der Erfin
dung kann die erste Spule gesondert gewickelt und auf
den zentralen Schenkel des ersten magnetischen Elements
aufgesetzt sein, so daß der Wickelvorgang der ersten
Spule sehr einfach ist. Der Kern nach der Erfindung ist
nicht U-förmig, sondern hat eine geschlossene Schleife
von magnetischem Material über die beiden seitlichen
Schenkel des ersten magnetischen Elements, so daß die
Flußdichte in dem Spalt gleichförmiger ist als bei dem
üblichen U-förmigen Kern. Die geschlossene Schleife des
magnetischen Materials macht den Kern weniger anfällig
gegenüber magnetischen Einflüssen von außen als bei ei
nem U-förmigen Kern. Gegenüber dem üblichen U-förmigen
Kern ist der Kern nach der Erfindung einfacher herzu
stellen, da das erste und das zweite magnetische Element
gesondert hergestellt werden können und einfach zu mon
tieren sind und die zweite Spule einfach montiert werden
kann, wie dies oben angegeben ist.
Der Spalt des Kerns nimmt eine zweite Spule derart auf,
daß die zweite Spule und der Kern relativ zueinander be
weglich sind. Vorzugsweise ist die zweite Spule auf ei
ner gedruckten Schaltkarte aufgedruckt. Die zweite Spule
hat schräge Abschnitte, die bezüglich der Relativbewe
gung zwischen dem Kern und der zweiten Spule geneigt
sind. Aufgrund des geneigten Abschnitts ist der Verket
tung des magnetischen Flusses zwischen dem Kern und der
zweiten Spule von der Relativposition zwischen diesen
abhängig. Die zweite Spule kann eine Detektionsspule
sein, die eine Ausgangsspannung erzeugt, die zu der ma
gnetischen Flußverkettung proportional ist und entspre
chend zu der relativen Verlagerung zwischen dem Kern und
der zweiten Spule proportional ist.
Es ist natürlich möglich, die erste Spule als Detekti
onsspule und die zweite Spule als Erregerspule zu ver
wenden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung ei
nes Verlagerungs-Detektors mit einer verbesserten ge
druckten Schaltkarte. In einem anderen Ausführungsbei
spiel des Verlagerungselements nach der Erfindung trägt
ein Kern mit einem Spalt eine erste Spule, die auf die
sem aufgebracht ist. Eine gedruckte Schaltkarte, die ei
ne zweite gedruckte Spule trägt, erstreckt sich durch
den Spalt des Kerns derart, daß die gedruckte Schaltkar
te und der Kern relativ zueinander beweglich sind.
Um die letzterwähnte Aufgabe zu erfüllen, hat die zweite
Spule eine Mehrzahl von Bahnen mit geneigten Abschnit
ten, die symmetrisch bezüglich der gemeinsamen Mittel
linie geneigt sind, wobei die gemeinsame Mittellinie
parallel zu der Richtung der Relativbewegung zwischen
dem Kern und der gedruckten Schaltkarte verläuft. Die
schrägen Abschnitte der zweiten Spulenbahnen sind auf
einanderfolgend mit Abstand voneinander entlang der
Mittellinie angeordnet. Die Tatsache, daß jede Bahn der
zweiten Spule einen schrägen Abschnitt hat, der bezüg
lich der Mittellinie symmetrisch ist, bedeutet, daß jede
Bahn zwei schräg verlaufende Abschnitte hat, wobei ein
schräger Abschnitt auf der einen Seite der Mittellinie
und ein anderer schräger Abschnitt auf der gegenüberlie
genden Seite der Mittellinie ist und die beiden schrägen
Abschnitte symmetrisch sind. Aufgrund der Symmetrie be
züglich der Mittellinie weichen in den beiden schrägen
Abschnitten induzierte Spannungen von der Linearität in
entgegengesetzte Richtung ab, unter der Voraussetzung,
daß das magnetische Feld in dem Spalt sich linear än
dert. Die Gesamtspannung wiederum, die sich aus der Sum
me der Spannungen der beiden schrägen Abschnitte ergibt,
ist im wesentlichen linear, da die Abweichungen in den
beiden schrägen Abschnitten einander kompensieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus den Ansprüchen und der Beschreibung, in der ein Aus
führungsbeispiel anhand einer Zeichnung erläutert wird.
