DE60007202T2

DE60007202T2 - Induktiver Stellungsdetektor

Info

Publication number: DE60007202T2
Application number: DE60007202T
Authority: DE
Inventors: Atsutoshi Fuchu-shi Goto; Kazuya Hamura-shi Sakamoto; Hiroshi Kawagoe-shi Sakamoto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2020-03-14
Also published as: EP1037017B1; DE60007202D1; US6566862B1; US20030102862A1; EP1037017A1; US6707291B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Selbstinduktionspositionsdetektorvorrichtungen, die eine durch einen Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignal anzuregende Spule und ein magnetisches oder elektrisch leitfähiges Teil aufweisen, das im Verhältnis zur Spule beweglich ist, die zur Detektion einer linearen oder Dreh-Position geeignet sind. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine verbesserte Selbstinduktions-Positionsdetektorvorrichtung, die im Ansprechen auf eine Position eines Detektionsobjekts (d.h. eines zu detektierenden Objekts) unter der Verwendung lediglich einer Primärspule, die durch ein Einzelphasen-Wechselstrom- oder -Wechselspannungsausgangssignal angeregt wird, Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugen kann, die Amplitudenfunktionscharakteristiken mehrerer Phasen repräsentieren.
Induktions-Linearpositions-Detektorvorrichtungen sind bekannt, die allgemein als "LVDTs" bezeichnet werden. In Zwei-Draht-LDVTs, die eine Primärspule und eine Sekundärspule aufweisen, verändert sich eine Induktionskopplung zwischen der Primärspule und den Sekundärspulen gemäß einem Eintreten eines aus einer magnetischen Substanz hergestellten beweglichen Abschnitts in einen Spulenabschnitt, so dass in der Sekundärspule ein induktives Ausgangssignal eines der Induktionskopplungsvariation entsprechenden Spannungspegels erzeugt wird. Außerdem sind Drei-Draht-LDVTs als Differenzialtransformatoren konstruiert, die eine Primärspule und zwei Sekundärspulen aufweisen, die in entgegengesetzten Phasen in Reihe geschaltet sind, wobei eine Induktionskopplung zwischen der Primärspule und den Sekundärspulen in einer ausgeglichenen Weise gemäß dem Grad eines Eintretens eines aus einer magnetischen Substanz mit einer vorbestimmten Länge hergestellten beweglichen Teils in eine der beiden Spulen der entgegengesetzten Phasen variiert, so dass induktive Ausgangssignale mit Spannungspegeln, die der Induktionskopplungsvariation entsprechen, in den Sekundärspulen erzeugt werden. In solchen Drei-Draht-LDVTs werden Ausgangssignale von Sinus- und Kosinus-Charakteristiken, die einer Position des beweglichen Abschnitts entsprechen, durch Ausführen einer analogen Addition oder Subtraktion an den Ausgangssignalen von den Sekundärspulen erzeugt, und diese Ausgangssignale mit Sinus- und Kosinus-Charakteristiken werden dann über einen R-D-Konverter verarbeitet, um dadurch digitale Daten zu erzeugen, die eine detektierte aktuelle Position des beweglichen Abschnitts anzeigen. Es sind auch andere Typen von Positionsdetektorvorrichtungen bekannt (z.B. aus der japanischen Patentoffenlegung mit der Veröffentlichungsnr. SHO-53-102070 und dem US-Patent Nr. 4,112,365, das diesem entspricht), die nur eine Erregerspule enthalten und bei denen eine Variation der Selbstinduktanz der Erregerspule, welche einer Bewegung eines beweglichen Magnetkerns entspricht, durch Messen einer Phasenverschiebung durch eine R-L-Schaltung erfasst wird.
Da jedoch die herkömmlicherweise bekannten LVDTs sowohl die Primär- als auch die Sekundärspulen benötigen, würde die entsprechende erforderliche Anzahl von Bestandteilen größer werden, was unvermeidlicherweise der Verringerung von Herstellungskosten und der Größe der Vorrichtungen beträchtliche Grenzen auferlegt. Außerdem ist ein verfügbarer Phasenwinkelbereich der Ausgangssignale der Sinus- und Kosinus-Charakteristiken, die einer aktuellen Position des beweglichen Abschnitts entsprechen, relativ eng, wie zum Beispiel 45° bei den Zwei-Draht-LVDTs oder ungefähr 90° bei den Drei-Draht-LVDTs, so dass der detektierbare Phasenwinkelbereich bei den herkömmlicherweise bekannten LVDTs nicht in zufriedenstellender Weise erweitert werden kann. Da außerdem die herkömmlichen Drei-Draht-LVDTs nur Positionen erfassen können, die nach links und nach rechts von einem vorbestimmten Referenzpunkt versetzt sind, bei dem der bewegliche Abschnitt entlang der Länge des Spulenabschnitts mittig angeordnet ist, ergeben sich bei ihnen nur sehr schlechte Einsatzmöglichkeiten.
Bei den herkömmlicherweise bekannten Positionsdetektorvorrichtungen, die die Selbstinduktanz der Erregerspule messen, ist es andererseits möglich, die notwendige Anzahl von Spulen zu verringern, doch kann die Phasenverschiebung im Ansprechen auf die Verschiebung des zu erfassenden Objekts nur innerhalb eines extrem engen Bereichs detektiert werden, der es tatsächlich sehr schwierig machen würde, die Phasenverschiebung zu messen. Außerdem bieten diese Positionsdetektorvorrichtungen eine sehr schlechte Detektionsauflösung und sind daher zur praktischen Verwendung nicht geeignet. Da sich außerdem die Phasenverschiebung mit einer Veränderung der Impedanz der Spule im Ansprechen auf eine Veränderung der Umgebungstemperatur ändert, konnten die Positionsdetektorvorrichtungen ihre Temperaturcharakteristiken nicht entsprechend kompensieren oder nachstellen.
Induktions-Rotations-Positionsdetektorvorrichtungen, die Zwei-Phasen-Ausgangssignale (d.h. Ausgangssignale mit Sinus- und Kosinus-Phasen) im Ansprechen auf ein anregendes Einzel-Phasen-Eingangssignal erzeugen, sind allgemein als "Drehwinkelgeber" bekannt, und Induktions-Rotationspositionsdetektorvorrichtungen, die Drei-Phasen-Ausgangssignale (d.h. Ausgangssignale, deren Phasen um 120° gegeneinander phasenverschoben sind) im Ansprechen auf ein anregendes Einzel-Phasen-Eingangssignal erzeugen, sind allgemein als "Drehmelder" (Synchros) bekannt. Bei den Drehwinkelgebern in ihrer traditionellsten Form weist ein Stator zweipolige (Sinus- und Kosinuspol) Sekundärwicklungen auf, die sich mechanisch in einem Winkel von 90° schneiden, und ein Rotor weist eine Primärwicklung auf. Die Drehwinkelgeber dieses Typs sind in der Hinsicht nicht zufriedenstellend, da sie zum elektrischen Kontaktieren der Primärwicklung des Rotors eine Bürste benötigen. Es sind auch bürstenlose Drehwinkelgeber bekannt, die keine solche Bürste benötigen: das heißt, dass diese bürstenlosen Drehwinkelgeber im Rotor einen Drehtransformator anstelle der Bürste aufweisen. Aufgrund des Vorsehens des Drehtransformators im Rotor ist es jedoch schwierig, die Gesamtgröße der Vorrichtungen zu verringern, und daher sind der Verkleinerung bürstenloser Drehwinkelgeber Grenzen gesetzt. Außerdem erhöht das Vorsehen des Drehtransformators die Anzahl der Bestandteile, was auch unvermeidlicherweise zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt.
Außerdem sind auf diesem Gebiet Drehpositionsdetektorvorrichtungen des kontaktfreien variablen Reluktanztyps (Kleinstdrehmelder, die auch nach ihrer Handelsbezeichnung "Microsyn" genannt werden), bekannt, bei denen ein Stator Primär- und Sekundärwicklungen aufweist, die auf mehreren vorstehenden Polen angeordnet sind, und ein Rotor ist aus einem Magnetkörper mit einer vorbestimmten Form (wie zum Beispiel einer exzentrischen Kreisform, einer ovalen Form oder einer Form mit einem Fortsatz) ausgebildet. Bei diesen Rotationspositionsdetektorvorrichtungen (Drehpositionsdetektorvorrichtungen) wird eine Reluktanzvariation im Ansprechen auf eine Rotationsposition des zu erfassenden Objekts auf der Grundlage von Variationen in Lücken zwischen den vorstehenden Polen des Stators und dem Magnetkörper des Rotors erzeugt, die im Ansprechen auf eine geänderte Drehposition des zu erfassenden Objekts auftreten, so dass ein der Reluktanzvariation entsprechendes Ausgangssignal vorgesehen wird. Weitere ähnliche Reluktanzrotationspositionsdetektorvorrichtungen sind zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,754,220, in den japanischen Patentoffenlegungen mit den Veröffentlichungsnummern SHO-55-46862, SHO-55-70406 und SHO-59-28603 offenbart. Als Positionsdetektionsverfahren auf der Grundlage des Detektorausgangssignals sind sowohl ein phasenbasiertes Verfahren bekannt, bei dem Positionserfassungsdaten einem elektrischen Phasenwinkel des Ausgangssignals entsprechen, als auch ein spannungsbasiertes Verfahren, bei dem die Positionserfassungsdaten einem Spannungspegel des Ausgangssignals entsprechen. In dem Fall, wo das phasenbasierte Verfahren angewendet wird, werden die einzelnen Primärwicklungen, die an unterschiedlichen mechanischen Winkeln angeordnet sind, durch phasenverschobene Eingangssignale angeregt, wie zum Beispiel anregende Eingangssignale mit zwei oder drei Phasen, um so ein Ausgangssignal mit einer einzigen Phase zu erzeugen, die je nach einer aktuellen Drehposition einen unterschiedlichen elektrischen Winkel aufweist. Außerdem ist in dem Fall, bei dem das spannungsbasierte Verfahren verwendet wird, das Verhältnis zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen im Verhältnis zu denen des phasenbasierten Verfahrens umgekehrt, und die Ausgangssignale mit mehreren Phasen werden im Ansprechen auf ein Anregungssignal mit einer einzigen Phase in der gleichen Weise wie bei den Drehwinkelgebern erzeugt.
Typischerweise sind die Drehpositions-Detektorvorrichtungen, wie zum Beispiel Drehwinkelgeber, die im Ansprechen auf einzelphasige Signale mehrphasige Ausgangssignale erzeugen, so ausgelegt, dass sie zweiphasige Ausgangssignale, nämlich Sinusphasen- und Kosinusphasen-Ausgangssignale erzeugen. Zu diesem Zweck hat bei den herkömmlichen drehwinkelgeberartigen Drehpositionsdetektorvorrichtungen des kontaktfreien variablen Reluktanztyps der Stator mindestens vier Pole, die mechanisch um einen Winkel von 90° voneinander versetzt sind. Insbesondere ist, wenn der erste Pol auf eine Sinusphase gesetzt ist, der zweite Pol, der vom ersten Pol um 90° beabstandet ist, auf eine Kosinusphase, der dritte Pol, der vom zweiten Pol um 90° beabstandet ist, auf eine Minus-Sinusphase und der vierte Pol, der vom dritten Pol um 90° beabstandet ist, auf eine Minus-Kosinusphase gesetzt. Um in einem solchen Fall eine Reluktanzvariation, die einer Rotation des zu detektierenden Objekts entspricht, in den jeweiligen Statorpolen zu erzeugen, ist der Rotor aus einem magnetischen oder elektrisch leitfähigen Material in einer exzentrischen Kreisform, einer ovalen Form oder kreisförmig, wie zum Beispiel als Zahnrad ausgebildet. Primär- und Sekundärspulen sind auf jedem der Statorpole angeordnet, so dass eine durch den Statorpol gehende Reluktanz in einer magnetischen Schaltung im Ansprechen auf eine Veränderung einer Lücke zwischen dem Statorpol und dem Rotor verändert wird. Die Reluktanzveränderung verursacht, dass sich eine Magnetkopplung zwischen den Primär- und Sekundärspulen auf den jeweiligen Statorpolen in Korrespondenz mit einer Drehposition des zu detektierenden Objekts ändert, und daher wird in jeder der Sekundärspulen ein der Drehposition entsprechendes Ausgangssignal induziert, was dazu führt, dass eine Spitzenamplitudencharakteristik im Ausgangssignal von den jeweiligen Statorpolen eine zyklische Funktionscharakteristik aufweist.
Außerdem offenbaren auch EP0759539A1, EP0795738A1 und die japanische Patentoffenlegung mit der Veröffentlichungsnummer 10-170210 eine Positionsdetektorvorrichtung, die Primär- und Sekundärwicklungen verwendet. Außerdem offenbart die japanische Patentoffenlegung mit der Veröffentlichungsnummer 10-126241 eine Proximitätserfassungsvorrichtung, die nur eine Primärspule verwendet, die jedoch nicht zu einer drehwinkelgeberartigen Positionsdetektion fähig ist.
Da jedoch die oben erörterten drehwinkelgeberartigen Drehpositionsdetektorvorrichtungen des kontaktfreien variablen Reluktanztyps auf der Grundlage einer Primär-Sekundär-Induktion durch Vorsehen der Primär- und Sekundärwicklungen arbeiten, ist eine große Anzahl von Spulen nötig, was unvermeidlich dazu führen würde, dass der Verringerung der Herstellungskosten und der Gesamtgröße der Vorrichtungen Grenzen gesetzt sind. Außerdem haben bei der Anordnung, bei der die mehreren Statorpole in gleichen Intervallen um einen vollständigen Umkreis angeordnet sind, die herkömmlichen Drehpositionsdetektorvorrichtungen das Problem, dass die Orte und der Raum, auf welche die Vorrichtungen anwendbar sind, beträchtlich eingeschränkt sind. Außerdem kann der Stator, auch wenn Zwei-Phasen-Ausgangssignale (Sinusphase und Kosinusphase) bei den herkömmlichen Drehpositionsdetektorvorrichtungen zu erzeugen sind, nicht als eine einfache Zwei-Pol-Struktur konstruiert werden, sondern muss immer als eine komplexere Vier-Pol-Struktur aufgebaut werden, was wiederum der Verringerung der Gesamtgröße des Stators Grenzen auferlegen würde.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Positionsdetektorvorrichtung vorzusehen, deren Größe sehr kompakt und deren Aufbau sehr einfach ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Positionsdetektorvorrichtung vorzusehen, die eine beträchtliche Vergrößerung ihres verfügbaren Phasenwinkelbereichs erzielt, auch mikroskopische Verschiebungen eines zu erfassenden Objekts mit einer hohen Auflösung genau detektieren kann und auch seine Temperaturcharakteristiken in entsprechender Weise und einfach kompensiert.
Zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Positionsdetektorvorrichtung vorgesehen, die Folgendes aufweist: einen Spulenabschnitt, der mindestens eine durch ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignal erregbare Spule aufweist; ein magnetismusempfindliches Teil, das in Bezug auf den Spulenabschnitt bewegbar ist, wobei die Relativpositionen zwischen dem magnetismusempfindlichen Teil und dem Spulenabschnitt sich im Ansprechen auf eine Verschiebung eines zu detektierenden Objekts ändert und die Impedanz der Spule im Ansprechen auf die Änderung der Relativpositionen in einer solchen Weise geändert wird, dass eine in der Spule erzeugte Spannung im Ansprechen auf eine Variation der Impedanz der Spule während der Variation der Relativpositionen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs geändert wird; eine Referenzspannungserzeugungsschaltung, die zum Erzeugen mindestens einer vorbestimmten Referenzspannung in der Form eines Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignals ausgelegt ist; und eine arithmetische Operationsschaltung, die mit der Spule und der Referenzspannungserzeugungsschaltung gekoppelt ist, wobei die arithmetische Operationsschaltung zum Durchführen einer arithmetischen Operation zwischen der in der Spule erzeugten Spannung und der vorbestimmten Referenzspannung ausgelegt ist, um so mindestens zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignale zu erzeugen, die vorbestimmte zyklische Amplitudenfunktionen als Amplitudenkoeffizienten aufweisen, wobei die zyklischen Amplitudenfunktionen der beiden Wechselstrom- bzw.
Wechselspannungsausgangssignale sich in ihren zyklischen Charakteristiken um eine vorbestimmte Phase voneinander unterscheiden.
Typischerweise weist das magnetismusempfindliche Teil mindestens eine magnetische Substanz und/oder eine elektrisch leitfähige Substanz auf. In dem Fall, wo das magnetismusempfindliche Teil aus einer magnetischen Substanz hergestellt ist, erhöht sich die Induktanz und die elektrische Impedanz der Spule, und die in der Spule erzeugte Spannung, d.h. eine Spannung zwischen zwei Anschlüssen (d.h. eine "Zwischen-Klemmen-Spannung") der Spule erhöht sich, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil der Spule nähert, d.h. wenn sich die Proximität des magnetismusempfindlichen Teils zur Spule vergrößert. Umgekehrt wird, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil von der Spule entfernt, d.h. wenn sich die Proximität des magnetismusempfindlichen Teils zur Spule verringert, die Induktanz und die elektrische Impedanz der Spule geringer, und die in der Spule erzeugte Spannung, d.h. die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule, wird kleiner. Daher wird im Ansprechen auf eine Verschiebung (Positionsveränderung) des zu detektierenden Objekts die Zwischen-Klemmen-Spannung größer oder kleiner, wenn sich die relative Position des magnetismusempfindlichen Teils der Spule innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ändert.