Dabei zeigt
Fig. 1A eine perspektivische Darstellung ei
nes Ausführungsbeispiels eines Ver
lagerungs-Detektors nach der Erfin
dung;
Fig. 1B eine schematische Seitenansicht des
Verlagerungsdetektors von Fig. 1A;
Fig. 1C eine perspektivische Explosionsdar
stellung eines Kerns eines Verlage
rungs-Detektors nach Fig. 1A;
Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdar
stellung einer gedruckten Schaltkar
te für den Verlagerungs-Detektor
nach Fig. 1A;
Fig. 3A, 3B und 3C erläuternde Darstellungen unter
schiedlicher Ausführungsbeispiele
des Kerns;
Fig. 4A eine Draufsicht eines bekannten
Verlagerungs-Detektors;
Fig. 4B eine Seitenansicht des bekannten
Verlagerungs-Detektors;
Fig. 4C und 4D erläuternde Darstellungen von übli
chen Kernen;
Fig. 5 eine Darstellung des Verhältnisses
zwischen der Verlagerung X und der
Ausgangsspannung e eines Verlage
rungs-Detektors;
Fig. 6A eine Draufsicht auf ein anderes Aus
führungsbeispiel eines Verlage
rungs-Detektors nach der Erfindung;
Fig. 6B eine Seitenansicht dieses anderen
Ausführungsbeispiels des Verlage
rungs-Detektors nach der Erfindung;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung ei
nes Ausführungsbeispiels der Erfin
dung unter Verwendung einer zylin
drischen Schaltkarte; und
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung ei
nes Ausführungsbeispiels der Erfin
dung unter Verwendung einer gedruck
ten Schaltkarte in Form einer ring
förmigen Scheibe.
Einander entsprechende Teile werden in den verschiedenen
Figuren mit entsprechenden Bezugszeichen wiedergegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nach den Fig.
1A, 1B und 1C verwendet einen Kern, der aus einem
E-förmigen ersten magnetischen Element 10 mit einem zen
tralen Schenkel 11 und seitlichen Schenkeln 12, 13 sowie
einem zweiten magnetischen Element 15, der sich über die
seitlichen Schenkel 12, 13 erstreckt, besteht. Der zen
trale Schenkel 11 ist kürzer als die seitlichen Schenkel
12, 13. Zwischen den äußeren Enden des zentralen Schen
kels 11 und dem zweiten magnetischen Element 15 ist ein
Spalt 20 ausgebildet. In dem Beispiel von Fig. 1B ist
eine erste Spule oder eine Erregerspule um den zentralen
Schenkel 11 gewickelt. Eine Einkerbung 14 kann an gegen
überliegenden Seiten des zentralen Schenkels zur Ermög
lichung der Ausbildung der Erregerspule 2 vorgesehen
sein, wobei die Spule 2 gesondert hergestellt und in die
Einkerbung 14 eingesetzt sein kann.
Eine zweite Spule oder Detektionsspule 4 a, die vorzugs
weise in Form einer Spule auf einer gedruckten Schalt
karte 3 ausgebildet ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt
ist, ist in einer Ebene durch den Spalt 40 des Kerns 1
angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat
die Detektionsspule 4 a eine Anzahl von Bahnen, wobei je
de Bahn einen schrägen Abschnitt 4 b hat und die Innen
fläche der Spule 4 a, die in den Spalt 20 (d. h. in dem
sich schneidenden Bereich) sich in Abhängigkeit von der
Relativposition zwischen dem Kern 1 und der Spule 4 a än
dert. Die Induktivität der Detektionsspule 4 a ändert
sich damit in Abhängigkeit von ihrer Position relativ zu
dem Kern 1.
In Fig. 1A wird angenommen, daß der Kern 1 sich in der
Richtung des Pfeiles X bewegt, die Erfindung ist jedoch
auf einen beweglichen Kern 1 nicht beschränkt. Die In
duktivität L der Detektionsspule 4 a kann durch die fol
gende Gleichung definiert werden:
V = L(dI/dt),
wobei I der Strom durch die Spule 4 a und V eine Spannung
ist, die in der Spule durch eine Änderung des Stromes I
induziert wird. Wenn der Kern 1 die Detektionsspule 4 a
schneidet, ändert sich die in der Spule 4 a induzierte
Spannung V in Abhängigkeit von dem oben erwähnten Über
schneidungsbereich, so daß sich auch die Induktivität L
ändert. Da die Detektionsspule 4 a wenigstens einen
schrägen Abschnitt 4 b aufweist, der relativ zu der Rich
tung der Relativbewegung zwischen dem Kern 1 und der
Spule 4 a geneigt ist, ist der oben erwähnte Überschnei
dungsbereich eine Funktion der Verlagerung des Kerns 1.