Typischerweise kann eine progressive (d.h. stetige) Variationskurve der Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule, das während der Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils im Verhältnis zur Spule auftritt, mit einer Funktionswertvariation innerhalb eines Bereichs von 0°–90° einer Sinusfunktion verglichen werden. Wenn eine Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignalkomponente durch "sinωt" repräsentiert wird und ein Amplitudenkoeffizientenpegel der Ausgangsspannung Vx der Spule in Korrespondenz mit dem Startpunkt eines entsprechenden Detektionsabschnitts in der stetigen Variationskurve, welche durch die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule repräsentiert wird, durch "Pa" repräsentiert wird, dann kann die Ausgangsspannung Vx aus der Spule, welche dem Startpunkt des Detektionsabschnitts entspricht, durch Pa sinωt repräsentiert werden. In ähnlicher Weise kann, wenn ein Amplitudenkoeffizientenpegel der Ausgangsspannung Vx der Spule, die in Korrespondenz mit dem Endpunkt des oben erwähnten Detektionsabschnitts der stetigen Variationskurve durch "Pb" repräsentiert wird, die dem Endpunkt des Detektionsabschnitts entsprechende Spulenausgangsspannung durch Pb sinωt ausgedrückt werden. Wenn außerdem eine Wechselspannung, die den gleichen Wert hat wie der Wert Pa sinωt der Spulenausgangsspannung Vx, die dem Startpunkt des Detektionsbereichs entspricht, als ein Referenzwert Va gesetzt wird, und der Amplitudenkoeffizient der Spulenausgangsspannung Vx durch A(x) repräsentiert wird, dann erhält man durch Subtrahieren der ersten Referenzspannung Va von der Spulenausgangsspannung Vx den folgenden mathematischen Ausdruck: Vx – Va = A(x)sinωt – Pa sinωt = {A(x) – Pa}sinωt Ausdruck (1)
Da am Startpunkt des Detektionsabschnitts A(x) gleich Pa ist, wird der Amplitudenkoeffizient "A(x) – Pa", der das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen ist, "0". Andererseits ist am Endpunkt des Detektionsabschnitts A(x) gleich Pb, so dass der Amplitudenkoeffizient "A(x) – Pa", der das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen ist, gleich "Pb – Pa". Auf diese Weise ergibt "A(x) – Pa", das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen, eine Funktionscharakteristik, die von "0" bis "Pb – Pa" stetig größer wird. Wenn der Maximalwert "Pb – Pa" als "1" äquivalent betrachtet wird, dann variiert der Amplitudenkoeffizient "A(x) – Pa" des auf der oben erwähnten Gleichung (1) basierenden Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignals innerhalb des Detektionsabschnitts zwischen "0" und "1 ", und die Funktionscharakteristik des Amplitudenkoeffizienten kann mit einer Charakteristik des ersten Quadranten (d.h. eines Bereichs zwischen 0° und 90°) in einer Sinusfunktion verglichen werden. Daher kann der Amplitudenkoeffizient "A(x) – Pa" des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignals auf der Grundlage des oben angegebenen mathematischen Ausdrucks äquivalent als sinθ (ungefähr 0° ≤ θ ≤ 90°) ausgedrückt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Positionsdetektorvorrichtung weist der Spulenabschnitt eine einzige Spule auf und die Referenzspannungserzeugungsschaltung erzeugt eine erste und eine zweite Referenzspannung. Die arithmetische Operationsschaltung führt vorbestimmte erste und zweite arithmetische Operationen unter der Verwendung einer von der einzigen Spule abgenommenen Spannung und der ersten und der zweiten Referenzspannung durch, um hierdurch ein erstes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal zu erzeugen, das eine erste Amplitudenfunktion aufweist, als einen Amplitudenkoeffizienten, und ein zweites Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal mit einer zweiten Amplitudenfunktion als einen Amplitudenkoeffizienten. In diesem Fall benötigt die Positionsdetektorvorrichtung nur eine Spule und kann daher in ihrem Aufbau so einfach wie möglich sein. Außerdem kann unter der Verwendung der Spannung Va als der oben erwähnten ersten Referenzspannung die oben erwähnte erste Amplitudenfunktion eine Charakteristik aufweisen, die allgemein dem ersten Quadranten (d.h. einen Bereich von 0°–90°) in der Sinusfunktion entspricht.
Wenn eine Wechselspannung mit dem gleichen Wert als der Wert Pb sinωt der Spulenausgangsspannung Vx, welche dem Endpunkt des Detektionsbereichs entspricht, als der zweite Referenzwert Vb gesetzt wird, wobei die zweite Referenzspannung Vb von der Spulenausgangsspannung Vx subtrahiert wird, ergibt sich der folgende mathematische Ausdruck: Vb – Vx = Pb sinωt – A(x)sinωt = {Pb – A(x)}sinωt Ausdruck (2)
Weil am Startpunkt des Detektionsabschnitts A(x) gleich Pa ist, ist der Amplitudenkoeffizient "Pb – A(x)", der das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen ist, gleich "Pb – Pa". Andererseits ist am Endpunkt des Detektionsabschnitts A(x) gleich Pb, so dass der Amplitudenkoeffizient "Pb – A(x)", der das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen ist, "0" wird. Auf diese Weise stellt "Pb – A(x)", das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen, eine Funktionscharakteristik dar, die von "Pb – Pa" bis "0" stetig kleiner wird. Wenn der Maximalwert "Pb – Pa" als mit "1" äquivalent betrachtet wird, dann variiert der Amplitudenkoeffizient "Pb – A(x)" des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignals auf der Grundlage der oben angegebenen Gleichung (2) innerhalb des Detektionsabschnitts von "1" bis "0", und diese Funktionscharakteristik des Amplitudeneffizienten kann mit einer Charakteristik eines ersten Quadranten (d.h. eines Bereichs von 0°–90°) in einer Kosinusfunktion betrachtet werden. Daher kann der Amplitudenkoeffizient "Pb – A(x)" des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignals aufgrund der Gleichung (2) äquivalent als cosθ (ungefähr 0° ≤ θ ≤ 90°) ausgedrückt werden. Die Subtraktion in Gleichung (2) kann durch "Vx – Vb" ersetzt werden.
In der oben erwähnten Weise kann die vorliegende Erfindung im Ansprechen auf eine aktuelle Position des zu detektierenden Objekts unter der Verwendung lediglich einer Kombination einer Spule und zweier Referenzspannungen einfach zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsausgangssignale erzeugen, welche Amplituden von Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken repräsentieren. Wenn zum Beispiel die Position des zu detektierenden Objekts durch einen Winkel θ repräsentiert wird, kann das eine Amplitude einer Sinusfunktionscharakteristik aufweisende Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal durch sinθsinωt ausgedrückt werden, während das eine Amplitude einer Kosinusfunktionscharakteristik aufweisende Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal durch cosθsinωt ausgedrückt werden kann. Diese Ausgangssignale sind in ihrer Form ähnlich den Ausgangssignalen der bekannten Positionsdetektorvorrichtungen, die sonst auch als Drehwinkelgeber bezeichnet werden, was sich in verschiedenen Anwendungen als äußerst nützlich erweist. In manchen Anwendungsbereichen kann die erfindungsgemäße Positionsdetektorvorrichtung einen Amplituden-Phasen-Konverterabschnitt aufweisen, der die mehreren Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale empfängt, die von der oben erwähnten arithmetischen Operationsschaltung erzeugt wurden, erfasst dann aus einer Korrelation zwischen den Amplitudenwerten des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignals einen spezifischen Phasenwert in den Sinus- und Kosinusfunktionen, welche die Amplitudenwerte definieren, und erzeugt Positionserfassungsdaten, die eine aktuelle Position des zu detektierenden Objekts anzeigen. Hierbei ist anzumerken, dass, weil die Sinus- und Kosinusfunktionen jeweils eine Charakteristik innerhalb eines Bereichs von im Wesentlichen einem Quadranten (90°) aufweisen, jede Position über einen detektierbaren Positionsbereich im Sinne eines Phasenwinkels innerhalb des im Wesentlichen 90° betragenden Bereichs erfasst werden kann.
In diesem Fall würde eine variable Einstellung der Pegel Pa und Pb der Referenzspannungen Va und Vb zu einer variablen Einstellung des erfassbaren Positionsbereichs der Vorrichtung führen. Wenn die Pegel Pa und Pb der Referenzspannungen Va und Vb so gesetzt werden, dass sie sich wesentlich voneinander unterscheiden, dann wird der erfassbare Positionsbereich entsprechend erweitert, während, wenn die Pegel Pa und Pb der Referenzspannungen Va und Vb so gesetzt werden, dass sie sich nur geringfügig voneinander unterscheiden, der erfassbare Positionsbereich eingeschränkt wird. Da innerhalb des im Wesentlichen 90° betragenden Bereichs eine beliebige Position innerhalb des erfassbaren Positionsbereichs unabhängig von einer Veränderung des erfassbaren Positionsbereichs immer im Sinne eines Phasenwinkels Θ erfasst werden kann, kann die Erfassungsauflösung der erfindungsgemäßen Positionsdetektion variabel eingestellt werden, indem einfach die Pegel der Referenzspannungen Va und Vb eingestellt werden. Dies bedeutet, dass die Positionsdetektion auch dort mit einer superfeinen Auflösung geschehen kann, wo winzige oder mikroskopische Verschiebungen des Objekts zu erfassen sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Spulenabschnitt zwei Spulen auf, wobei relative Positionen der beiden Spulen im Verhältnis zum magnetismusempfindlichen Teil mit entgegengesetzten Charakteristiken im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden Objekts variiert werden, worauf die entsprechende Impedanz der Spulen mit entgegengesetzten Charakteristiken variiert wird. In diesem Fall erzeugt die Referenzspannungserzeugungsschaltung eine einzige Referenzspannung und führt die arithmetische Operationsschaltung vorbestimmte erste und zweite arithmetische Operationen unter der Verwendung von Spannungen durch, die von den Spulen und der Referenzspannung abgenommen werden, um hierdurch ein erstes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal mit einer ersten Amplitudenfunktion als einen Amplitudenkoeffizienten und ein zweites Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal mit einer zweiten Amplitudenfunktion als einen Amplitudenkoeffizienten zu erzeugen.
Ähnlich wie oben erwähnt, kann eine stetig ansteigende Variationskurve der Zwischen-Klemmen-Spannung der ersten Spule, die während einer Variation der relativen Position des magnetismusempfindlichen Teils innerhalb eines vorbestimmten Bereichs vorliegt, mit einer Funktionswertvariation in einem Bereich von 0°–90° einer Sinusfunktion verglichen werden. Die Ausgangsspannung Vx aus der Spule, welche dem Startpunkt eines entsprechenden Detektionsabschnitts entspricht, kann durch Pa sinωt dargestellt werden, was einem minimalen Spannungswert entspricht. Der Startpunkt des Detektionsabschnitts kann durch die Referenzspannung Va eingestellt werden. Durch eine Ausführung arithmetischer Operationen in ähnlicher Weise zur obigen Gleichung (1) unter der Verwendung der Referenzspannung Va (= Pa sinωt), ergibt sich Vx – Va = {A(x) – Pa}sinωt
Wie im oben erwähnten Fall kann die Funktionscharakteristik des Amplitudenkoeffizienten A(x) – Pa mit einer Charakteristik des ersten Quadranten (d.h. des Bereichs von 0°–90°) in einer Sinusfunktion verglichen werden, nämlich äquivalent als sinθ (ungefähr 0° ≤ θ ≤ 90°) ausgedrückt werden.
Auf der anderen Seite weist die zweite Spule des Spulenabschnitts eine stetig abnehmende Variationskurve im Gegensatz zur Kurve der ersten Spule auf. Die Ausgangsspannung Vy aus der zweiten Spule, die dem Startpunkt des Detektionsabschnitts entspricht, kann vorläufig als Pa' sinωt dargestellt werden, der einem maximalen Spannungswert entspricht. Durch Subtrahieren der Referenzspannung Va von der zweiten Spulenausgangsspannung Vy erhält man den folgenden mathematischen Ausdruck, bei dem der Amplitudenkoeffizient der Ausgangsspannung Vy durch A(y) repräsentiert wird: Vy – Va = A(y)sinωt – Pa sinωt = {A(y) – Pa}sinωt Gleichung (3)
Da am Startpunkt des Detektionsabschnitts A(y) gleich Pa' ist, ist der Amplitudenkoeffizient A(y) – Pa, was das Ergebnis der arithmetischen Operationen ist, gleich Pa' – Pa, was "Maximalwert – Minimalwert" repräsentiert, was daher ein Maximalwert wird, der äquivalent als "1" betrachtet werden kann. Am Endpunkt des Detektionsabschnitts dagegen wird A(y) gleich Pa, so dass der Amplitudenkoeffizient A(y) – Pa, das Ergebnis der obigen arithmetischen Operationen, zu "0" wird. Auf diese Weise weist der Amplitudenkoeffizient A(y) – Pa innerhalb des Bereichs des Detektionsabschnitts eine Funktionscharakteristik, die vom Maximalwert Pa' – Pa (nämlich "1") stetig auf "0" abfällt. Diese Funktionscharakteristik des Amplitudenkoeffizienten kann mit einer Charakteristik des ersten Quadranten (d.h. des Bereichs von 0°–90°) in der Kosinusfunktion verglichen werden. Daher kann der Amplitudenkoeffizient A(y) – Pa des Wechselstorm- oder Wechselspannungs-Ausgangssignals auf der Grundlage der obigen Gleichung (3) äquivalent als cosθ (ungefähr 0° ≤ θ ≤ 90°) ausgedrückt werden.
In dem Fall, wo, wie oben erwähnt, im Ansprechen auf eine aktuelle Position des zu detektierenden Objekts eine Kombination von zwei Spulen und einer einzigen Referenzspannung eingesetzt wird, kann daher die vorliegende Erfindung einfach zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugen, welche Amplituden von Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken (sinθsinωt und cosθsinωt) repräsentieren. Auch in diesem Fall weisen die Sinus- und Kosinusfunktionen jeweils eine Charakteristik innerhalb eines Bereichs von im Wesentlichen einem Quadranten (90°) auf, so dass jede Position über einen detektierbaren Positionsbereich innerhalb des im Wesentlichen 90° betragenden Bereichs im Sinne eines Phasenwinkels detektiert werden kann. Außerdem kann durch einfaches variables Setzen des Pegels der Referenzspannung Va der detektierbare Positionsbereich variabel eingestellt werden, und die Detektionsauflösung der Vorrichtung kann in ähnlicher Weise wie oben erwähnt wie gewünscht eingestellt werden.
Daher kann erfindungsgemäß eine verbesserte Positionsdetektorvorrichtung vorgesehen werden, deren Größe sehr kompakt und deren Aufbau sehr einfach ist, da sie nur eine Primärspule (oder Primärspulen), jedoch keine Sekundärspule benötigt. Außerdem kann unter der Verwendung einer Kombination einer Spule und zwei Referenzspannungen oder einer Kombination von zwei Spulen und einer Referenzspannung die vorliegende Erfindung in einfacher Weise im Ansprechen auf eine aktuelle lineare Position des zu detektierenden Objekts mehrere Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugen, welche Amplituden einer vorbestimmten zyklischen Funktionscharakteristik darstellen (z.B. zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, welche Amplituden von Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken darstellen), und kann auch mindestens ungefähr einen Quadranten (90°) als einen verfügbaren Phasenwinkelbereich vorsehen. Dementsprechend kann auch mit einer verringerten Anzahl von Spulen die vorliegende Erfindung eine effektive Positionsdetektion über einen relativ breiten Phasenwinkelbereich sowie eine beträchtlich gesteigerte Detektionsauflösung vorsehen. Auch bei sehr kleinen oder mikroskopischen Verschiebungen des zu detektierenden Objekts erlaubt die vorliegende Erfindung, die Position des zu detektierenden Objekts mit einer hohen Auflösung zu erfassen. Außerdem können durch den Einsatz einer Schaltung (z.B. einer Spule), welche Temperaturcharakteristiken aufweisen, die denjenigen der Detektionsspulen ähnlich sind, als die Referenzspannungserzeugungsschaltung, vorbestimmte subtraktive arithmetische Operationen in der arithmetischen Operationsschaltung automatisch die Temperaturdriftcharakteristiken in einer entsprechenden Weise kompensieren, wodurch eine höchst präzise Positionsdetektion ohne Einflüsse von Temperaturveränderungen vorgesehen wird. Außerdem kann zum Konstruieren der Referenzspannungserzeugungsschaltung ein Widerstand oder ein anderes geeignetes Element anstelle der Spulen verwendet werden. Außerdem können die Anzahlen der Spulen und Referenzspannungen größer als eins oder zwei sein, wobei in diesem Fall der verfügbare Phasenwinkelbereich erweitert und größer als ungefähr ein Quadrant (90°) sein kann.
Die Positionsdetektorvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann auch als eine Drehpositionsdetektorvorrichtung konstruiert sein. Wenn die Amplitudenkoeffizientenkomponente, die durch eine inkrementelle (ansteigende) oder dekrementelle (abfallende) Variation der Zwischen-Klemmen-Spannung einer Spule erzeugt wird, die einer Drehverschiebung des zu detektierenden Objekts entspricht, durch eine Funktion A(θ) repräsentiert wird, wobei ein Rotationswinkel θ eine Variable ist, dann kann die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule durch A(θ)sinωt ausgedrückt werden. In diesem Fall nimmt die Amplitudenkoeffizientenkomponente A(θ) nur einen positiven Wert an, auch wenn er in Übereinstimmung mit der Rotationsverschiebung des zu detektierenden Objekts zu- oder abnimmt. Angenommen, die inkrementelle/dekrementelle Variationskurve der Amplitudenkoeffizientenkomponente A(θ) weist eine Charakteristik auf, die derjenigen einer Sinuskurve angenähert ist und wenn ihr Spitzenwert durch P bezeichnet wird, kann die Amplitudenkoeffizientenkomponente A(θ) typischerweise durch die Gleichung A(θ) = Po + Psinθ ausgedrückt werden, wobei Po ≥ P. Die Amplitudenkoeffizientenkomponente A(θ) weist nämlich eine solche Charakteristik auf, die durch Verschieben des Werts von Psinθ mit dem Versatzwert Po erhalten werden kann.