Die Verlagerung des Kerns 1 oder die Relativverlagerung
zwischen dem Kern 1 und der Detektionsspule 4 a kann in
eine Induktivität der Detektionsspule 4 a gewandelt wer
den.
Wenn eine Wechselspannungsquelle 16 zwischen die Erre
gerspule 2, wie sie in Fig. 1C gezeigt ist, gelegt
wird, schneidet ein magnetischen Wechselspannungsfeld
die Detektionsspule 4 a, die Verlagerung X des Kerns 1
kann als eine in der Detektionsspule induzierte Wechsel
spannung erkannt werden. Die Verlagerung X wird so von
der Detektionsspule 4 a in eine Ausgangswechselspannung e
gewandelt werden.
Die Verwendung des E-förmigen ersten magnetischen Ele
ments in dem Kern 1 ermöglicht die Bildung oder Befesti
gung der Erregerspule 2 auf dem Kern 1, das Problem des
Standes der Technik bei der Herstellung dieser Erreger
spule 2 ist gelöst. Infolgedessen besteht kein Erforder
nis für einen großen Spalt 20 zur Montage der Erreger
spule 2, es wird möglich, einen engen Spalt 20 zur Erhö
hung der magnetischen Flußdichte in diesem einzusetzen,
um eine höhere Ausgangsspannung zu erzeugen und die Ge
nauigkeit der Verlagerungserkennung zu verbessern. Der
magnetische Schaltkreis des Kerns 1 ist weiter durch die
beiden Seitenschenkel 12, 13 des ersten magnetischen
Elements 10 und das zweite magnetische Element 15 ge
schlossen, die Gleichmäßigkeit des magnetischen Feldes
in dem Spalt 20 ist verbessert, so daß ein Fehler auf
grund der Ungleichmäßigkeit des magnetischen Felds in
dem Spalt 20 reduziert ist und Störeinwirkungen von au
ßen reduziert werden.
Fig. 2 zeigt eine gedruckte Schaltkarte 3, die die De
tektionsspule 4 und eine Hilfsspule 4 c aufweist, wobei
diese durch drei Isolationsblätter 5 voneinander ge
trennt und geschützt sind. Die Hilfsspule 4 c kann ver
wendet werden, um verschiedene Korrekturen der Ausgangs
spannung von der Detektionsspule 4 a zu bewirken und eine
geeignete Vorspannung zu erzeugen.
Fig. 3A zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kerns 1, der
zwei Erregerspulen 2 verwendet, die auf die Seitenschen
kel 12 bzw. 13 aufgewickelt sind. In dem Ausführungsbei
spiel von Fig. 3B sind das erste magnetische Element 12
und das zweite magnetische Element 15 identisch ausge
bildet, nachdem zwei Erregerspulen 2 auf ihre seitlichen
Schenkel 12 bzw. 13 aufgewickelt sind, stoßen die beiden
Elemente 10 und 15 gegen die äußeren Enden ihrer Seiten
schenkel. Fig. 3C zeigt ein anderes Ausführungsbei
spiel, in dem identische erste und zweite magnetische
Elemente 10, 15 Erregerspulen 2 tragen, die auf deren
zentrale Schenkel 11 jeweils anstoßend angeordnet sind
in ähnlicher Weise wie bei dem vorangehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel.
Die Quelle zur Erregung ist nicht auf eine Wechselspan
nungsquelle 16 beschränkt, es ist auch möglich, statt
dessen eine Gleichspannungsquelle zu verwenden, die mit
einem geeigneten Schaltmittel versehen ist. Weiter kann
die zweite Spule 4 a mit der Spannungsquelle 16 für die
Erregung verbunden sein. Die erste Spule 2 kann zur Er
zeugung einer proportionalen Ausgangsspannung verwendet
werden.