Die Dreh-Positionsdetektorvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch: Erzeugen einer vorbestimmten Referenzspannung; Abgreifen einer Spannung zwischen Anschlüssen einer Spule; und Durchführen einer arithmetischen Operation zwischen der vorbestimmten Referenzspannung und der abgegriffenen Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule, um so ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal mit einer vorbestimmten zyklischen Amplitudenfunktion als einen Amplitudenkoeffizienten zu erzeugen. Wenn die vorbestimmte Referenzspannung durch Posinωt repräsentiert wird, ergibt sich durch Subtrahieren der Referenzspannung Posinωt von der Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule A(θ)sinωt: A(θ)sinωt – Posinωt = (Po + Posinθ)sinωt – Posinωt = Posinθsinωt
Indem arithmetische Operationen zwischen dem Ausgangssignal aus der einzigen Spule und der Referenzspannung durchgeführt werden, kann ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal mit einer Amplitudenkoeffizientenkomponente einer wirklichen Sinusfunktion sinθ (oder einer wirklichen Kosinusfunktion)erzeugt werden, die in der positiven und der negativen Richtung schwingt. Solche erfindungsgemäße Anordnungen können die nötige Spulenstruktur beträchtlich vereinfachen. Außerdem kann die vorliegende Erfindung eine verbesserte Dreh-Positionsdetektorvorrichtung vorsehen, deren Größe noch kompakter und deren Aufbau noch einfacher ist, da sie nur eine Primärspule, jedoch keine Sekundärspule benötigt.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dreh-Positionsdetektorvorrichtung weist der Spulenabschnitt zwei Spulen auf, die um einen vorbestimmten Winkel entlang einer Variationsrichtung der relativen Drehpositionen zwischen den Spulen und dem magnetismusempfindlichen Teil voneinander beabstandet sind, und die Referenzspannungserzeugungsschaltung erzeugt eine Referenzspannung (z.B. Posinωt), die einem Variationsmittelpunkt einer Spannung zwischen den Anschlüssen der beiden Spulen entspricht. Die arithmetische Operationsschaltung subtrahiert die Referenzspannung von der Spannung zwischen den Anschlüssen einer ersten der beiden Spulen, um einen Spannungsversatz, der der Referenzspannung entspricht, aufzuheben, und erzeugt dadurch ein erstes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal (z.B. sinθsinωt), das als einen Amplitudenkoeffizienten eine erste zyklische Amplitudenfunktion aufweist, die um den Variationsmittelpunkt in der positiven und der negativen Richtung schwingt. Die arithmetische Operationsschaltung subtrahiert auch die Referenzspannung von der Spannung zwischen den Anschlüssen einer zweiten der beiden Spulen, um einen Spannungsversatz zu löschen, der der Referenzspannung entspricht, und erzeugt hierdurch ein zweites Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal (z.B. cosθsinωt), das als einen Amplitudenkoeffizienten eine zweite zyklische Amplitudenfunktion aufweist, die um den Variationsmittelpunkt in der positiven und der negativen Richtung schwingt. In diesem Fall kann durch Vorsehen von nur zwei Spulen ein Sinusphasen-Ausgangssignal (sinθsinωt) und ein Kosinusphasen-Ausgangssignal (cosθsinωt) vorgesehen werden, das demjenigen ähnlich ist, das von bekannten Drehwinkelgebern erzeugt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dreh-Positionsdetektorvorrichtung führt die arithmetische Operationsschaltung unter der Verwendung der Spannung zwischen den Anschlüssen einer der Spulen und der Referenzspannung vorbestimmte erste und zweite arithmetische Operationen durch, um hierdurch ein erstes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal zu erzeugen, das eine erste Amplitudenfunktion als sein Amplitudenkoeftizient hat, und ein zweites Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal, das eine zweite Amplitudenfunktion als sein Amplitudenkoeffizient hat. In dieser Weise können bezüglich einer Drehverschiebung des Objekts innerhalb eines vorbestimmten begrenzten Bereichs mechanische Drehwinkelpositionserfassungsdaten auf einer vorbestimmten begrenzten Phasenerfassungsskala (d.h. einem Bereich von 90°) und nicht einer Erfassungsskala einer vollständigen Phase von 360° erhalten werden, wie später im Einzelnen noch beschrieben wird. Trotz der vorbestimmten eingeschränkten Phasenerfassungsskala kann ein Sinusphasen-Ausgangssignal (sinθsinωt) und ein Kosinusphasen-Ausgangssignal (cosθsinωt) in ähnlicher Weise, wie sie durch die bekannten Drehwinkelgeber erzeugt werden, jedoch unter der Verwendung lediglich einer Spule erzeugt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dreh-Positionsdetektorvorrichtung kann der Spulenabschnitt in einem vorbestimmten eingeschränkten Winkelbereich, der geringer als ein vollständiger Rotationsbereich des zu erfassenden Objekts ist, vorgesehen werden, so dass die Detektorvorrichtung zum Erfassen einer Drehposition innerhalb des vorbestimmten eingeschränkten Winkelbereichs in geeigneter Weise eingesetzt werden kann. Ein solcher Spulenabschnitt, der sich lediglich über einen eingeschränkten oder einseitigen Winkelbereich erstreckt, wird hauptsächlich in einer Situation nützlich sein, bei der die Dreh-Positionsdetektorvorrichtung der vorliegenden Erfindung in einer schon bestehenden eingerichteten Maschine oder einer entsprechenden Vorrichtung eingebaut werden soll. Wenn nämlich innerhalb des vorbestimmten Drehwinkelbereichs einer Drehwelle schon ein großes Hindernis vorhanden ist, wobei die Drehwelle das zu erfassende Objekt ist, und es unmöglich ist, den Statorspulenabschnitt über einen Bereich zu installieren, welcher der vollständigen Drehung der Drehwelle entspricht, kann einfach der Spulenabschnitt, der sich lediglich über den eingeschränkten Winkelbereich in der Ausführungsform erstreckt, in einem Winkelbereich installiert werden, der von Hindernissen frei ist, was sich als sehr nützlich erweisen kann.
Eine Dreh-Positionsdetektorvorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Spulenabschnitt mit mindestens zwei Paaren durch ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal anzuregenden Spulen, wobei die Spulen in den jeweiligen Paaren um eine Entfernung voneinander beabstandet angeordnet sind, der einem vorbestimmten Drehwinkel entspricht; ein magnetismusempfindliches Teil, das bezüglich dem Spulenabschnitt drehbar beweglich ist, bei dem relative Drehpositionen zwischen dem magnetismusempfindlichen Teil und dem Spulenabschnitt im Ansprechen auf eine Drehverschiebung eines zu detektierenden Objekts variiert und eine Impedanz der jeweiligen Spulen im Ansprechen auf eine Variation der relativen Drehpositionen in einer solchen Weise geändert wird, dass eine in den jeweiligen Spulen erzeugte Spannung im Ansprechen auf eine Variation der Impedanz der Spule während der Variation der relativen Rotationspositionen innerhalb eines vorbestimmten Rotationswinkelbereichs geändert wird, wobei die in den entsprechenden Spulen in den jeweiligen Paaren erzeugten Spannungen Differenzialcharakteristiken aufweisen; und eine an den Spulenabschnitt gekoppelte Schaltung, welche für jede der zwei Paaren von Spulen zum Erzeugen eines Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignals mit einer vorbestimmten zyklischen Amplitudenfunktion als einen Amplitudenkoeffizienten ausgelegt ist, indem eine Differenz der in den entsprechenden Spulen erzeugten Spannungen abgenommen wird, wobei sich die zyklischen Amplitudenfunktionen der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, die für diese zwei Paare von Spulen erzeugt werden, in ihren zyklischen Charakteristiken um eine vorbestimmte Phase unterscheiden.
Wenn eines der Spulenpaare in der auf diese Weise konstruierten Dreh-Positionsdetektorvorrichtung eine Sinusphase hat und wenn eine der Spulen im Paar eine Charakteristik von (Po + Posinθ)sinwt aufweist, dann weist die andere Spule im Paar eine Charakteristik von (Po – Posinθ)sinωt auf, weil die inkrementellen/dekrementellen Variationen in den erzeugten Spannungen, d.h. Zwischen-Klemmen-Spannungen, der Spulen in diesem Paar differenzielle Charakteristiken aufweisen. Das Abnehmen einer Differenz zwischen den beiden Charakteristiken ergibt dann: (Po + Psinθ)sinωt – {(Po – Psinθ)sinωt} = 2Psinθsinωt
Wenn weiter das andere Spulenpaar in dieser erfindungsgemäßen Dreh-Positionsdetektorvorrichtung eine Kosinusphase hat, weisen die inkrementellen/dekrementellen Variationen der Zwischen-Klemmen-Spannungen der Spule in diesem Paar differenzielle Charakteristiken wie folgt auf: das Abnehmen einer Differenz zwischen den beiden Charakteristiken ergibt (Po + Pcosθ)sinωt – {(Po – Pcosθ)sinωt} = 2Pcosθsinωt
Ein solches differenzielles Syntheseprinzip, das in der vorliegenden Erfindung angewendet wird, ist allgemein demjenigen ähnlich, das schon auf dem Gebiet der Drehwinkelgeber bekannt ist, außer dass die herkömmlicherweise bekannten Drehwinkelgeber sowohl Primär- als auch Sekundärspulen erfordern würden. Im Gegensatz zu den herkömmlicherweise bekannten Drehwinkelgebern erfordert die vorliegende Erfindung nämlich nur Primärspulen und keine Sekundärspule, wodurch die nötige Spulenstruktur vereinfacht werden kann, was dazu führt, dass eine verbesserte Dreh-Positionsdetektorvorrichtung vorgesehen werden kann, deren Aufbau beträchtlich vereinfacht wurde.
Eine Positionsdetektorvorrichtung nach einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Spulenabschnitt, der mehrere Spulensegmente aufweist, die durch ein vorbestimmtes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal angeregt werden, wobei die Spulensegmente in Reihe entlang einer Verschiebungsrichtung eines zu detektierenden Objekts angeordnet sind; ein magnetismusempfindliches Teil, das im Verhältnis zum Spulenabschnitt beweglich ist, wobei relative Positionen zwischen dem magnetismusempfindlichen Teil und dem Spulenabschnitt im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts variiert, und eine Impedanz der jeweiligen Spulensegmente im Ansprechen auf eine Variation der relativen Positionen in einer solchen Weise geändert wird, dass eine in den jeweiligen Spulensegmenten erzeugte Spannung während einer Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils von einem Ende zu einem anderen der jeweiligen Spulensegmente stetig ansteigt oder abfällt; und eine analoge arithmetische Operationsschaltung, die an den Spulenabschnitt gekoppelt ist, wobei die analoge arithmetische Operationsschaltung zum Erzeugen mehrerer Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale ausgelegt ist, welche Amplituden auf der Grundlage vorbestimmter zyklischer Funktionscharakteristiken aufweisen, die einer Position des zu detektierenden Objekts entsprechen, indem Spannungen der Spulensegmente abgenommen werden und an den abgenommenen Spannungen eine Addition und/oder eine Subtraktion durchgeführt wird, wobei die zyklischen Funktionscharakteristiken die Amplituden der mehreren Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale definieren, welche zyklische Funktionen eines gleichen Charakters aufweisen, die sich um eine vorbestimmte Phase voneinander unterscheiden.
Typischerweise weist das magnetismusempfindliche Element mindestens eine magnetische Substanz und/oder eine elektrisch leitfähige Substanz auf. In dem Fall, wo das magnetismusempfindliche Element aus einer magnetischen Substanz ist, wird, wenn sich das magnetismusempfindliche Element zu einem der Spulensegmente hinbewegt, d.h. wenn der Grad der Proximität des magnetismusempfindlichen Elements zum Spulensegment größer wird, die Selbstinduktanz des Spulenelements größer, und die vom Spulensegment erzeugte Spannung (d.h. eine Zwischen-Klemmen-Spannung des Spulensegments) wird während einer Bewegung der Spitze des magnetismusempfindlichen Elements von einem Ende zum anderen des Spulensegments stetig größer. Durch eine Anordnung der mehreren Spulensegmente in einer Reihe entlang der Verschiebungsrichtung des zu detektierenden Objekts tritt eine stetige Erhöhung (oder stetige Verringerung) sequenziell in den Zwischen-Klemmen-Spannungen der Spulensegmente auf, während sich das magnetismusempfindliche Teil im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden Objekts im Verhältnis zu diesen Spulensegmenten bewegt. Durch Kombinieren und Einsetzen der stetigen Erhöhungen (oder stetigen Verringerungen) in den Zwischen-Klemmen-Spannungen der einzelnen Spulensegmente, während sie als Variationen in Teilphasenbereichen vorbestimmter zyklischer Funktionen betrachtet werden, kann die vorliegende Erfindung mehrere Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugen, welche Amplituden aufweisen, die auf vorbestimmten zyklischen Funktionscharakteristiken basieren, die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen. Die mehreren Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, welche Amplituden auf der Grundlage vorbestimmter zyklischer Funktionscharakteristiken aufweisen, welche einer Position des zu detektierenden Objekts entsprechen, können nämlich durch Abnehmen der Zwischen-Klemmen-Spannungen der Spulensegmente und durch Durchführen einer Addition und/oder Subtraktion an den abgenommenen Spannungen erzeugt werden.
Typischerweise kann eine stetig ansteigende Variationskurve der Zwischen-Klemmen-Spannung eines beliebigen der Spulensegmente, die während der Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils von einem Ende der Spule zum anderen auftritt, zum Beispiel mit einer Funktionswertvariation über einen Bereich von 0°–90° einer Sinusfunktion verglichen werden. Außerdem kann diese stetig ansteigende Variationskurve in eine Variationskurve konvertiert werden, die von einem vorbestimmten Pegel stetig abfällt, indem die Amplituden der Spannungen umgekehrt werden und eine Spannungsverschiebungsoperation zum Addieren eines vorbestimmten Versatzpegels zu den umgekehrten Amplituden durchgeführt wird.
Eine solche stetig abfallende Variationskurve der Zwischen-Klemmen-Spannung kann zum Beispiel mit einer Funktionswertvariation über einen Bereich von 90°–180° einer Sinusfunktion verglichen werden. Auf diese Weise können die stetig ansteigenden Variationen der Zwischen-Klemmen-Spannung, die zum Beispiel in einer Reihe von vier Spulensegmenten sequenziell auftreten, mit Funktionswertvariationen in einem Bereich von 0° bis 90°, einem Bereich von 90° bis 180°, einem Bereich von 180° bis 270° bzw. einem Bereich von 270° bis 360° verglichen werden. Eine Steigungsrichtung und ein Spannungsverschiebungs-Versatzpegel in jedem dieser Bereiche kann in entsprechender Weise durch geeignete analoge arithmetische Operationen gesteuert werden. Auf diese Weise kann die vorliegende Erfindung ein erstes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalerzeugen, das Amplituden auf der Grundlage der Sinusfunktionscharakteristiken aufweist, die einer Position des zu detektierenden Objekts entsprechen, sowie ein zweites Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal, das Amplituden auf der Grundlage der zyklischen Funktionen mit dem gleichen Charakter aufweisen, d.h. die Kosinusfunktionscharakteristik, deren Phase gegenüber der Sinusfunktion um 90° verschoben ist.
Als eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können daher zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugt werden, die Amplituden auf der Grundlage der Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen, die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen. Allgemein können die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale mit Amplituden auf der Grundlage der Sinusfunktionscharakteristik durch sinθsinωt dargestellt werden, während die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale mit Amplituden auf der Grundlage der Kosinusfunktionscharakteristik durch cosθsinωt dargestellt werden können. Diese Ausgangssignale sind in ihrer Form den Ausgangssignalen der bekannten Positionsdetektorvorrichtungen ähnlich, die allgemein als Drehwinkelgeber bezeichnet werden, was sich in verschiedenen Anwendungsbereichen als äußerst nützlich erweist. In manchen Anwendungsbereichen kann die erfindungsgemäße Positionsdetektorvorrichtung weiter einen Amplituden-Phasen-Konverterabschnitt aufweisen, der zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale empfängt, die über die oben erwähnte analoge arithmetische Operationsschaltung erzeugt wurden, kann dann von einer Korrelation zwischen den Amplitudenwerten der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale einen spezifischen Phasenwert in der Sinus- und Kosinusfunktion erfassen, welche die Amplitudenwerte definieren, und dann Positionsdetektionsdaten erzeugen, die eine aktuelle Position des zu detektierenden Objekts anzeigen. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß eine verbesserte Positionsdetektorvorrichtung vorgesehen werden, deren Größe äußerst kompakt und deren Aufbau sehr einfach ist, da sie nur eine Primärspule benötigt, jedoch keine Sekundärspule. Außerdem kann mit der Anordnung, bei der mehrere Spulensegmente in einer Reihe entlang der Verschiebungsrichtung des zu detektierenden Objekts angeordnet werden, so dass ein stetiges Zunehmen (oder stetiges Abnehmen) bei den Zwischen-Klemmen-Spannungen der Spulensegmente sequenziell auftritt, während sich das magnetismusempfindliche Teil von einem Ende zum anderen eines beliebigen der Spulensegmente bewegt, die vorliegende Erfindung im Ansprechen auf eine aktuelle lineare Position des zu detektierenden Objekts einfach mehrere Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugen, welche Amplituden vorbestimmter zyklischer Funktionscharakteristiken aufweisen (z.B. zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, die Amplituden von Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen), indem die Zwischen-Klemmen-Spannungen der Spulensegmente abgenommen werden und die abgenommenen Spannungen nach einer Durchführung einer Addition und/oder Subtraktion kombiniert werden. Außerdem kann die vorliegende Erfindung einen weiteren verfügbaren Phasenwinkelbereich vorsehen. Zum Beispiel kann die Erfindung auch Positionen über einen vollen Phasenwinkelbereich von 0°–360° erfassen. Da die mehreren Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, welche Amplituden vorbestimmter zyklischer Funktionscharakteristiken aufweisen, durch Kombinieren der Ausgangsspannungen von den mehreren Spulensegmenten erzeugt werden, welche die gleichen Temperaturcharakteristiken aufweisen, nachdem eine Addition oder Subtraktion an ihnen vorgenommen wurde, kann die vorliegende Erfindung die Temperaturcharakteristiken in geeigneter Weise selbsttätig kompensieren, wodurch in einfacher Weise eine hochpräzise Positionsdetektion vorgesehen wird, die von Temperaturänderungen unabhängig ist. Außerdem kann auch bei sehr kleinen oder mikroskopischen Verschiebungen des zu detektierenden Objekts eine aktuelle Position des Objekts mit hoher Auflösung detektiert werden, indem aus einer Korrelation zwischen den Amplitudenwerten dieser Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale ein Phasenwert in den vorbestimmten zyklischen Funktionen (z.B. Sinus- und Kosinusfunktionen), welche die Amplitudenwerte definieren, erfasst wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass in dem Fall, wo das magnetismusempfindliche Teil aus einer nicht magnetischen Substanz einer guten elektrischen Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Kupfer, hergestellt wird, ein Wirbelstromverlust auftritt, der verursacht, dass die Selbstinduktanz der Spule abnimmt und die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule stetig abnimmt, während das magnetismusempfindliche Teil der Spule näher kommt. Auch in diesem Fall kann die Positionsdetektorvorrichtung in der gleichen Weise, wie oben erwähnt, konstruiert werden. Außerdem ist wichtig, zu beachten, dass das magnetismusempfindliche Teil auch ein Hybridteil sein kann, das aus einer Kombination einer magnetischen Substanz und einer elektrisch leitfähigen Substanz ist. Als weiteres Beispiel kann das magnetismusempfindliche Teil einen Permanentmagneten enthalten, und der Spulenabschnitt kann einen Magnetkern enthalten. In diesem Fall wird beim Näherkommen des Permanentmagneten ein entsprechender Teil des Magnetkerns im Spulenabschnitt magnetisch gesättigt oder übersättigt, so dass die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule im Ansprechen auf die Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils näher zur Spule stetig abnimmt. Außerdem können auch Dummy-Impedanzmittel, nämlich die Referenzspannungserzeugungsschaltung, ein Widerstands- oder Induktanzmittel, wie zum Beispiel eine Spule enthalten, wie schon erwähnt; jedoch muss die Dummy-Spule in einer solchen Weise angeordnet werden, dass ihre Selbstinduktanz durch die Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils nicht beeinflusst wird.
Zum besseren Verständnis der Aufgabe und anderer Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bevorzugte Ausführungsformen im Einzelnen nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
1A einen schematischen Axialschnitt, der einen Hauptteil einer Positionsdetektorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, entlang einer Achse eines Spulenabschnitts;
1B eine schematische Draufsicht auf den in 1A gezeigten Teil der Positionsdetektorvorrichtung;
1C ein Blockdiagramm, das elektrische Schaltungen zeigt, die dem Spulenabschnitt von 1A zugeordnet sind;
2A und 2B Kurvendarstellungen, die den Positionsdetektionsbetrieb der in 1A gezeigten Ausführungsform zeigen;
3A einen schematischen Axialschnitt, der einen Hauptteil einer Modifikation der in den 1A und 1B gezeigten Positionsdetektorvorrichtung zeigt;
3B eine schematische Draufsicht des in 3A gezeigten Teils der Positionsdetektorvorrichtung;
4 einen schematischen Axialschnitt, der einen Hauptteil einer weiteren Modifikation der in den 1A und 1B gezeigten Positionsdetektorvorrichtung zeigt;
5 einen schematischen Axialschnitt, der einen Hauptteil noch einer weiteren Modifikation der in den 1A und 1B gezeigten Positionsdetektorvorrichtung zeigt;
6 einen schematischen Axialschnitt, der einen Hauptteil noch einer weiteren Modifikation der in den 1A und 1B gezeigten Positionsdetektorvorrichtung zeigt;
7A einen schematischen Axialschnitt, der einen Hauptteil einer Positionsdetektorvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7B ein Blockdiagramm, das elektrische Schaltungen zeigt, die einem Spulenabschnitt von 7A zugeordnet sind;
8A und 8B Kurvendarstellungen, die einen Positionsdetektionsbetrieb der in 7A gezeigten Ausführungsform erläutern;
9A–9C eine Dreh-Positionsdetektorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 9A eine schematische Vorderansicht eines Hauptteils der Positionsdetektorvorrichtungen, die ein Beispiel eines physischen Positionsverhältnisses zwischen einzelnen Detektorspulen eines Statorabschnitts und ein magnetismusempfindliches Teil eines Rotorabschnitts in der Positionsdetektorvorrichtung zeigt, 9B eine schematische seitliche Schnittdarstellung des Teils der Positionsdetektorvorrichtung und 9C ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel den Detektorspulen des Statorabschnitts zugeordneter elektrischer Schaltungen zeigt;
10A und 10B Kurvendarstellungen, die einen Positionsdetektionsbetrieb, der in den 9A bis 9C gezeigten Ausführungsform erläutert, wobei 10A ideale Kurven von Impedanzvariationen der einzelnen Detektionsspulen, die auf eine Variation in einem Rotationswinkel θ ansprechen, und 10B Amplitudenvariationscharakteristiken zeigt, die einem Rotationswinkel θ in Ausgangssignalen entsprechen, die durch Durchführen von arithmetischen Operationen an Ausgangsspannungen der Detektionsspulen mit einer Referenzspannung erzeugt werden;
11A eine schematische Vorderansicht, die einen Hauptteil einer Dreh-Positionsdetektorvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11B eine schematische seitliche Schnittdarstellung des Hauptteils der Dreh-Positionsdetektorvorrichtung;
12A eine schematische Vorderansicht, die einen Hauptteil einer Dreh-Positionssektorvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12B eine schematische seitliche Schnittdarstellung des Hauptteils der Dreh-Positionsdetektorvorrichtung;
13 eine schematische Vorderansicht, die einen Hauptteil einer Dreh-Positionsdetektorvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
14A bis 14C eine Ausführungsform der Dreh-Positionsdetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der nur eine Detektionsspule verwendet wird, wobei 14A eine schematische Vorderansicht des Hauptteils der Positionsdetektorvorrichtung, die ein Beispiel eines physischen Positionsverhältnisses zwischen der Detektorspule eines Statorabschnitts und einem magnetismusempfindlichen Teil eines Rotorabschnitts in der Positionsdetektorvorrichtung zeigt, 14B eine schematische seitliche Schnittdarstellung des Teils der Positionsdetektorvorrichtung und 14C ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel der Detektionsspule des Statorabschnitts zugeordneter elektrischer Schaltungen zeigt;
15 eine Kurvendarstellung, die einen Positionsdetektionsbetrieb, der in den 14A–14C gezeigten Ausführungsform erläutert wird;
16A–16C eine weitere Ausführungsform der Dreh-Positionsdetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der keine Referenzspannung verwendet wird, wobei 16A eine schematische Vorderansicht eines Hauptteils der Positionsdetektorvorrichtung, die ein Beispiel eines physischen Positionsverhältnisses zwischen einzelnen Detektorspulen eines Statorabschnitts und eines magnetismusempfindlichen Teils eines Rotorabschnitts in der Positionsdetektorvorrichtung zeigt, 16B eine seitliche Schnittdarstellung des in 16A gezeigten Teils der Positionsdetektorvorrichtung und 16C ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel den Detektorspulen des Statorabschnitts zugeordneter elektrischer und elektronischer Schaltungen zeigt;
17A–17C eine Positionsdetektorvorrichtung gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei 17A eine schematische perspektivische Darstellung eines Hauptteils der Positionsdetektorvorrichtung, 17B eine seitliche Schnittdarstellung des Teils der Positionsdetektorvorrichtung entlang einer Achse eines Spulenabschnitts und 17C ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel dem Spulenabschnitt zugeordneter elektrischer Schaltungen zeigt;
18 eine Kurvendarstellung, die einen Positionsdetektionsbetrieb der in den 17A bis 17C gezeigten Positionsdetektorvorrichtungen erläutert;
19 einen elektrischen Schaltplan, der eine Modifikation der Positionsdetektorvorrichtungen der 17A bis 17C in Bezug auf den Spulenabschnitt zeigt;
20 einen elektrischen Schaltplan, der eine weitere Modifikation der Positionsdetektorvorrichtung der 17A bis 17C in Bezug auf den Spulenabschnitt zeigt;
21A bis 21C noch eine weitere Modifikation der Positionsdetektorvorrichtung der 17A bis 17C, wobei 21A ein elektrischer Schaltplan, der sich auf den Spulenabschnitt bezieht, 21B eine Kurvendarstellung, die beispielhafte Ausgangssignale aus einzelnen Spulen des Spulenabschnitts zeigt, und 21C ein Diagramm ist, das eine beispielhafte Art und Weise erläutert, in der Ausgangssignale aus den einzelnen Spulen durch arithmetische Operationen synthetisiert werden;
22A bis 22C weitere Modifikationen der Positionsdetektorvorrichtung der 17A bis 17C, wobei 22A ein elektrischer Schaltplan, der sich auf den Spulenabschnitt bezieht, 22B eine Kurvendarstellung, die beispielhafte Ausgangssignale aus einzelnen Spulen des Spulenabschnitts zeigt, und 22C ein Diagramm ist, das eine beispielhafte Art und Weise erläutert, in der eine Position auf der Grundlage der Ausgangssignale aus den einzelnen Spulen erfasst wird;
23A bis 23E noch eine weitere Modifikation der Positionsdetektorvorrichtung der 17A bis 17C, wobei 23A ein elektrischer Schaltplan, der sich auf den Spulenabschnitt bezieht, 23B eine Kurvendarstellung, die beispielhafte Ausgangssignale aus einzelnen Spulen des Spulenabschnitts zeigt, 23C ein Diagramm, das eine beispielhafte Art und Weise erläutert, in der die Ausgangssignale aus den einzelnen Spulen durch arithmetische Operationen synthetisiert werden, 23D ein Diagramm, das eine beispielhafte Art und Weise erläutert, in der eine Position auf der Grundlage der Ausgangssignale aus den einzelnen Spulen erfasst wird, und 23E ein elektrischer Schaltplan ist, der eine modifizierte Verbindung zwischen den Spulen zeigt;
24 eine schematische Darstellung, die eine modifizierte Anordnung der Spulen in den jeweiligen in den 17A bis 23E gezeigten Ausführungsformen zeigt;
25A eine schematische Schnittdarstellung, die ein modifiziertes Positionsverhältnis zwischen einem magnetismusempfindlichen Teil und den Spulen in den jeweils in den 17A bis 23E gezeigten Ausführungsformen zeigt;
25B eine schematische Schnittdarstellung, die noch ein weiteres modifiziertes Positionsverhältnis zwischen dem magnetismusempfindlichen Teil und den Spulen zeigt;
26 eine schematische Schnittdarstellung, die noch eine weitere modifizierte Anordnung der Spulen in den jeweils in den 17A bis 23E gezeigten Ausführungsformen zeigt;
27 eine schematische Schnittdarstellung, die noch eine weitere modifizierte Anordnung der Spulen in den jeweils in den 17A bis 23E gezeigten Ausführungsformen zeigt;
28 eine Seitenansicht, die schematisch ein Beispiel zeigt, bei dem die Positionsdetektorvorrichtung gemäß den jeweiligen Ausführungsformen der 17A bis 27 zur Detektion einer Position eines sich entlang eines gebogenen oder in einer Kurve verlaufenden Pfads bewegenden Objekts angewendet wird;
29 eine Draufsicht auf ein Beispiel eines in einem Hybridteil konstruierten magnetismusempfindlichen Teils, das eine Kombination einer magnetischen Substanz und einer elektrisch leitfähigen Substanz umfasst, die auf jede der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann;
30 eine perspektivische Darstellung, die ein Beispiel des magnetismusempfindlichen Teils zeigt, das einen Permanentmagneten aufweist, das auf jede der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar ist;
31A und 31B Schnittdarstellungen, die Modifikationen der Spulenanordnung im in 25B gezeigten Spulenabschnitt zeigen;
32 einen schematischen Axialschnitt, der noch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsdetektorvorrichtung zeigt;
33A bis 33C Diagramme, welche Prinzipien darstellen, aufgrund derer die Positionsdetektorvorrichtung von 32 eine Position erfasst, wobei 33A eine schematische perspektivische Darstellung eines Hauptteils der Detektorvorrichtung, die ein Verhältnis zwischen dem Spulenabschnitt und dem magnetismusempfindlichen Teil von 32 zeigt, 33B ein schematischer Schnitt entlang der Achse des Spulenabschnitts und 33C ein Blockdiagramm ist, das dem Spulenabschnitt zugeordnete elektronische Schaltungen zeigt;
34 ein Diagramm, das einen Positionsdetektionsbetrieb, der in den 33A bis 33C gezeigten Ausführungsform zeigt, wobei Teil (A) eine Kurvendarstellung ist, die beispielhafte Ausgangssignale aus den einzelnen Spulen zeigt, und Teil (B) ein Diagramm ist, das eine beispielhafte Art und Weise erläutert, in der die Ausgangssignale aus den einzelnen Spulen durch die arithmetischen Operationen synthetisiert werden;
35 ist ein Diagramm, das schematisch ein weiteres Beispiel einer Spulenverschiebung in der vorliegenden Erfindung zeigt;
36 eine schematische Teilschnittansicht einer Positionsdetektorvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
37 einen elektrischen Schaltplan eines Spulenabschnitts in der Positionsdetektorvorrichtung von 36;
38A bis 38C schematische Darstellungen einer Positionsdetektorvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 38A eine schematische perspektivische Ansicht eines Hauptteils der Positionsdetektorvorrichtung, 38B eine seitliche Teilschnittansicht davon und 38C eine Ansicht ist, die in einem entfalteten Zustand ein Beispiel eines Musters eines magnetismusempfindlichen Teils zeigt, das auf einer Oberfläche eines stabartigen Basiselements ausgebildet ist, und eine dementsprechende Anordnung von Spulen zeigt;
39A bis 39E schematische Darstellungen einer Positionsdetektorvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 39A ein Schnitt, der ein stabartiges Basiselement und einen Spulenabschnitt zeigt, 39B eine Ansicht, welche das stabartige Basiselement und den Spulenabschnitt in einem entfalteten Zustand zeigt, 39C ein Blockdiagramm einer den einzelnen Spulen zugeordneten elektrischen Schaltung und 39D und 39E Diagramme sind, welche den Positionsdetektionsbetrieb der Ausführungsform erläutern; und
40A bis 40D schematische Darstellungen einer Positionsdetektorvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 40A ein Diagramm, das in einem entfalteten Zustand vier unterschiedliche Muster zeigt, die auf einem Basiselement durch ein magnetismusempfindliches Teil gebildet werden, die 40B und 40C Diagramme, die einen Positionsdetektionsbetrieb der Ausführungsform erläutern, und 40D ein Blockdiagramm den Spulen zugeordneter elektrischer Schaltungen ist.
1A ist eine Schnittdarstellung eines Hauptteils einer Positionsdetektorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Beispiel eines physischen Positionsverhältnisses zwischen einem Spulenabschnitt 50 und einem magnetismusempfindlichen Teil 60 in der Positionsdetektorvorrichtung gezeigt ist, wobei der Schnitt entlang der Achse des Spulenabschnitts 50 ist. 1B ist eine schematische Draufsicht auf den Spulenabschnitt 50 und das magnetismusempfindliche Teil 60, und 1C ist ein Schaltplan, der ein Beispiel dem Spulenabschnitt 50 zugeordneter elektrischer Schaltungen zeigt. Die Positionsdetektorvorrichtung von 1 ist so ausgelegt, dass sie eine lineare Position eines zu detektierenden Objekts (Detektionsobjekts) erfasst, bei dem der Spulenabschnitt 50 in einer Position fest steht und das magnetismusempfindliche Teil 60 im Verhältnis zum Spulenabschnitt 50 im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts linear beweglich ist. Es sollte jedoch offensichtlich sein, dass das magnetismusempfindliche Teil 60 auch eine feste Position haben kann und der Spulenabschnitt 50 so angeordnet sein kann, dass er im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts im Verhältnis zum magnetismusempfindlichen Teil 60 beweglich ist.
Der Spulenabschnitt 50 enthält eine einzelne Spule L1, die durch ein vorbestimmtes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal anzuregen ist, und einen Magnetkern 51, der in der Spule L1 vorgesehen ist. Das magnetismusempfindliche Teil 60 hat eine ebene Oberfläche, die einem Ende des Magnetkerns 51 gegenüber liegt, wobei dazwischen ein Luftspalt liegt, und diese ebene Oberfläche des magnetismusempfindlichen Teils 60 ist im Ansprechen auf eine Variation der Position des zu detektierenden Objekts in einer Richtung eines Pfeils "x" oder in einer dazu entgegengesetzten Richtung beweglich, um hierdurch eine Abmessungsvariation beim dazwischen liegenden Luftspalt zu verursachen. Eine solche Variation beim dazwischen liegenden Luftspalt verursacht dann wieder eine Variation in der Größe des Magnetflusses, der durch den Magnetkern 51 und die Spule L1 gelangt, so dass eine Selbstinduktanz der Spule L1 variiert. Die Variation der Selbstinduktanz der Spule L1 bringt auch eine Impedanzvariation der Spule L1 mit sich, die als eine Spannung zwischen zwei Anschlüssen (eine Zwischen-Klemmen-Spannung) der Spule L1 gemessen werden kann. Zum Zwecke der Beschreibung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung sei angenommen, dass das magnetismusempfindliche Teil 60 aus einer magnetischen Substanz, wie zum Beispiel Eisen besteht. Die auf diese Weise konstruierte Positionsdetektorvorrichtung ist zur Verwendung beim Erfassen einer winzigen oder mikroskopischen Verschiebung von zum Beispiel einer Folie, wie zum Beispiel einer Membran, geeignet. Wenn die Membran, die das zu detektierende Objekt ist, aus einem magnetischen (oder elektrisch leitfähigen) Material ist, dann kann die Membran selbst dazu veranlasst werden, als das magnetismusempfindliche Teil 60 zu fungieren. Alternativ dazu kann das magnetismusempfindliche Teil 60 in der Form einer Folie oder Oberfläche auf die zu detektierende Membran oder dergleichen aufgetragen oder beschichtet sein.
In 1A ist ein maximaler Bewegungsbereich des magnetismusempfindlichen Teils 60 durch die Punkte "a" und "b" veranschaulicht. Der Punkt "a" repräsentiert eine Position, bei der das Element 60 sich am weitesten von der Spule L1 entfernt befindet, während der Punkt "b" eine Position repräsentiert, bei der das Element 60 der Spule L1 am nächsten ist. 2A ist eine Kurvendarstellung, die eine Variationskurve der Impedanz der Spule L1 (vertikale Achse z) im Verhältnis zur Position des zu detektierenden Objekts (horizontale Achse x) veranschaulicht. Die Impedanz der Spule L1, ist, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 60 am Punkt "a" befindet, mit "Za" bezeichnet, und die Impedanz der Spule L1, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 60 am Punkt "b" befindet, mit "Zb" bezeichnet. Außerdem weist die Spannung zwischen den Anschlüssen der Spule L1, d.h. die Ausgangsspannung der Spule L1, einen Minimalpegel (minimalen Amplitudenkoeffizienten) auf, wenn die Spule L1 die Impedanz Za hat, weist jedoch einen Maximalpegel (maximalen Amplitudenkoeffizienten) auf, wenn die Spule L1 die Impedanz Zb hat.
Bei einer Veränderung der relativen Position des magnetismusempfindlichen Teils 60 vom Punkt "a" zum Punkt "b" variiert die Spannung zwischen den Anschlüssen (d.h. die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule L1) stetig von einem Minimalwert, welcher der Impedanz Za entspricht, zu einem Maximalwert, welcher der Impedanz Zb entspricht. Auf diese Weise wird eine erste und eine zweite Referenzspannung Va und Vb entsprechend innerhalb eines Bereichs von Werten gesetzt, welche die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule L1 annehmen kann. Vom maximalen Bewegungsbereich vom Punkt "a" zum Punkt "b" wird nämlich ein entsprechender Detektionsausschnitt R ausgewählt. Wenn ein Amplitudenkoeffizienzpegel (d.h. Impedanz) der Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule L1, der in Übereinstimmung mit dem Startpunkt des Detektionsausschnitts R auftritt, durch "Pa" repräsentiert wird, dann kann die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule L1, d.h. die Ausgangsspannung Vx aus der Spule L1, welche dem Startpunkt des Detektionsbereichs R entspricht, durch "Pa sinωt" dargestellt werden, das als die erste Referenzspannung Va gesetzt wird; nämlich: Va = Pa sinωt
Wenn nämlich ein Amplitudenkoeffizientenpegel (d.h. Impedanz) der Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule L1, das entsprechend dem Endpunkt des Detektionsabschnitts R auftritt, durch "Pb" repräsentiert wird, kann die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule L1, d.h. die Ausgangsspannung Vx, aus der Spule L1, welche dem Endpunkt des Detektionsausschnitts R entspricht, durch "Pb sinωt" dargestellt werden, das als die zweite Referenzspannung Vb gesetzt wird; nämlich: Vb = Pb sinωt
Wie in 1C gezeigt, wird die Detektionsspule L1 mit einer konstanten Spannung oder einem konstanten Strom durch ein vorbestimmtes Einzelphasen-Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignal (das vorläufig mit "sinωt" bezeichnet wird) angeregt, das durch eine Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Versorgung 30 erzeugt wird. Da die Induktanz der Detektionsspule L1 im Ansprechen auf eine sich verändernde Position des zu detektierenden Objekts, wie oben angemerkt, variabel ist, ist sie in der Fig. äquivalent als eine variable Induktanz dargestellt. Es sind noch andere Spulen Lr1 und Lr2 als Schaltungen zum Erzeugen der ersten bzw. der zweiten Referenzspannung Va und Vb vorgesehen, die ebenfalls durch das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal angesteuert werden, das durch die Wechselspannungsversorgung 30 erzeugt wird. Nachdem diese Elemente eingestellt wurden, um den gewünschten Detektionsausschnitt R zu bestimmen, werden sie zum nachfolgenden Einsatz auf diese Einstellungen festgelegt.