Fig. 6A und 6B zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel
des Verlagerungs-Detektors nach der Erfindung, in dem
die Linearität des Ausgangs durch die Verwendung einer
Detektionsspule 4 a von einer besonderen Form verbessert
ist. Die Detektionsspule 4 a von Fig. 6A hat eine Mehr
zahl von Bahnen, wobei jede Bahn einen schrägen Ab
schnitt 4 b hat, der bezüglich der Mittellinie 21 symme
trisch ist. Diese Mittellinie 21 verläuft parallel zu
der Richtung der relativen Verlagerung X zwischen dem
Kern 1 und der gedruckten Schaltkarte 3. Um symmetrisch
zu sein, hat der schräge Abschnitt 4 b zwei Abschnitte,
einen oberhalb und einen unterhalb der Mittellinie 21
von Fig. 6A. Die beiden Abschnitte sind symmetrisch be
züglich der Mittellinie 21 angeordnet. Die schrägen Ab
schnitte 4 b der Detektionsspule 4 a sind hintereinander
entlang der Mittellinie 21 mit Abstand voneinander an
geordnet. In dem Beispiel von Fig. 6A bewegt sich der
Kern 1 entlang der Längsrichtung einer rechteckigen ge
druckten Schaltkarte 3, die die Symmetrieachse bildenden
Mittellinie 21 fällt im wesentlichen mit der Längsmit
telachse der gedruckten Schaltkarte 3 überein.
Es ist zu beachten, daß es erfindungsgemäß ausreichend
ist, eine Detektionsspule auf lediglich einer Oberfläche
der gedruckten Schaltkarte 3 auszubilden, die gegenüber
liegende Seite der gedruckten Schaltkarte kann für ande
re Zwecke verwendet werden.
Fig. 5 zeigt die Ausgangsspannung e einer Detektions
spule 4 a, wenn der Kern 1 sich von dem Ursprung 0 der
Koordinate X entlang der gedruckten Schaltkarte 3 be
wegt, wie dies in Fig. 6A gezeigt ist. Bei dem Beginn
der Bewegung nimmt die Flußverkettung des schrägen Ab
schnitts 4 b der Detektionsspule 4 a an dem Abschnitt
oberhalb der Mittellinie 21 von dem Ursprung 0 von Fig.
5 entlang der oberen punktierten Linie 6 a zu, während
die Flußverkettung an dem Abschnitt unterhalb der Mittellinie
21 entlang der unteren gepunkteten Linie 5 a zu
nimmt. Die Nettoflußverkettung des schrägen Abschnitts
4 b, also die Summe der beiden Abschnitte, die durch die
beiden gepunkteten Linien 6 a gezeigt werden, variiert li
near, da Abweichungen von der Linearität in den beiden
Bereichen des geneigten Abschnitts 4 b ineinander in ihre
Größe entsprechen und in ihrer Richtung entgegengesetzt
sind, so daß sie einander in der Nettoflußverkettung
auslöschen. Entsprechend variiert die Ausgangsspannung e
über den Ausgangsanschlüssen T 1, T 2 linear entlang der
durchgezogenen Linie OP von Fig. 5, d. h. proportional
zu dem Durchschnitt der beiden Abschnitte, die durch die
beiden gepunkteten Linien 6 a dargestellt sind.
Lineare Abweichungen von einer gleichmäßigen Flußdichte
verteilung innerhalb des Spaltes 20 auf gegenüberliegen
den Seiten der Mittellinie 21 werden also, kurz gesagt,
gegeneinander aufgehoben durch Verwendung einer Flußver
kettung der beiden Sektionen des schrägen Abschnitts 4 b
der Detektionsspule in der oben angegebenen Art und Wei
se, die Ausgangsspannung e variiert linear mit der Ver
lagerung X. Nicht-lineare Eigenschaften, wie sie bei dem
Stand der Technik festzustellen sind und durch Fig. 6
von Fig. 5 wiedergegeben werden, werden in die lineare
Charakteristik der durchgezogenen Linie OP korrigiert.
Entsprechend werden auch die Charakteristiken der
nicht-linearen Kurven 7 A in lineare Charakteristiken der
durchgezogenen Linie OP korrigiert durch Nehmen des
Durchschnittswertes der symmetrischen, durch Punkte an
gedeuteten Charakteristiken 7 a bzw. 7 b.
Das Problem des nicht-linearen Ausgangs, wie es bei dem
Stand der Technik festzustellen ist, aufgrund der
nicht-gleichmäßigen Verteilung der Flußdichte in dem
Spalt 20 wird so durch Verwendung einer Detektionsspule
einer besonderen Form gelöst, wobei die Spule auf ledig
lich einer Seite der gedruckten Schaltkarte 3 ausgebil
det ist.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel von Fig. 6 verwen
det schräge Abschnitte 4 b, die lediglich mit geradlini
gen Abschnitten in ähnlichen Mustern mit identischen
Winkeln zur Vertikalen ausgebildet sind, d. h.