Eine arithmetische Operationsschaltung 31A subtrahiert die erste Referenzspannung Va von der Ausgangsspannung Vx aus der Detektionsspule L1. Wenn der Amplitudenkoeffizient der Ausgangsspannung Vx aus der Detektionsspule L1 durch eine Funktion A(x) dargestellt wird, dann führt die arithmetische Operationsschaltung 31A die folgenden arithmetischen Operationen in ähnlicher Weise zur obigen Gleichung (1) durch: Vx – Va = A(x)sinωt – Pa sinωt = {A(x) – Pa}sinωt
Weil A(x) am Startpunkt des Detektionsausschnitts R gleich Pa ist, wird der Amplitudenkoeffizient "A(x) – Pa", welcher das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen ist, gleich "0". Auf der anderen Seite ist am Endpunkt des Detektionsausschnitts R, A(x) gleich Pb, so dass der Amplitudenkoeffizient "A(x) – Pa", der das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen ist, gleich "Pb – Pa" ist. Daher weist "A(x) – Pa", das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen, eine Funktionscharakteristik auf, die von "0" stetig auf "Pb – Pa" ansteigt. Wenn der Maximalwert "Pb – Pa" äquivalent als "1" betrachtet wird, dann variiert der Amplitudenkoeffizient "A(x) – Pa" des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signals auf der Grundlage des obigen Ausdrucks von "0" bis "1" innerhalb des Detektionsausschnitts R, und die Funktionscharakteristik des Amplitudenkoeffizienten, wie er in 2B gezeigt ist, kann mit einer Charakteristik eines ersten Quadranten (d.h. einem Bereich von 0°–90°) in der Sinusfunktion verglichen werden. Daher kann der Amplitudenkoeffizient "A(x) – Pa" des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signals auf der Grundlage des obigen Ausdrucks äquivalent unter der Verwendung von sinθ (ungefähr 0° ≤ θ ≤ 90°) ausgedrückt werden. Auch wenn 2B nur eine Amplitudenkoeffizientenkurve sinθ der Sinusfunktionscharakteristik im Verhältnis zu einer Position x zeigt, ist ein tatsächliches Ausgangssignal aus der arithmetischen Operationsschaltung 31A ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal "sinθsinωt", das einen Amplitudenpegel hat, der dem Amplitudenkoeffizienten sinθ entspricht.
Die arithmetische Operationsschaltung 31B berechnet eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vx aus der Detektionsspule L1 und der zweiten Referenzspannung Vb und führt die folgenden arithmetischen Operationen in ähnlicher Weise zur obigen Gleichung (2) durch: Vb – Vx = Pb sinωt – A(x)sinωt = {Pb – A(x)}sinωt
Da A(x) am Startpunkt des Detektionsausschnitts R gleich Pa ist, ist der Amplitudenkoeffizient "Pb – A(x)", der das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen ist, gleich "Pb – Pa". Auf der anderen Seite ist A(x) am Endpunkt des Detektionsausschnitts R gleich Pb, so dass der Amplitudenkoeffizient "Pb – A(x)", der das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen ist, "0" wird. Daher weist "Pb – A(x)", das Ergebnis dieser arithmetischen Operationen, eine Funktionscharakteristik auf, die von "Pb – Pa" stetig nach "0" abfällt. Wenn der Maximalwert "Pb – Pa" als äquivalent "1" betrachtet wird, dann variiert der Amplitudenkoeffizient "Pb – A(x)" des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signals auf der Grundlage des obigen Ausdrucks von "1" bis "0" innerhalb des Detektionsausschnitts R, und die Funktionscharakteristik des Amplitudenkoeffizienten, wie er in 2B gezeigt ist, kann mit einer Charakteristik eines ersten Quadranten (d.h. einem Bereich von 0°–90°) in der Kosinusfunktion verglichen werden. Daher kann der Amplitudenkoeffizient "Pb – A(x)" des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signals aufgrund des obigen Ausdrucks auch äquivalent unter der Verwendung von cosθ (ungefähr 0° ≤ θ ≤ 90°) ausgedrückt werden. Auch wenn 2B nur eine Amplitudenkoeffizientenkurve cosθ der Kosinusfunktionscharakteristik im Verhältnis zur Position x zeigt, ist ein tatsächliches Ausgangssignal aus der arithmetischen Operationsschaltung 31A ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal "cosθsinωt", das einen Amplitudenpegel hat, der dem Amplitudenkoeffizienten cosθ entspricht. Die Subtraktion durch die Schaltung 31B kann "Vx – Vb" anstelle von "Vb – Vx" sein.
Auf diese Weise können in Reaktion auf eine aktuelle Position x des zu detektierenden Objekts zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugt werden, die entsprechende Amplitudenpegel von Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken (sinθsinωt und cosθsinωt) aufweisen. Diese Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sind in ihrer Form Ausgangssignalen aus den herkömmlichen Positionsdetektoren ähnlich, die allgemein auch als Drehwinkelgeber bezeichnet werden, und können in verschiedenen Anwendungsbereichen wirkungsvoll eingesetzt werden. Zum Beispiel werden die durch die arithmetischen Operationsschaltungen 31A und 31B erzeugten drehwinkelgeberartigen Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale an eine Phasendetektionsschaltung (oder einen Amplituden-Phasen-Konverter) 32 gesendet, der die Position des zu detektierenden Objekts in einer absoluten Darstellung durch Messen von Phasenwerten θ der Sinus- und Kosinusfunktionen sinθ und cosθ, welche die Amplitudenwerte definieren, aus einer Korrelation zwischen den Amplitudenwerten der beiden Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erfassen kann. Die Phasendetektionsschaltung 32 kann so implementiert werden, wie sie durch ein Verfahren der Erfinder der vorliegenden Erfindung in der japanischen Patentoffenlegungsschrift mit der Veröffentlichungsnummer HEI-9-126809 (entsprechend US-Patent Nr. 5,710,509) offenbart ist. Zum Beispiel wird ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal sinθcosωt durch elektrisches Verschieben des ersten Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignals sinθsinωt um 90°, zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signale sin(ωt + θ) und sin(ωt – θ), die in einer Phasen-Vorwärts- oder Phasen-Rückwärtsrichtung gemäß θ in der Phase verschoben werden (d.h. die Phasenkomponente θ der Signale wird in Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Phasenverschiebungen umgewandelt) durch additives und subtraktives Synthetisieren dieses Signals sinθcosωt und des zweiten Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignals cosθsinωt in einer solchen Weise erzeugt, dass durch Messen der Phase θ eine erfasste Hubposition anzeigende Daten (Hubpositions-Erfassungsdaten) erhalten werden können. Diese Phasendetektionsschaltung 32 kann entweder durch eine dedizierte Schaltung in der Form eines LSI oder durch eine Softwareverarbeitung unter der Verwendung einer CPU, eines Prozessors, Computers oder dergleichen implementiert werden. Alternativ dazu kann ein herkömmlicherweise bekannter R-D-Wandler, der normalerweise zur Verarbeitung eines Drehwinkelgeberausgangssignals eingesetzt wird, in der Phasendetektionsschaltung 32 verwendet werden. Die Erfassung der Phasenkomponente θ in der Phasendetektionsschaltung 32 kann durch einen analogen Prozess unter der Verwendung einer Integrationsschaltung und dergleichen anstelle eines digitalen Prozesses durchgeführt werden. Alternativ dazu können eine Drehposition θ angebende digitale Detektionsdaten durch einen digitalen Phasendetektionsprozess erzeugt werden und dann analoge Detektionsdaten, welche die Drehposition θ angeben, durch Konvertieren der digitalen Detektionsdaten in analoge Darstellung erhalten werden. Natürlich können die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt aus den arithmetischen Operationsschaltungen 31A und 31B direkt ausgegeben werden, ohne dass sie durch die Phasendetektionsschaltung 32 verarbeitet werden, wobei in diesem Fall die Detektionsschaltung 32 weggelassen werden kann.
Wenn eine lineare Korrespondenz zwischen dem Phasenwinkel θ und der Position x des zu detektierenden Objekts besteht, werden die Amplituden der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken nicht wirkliche Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen. Vielmehr führt die Phasendetektionsschaltung 32 den Phasendetektionsvorgang an diesen Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt so aus, als hätten sie wirkliche Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken. Als Ergebnis diesen Phasendetektionsvorgangs wird der detektierte Phasenwinkel θ keine Linearität in Bezug auf die Position x des zu detektierenden Objekts aufweisen. Bei der Erfassung der Position spielt die Nichtlinearität zwischen den detektierten Ausgabedaten (dem detektierten Phasenwinkel θ) und der tatsächlichen Position des zu detektierenden Objekts keine große Rolle. Es ist nämlich lediglich nötig, die Positionsdetektion mit einer vorbestimmen Wiederholbarkeit durchzuführen. Außerdem können gegebenenfalls die Ausgabedaten aus der Phasendetektionsschaltung 32 in eine andere Datenform konvertiert werden, indem eine entsprechende Datenkonversionstabelle verwendet wird, so dass eine genaue Linearität zwischen den Detektionsausgabedaten und der tatsächlichen Position des zu detektierenden Objekts leicht hergestellt werden kann. Daher müssen die "Amplitudencharakteristiken der Sinus- und Kosinusfunktionen", die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erwähnt werden, nicht notwendigerweise echte Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen. Tatsächlich können sie in etwa eine Dreieckswellenform aufweisen, wie in 2B veranschaulichend gezeigt, solange sie solche Tendenzen aufweisen. Anders ausgedrückt ist es lediglich notwendig, dass die Sinus- und Konsinusfunktionen in der vorliegenden Erfindung trigonometrischen Funktionen, wie zum Beispiel einer Sinusfunktion, ähnlich sind. Wenn im gezeigten Beispiel von 2B die horizontale Achse den Phasenwinkel θ aufweist und vorgegebene nicht lineare Kalibrierungen hat, kann auch eine Funktion, die allem Anschein nach eine Dreieckswellenform ist, wenn die horizontalen Achsenkalibrierungen als die Position x repräsentierend angenommen werden, als eine Sinus- und Kosinusfunktion bezüglich des Phasenwinkels θ bezeichnet werden.
Die folgenden Absätze beschreiben die Kompensation von Temperaturdriftcharakteristiken. Auch wenn die Impedanz der Detektionsspule L1 im Ansprechen auf eine Veränderung der Temperatur variiert, können die subtraktiven arithmetischen Operationen in den arithmetischen Operationsschaltungen 31A und 31B eine Temperaturdrift löschen, vorausgesetzt, die erste und die zweite Referenzspannung Va und Vb haben Temperaturdriftcharakteristiken, die denen der Detektionsspule L1 ähnlich sind. Zu diesem Zweck wird vorgezogen, dass die Spulen Lr1 und Lr2, deren Charakteristiken der Detektionsspule L1 ähnlich sind, zur Erzeugung der Referenzspannungen verwendet werden und in eine Temperaturumgebung gebracht werden, die derjenigen der Detektionsspule L1 ähnlich ist (d.h. in relativ großer räumlicher Nähe zur Detektionsspule L1) ist. Die die Referenzspannung erzeugenden Spulen Lr1 und Lr2 brauchen nicht notwendigerweise in ihren Charakteristiken der Detektionsspule L1 ähnlich sein, auch wenn das vorzuziehen ist, sondern können so konstruiert sein, dass sie Temperaturdriftcharakteristiken haben, die im Wesentlichen denen der Detektionsspule L1 ähnlich sind, z.B. durch das Einstellen zusätzlicher Widerstände oder dergleichen. Außerdem können zur Herstellung der Referenzspannungserzeugungsschaltungen Widerstände oder andere geeignete eine konstante Spannung erzeugende Schaltungen anstelle der oben erwähnten Spulen Lr1 und Lr2 verwendet werden. Wie schon erwähnt, würde das variable Einstellen der Pegel der Referenzspannungen Va und Vb, d.h. der Impedanzen Pa und Pb, zum variablen Einstellen des detektierbaren Positionsbereichs führen, d.h. des Detektionsausschnitts R, der in dieser Ausführungsform eingesetzt wird. Da jede Position innerhalb des Detektionsausschnitts R immer als ein Phasenwinkel θ innerhalb eines Bereichs von ungefähr 90° erfasst werden kann, und zwar unabhängig von der Länge des erfassbaren Positionsbereichs, d.h. des Detektionsausschnitts R, kann die Auflösung der Positionsdetektion durch variables Einstellen der Pegel der Referenzspannung Va und Vb variabel eingestellt werden. Dies bedeutet, dass die Positionsdetektion mit einer äußerst hohen Auflösung durchgeführt werden kann, auch an Stellen, wo eine winzige oder mikroskopische Verschiebung des Objekts zu erfassen ist. Zum Beispiel in Situationen, wo die Phasendetektionsschaltung 32 die Fähigkeit der Verwendung eines binären 12-Bit-Zählers hat, um einen Phasenwinkel innerhalb des vollen Rotationsbereichs von 360° mit einer Auflösung von 2¹² (= 4096) zu erfassen, die Detektionsauflösung eines Phasenwinkels innerhalb des Bereichs von 90° "1024", was eine winzige bzw. mikroskopische Positionsdetektion mit einer superhohen Auflösung von ungefähr 5 μm ermöglicht, wenn der zu erfassende Positionsbereich, d.h. der Detektionsausschnitt R, auf eine Länge von 5 mm gesetzt wird.
3 zeigt eine Modifikation der Positionsdetektorvorrichtung von 1, bei der eine Bewegungsrichtung x eines magnetismusempfindlichen Teils 61 sich von derjenigen von 1 unterscheidet und das magnetische des Spulenabschnitts 50 in der gleichen Weise wie in 1 konstruiert werden kann. Insbesondere ist 3A ein schematischer Schnitt eines Hauptteils der modifizierten Positionsdetektorvorrichtung, und 3B ist eine schematische Draufsicht auf diesen Teil. Elektrische Schaltungen des Spulenabschnitts 50 können die gleichen sein wie in 1C, und deswegen ist hier eine Darstellung der elektrischen Schaltungen weggelassen, um eine unnötige Dopplung zu vermeiden. In 3A ist ein maximaler Bewegungsbereich des magnetismusempfindlichen Teils 61 durch Punkte "a" und "b" gezeigt. Der Punkt "a" repräsentiert eine Position, bei der das Teil 61 ein Ende der Spule L1 nicht abdeckt, so dass die Spule L1 einen minimalen Ausgangspegel erzeugt. Das magnetismusempfindliche Teil 61 ist von dem Punkt "a" in der Richtung des Pfeils x quer zum Ende der Spule L1 linear beweglich. Nachdem das magnetismusempfindliche Teil 61, das sich in der Richtung x bewegt, beim Punkt "b" angekommen ist, wie das durch eine strichpunktierte Linie 61' angegeben ist, deckt es das Ende der Spule L1 vollständig ab, so dass die Spule L1 einen maximalen Ausgangspegel erzeugt. Allgemein wird die Positionsdetektorvorrichtung von 3 in ähnlicher Weise zur Ausführungsform von 1 betrieben, um so eine Position des zu detektierenden Objekts zu erfassen.
4 ist eine Teilschnittansicht, die noch eine weitere Modifikation der Positionsdetektorvorrichtung von 1 zeigt. In dieser Modifikation enthält die Detektionsspule L1 des Spulenabschnitts 50 keinen Magnetkern 51, und ein stabförmiges magnetismusempfindliches Teil 62 ist im Verhältnis zum Spulenabschnitt 50 in einer Richtung des Pfeils x beweglich, um im Ansprechen auf das zu detektierende Objekt in einen durch die Spule L1 definierten Innenraum einzutreten. Auch in diesem Fall ist ein maximal beweglicher Bereich des magnetismusempfindlichen Teils 62 durch die Punkte "a" und "b" veranschaulicht. Der maximal bewegliche Bereich entspricht in dieser Modifikation jedoch im Wesentlichen der Länge der Spule L1. Die modifizierte Positionsdetektorvorrichtung von 4 wird auch in ähnlicher Weise zur Ausführungsform von 1 betrieben, um so eine Position des zu detektierenden Objekts zu erfassen.
5 ist eine seitliche Teilschnittansicht, die noch eine weitere Modifikation der Positionsdetektorvorrichtung von 1 zeigt. Bei dieser Modifikation enthält die Detektionsspule L1 des Spulenabschnitts 50 einen Magnetkern 51, und ein magnetismusempfindliches Teil 63 in der Form einer zylindrischen Hülse ist im Verhältnis zum Spulenabschnitt 50 in einer Richtung des Pfeils x beweglich, um zu verursachen, dass die Spule L1 im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts in einen durch das Teil 63 definierten Innenraum eintritt. Auch in diesem Fall ist der maximale Bewegungsbereich des magnetismusempfindlichen Teils 63 durch die Punkte "a" und "b" veranschaulicht, und der maximale Bewegungsbereich entspricht in dieser Modifikation im Wesentlichen der Länge der Spule L1. Das magnetismusempfindliche Teil 63 von 5 ist jedoch aus einer nicht magnetischen Substanz einer guten elektrischen Leitfähigkeit, wie zum Beispiel aus Kupfer, so dass, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 63 der Spule L1 nähert (die Spule L1 tiefer in den Innenraum des magnetismusempfindlichen Teils 63 eindringt), ein größerer Wirbelstromverlust auftritt, der verursacht, dass die Selbstinduktanz der Spule L1 abnimmt. Daher sind die Positionen der Punkte "a" und "b" in dieser Figur im Vergleich mit dem Beispiel von 4 verkehrt. Die modifizierte Positionsdetektorvorrichtung von 5 wird auch in ähnlicher Weise zur Ausführungsform von 1 betrieben, um so eine Position des zu detektierenden Objekts zu erfassen.
6 ist ein seitlicher Teilschnitt, der noch eine weitere Modifikation der Positionsdetektorvorrichtung von 1 zeigt. Bei dieser Modifikation enthält die Detektionsspule L1 des Spulenabschnitts 50 einen Magnetkern 51, und ein magnetismusempfindliches Teil 64 in der Form eines Permanentmagneten, der in eine zylindrische Hülse geformt ist, ist im Verhältnis zum Spulenabschnitt 50 in einer Richtung eines Pfeils x beweglich, um die Spule L1 zu veranlassen, im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts in den durch das Element 64 definierten Innenraum einzutreten. Wenn der Permanentmagnet 64 der Spule L1 entsprechend nahe kommt, wird ein Teil des Magnetkerns 51 in der Nähe der Spule magnetisch gesättigt oder übersättigt, so dass die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule L1 fällt. Der Permanentmagnet 64 hat eine Länge, die mindestens gleich der Länge der Spule L1 ist, derart, dass die Zwischen-Klemmen-Spannung während einer Bewegung des Permanentmagneten 64 von einem Ende zum anderen der Spule L1 stetig abnimmt. Auch in dem Fall, wo ein Permanentmagnet als das magnetismusempfindliche Teil 64 verwendet wird, kann nämlich eine stetig abnehmende Variation bei der Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule L1 während einer Bewegung des Permanentmagnets 64 von einem Ende zum anderen der Spule L1 hervorgerufen werden. Der Permanentmagnet 64 kann eine beliebige andere Form als ein Ring haben, wie veranschaulicht ist, wie zum Beispiel die Form eines Stabs, wobei in diesem Fall das magnetismusempfindliche Teil 64, das den Permanentmagneten enthält, so angeordnet sein, dass es in der Nachbarschaft der Spule L1 parallel zur Achse der Spule L1 vorbeigeführt wird. Es ist vorzuziehen, wenn der Magnetkern 51 der Spule L1 in dieser Modifikation in eine relativ dünne Form ausgebildet ist, so dass die magnetische Sättigung leicht erzeugt werden kann.
7 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Positionsdetektorvorrichtung der vorliegenden Erfindung, bei der der Spulenabschnitt 50 zwei Spulen L1 und L2 aufweist und nur eine Referenzspannung Va verwendet wird. Insbesondere ist 7A ein Schnitt, der schematisch ein Beispiel eines physikalischen Positionsverhältnisses zwischen dem Spulenabschnitt 50 und dem magnetismusempfindlichen Teil 60 in der Positionsdetektorvorrichtung zeigt, und 7B ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer dem Spulenabschnitt 50 zugeordneten elektrischen Schaltung zeigt. Im Spulenabschnitt 50 von 7 wird ein Magnetkern 51 in eine der Spulen L1, wie im Beispiel von 1, eingeführt, und in ähnlicher Weise wird ein weiterer Magnetkern 51 in die andere Spule L2 eingeführt. Diese beiden Spulen L1 und L2 sind koaxial und einander entgegengesetzt vorgesehen, so dass die Enden ihrer entsprechenden Magnetkerne 51 und 52 einander entgegengesetzt sind und das magnetismusempfindliche Teil 60 in der Form einer flachen Platte zwischen den Spulen L1 und L2 angeordnet ist.
Wie bei den vorhergehenden Fällen ist ein maximaler Bewegungsbereich des magnetismusempfindlichen Teils 60 durch Punkte "a" und "b" angegeben, und der Punkt "a" repräsentiert eine Position, bei der das Teil 60 am weitesten von der Spule L1 entfernt ist, während der Punkt "b" eine Position repräsentiert, bei der das Teil 60 der Spule L1 am nächsten ist. Umgekehrt repräsentiert für die andere Spule L2 der Punkt "a" eine Position, bei der das Teil 60 der Spule L2 am nächsten ist, während der Punkt "b" eine Position repräsentiert, bei der das Teil 60 von der Spule L2 am weitesten entfernt ist. Daher ändern sich die Positionen der Spule L1 und L2 im Verhältnis zum magnetismusempfindlichen Teil 60 mit entgegengesetzten Charakteristiken im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden Objekts, worauf die Impedanz der Spulen L1 und L2 ebenfalls mit entgegengesetzten Charakteristiken variieren. 8A ist eine Kurvendarstellung, die Variationskurven der Impedanz der Spulen L1 und L2 (vertikale Achse z) im Verhältnis zur Position des zu detektierenden Objekts (horizontale Achse x) darstellt. Wenn die Impedanz der Spule L1, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 60 am Punkt "a" befindet, mit "Za" bezeichnet wird, und die Impedanz der Spule L1, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 60 am Punkt "b" befindet, mit "Zb" bezeichnet wird, wird die Impedanz der anderen Spule L2, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 60 am Punkt "a" befindet, zu "Zb" und die Impedanz der anderen Spule L2, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 60 am Punkt "b" befindet, zu "Zb", was an den gegenläufigen Kennlinien liegt.
Während sich die relative Position des magnetismusempfindlichen Teils 60 vom Punkt "a" zum Punkt "b" ändert, variiert die Spannung zwischen den Anschlüssen (d.h. der Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule L1) stetig von einem Minimalwert, der der Impedanz Za entspricht, zu einem Maximalwert, der der Impedanz Zb entspricht. Auf der anderen Seite variiert, während sich die relative Position des magnetismusempfindlichen Teils 60 vom Punkt "a" zum Punkt "b" ändert, die Zwischen-Klemmen-Spannung der anderen Spule L2 stetig von einem Maximalwert, welcher der Impedanz Zb entspricht, zu einem Minimalwert, welcher der Impedanz Za entspricht. In diesem Fall wird eine einzige Referenzspannung Va entsprechend einem Amplitudenkoeffizientenpegel (d.h. Impedanz) Pa der Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule L1 erzeugt, das entsprechend dem Startpunkt eines geeigneten Detektionsausschnitts R auftritt, der aus dem maximalen Bewegungsbereich vom Punkt "a" zum Punkt "b" ausgewählt wurde. Die Referenzspannung Va wird nämlich in der gleichen Weise, wie oben erwähnt, wie folgt bestimmt: Va = Pa sinωt
Wie in 7B gezeigt, werden die Detektionsspulen L1 und L2 mit einer konstanten Spannung oder einem konstanten Strom angeregt, was über ein vorbestimmtes Einzelphasen-Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal (das vorläufig mit "sinωt" bezeichnet wird) geschieht, das von einer Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Versorgung 30 erzeugt wird. Da die Induktanz der Detektionsspulen L1 und L2 im Ansprechen auf eine Position des zu detektierenden Objekts variabel ist, wie oben erwähnt wurde, ist sie in den Figuren äquivalent als eine variable Induktanz angegeben. Es sind auch weitere Spulen Lr1 als eine Schaltung zum Erzeugen der Referenzspannung Va vorgesehen, die ebenfalls durch das von der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsversorgung 30 erzeugtes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal angesteuert werden.
Die arithmetische Operationsschaltung 31C subtrahiert die Referenzspannung Va von der Ausgangsspannung Vx aus der Detektionsspule L1, in ähnlicher Weise zur arithmetischen Operationsschaltung 31A von 1. Die arithmetische Operationsschaltung 31C führt nämlich die folgenden arithmetischen Operationen in ähnlicher Weise zur obigen Gleichung (1) durch: Vx – Va = A(x)sinωt – Pa sinωt = {A(x) – Pa}sinωt
Daher kann, wie im oben beschriebenen Fall, die Funktionscharakteristik des Amplitudenkoeffizienten im Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal aus der arithmetischen Operationsschaltung 31C, wie in 8B gezeigt, mit einer Charakteristik eines ersten Quadranten (d.h. einem Bereich von 0° bis 90°) in der Sinusfunktion verglichen werden.
Die arithmetische Operationsschaltung 31D berechnet eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vy aus der anderen Detektionsspule L2 und der Referenzspannung Va und führt die folgenden arithmetischen Operationen in ähnlicher Weise zur obigen Gleichung (3) durch: Vy – Va = A(y)sinωt – Pa sinωt = {A(y) – Pa}sinωt
Wie aus 8A zu ersehen ist, weist die Spannung zwischen den Anschlüssen (die Zwischen-Klemmen-Spannung) Vy der Spule L2 eine stetig abnehmende Variationskurve einer Charakteristik auf, die zu derjenigen der Zwischen-Klemmen-Spannung Vx der Spule L1 gegenläufig ist, und die Ausgangsspannung Vy, die aus der Spule L2 im Korrespondenz mit dem Startpunkt des Detektionsausschnitts R erzeugt wird, wird vorläufig durch Pa' sinωt repräsentiert, was einen Maximalwert repräsentiert. Da A(y) am Startpunkt des Detektionsausschnitts R gleich Pa' ist, ist der Amplitudenkoeffizient "A(y) – Pa" des Gleichstrom- bzw. Gleichspannungs-Ausgangssignals aus der arithmetischen Operationsschaltung 31D gleich "Pa' – Pa", was "Maximalwert – Minimalwert" entspricht, der daher ein Maximalwert wird, der äquivalent als "1" betrachtet werden kann. Am Endpunkt des Detektionsausschnitts R ist auf der anderen Seite A(y) gleich Pa, so dass der Amplitudenkoeffizient "A(y) – Pa" des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignals auf der Grundlage der obigen arithmetischen Operationen gleich "0". Auf diese Weise weist der Amplitudenkoeffizient "A(y) – Pa" des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignals aus der arithmetischen Operationsschaltung 31D eine Funktionscharakteristik auf, die von "Pa' – Pa" (nämlich "1 ") innerhalb des Detektionsausschnitts R stetig auf "0" abnimmt. Diese Funktionscharakteristik des Amplitudenkoeffizienten kann mit einer Charakteristik eines ersten Quadranten (d.h. eines Bereichs von 0°–90°) in der Kosinusfunktion verglichen werden. Daher kann der Amplitudenkoeffizient "A(y) – Pa" des Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignals aus der arithmetischen Operationsschaltung 31D äquivalent unter der Verwendung von cosθ (ungefähr 0° ≤ θ ≤ 90°), wie in 8B gezeigt, ausgedrückt werden.
Daher können auch in dem Fall, wo zwei Detektionsspulen L1 und L2 und eine einzige Referenzspannung Va verwendet werden, zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugt werden, die entsprechende Amplitudenpegel von Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken (sinθsinωt und cosθsinωt) im Ansprechen auf eine aktuelle Position des zu detektierenden Objekts aufweisen. Außerdem weisen auch in diesem Fall die Sinus- und Kosinusfunktionen Charakteristiken innerhalb des Bereichs von ungefähr einem Quadranten (90°) auf, so dass eine beliebige Position innerhalb des erfassbaren Positionsbereichs, d.h. des Detektionsausschnitts R, als ein Phasenwinkel θ innerhalb des Bereichs von ungefähr 90° erfasst werden kann. Zusätzlich kann der erfassbare Positionsbereich, d.h. der Detektionsausschnitt R, variabel durch variables Einstellen des Pegels der Referenzspannung Va eingestellt werden, was es erlaubt, die Detektionsauflösung einzustellen. Außerdem erlaubt in ähnlicher Weise zur Ausführungsform von 1 die modifizierte Ausführungsform von 7 die effektive Kompensation von Temperaturdriftcharakteristiken.
Außerdem ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass die Modifikationen der 3 bis 6, die auf die Ausführungsform von 1 anwendbar sind, auch auf die Ausführungsform von 7 in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, anwendbar sind. Einzelheiten, wie die Ausführungsform von 7 zu modifizieren ist, sollten aus den 3 bis 6 hervorgehen, und sind hier nicht einzeln angegeben, um eine unnötige Dopplung zu vermeiden.
Es wird darauf hingewiesen, dass in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen das magnetismusempfindliche Teil 60, 61 oder 62 aus einer nicht magnetischen Substanz einer guten elektrischen Leitfähigkeit, wie zum Beispiel aus Kupfer, hergestellt werden kann. In einem solchen Fall nimmt die Induktanz jeder der Detektionsspulen aufgrund eines Wirbelstromverlusts ab, und die Zwischen-Klemmen-Spannung nimmt ab, während sich das magnetismusempfindliche Teil 60, 61 oder 62 der Spule nähert. Auch in diesem Fall können die Positionserfassungsvorgänge in der oben beschriebenen Weise durchgeführt werden. Es wird auch darauf hingewiesen, dass das magnetismusempfindliche Teil ein Hybridteil sein kann, das eine Kombination einer magnetischen Substanz und einer elektrisch leitfähigen Substanz aufweist.
Auch wenn die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale in Sinus- und Kosinusphasen (d.h. als drehwinkelgeberartige Ausgangssignale) vorgesehen sind, ist außerdem die vorliegende Erfindung hierauf nicht eingeschränkt. Zum Beispiel können die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale in drei Phasen vorgesehen sein (die Amplitudenfunktionen der einzelnen Phasen können zum Beispiel sinθ, sin(θ + 120) und sin(θ + 240) sein).
Es folgt eine Beschreibung mehrerer Beispiele von Dreh-Positionsdetektorvorrichtungen als weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
9A–9C zeigen eine Ausführungsform einer Dreh-Positionsdetektorvorrichtung, die in einer solchen Weise angeordnet ist, dass Amplitudenvariationen durch einen vollständigen elektrischen Winkelbereich von 0°–360° in zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen erhalten werden kann, die Amplituden aufweisen, die Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken haben. Insbesondere ist 9A eine schematische Vorderansicht eines Hauptteils der Dreh-Positionsdetektorvorrichtung, die ein Beispiel eines physischen Positionsverhältnisses zwischen Detektionsspulen 41, 42 eines Statorabschnitts 40 und einem magnetismusempfindlichen Teil 21 eines Rotorabschnitts 20 in der Positionsdetektorvorrichtung zeigt. 9B ist eine seitliche Schnittansicht des Teils der in 9A gezeigten Dreh-Positionsdetektorvorrichtung, und 9C ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel den Detektionsspulen 41 und 42 zugeordneter elektrischer und elektronischer Schaltungen zeigt. Das magnetismusempfindliche Teil 21 einer vorbestimmten Form, wie zum Beispiel in Form einer Exzenterscheibe, ist auf einer Drehwelle 22 montiert, die hier das zu detektierende Objekt ist, um hierdurch den Rotorabschnitt 20 zu bilden. Die folgende Beschreibung wird anhand eines Falles durchgeführt, bei dem das magnetismusempfindliche Teil 21 aus einer magnetischen Substanz, wie zum Beispiel Eisen, hergestellt ist. Der Statorabschnitt 40 ist dem Rotorabschnitt 20 an einer Stirnseite der Drehwelle 22 gegenüber.
Der Statorabschnitt 40 weist zwei Spulen 41 und 42 als Detektionsspulen auf, die auf einer Statorbasis 44 angeordnet und mit einem vorbestimmten Zwischenabstand in einer Umkreisrichtung des magnetismusempfindlichen Teils 21 voneinander beabstandet sind. Der vorbestimmte Zwischenabstand in der Umkreisrichtung ist ein derartiges Intervall, das einen Winkel von 90° im Verhältnis zur Drehwelle 22 bildet. Die Detektionsspulen 41 und 42 sind auf Eisenkerne (Magnetkerne 45 bzw. 46 gewickelt, und ein Magnetfluss, der durch die Spulen 41 und 42 geht, ist in der axialen Richtung der Drehwelle 22 ausgerichtet. Ein Luftspalt ist zwischen den Endoberflächen der Spuleneisenkerne 45 und 46 der Spulen 41 und 42 und einer Oberfläche des magnetismusempfindlichen Teils 21 des Rotorabschnitts 20 gebildet, so dass der Rotorabschnitt 20 im Verhältnis zum Statorabschnitt 40 kontaktfrei rotiert. Die relativen Positionen zwischen dem Rotorabschnitt 20 und dem Statorabschnitt 40 werden über einen nicht dargestellten Mechanismus in einer solchen Weise bewerkstelligt, dass der Abstand zwischen dem Rotorabschnitt 20 und dem Statorabschnitt 40, der durch den Luftspalt definiert ist, konstant gehalten wird. Aufgrund der vorbestimmten Form, wie zum Beispiel der Form einer Exzenterscheibe, des magnetismusempfindlichen Teils 21 des Rotorabschnitts 20 werden die Bereiche der Endflächen der Spuleneisenkerne 45 und 46, die dem magnetismusempfindlichen Teil 21 mit dem dazwischen liegenden Luftspalt gegenüber liegen, gemäß einer variierenden Drehposition des magnetismusempfindlichen Teils 21 variieren. Solche Variationen der Bereiche der Endoberflächen der Spuleneisenkerne 45 und 46 gegenüber dem magnetismusempfindlichen Teil 21 ändern die Menge des durch die Eisenkerne 45 und 46 und dann durch die Spulen 41 und 42 verlaufenden Magnetflusses, was zu Variationen der Selbstinduktanz der Spulen 41 und 42 und daher Variationen der Impedanz der Spulen 41 und 42 führt.
Die vorbestimmte Form des magnetismusempfindlichen Teils 21 des Rotorabschnitts 20 wird in dieser Ausführungsform so gewählt, dass eine ideale Sinusfunktionskurve vorgesehen werden kann. Um zum Beispiel einen Zyklus einer Sinusfunktionskurve pro Rotation der Drehwelle 22 vorzusehen, kann das magnetismusempfindliche Teil 21 allgemein als ein im Wesentlichen exzentrische Scheibe, wie oben erwähnt, ausgebildet werden. Genauer gesagt, ist es jedoch bekannt, dass das magnetismusempfindliche Teil 21 je nach den verschiedenen Konstruktionsspezifikationen, wie zum Beispiel den Formen der Spulen und der Eisenkerne, in eine entsprechend verzerrte Form oder eine Herzform gebracht werden kann. Da das Auswählen der Form des magnetismusempfindlichen Teils 21 und daher des Rotors 20 nicht ein wesentlicher Teil der vorliegenden Erfindung ist, und der Rotor eine beliebige andere der in bekannten oder unbekannten Rotationsdetektoren mit variabler Reluktanz verwendeten Formen haben kann, wird hier auf die Rotorform nicht weiter eingegangen. Wie die vorbestimmte Form des magnetismusempfindlichen Teils 21 des Rotorabschnitts 20 aussieht, ist hier nicht wesentlich. Kurz gesagt, ist es lediglich nötig, dass Variationen der Induktanz, d.h. Impedanz, der Spulen 41 und 42, die auf eine variierende Drehposition des Rotorabschnitts 20 ansprechen, in einer Weise konstruiert werden, dass sie der idealen Sinusfunktionskurve so ähnlich wie möglich werden.
10A ist eine Kurvendarstellung, die in A(θ) eine ideale Sinusfunktionskurve der Impedanz einer der Spulen 41 im Ansprechen auf eine Variation eines Drehwinkels θ zeigt und auch in B(θ) eine ideale Sinusfunktionskurve der Impedanz der anderen Spulen 42 im Ansprechen auf die Variation des Drehwinkels θ zeigt. Da, wie hier zu sehen, die andere Spule 42 von der Spule 41 um 90° versetzt ist, repräsentiert die Kurve B(θ) eine Kosinusfunktion. Wenn daher ein Mittelpunkt der ansteigenden und abfallenden Variationen (Schwingung nach oben und nach unten) in den jeweiligen Kurven A(θ) und B(θ) durch Po repräsentiert wird und eine Amplitude der Schwingung durch P repräsentiert wird, ergibt sich A(θ) = Po + Psinθ B(θ) = Po + Pcosθ
Es wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der vorliegenden Erfindung keine Beeinträchtigung erfährt, auch wenn die Amplitude P als "1" betrachtet und ignoriert wird, daher wird die Amplitude P in der folgenden Beschreibung nicht berücksichtigt.