A 1 = A 2 = . . . = A n . Bei derartigen identischen Winkeln zur
Vertikalen wird eine lineare Ausgangsspannung e erzeugt
entsprechend der Verlagerung X des Kerns 1. Es ist also
möglich, eine nicht-lineare Ausgangsspannung e für die
Verlagerung X zu erzeugen, etwa polygonale Charakteri
stika durch Ändern der vertikalen Winkel A 1, A 2, . . ., A n
von Bahn zu Bahn in geeigneter Weise.
Die Abweichung von einer gleichmäßigen Verteilung des
magnetischen Flusses in dem Spalt 20 wird in der obigen
Erläuterung als linear angenommen. Auch wenn die Verla
gerung nicht linear ist, kann der Ausgang e für die Ver
lagerung X unter Verwendung von gebogenen Abschnitten
statt von gestreckten Abschnitten linearisiert werden,
auf gegenüberliegenden Seiten der Winkel zu der Vertika
len A 1, A 2, . . . , A n in den schrägen Abschnitten 4 b der
Detektionsspule 4 a, während die Form des geschwungenen
Abschnitts so ausgebildet wird, um die Änderung des ma
gnetischen Flusses in dem Spalt 20 zu kompensieren.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er
findung, das eine zylindrische gedruckte Schaltkarte 3
verwendet. Insbesondere sind die Detektionsspulen 4 a auf
einer flexiblen gedruckten Schaltkarte 3 angeordnet,
woraufhin die gedruckte Schaltkarte 3 auf die Seitenwan
dung eines Zylinders aufgebracht wird. Wenn die zylin
drische gedruckte Schaltkarte 3 in der Abwicklung ge
zeigt ist, entspricht sie etwa derjenigen von Fig. 6A.
Ein Kern 1 mit einem Spalt 20, in den die zylindrische
gedruckte Schaltung 3 paßt, bewegt sich entlang einer
zylindrischen Ebene, die durch die gedruckte Schaltkarte
3 definiert wird. Eine Ausgangsspannung e entsprechend
der Winkelverlagerung des Kerns 1 wird über den Aus
gangsanschlüssen T 1, T 2 der Detektionsspule 4 a erzeugt.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 7 hat eine Steuerspule
4 c, die auf der Rückseite der gedruckten Schaltkarte 3
ausgebildet ist, wobei eine Steuerspannung e c über den
Steueranschlüssen C 1, C 2 erzeugt wird. Die Steuerspan
nung e c ist konstant, solange die Flußdichte in dem
Spalt 20 unverändert bleibt. Sie ist unabhängig von der
Winkelposition des Kerns 1. Der Zweck der Steuerspule 4 c
ist die Beobachtung der Steuerspannung e c zur Erkennung
einer Änderung in der Flußdichte in dem Spalt 20, bei
spielsweise aufgrund einer Spannungsänderung der Wech
selspannungsquelle 16 oder aufgrund einer Änderung der
Umgebungstemperatur, und zum Halten der Flußdichte auf
einem konstanten Pegel durch Regulation der Spannung der
Wechselspannungsquelle 16.
Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel unter Ver
wendung einer gedruckten Schaltkarte 8, die in Form ei
ner ringförmigen Scheibe ist und eine Detektionsspule 4 a
mit einer Vielzahl von Bahnen auf dieser hat. Jede Bahn
der Detektionsspule 4 a hat einen schrägen Abschnitt 4 b,
der symmetrisch bezüglich einer Mittellinie 21 ist, die
einem Kreis mit einem durchschnittlichen Radius der
ringförmigen Schaltkarte3 entspricht. In diesem Ausfüh
rungsbeispiel ist auch die Erregerspule 2 auf der ge
druckten Schaltkarte 3 ausgebildet. Um die Befestigung
auf einem Kern 1 zu ermöglichen, ist ein Schlitz 22 auf
der gedruckten Schaltkarte ausgebildet. Eine Drehwelle
23 erstreckt sich senkrecht durch den Mittelabschnitt
der scheibenförmigen gedruckten Schaltkarte 3 und wird
rotierbar durch ein (nicht gezeigtes) geeignetes Lager
gehalten. Der mit einem Spalt 20 versehene Kern 1 ist an
der Drehwelle 23 durch einen Klebstoff 24 so befestigt,
daß der Kern 1 entlang der gedruckten Schaltkarte 3 be
weglich ist, wodurch eine Variation der Verkettung zwi
schen dem magnetischen Fluß des Spaltes 20 und der De
tektionsspule 4 a der gedruckten Schaltkarte erzeugt
wird. Eine Ausgangsspannung e in Abhängigkeit von der
Winkelposition der Drehwelle 23 wird über den Ausgangs
anschlüssen T 1 und T 2 der gedruckten Schaltkarte 3 er
zeugt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele
beschränkt. Eine Mehrzahl von Modifikationen sind mög
lich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise kann die Detektionsspule 4 a auf einem
(nicht gezeigten) Aluminiumsubstrat unter Verwendung ei
ner Dickfilmtechnik ausgebildet sein, obwohl es einfa
cher ist, diese Spulen als Element einer gedruckten
Schaltkarte 3 auszubilden. In der vorangehenden Be
schreibung wurde angenommen, daß sich der Kern entlang
einer ortsfesten Detektionsspule 4 a bewegt, für die Er
findung ist aber eine relative Verlagerung zwischen dem
Kern 1 und der Detektionsspule 4 a ausreichend, die De
tektionsspule 4 a kann relativ zu einem ortsfesten Kern 1
bewegt werden. Es können auch sowohl der Kern 1 als auch
die gedruckte Schaltkarte 3 beweglich ausgebildet sein.