Wie in 9C gezeigt, werden die Detektionsspulen 41 und 42 mit einer konstanten Spannung bzw. einem konstanten Strom durch ein vorbestimmtes, eine einzige Phase aufweisendes, hochfrequentes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal (das vorläufig als "sinωt" bezeichnet wird) angeregt, das durch eine Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Versorgung 30 erzeugt wird. Wenn die Zwischen-Klemmen-Spannungen der Spulen 41 und 42 durch "Vs" bzw. "Vc" repräsentiert werden, können sie durch die folgenden Ausdrücke mit dem zu erfassenden Drehwinkel 8 als Variable dargestellt werden: Vs = A(θ)sinωt = (Po + sinθ)sinωt Vc = B(θ)sinωt = (Po + cosθ)sinωt
Die Spule (Dummy-Spule) 43 erzeugt eine Referenzspannung Vr, die eine vorbestimmte Impedanz hat, die zum Beispiel dem Mittelpunkt Po entspricht. Diese Spule 43 ist auf der Statorbasis 44, wie in den 9A und 9B gezeigt, an einer Position montiert, wo sie durch eine Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils 21 des Rotorabschnitts 20 unbeeinflusst bleibt und den gleichen Temperaturdriftbedingungen wie die Detektionsspulen 41 und 42 ausgesetzt. Diese Anordnung dient dem Zweck der Kompensation von Temperaturdrift der Detektionsspulen 41 und 42. Diese Spule (Dummy-Spule) 43 wird ebenfalls durch das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal angeregt, und ihre Zwischen-Klemmen-Spannung, d.h. die Referenzspannung Vr kann wie folgt ausgedrückt werden: Vr = Po sinωt
Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn die Dummy-Spule 43 mit einem magnetischen Material maskiert wird, um einen Magnetschild gegen den Einfluss des magnetismusempfindlichen Teils 21 vorzusehen, die Dummy-Spule 43 auch in der Nähe des magnetismusempfindlichen Teils 21 untergebracht werden kann.
Die Ausgangsspannungen Vs, Vc und Vr aus den oben erwähnten Spulen 41, 42 und 43 werden an eine analoge arithmetische Operationsschaltung 31 für arithmetische Operationen auf der Grundlage der folgenden mathematischen Ausdrücke weitergeleitet. Es werden daher von der analogen arithmetischen Operationsschaltung 31 zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale entsprechender Amplituden erzeugt, die Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen (d.h. zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, die Amplitudenfunktionscharakteristiken haben, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind), die einer aktuellen Position θ des zu detektierenden Objekts entsprechen. Die analoge arithmetische Operationsschaltung 31 subtrahiert nämlich die Referenzspannung Vr von den Ausgangsspannungen Vs und Vc aus den Detektionsspulen 41 und 42, wie folgt: Vs – Vr = (Po + sinθ)sinωt – Posinωt = sinθ sinωt Vc – Vr = (Po + cosθ)sinωt – Posinωt = cosθ sinωt
Indem arithmetische Operationen an den Zwischen-Klemmen-Spannungenn Vs und Vc der Detektionsspulen 41 und 42 und der Referenzspannung Vr in der oben erwähnten Weise durchgeführt werden, können zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale (sinθsinωt und cosθsinωt) erzeugt werden, die als Amplitudenkoeffizienten zwei zyklische Amplitudenfunktionen (sinθ und cosθ) aufweisen, die in der positiven und der negativen Richtung um den Variationsmittelpunkt mit einem Versatz schwingen, der der Referenzspannung Vr entspricht, die hierdurch aufgehoben wird. 10B zeigt schematisch diese Bedingungen nur für die θ-Komponente (wobei keine Komponente der Zeit t gezeigt ist). Auf diese Weise kann alleine durch das Vorsehen der zwei Detektionsspulen 41 und 42 das Sinusphasen-Ausgangssignal sinθsinωt und das Kosinusphasen-Ausgangssignal cosθsinωt in ähnlicher Weise zu den Ausgaben herkömmlicherweise bekannter Drehwinkelgeber vorgesehen werden.
Die Drehposition θ des zu detektierenden Objekts kann als ein absoluter Wert durch eine Phasendetektionsschaltung (oder einen Amplituden-Phasen-Konverter) 32 erfasst werden, der die Phasenkomponente θ der Amplitudenfunktionen sinθ und cosθ in den Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken misst, die von der analogen arithmetischen Operationsschaltung 31 erzeugt werden. Die hier verwendete Phasendetektionsschaltung 32 kann die gleiche sein, wie sie oben erwähnt wurde. Es wird darauf hingewiesen, dass die Signale sinθsinωt und cosθsinωt aus der analogen arithmetischen Operationsschaltung 31 direkt und ohne Verarbeitung durch die Phasendetektionsschaltung 32 ausgegeben werden können, wie das zum Beispiel in einer Situation der Fall ist, wo Drei-Phasen-Signale in ähnlicher Weise, wie sie von einem herkömmlicherweise bekannten Drehmelder ("Synchro") vorgesehen werden, durch die analoge arithmetische Operationsschaltung 31 erzeugt werden. Auch wird darauf hingewiesen, dass ein Block 33, der auf der Rückseite der Statorbasis 14 vorgesehen ist und in 9B gezeigt ist, anzeigt, dass eine eventuell nötige Schaltung an diesem Teil angebracht werden kann. Zum Beispiel können lediglich die arithmetische Operationsschaltung 31 oder alle Schaltungen von 9C, einschließlich nicht nur der arithmetischen Operationsschaltung 31, sondern auch mit der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Versorgung 30 und der Phasendetektionsschaltung 32 am Block 33 angebracht werden. Wenn die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Versorgung 30 und die Phasendetektionsschaltung 32 durch digitale Schaltungen implementiert sind, können diese Schaltungen in einen LSI-Chip einer viel kleineren Abmessung integriert werden, so dass die Schaltungen zusammen auf der Rückseite der Statorbasis 40 als eine integrale oder einstöckige Einheit angebracht werden können.
Mit Bezug auf die Kompensation von Temperaturdriftcharakteristiken variiert die Impedanz der einzelnen Spulen 41, 42 und 43 im Ansprechen auf eine Temperaturveränderung, so dass ihre entsprechenden Ausgangsspannungen Vs, Vc und Vr ebenfalls variieren. Zum Beispiel wird jede der Ausgangsspannungen in eine Richtung größer oder kleiner, wie in 10A durch eine gestrichelte Linie gezeigt, im Gegensatz zur Darstellung in einer durchgezogenen Kurve. Da jedoch die oben erwähnten arithmetischen Operationen "Vs – Vr" und "Vc – Vr" die Temperaturdrifts in den Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken vollständig kompensiert haben, die das Ergebnis der arithmetischen Synthetisierung der Spulenausgangsspannungen Vs, Vc und Vr sind, haben die Ausgangsspannungen keinen beträchtlichen Einfluss auf die Temperaturdrifts. In der Anwendung, bei der die Dummy-Spule 43 als eine Schaltung zum Erzeugen der Referenzspannung Vr eingesetzt wird, würde daher die Referenzspannung Vr ihren Wert im Ansprechen auf eine Veränderung der Umgebungstemperatur ändern (d.h. mit der Temperatur driften), so dass die subtrahierenden arithmetischen Operationen automatisch die Temperaturdrifts kompensieren können, wodurch eine höchst präzise Positionserfassung vorgesehen wird. Es sollte offensichtlich sein, dass die Schaltung der Referenzspannung Vr auch durch eine beliebige andere geeignete Schaltung und nicht durch eine Spule implementiert werden kann, wie zum Beispiel eine Kombination einer Spule mit einem Widerstand oder durch einen Widerstand alleine. Zum Beispiel können Maximal- und Minimalwerte der oben erwähnten Kurven A(θ) und B(θ) vor den Positionsdetektionsvorgängen erfasst werden, um davon einen Durchschnittswert zu bekommen, dann ein dem Mittelpunkt Po der ansteigenden und abfallenden Variationen der Werte der Kurven A(θ) und B(θ) entsprechender Spannungspegel ausgewertet und die ausgewertete Spannung als die Referenzspannung Vr ausgegeben werden.
Während in der Ausführungsform der 9A und 9B die Enden der Eisenkerne (Magnetkerne) 45 und 46 in den Detektionsspulen 41 und 42 so dargestellt und beschrieben wurden, dass sie in der Richtung der Stirnseite der Drehwelle 22 ausgerichtet sind, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht eingeschränkt. Natürlich können die Enden der Eisenkerne 45 und 46 auch in radialer Richtung der Drehwelle 22 ausgerichtet sein. Die 11A und 11B sind eine schematische Vorderansicht bzw. eine Schnittansicht, die ein Beispiel zeigen, bei dem die Eisenkerne (Magnetkerne) 45 und 46 in den Detektionsspulen 41 und 42 in der radialen Richtung der Drehwelle 22 ausgerichtet sind. In diesen 11A und 11B werden die gleichen Bezugszeichen wie in den 9A und 9B die gleichen Elemente der gleichen Funktionen wie in den 9A und 9B repräsentieren und werden daher nicht eingehend beschrieben, um eine unnötige Dopplung zu vermeiden. In den 11A und 11B zeigen die Enden der Eisenkerne 45 und 46 in den Detektionsspulen 41 und 42 in einer radialen Richtung der Drehwelle 22 nach innen und liegen der Außenoberfläche des magnetismusempfindlichen Teils 21 des Rotorabschnitts 20 mit einem dazwischen liegenden Luftspalt gegenüber. Aufgrund der vorbestimmten Form, wie zum Beispiel in Form einer Exzenterscheibe, einer Herzform oder einer sonstigen entsprechend konstruierten Form des magnetismusempfindlichen Teils 21 des Rotorabschnitts 20 wird ein radialer Abstand zwischen den jeweiligen Enden der Spulen-Eisenkerne 41 und 42 und der Außenoberfläche des magnetismusempfindlichen Teils 21, der durch den dazwischen liegenden Luftspalt definiert wird, im Ansprechen auf eine Drehung des magnetismusempfindlichen Teils 21 geändert. Solche Variationen des Abstands zwischen den Enden der Spulen-Eisenkerne 41 und 42 und der Außenoberfläche des magnetismusempfindlichen Teils 21 ändern die Menge des durch die Eisenkerne 45 und 46 und daher durch die Spulen 41 und 42 gehenden Magnetflusses, was zu einer Variation der Selbstinduktanz der Spulen 41 und 42 und daher Variationen der Impedanz der Spulen 41 und 42 führt. Daher wird die Anordnung der 11A und 11B in ähnlicher Weise zur Anordnung der 9A und 9B betrieben, um so eine Drehposition des zu detektierenden Objekts zu erfassen. Im Beispiel der 11A und 11B hat die Außenoberfläche des magnetismusempfindlichen Teils 21 des Rotorabschnitts 20 jedoch eine leicht verlängerte axiale Länge, so dass, auch wenn die Drehwelle 22, die das zu detektierende Objekt ist, mehr oder weniger in der stirnseitigen Richtung mechanisch geschüttelt wird, die verlängerte axiale Länge des magnetismusempfindlichen Teils 21 Variationen des radialen Abstands, der durch den Luftspalt zwischen den Enden der Spuleneisenkerne 41 und 42 und der Außenoberfläche des magnetismusempfindlichen Teils 21 gebildet wird, verhindert werden können, wodurch eine unerwünschte Verringerung der Detektionsgenauigkeit der Vorrichtung verhindert wird. Aus diesem Grund erlaubt die Anordnung des radialen Luftspalts, wie er in den 11A und 11B gezeigt ist, in vorteilhafter Weise die Detektion einer Drehposition, die durch mechanisches Schütteln in der Stirnrichtung in dem Fall nicht beeinflusst wird, wo die vorliegende Erfindung auf eine Umgebung oder Maschine angewendet wird, bei der die Drehwelle 22 einem Schütteln in der Stirnrichtung unterliegt. Es ist ersichtlich, dass eine Modifikation ähnlich derjenigen der 11A und 11B auch bei anderen in den 12A und 12B und danach gezeigten Ausführungsformen möglich ist.
In jeder der Ausführungsformen der 9A und 9B und der 11A und 11B sind die Detektionsspulen 41 und 42 in einem vorbestimmten eingeschränkten Winkelbereich (in einem etwas größeren Bereich als 90°) innerhalb einer vollständigen Rotation angeordnet. Auf diese Weise braucht die Statorbasis 44 keine große Baugröße zu haben, wie das in den 9A und 9B und den 11A und 11B gezeigt ist, was einer vollen Rotation des Rotorabschnitts 20 entspricht. Die Statorbasis 44 kann eine Größe aufweisen, die nur einem eingeschränkten Bereich von zum Beispiel einer halben Rotation entspricht, wie das in den 12A und 12B gezeigt ist. Auf diese Weise erlaubt die Gestaltung der Größe der Statorbasis 44, die Detektorvorrichtung zu installieren, während einem Hindernis 49 ausgewichen wird, auch wenn ein solches Hindernis 49 an einem Ort, wie er in den 12A und 12B gezeigt ist, vorhanden ist. Eine solche eingeschränkte oder einseitige Platzierung der Spulen 41 und 42 im Statorabschnitt 40 erweist sich dann als sehr nützlich, wenn die Dreh-Positionsdetektorvorrichtung der vorliegenden Erfindung in eine schon bestehende Maschine einzubauen ist. In dem Fall nämlich, wo ein Hindernis 49 schon im vorbestimmten Drehwinkelbereich der Drehwelle 22 vorhanden ist und es unmöglich ist, den Statorabschnit 40 einer großen Größe, wie es dem vollständigen Rotationsbereich der Drehwelle 22 entsprechen würde, einzubauen, kann der oben erwähnte Statorabschnitt, bei dem die Spulen 41 und 42 an eingeschränkten Orten innerhalb eines eingeschränkten Winkelbereichs angeordnet sind, wo das Hindernis 49 nicht ist, eine gute Lösung bieten und ist daher sehr nützlich. In jeder dieser Ausführungsformen kann die Drehwelle, d.h. das zu detektierende Objekt, selbst so konstruiert sein, dass sie durch mehr als eine volle Rotation oder nur durch einen eingeschränkten Winkelbereich, der weniger als eine vollständige Drehung beträgt, rotieren kann (nämlich eine Hin- und Her-Schwingung innerhalb des eingeschränkten Winkelbereichs). Außerdem ist die erfindungsgemäße Positionsdetektorvorrichtung des Typs, bei dem der Luftspalt bezüglich der radialen Richtung der Drehwelle 22 gebildet wird, wie in den 11A und 11B gezeigt, besonders nützlich, weil sie sich leicht in einer Situation installieren lässt, bei der ein Hindernis bei der Installation der Vorrichtung und während des Betriebs der Vorrichtung zu vermeiden ist, wie in den 12A und 12B gezeigt. In den Beispielen der 9A bis 12B entspricht die Phasenkomponente θ der Amplitudenfunktionen der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt, die auf der Grundlage der Ausgangssignale der Spulen 41 und 42 geliefert werden, einem mechanischen Rotationswinkel θ der Drehwelle 22 eins zu eins. Die vorliegende Erfindung ist hierauf jedoch nicht eingeschränkt, und die Phasenkomponente θ in den Amplitudenfunktionen kann so gesetzt werden, dass sie n oder 1/n mal dem mechanischen Rotationswinkel θ der Drehwelle 22 entspricht. Ein Beispiel, bei dem die Phasenkomponente θ in den Amplitudenfunktionen so gesetzt wird, dass sie zwei Mal dem mechanischen Rotationswinkel entspricht, ist in 13 gezeigt, das eine schematische Vorderansicht ähnlich 9A ist. Im Beispiel von 13 sind nämlich zwei Spulen 41 und 42 voneinander beabstandet, so dass sie einen Winkel von ungefähr 45° bezüglich der Drehwelle 22 bilden, und ein magnetismusempfindliches Teil 21A des Rotorabschnitts 20 ist in einer spezifischen Form konstruiert, wie zum Beispiel in einer ovalen oder annähernd ovalen Form, die stetig ansteigende/abfallende Variationen einer Zwei-Zyklus-Sinusfunktion der Impedanz der Spulen 41 und 42 pro mechanischer Rotation der Drehwelle 22 hervorrufen kann. Mit dieser Anordnung weist die Phasenkomponente θ der Amplitudenfunktionen der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt, die auf der Grundlage der Ausgangssignale von den Spulen 41 und 42 geliefert werden, einen Wert, der doppelt so groß ist wie der mechanische Rotationswinkel θ' der Drehwelle 22. Dies bedeutet, θ = 2θ'. Verschiedene weitere Modifikationen als diejenige von 13 sind gemäß den Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich.
Die 14A bis 14C zeigen eine Positionsdetektorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Statorabschnitt 40 lediglich eine Detektionsspule 41 aufweist und Signale, die den beiden Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt äquivalent sind, auf der Grundlage der Ausgabe von der lediglich einen Spule 41 und einer Referenzspannung Vr erzeugt werden. Insbesondere ist 14A eine schematische Vorderansicht eines Hauptteils der Positionsdetektorvorrichtung, die ein Beispiel eines physischen Positionsverhältnisses zwischen der Detektionsspule 41 des Statorabschnitts 40 und eines magnetismusempfindlichen Teils 21B des Rotorabschnitts 20 in der Positionsdetektorvorrichtung zeigt. 14B ist ein seitlicher Schnitt durch den Teil der Dreh-Positionsdetektorvorrichtung von 14A, und 14C ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der Detektionsspule 41 des Statorabschnitts 40 zugeordneter elektrischer und elektronischer Schaltungen. In dieser Ausführungsform ist das magnetismusempfindliche Teil 21B des Rotorabschnitts 20 allgemein in der Form einer Spiralnocke, die so konstruiert ist, dass die Phasenkomponente θ der Amplitudenfunktionen der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale eine Variation innerhalb eines Bereichs von ungefähr 90° im Verhältnis zu einem mechanischen Drehwinkelbereich der Drehwelle 22 aufweist. Aufgrund der Spiralennockenform des Rotorabschnitts 20 ist die Ausführungsform der 14A bis 14C zur Positionserfassung über den vollen Drehbereich der Drehwelle 22 ungeeignet, ist jedoch zur Erfassung einer Drehposition innerhalb eines eingeschränkten mechanischen Drehwinkelbereichs, der weniger als eine vollständige Drehung beträgt, geeignet, d.h. wenn ein Schrittbereich der Spiralennockenform des magnetismusempfindlichen Teils 21B ausgenommen wird.