In den Beispielen der Fig. 6A, 6B und 7 ist der Kern
1 mit der Erregerspule 2 beweglich, so daß eine flexible
Verbindung erforderlich ist, um die Wechselspannungs
quelle 16 mit den Erregungsanschlüssen D 1 und D 2 der Er
regerspule 1 zu verbinden.
Die Wellenform der Wechselspannungsquelle 16 kann bei
spielsweise sinusförmig, dreieckförmig oder rechteckig
sein, ist jedoch auf derartige Formen nicht beschränkt.
Von dem Standpunkt der Einfachheit der Oszillation und
der Gleichrichtung der Ausgangsspannung ist eine recht
eckige Wellenform besonders bevorzugt. Die Erfinder ha
ben erkannt, daß für bestimmte Anwendungsfälle einer
Frequenz von etwa 10 kHz bevorzugt ist.
Die Form des Kerns 1 ist nicht auf die Form von U-Typ
von Fig. 6B beschränkt. Der Kern von Fig. 1B, der ei
nen geschlossenen magnetischen, einen Spalt 20 umgeben
den magnetischen Weg hat, kann zusammen mit der gedruck
ten Schaltkarte 3 von Fig. 6, die Detektionsspulen 4 a
mit symmetrischen schrägen Abschnitten 4 b hat, verwendet
werden. Der geschlossene magnetische Weg des Kerns 1
kann durch Anstoßen der beiden U-förmigen magnetischen
Elemente an den freien Enden ihrer Schenkel gebildet
sein, statt durch die Kombination eines E-förmigen Ele
ments 10 und des flachen Elements 15 von Fig. 1B. Statt
spitzer vertikaler Winkel A 1, A 2, . . . , A n in den Ausfüh
rungsformen der Fig. 6A bis 8, ist es möglich, wech
selnde Winkel zur Vertikalen auszubilden, so daß die
schrägen Abschnitte 4 b M-förmig sind. Eine Symmetrie be
züglich der Mittellinie 21 ist ausreichend für die De
tektionsspule 4 a nach der Erfindung.
Die vorteilhaften Wirkungen, die erfindungsgemäß erzielt
werden, können wie folgt zusammengefaßt werden.
- 1. Die Erregerspule 2 (oder aber eine Detektions spule) kann durch die Verwendung eines E-förmigen magnetischen Elements 10 einfach montiert werden.
- 2. Der Spalt 20 des Kerns 1 kann klein gemacht werden, um die magnetische Flußdichte in die sem und entsprechend die in der Detektionsspu le 4 a induzierte Ausgangsspannung zu erhöhen.
- 3. Die magnetische Flußdichte in dem Spalt 20 kann einfach erhöht werden durch Erhöhen der Anzahl der Bahnen der Detektionsspule 4 a, um so die in der Detektionsspule 4 a erzeugte Aus gangsspannung zu erhöhen.
- 4. Der magnetische Fluß in dem Spalt 20 kann in zwei Teile aufgeteilt werden durch die beiden seitlichen Schenkel 12, 13 des E-förmigen ma gnetischen Elements 10. Die Querschnitte der beiden Schenkel und der mit diesem in Reihe liegenden magnetischen Elemente können so re duziert werden verglichen mit dem Querschnitt eines U-förmigen Kerns. Wenn die Breite des Kerns 1 konstant gehalten wird, kann die Dicke der magnetischen Elemente reduziert werden.
- 5. Der Spalt 20 wird von magnetischem Material umgeben, so daß die Leckage des magnetischen Flusses minimiert werden kann und die Genauig keit der Verlagerungs-Detektion und dessen Um wandlung in ein elektrisches Signal verbessert werden kann.
- 6. Der geschlossene magnetische Kreis um den Spalt 20 verhindert eine Beeinflussung des ma gnetischen Feldes in diesem aufgrund eines Einflusses von magnetischen Elementen in der Nähe des Spaltes 20.
- 7. Verglichen mit dem üblichen U-förmigen Kern ist der geschlossene Kern nach der Erfindung bei ähnlichen elektromagnetischen Eigenschaf ten mechanisch stabiler.
- 8. Verglichen mit dem üblichen U-förmigen Kern kann der geschlossene magnetische Kern bei gleichen elektromagnetischen Eigenschaften kleiner ausgebildet werden.
- 9. Nicht-Linearität des Ausgangssignals des Ver lagerungs-Detektors aufgrund eines nicht-ein heitlichen magnetischen Feldes in dem Spalt 20 kann minimiert werden durch Verwendung der symmetrischen schrägen Abschnitte 4 b in der Spule, die relativ zu dem Kern beweglich ist.
- 10. Eine hohe Linearität des Ausgangssignals des Verlagerungs-Detektors kann sichergestellt werden durch Verwendung lediglich einer Sei tenfläche der gedruckten Schaltkarte 3. Die gegenüberliegende Fläche der gedruckten Schaltkarte 3 kann für andere Zwecke, etwa zur Aufbringung einer Steuerspule zum Regulieren der magnetischen Flußdichte in dem Spalt 20 verwendet werden oder aber für eine Spule zur Verbesserung der Empfindlichkeit der Verlage rungserkennung.
- 11. Auch wenn der magnetische Fluß in dem Spalt 20 sich nicht-linear ändert, kann ein lineares Ausgangssignal gewonnen werden durch Modifi zierung der Form der schrägen Abschnitte 4 b der Spule nach dem vorangehenden Absatz in ge eigneter Weise.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung
sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfin
dung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombi
nationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren
verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 Kern
2 Erregerspule
3 gedruckte Schaltkarte
4 a Detektionsspule
4 b schräger Abschnitt
4 c Hilfsspule
10 magnetisches Element
11 zentraler Schenkel
12 seitlicher Schenkel
13 seitlicher Schenkel
14 Einkerbung
15 zweites Element
16 Wechselspannungsquelle
20 Spalt
21 Mittellinie
22 Substrat
23 Drehwelle
T 1 Anschluß
T 2 Anschluß
X Verlagerung
A 1 Winkel
A 2 Winkel
A n Winkel
C 1 Anschluß
C 2 Anschluß
D 1 Anschluß
D 2 Anschluß
2 Erregerspule
3 gedruckte Schaltkarte
4 a Detektionsspule
4 b schräger Abschnitt
4 c Hilfsspule
10 magnetisches Element
11 zentraler Schenkel
12 seitlicher Schenkel
13 seitlicher Schenkel
14 Einkerbung
15 zweites Element
16 Wechselspannungsquelle
20 Spalt
21 Mittellinie
22 Substrat
23 Drehwelle
T 1 Anschluß
T 2 Anschluß
X Verlagerung
A 1 Winkel
A 2 Winkel
A n Winkel
C 1 Anschluß
C 2 Anschluß
D 1 Anschluß
D 2 Anschluß
Claims (7)
1. Verlagerungs-Detektor, gekennzeichnet durch einen
Kern (1), der aus einem ersten magnetischen Element (10)
mit drei Schenkeln (11, 12, 13), die an einem Ende unter
Bildung eines E-förmigen Querschnitts miteinander ver
bunden sind, besteht, wobei der zentrale Schenkel (11)
der drei Schenkel (11, 12, 13) kürzer ist als die beiden
seitlichen Schenkel (12, 13), eine erste Spule (2), die
auf den zentralen Schenkel (1) gewickelt ist und ein
zweites magnetisches Element (15), das sich über die
sich erstreckenden Enden der beiden seitlichen Schenkel
(12, 13) erstreckt, wobei sich ein Spalt (20) zwischen
dem sich erstreckenden Ende des zentralen Schenkels (11)
und dem zweiten magnetischen Element (15) ergibt, und
eine zweite Spule (4 a), die sich durch den Spalt (20)
des Kerns (1) erstreckt, wobei die zweite Spule (4 a) und
der Kern (1) relativ zueinander beweglich sind, und die
zweite Spule (4 a) einen schrägen Abschnitt (4 b) auf
weist, der bezüglich der Richtung der Relativbewegung
zwischen dem Kern (1) und der zweiten Spule (4 a) geneigt
verläuft.
2. Kern mit einem Spalt für ein Verlagerungselement,
dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine gedruckte
Schaltkarte (3) hat, die sich durch den Spalt (20) des
Kerns (1) erstreckt, wobei der Kern (1) ein erstes ma
gnetisches Element (10) mit drei an ihrem einen Ende un
ter Bildung eines E-förmigen Querschnitts miteinander
verbundene Schenkel (11, 12, 13) hat, wobei der zentrale
Schenkel (11) der drei Schenkel (11, 12, 13) kürzer ist
als die beiden seitlichen Schenkel (12, 13) und eine
Spule auf dem zentralen Schenkel (11) angeordnet ist,
und mit einem zweiten magnetischen Element (15), das
sich über die sich erstreckenden Enden der beiden seit
lichen Schenkel (12, 13) ausgebildet ist und einen Spalt
(20) zwischen den sich erstreckenden Enden des zentralen
Schenkels (11) und dem zweiten magnetischen Element (15)
bildet.
3. Kern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das zweite magnetische Element (15) dem ersten magneti
schen Element (10) entsprechend ausgebildet ist und an
das erste magnetische Element stößt, wobei die sich er
streckenden Enden der seitlichen Schenkel (12, 13) der
beiden Elemente derart in Berührung miteinander gebracht
werden, daß ein Spalt (20) zwischen den zentralen Schen
keln gebildet wird.
4. Verlagerungselement, gekennzeichnet durch einen
Kern (1) mit einem Spalt (20), wobei der Kern (1) eine
erste Spule (2) zum Magnetisieren des Spalts (20) auf
weist, und eine eine zweite, auf diese aufgedruckte Spu
le (4 a) tragende, sich durch den Spalt (20) des Kerns
(1) erstreckende gedruckte Schaltung, wobei die gedruck
te Schaltung (3) und der Kern (1) relativ zueinander be
weglich sind und die zweite Spule (4 a) eine Mehrzahl von
Bahnen mit schrägen Abschnitten, die symmetrisch bezüg
lich einer gemeinsamen Mittellinie, die parallel zu der
Richtung der Relativbewegung zwischen dem Kern (1) und
der gedruckten Schaltung (3) geneigt verläuft, wobei die
schrägen Abschnitte (4 b) der Mehrzahl der Bahnen der
zweiten Spule (4) mit Abstand voneinander angeordnet
sind.
5. Verlagerungs-Detektor nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die gedruckte Schaltkarte (3) zylin
drisch ist.
6. Verlagerungs-Detektor nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die gedruckte Schaltkarte (3) in Form
einer ringförmigen Scheibe ist.
7. Verlagerungs-Detektor, gekennzeichnet durch einen
Kern (1) aus einem ersten magnetischen Element mit drei
Schenkeln (11, 12, 13), die an ihrem einen Ende unter
Bildung eines E-förmigen Querschnitts miteinander ver
bunden sind, wobei der zentrale Schenkel (11) der drei
Schenkel (11, 12, 13) kürzer ist als die beiden seitli
chen Schenkel (12, 13), eine erste, um den zentralen
Schenkel angeordnete Spule (2) und ein zweites magneti
sches Element (15), das sich über die sich erstreckenden
Enden der beiden seitlichen Schenkel angeordnet ist un
ter Bildung eines Spalts (20) zwischen den sich er
streckenden Enden des zentralen Schenkels (11) und dem
zweiten magnetischen Element (15), und eine gedruckte
Schaltkarte (3), die eine zweite, auf diese aufgedruckte
Spule (4 a) trägt und sich durch den Spalt (20) des Kerns
(1) erstreckt, wobei die gedruckte Schaltkarte (3) und
der Kern (1) in einer Richtung relativ zueinander beweg
lich sind, wobei die zweite Spule (4 a) eine Mehrzahl von
Bahnen hat, mit beweglichen Abschnitten, die symmetrisch
geneigt sind bezüglich einer gemeinsamen Mittellinie
parallel zu der Richtung der Relativbewegung zwischen
dem Kern (1) und der gedruckten Schaltkarte, wobei die
geneigten Abschnitte der Mehrzahl von zweiten Spulenbah
nen mit Abstand voneinander angeordnet sind.
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Publication number | Publication date |
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US5055814A (en) | 1991-10-08 |
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