In der Ausführungsform der 14A bis 14C weist eine Zwischen-Klemmen-Spannung Vs' der Spule 41 eine Charakteristik auf, die innerhalb eines vorbestimmten mechanischen Drehwinkelbereichs, der kleiner als eine vollständige Rotation der Drehwelle 22 ist, linear in einer Richtung zunimmt (bzw. abnimmt), wie das typischerweise in 15 veranschaulicht ist. Von der auf diese Weise variierenden Zwischen-Klemmen-Spannung Vs' der Spule 41 wird ein Wert, der doppelt so groß wie ein Minimalwert oder ein Wert in Nähe des Minimalwerts Vm ist, als eine Referenzspannung Vr' gesetzt und mittels der Dummyspule 43 erzeugt. Wie in 14C gezeigt, werden die Ausgangsspannungen von den Spulen 41 und 43 zur arithmetischen Operationsschaltung 31 weitergeleitet. Die arithmetische Operationsschaltung 31 von 14C subtrahiert ihrerseits die Hälfte der Referenzspannung Vr' (nämlich Vm) von der Zwischen-Klemmen-Spannung Vs' der Spule 41, um hierdurch ein erstes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal zu erzeugen, das eine Amplitudencharakteristik aufweist, die von einem fast null betragenden Pegel ansteigt, wie durch Ve in 15 gezeigt, und subtrahiert auch die Zwischen-Klemmen-Spannung Vs' der Spule 41 von der Referenzspannung Vr' (nämlich 2Vm), um hierdurch ein zweites Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal zu erzeugen, das eine Amplitudencharakteristik aufweist, die von dem fast Vm betragenden Pegel abfällt, wie in 15 durch Vf bezeichnet. Ve = Vs' – (Vr'/2) Vf = Vr' – Vs'
Die Amplitudenfunktionscharakteristiken dieser Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale innerhalb eines Bereichs W, der in 15 gezeigt ist, kann äquivalent einem einzigen Quadranten (einem Bereich von 90°) von Sinus- und Kosinusfunktionen zugeordnet werden. Zum Beispiel kann das erste Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal der Sinusfunktion zugeordnet werden und äquivalent als sinθsinωt behandelt werden, und das zweite Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal der Kosinusfunktion zugeordnet und äquivalent als cosθsinωt behandelt werden. Der Bereich der Phasenkomponente θ bezüglich des vorbestimmten mechanischen Rotationswinkelbereichs W der Drehwelle 22 ist jedoch 90°. Daher wird der Phasenwinkel θ, der über die Phasendetektionsschaltung 32 von 14C erfasst wird, einen Wert im Bereich von 0° bis 90° annehmen, der in einer absoluten Darstellung eine Drehposition innerhalb des vorbestimmten mechanischen Rotationswinkelbereichs W der Drehwelle 22 anzeigen wird.
Wenn das erste und das zweite Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal Va und Vb, die im Wesentlichen lineare Amplitudenvariationscharakteristiken aufweisen, der Sinus- und der Kosinusfunktion sinθsinωt und cosθsinωt zugeordnet werden, dann weisen ihre entsprechenden Amplitudencharakteristiken sinθ und cosθ eine geringfügige Nichtlinearität im Verhältnis zum vorbestimmten mechanischen Rotationswinkelbereich W der Drehwelle 22 auf, sie werden nämlich nicht wirkliche Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen. Die Phasendetektionsschaltungen 32 von 14C führt nämlich ihren Phasendetektionsvorgang aus, während die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale Va und Vb scheinbar als Signale sinθsinωt und cosθsinωt behandelt werden, die Sinus- und Kosinusfunktionamplitudencharakteristiken haben. Als Folge hieraus, zeigt der erfasste Phasenwinkel θ keine Linearität im Verhältnis zum Drehwinkel der Drehwelle 22, die hier das zu detektierende Objekt ist. Bei der Detektion der Drehposition spielt jedoch eine Nichtlinearität zwischen Detektionsausgabedaten (welche den erfassten Phasenwinkel θ anzeigen) und der tatsächlichen zu detektierenden Position in vielen Fällen keine große Rolle. Hierzu ist es nämlich lediglich notwendig, dass die Positionsdetektion mit einer vorbestimmten Wiederholbarkeit durchgeführt wird. Außerdem können gegebenenfalls die Ausgabedaten aus der Phasendetektionsschaltung 32 unter der Verwendung einer entsprechenden Datenkonversionstabelle konvertiert werden, so dass die genaue Linearität zwischen den Detektionsausgabedaten und der tatsächlichen zu detektierenden Position leicht hergestellt werden kann. Daher müssen die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt, die, wie im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erwähnt, Sinus- und Kosinusfunktionsamplitudencharakteristiken haben, tatsächlich nicht notwendigerweise wirkliche Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen, sondern können tatsächlich Charakteristiken einer Dreieckswellenform oder dergleichen (mit linearer Steigung) aufweisen. Kurz gesagt, ist es lediglich notwendig, dass die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt entsprechende Tendenzen aufweisen. Es wird darauf hingewiesen, dass beim Beispiel der 14A–14C zwei Referenzspannungen Va und Vb wie im Beispiel der 1A bis 1C eingesetzt werden können.
Die 16A–16C zeigen eine Positionsdetektorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Referenzspannungserzeugungsschaltung weggelassen wurde und durch Spulenpaare ersetzt wurde, die in einer differenziellen Art und Weise variieren. Insbesondere ist 16A eine schematische Vorderansicht eines Hauptteils der Positionsdetektorvorrichtung, die ein Beispiel eines physischen Positionsverhältnisses zwischen den einzelnen Detektionsspulen des Statorabschnitts 40 und des magnetismusempfindlichen Teils 21 des Rotorabschnitts in der Positionsdetektorvorrichtung zeigt. 16B ist eine seitliche Schnittdarstellung des in 16A gezeigten Teils der Positionsdetektorvorrichtung, und 16C ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der Detektionsspule 41 des Statorabschnitts 40 zugeordneter elektrischer und elektronischer Schaltungen zeigt. In dieser Ausführungsform ist die Spule 41A um einen Eisenkern 45A in einer Winkelposition gewickelt, die 180° von der Sinus-Ausgabespule 41 versetzt ist und die Spule 42A ist um einen Eisenkern 46A gewickelt, der in einer Winkelposition angeordnet ist, die um 180° von der Kosinus-Ausgabespule 42 versetzt ist. Es wird darauf hingewiesen, dass hier keine Referenzspannungserzeugungsspule 43 vorgesehen ist. Das magnetismusempfindliche Teil des Rotorabschnitts 20 kann in einer ähnlichen Weise ausgebildet sein, wie das im Beispiel der 9A und 9B gezeigt ist. Mit solchen Anordnungen variiert die Impedanz der einzelnen Spulen in jedem Spulenpaar in einer differenziellen Art und Weise, so dass zunehmende/abnehmende Variationen der Zwischen-Klemmen-Spannungen der einzelnen Spule differenzielle Charakteristiken aufweisen. Wenn also die Impedanzvariation, d.h. die Ausgabeamplitudenvariation, der Spule 41 des Paars Sinusphasen-Spulen 41 und 41A im Ansprechen auf einen Drehwinkel θ der Drehwelle 22 eine Funktionscharakteristik von "Po + Psinθ" aufweist, dann weist die Impedanzvariation, d.h. die Ausgabeamplitudenvariation, der anderen Spule 41A des Spulenpaars im Ansprechen auf den Rotationswinkel θ der Drehwelle 22 eine Funktionscharakteristik von "Po – Psinθ" auf. Wenn in ähnlicher Weise die Impedanzvariation, d.h. Ausgabeamplitudenvariation, der Spule 42 des Spulenpaars der Kosinus-Phasenspulen 42 und 42A im Ansprechen auf einen Rotationswinkel θ der Drehwelle 22 eine Funktionscharakteristik von "Po + Pcosθ" aufweist, dann weist die Impedanzvariation, d.h. die Ausgabeamplitudenvariation, der anderen Spule 42A des Spulenpaars im Ansprechen auf den Rotationswinkel θ der Drehwelle 22 eine Funktionscharakteristik von "Po – Pcosθ" auf. Hier wird die Amplitude P als "1" betrachtet und zur deutlicheren Beschreibung wie in den oben beschriebenen Fällen ignoriert.
Wie in 16C gezeigt, werden die Spulen 41, 41A, 42 und 42A jeweils durch ein vorbestimmtes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal angeregt, und die Zwischen-Klemmen-Spannungen Vs, Vsa, Vc und Vca dieser Spulen 41, 41A, 42 bzw. 42A weisen entsprechende Pegel auf, die dem Drehwinkel θ der Drehwelle 22 wie folgt entsprechen: Vs = (Po + sinθ)sinωt Vsa = (Po – sinθ)sinωt Vc = (Po + cosθ)sinωt Vca = (Po – cosθ)sinωt
Für jedes der Spulenpaare berechnet die arithmetische Operationsschaltung 31 eine Differenz der Zwischen-Klemmen-Spannungen der Spulen und erzeugt dadurch ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal, das eine vorbestimme zyklische Amplitudenfunktion als ihren Amplitudenkoeffizienten in der folgenden Weise aufweist: Vs – Vsa = (Po + sinθ)sinωt – (Po – sinθ)sinωt = 2sinθ sinωt Vc – Vca = (Po + cosθ)sinωt – (Po – cosθ)sinωt = 2cosθ sinωt
Es können daher zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale (sinθsinωt und cosθsinωt) erzeugt werden, die als Amplitudenkoeffizienten zwei zyklische Amplitudenfunktionen (sinθ und cosθ) aufweisen, die dem Drehwinkel θ der Drehwelle 22 entsprechen, die das zu detektierende Objekt ist, was in einer ähnlichen Weise zu den Ausgaben aus den herkömmlichen Drehwinkelgebern geschieht. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Drehwinkelgebern benötigt die vorliegende Erfindung jedoch nur eine Primärspule und keine Sekundärspule zum Erzeugen einer induzierten Ausgabe, so dass die vorliegende Erfindung die nötige Spulenstruktur beträchtlich vereinfachen und daher eine Dreh-Positionsdetektorvorrichtung eines beträchtlich vereinfachten Aufbaus vorsehen kann. Es wird darauf hingewiesen, dass die Schaltungen zur Erzeugung der Differenz der Zwischen-Klemmen-Spannungen der Spulen bei den jeweiligen Spulenpaaren dadurch vereinfacht werden kann, dass die Spulen 41 und 41A und die Spulen 42 und 42A differenziell verschaltet werden, um die entsprechende Differenz "Vs – Vsa" und "Vc – Vca" zu erzeugen, ohne dass dazu die spezifische arithmetische Operationsschaltung 31 verwendet wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass in dem Fall, wo das magnetismusempfindliche Teil 21 aus einer Substanz einer guten elektrischen Leitfähigkeit hergestellt wird, wie zum Beispiel aus Kupfer, die Induktanz der jeweiligen Spulen aufgrund eines Wirbelstromverlusts abnimmt, und die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule abnimmt, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 21 der Spule nähert. Auch in diesem Fall können die Positionserfassungsvorgänge in der oben beschriebenen Weise durchgeführt werden. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass das magnetismusempfindliche Teil 21 ein Hybridteil sein kann, dass eine Kombination einer magnetischen Substanz und einer elektrisch leitfähigen Substanz aufweist. Außerdem kann das magnetismusempfindliche Teil 21 einen Permanentmagneten umfassen, wie das oben schon der Fall war.
Außerdem sollte beachtet werden, dass bezüglich des Typs der Positionsdetektorvorrichtung, die zum Erfassen einer Drehposition eines Objekts konstruiert wird, das innerhalb eines beschränkten Rotationsbereichs schwingt, der weniger als eine vollständige Rotation beträgt, jede der oben beschriebenen Ausführungsformen so konstruiert werden kann, dass das magnetismusempfindliche Teil 21 fest steht, während die Detektionsspulen 41 und 42 im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts zur Bewegung im Verhältnis zum magnetismusempfindlichen Teil 21 vorgesehen sind.
Außerdem sind zwar in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale in zwei Phasen, Sinus- und Kosinusphase (d.h. als drehwinkelgeberartige Ausgangssignale) vorgesehen, doch ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht eingeschränkt. Zum Beispiel können die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale auch in drei Phasen vorgesehen sein (die Amplitudenfunktionen der einzelnen Phasen können zum Beispiel sinθ, sin(θ + 120) und sin(θ + 240) sein).
Außerdem ist auch zu beachten, dass zur Anregung der Spulen durch das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal das herkömmlicherweise bekannte zweiphasige Anregungsverfahren eingesetzt werden könnte, das mindestens zwei Spulen durch sinωt bzw. cosωt getrennt anregt. Jedoch ist die Einzelphasenanregung, wie sie oben bezüglich der Ausführungsformen beschrieben wurde, in vieler Hinsicht vorteilhafter, wie zum Beispiel aufgrund einer strukturellen Vereinfachung und aufgrund der Temperaturdrift-Kompensationscharakteristiken.
Es folgt eine Beschreibung noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Durchführung arithmetischer Operationen an Kombinationen von Ausgabespannungen von mehreren Detektionsspulen konstruiert ist.
Die 17A bis 17C zeigen eine Positionsdetektorvorrichtung gemäß dieser weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die so konstruiert ist, dass Amplitudenvariationen über einen vollen elektrischen Winkelbereich von 0°–360° in zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen mit Amplituden erzeugt werden können, die Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen. Insbesondere ist 17A eine schematische perspektivische Darstellung eines Hauptteils der Positionsdetektorvorrichtung, die ein Beispiel eines physischen Positionsverhältnisses zwischen einem Spulenabschnitt 10 und einem magnetismusempfindlichen Teil 11 in der Positionsdetektorvorrichtung zeigt. 17B ist eine seitliche Schnittdarstellung der Positionsdetektorvorrichtung entlang der Achse des Spulenabschnitts 10, und 17C ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel dem Spulenabschnitt 10 zugeordneter elektrischer Schaltungen zeigt. In der in den 17A bis 17C gezeigten Positionsdetektorvorrichtung, die auf die Erfassung einer linearen Position eines zu detektierenden Objekts gerichtet ist, ist der Spulenabschnitt 10 fest, während das magnetismusempfindliche Teil 11 so angeordnet ist, dass es im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden Objekts im Verhältnis zum Spulenabschnitt 10 linear bewegt wird. Umgekehrt kann auch das magnetismusempfindliche Teil 11 fest sein, während der Spulenabschnitt 10 so angeordnet ist, dass er im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden Objekts linear im Verhältnis zum magnetismusempfindlichen Teil 11 verschoben wird. Der Spulenabschnitt 10 enthält mehrere Spulensegmente (im gezeigten Beispiel sechs Spulensegmente Lα, LA, LB, LC, LD und Lβ), die in einer Reihe entlang einer Richtung angeordnet sind, in der das zu detektierende Objekt verschoben wird, und diese Spulensegmente des Spulenabschnitts 10 werden durch ein vorbestimmtes Einzelphasen-Wechselstrom- bzw. -Wechselspannungs-Signal angeregt. Zur einfacheren Beschreibung sei angenommen, dass diese Spulensegmente Lα, LA, LB, LC, LD und Lβ sich in der Anzahl der Spulenwindungen, der Spulenlänge usw. gleichen. Das magnetismusempfindliche Teil 11 ist aus einer magnetischen Substanz, wie zum Beispiel Eisen, in der Form eines Stabs oder dergleichen ausgebildet und in einen Raum beweglich, der durch die Spulensegmente des Spulenabschnitts 10 gebildet wird. Wenn sich zum Beispiel in 17A das magnetismusempfindliche Teil 11 nach rechts bewegt, tritt die Spitze 11A des magnetismusempfindlichen Teils 11 zuerst in das führende bzw. erste Spulensegment Lα ein, dann in die anderen Spulensegmente LA, LB, LC und LD nacheinander in der erwähnten Reihenfolge und tritt dann schließlich in das letzte bzw. sechste Spulensegment Lβ ein. Die strichpunktierte Linie L' in 17B stellt das magnetismusempfindliche Teil 11 dar, das vollständig bis zum letzten Spulensegment Lβ eingetreten ist.
Der den vier dazwischen liegenden Spulensegmenten LA, LB, LG und LD entsprechende axiale Bereich bildet einen effektiven Detektionsbereich der Positionsdetektorvorrichtung. Wenn die axiale Länge eines jeden der dazwischen liegenden Spulensegmenten LA, LB, LC und LD durch "K" repräsentiert wird, dann ist eine axiale Länge vier Mal so groß wie die Länge K gleich dem effektiven Detektionsbereich. Die Spulensegmente Lα und Lβ, die unmittelbar vor und nach dem effektiven Detektionsbereich 4K gelegen sind, sind Zusatzspulensegmente, die zum zuverlässigeren Herstellen von Kosinusfunktionscharakteristiken vorgesehen sind. Diese Hilfsspulensegmente Lα und Lβ können in einer Situation weggelassen werden oder es kann auf sie verzichtet werden, wo keine sehr hohe Detektionsgenauigkeit erforderlich ist.
Wie in 17C gezeigt, werden die einzelnen Spulensegmente Lα, LA, LB, LC, LD und Lβ mit konstanter Spannung oder konstantem Strom durch ein vorbestimmtes Einzel-Phasen-Wechselstrom- bzw. -Wechselspannungs-Signal ("sinωt") angeregt, das durch eine Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Versorgung 30 erzeugt wird. Spannungen zwischen den entsprechenden entgegengesetzten Enden (Zwischen-Klemmen-Spannungen) dieser Spulensegmente Lα, LA, LB, LC, LD und Lβ werden hier als "Va", "VA", "VB", "VC", "VD" bzw. "Vβ" bezeichnet, und es sind Zapfanschlüsse 13–19 vorgesehen, um diese Spannungen Vα, VA, VB, VC, VD und Vβ abzugreifen. Wie leicht zu verstehen ist, müssen die Spulensegmente Lα, LA, LB, LC, LD und Lβ nicht notwendigerweise physisch getrennte Spulen sein. Vielmehr können sie auch durch eine einzige durchgehende Spule implementiert sein, die in sechs Spulenlängen oder -teile durch abschnittsweise angeordnete Zapfanschlüsse 13–19 aufgeteilt ist. Dies bedeutet, dass der Spulenteil zwischen den Zapfanschlüssen 13 und 14 als das Spulensegment Lα, der Spulenteil zwischen dem Zapfanschlüssen 14 und 15 als das Spulensegment LA, der Spulenteil zwischen den Zapfanschlüssen 15 und 16 als das Spulensegment LB, der Spulenteil zwischen den Zapfanschlüssen 16 und 17 als das Spulensegment LC, der Spulenteil zwischen den Zapfanschlüssen 17 und 18 als das Spulensegment LD und der Spulenteil zwischen den Zapfanschlüssen 18 und 19 als das Spulensegment Lβ fungiert. Die Ausgangsspannungen Vα, VA, VB, VC, VD und Vβ aus den einzelnen Spulensegmenten werden in vorbestimmten Kombinationen an analoge arithmetische Operationsschaltungen 311 und 312 geleitet, in denen sie auf der Grundlage vorbestimmter mathematischer Ausdrücke einer Addition und/oder Subtraktion unterworfen werden. Auf diese Weise erzeugen diese analogen arithmetischen Operationsschaltungen 311 und 312 zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale mit Amplituden, die Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen (d.h. zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, die Amplitudenfunktionscharakteristiken haben, deren Phasen gegeneinander um 90° versetzt sind), die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen. Zu Zwecken der Veranschaulichung wird das Ausgangssignal aus der analogen arithmetischen Operationsschaltung 311 mit sinθsinωt bezeichnet, während das Ausgangssignal aus der anderen analogen arithmetischen Operationsschaltung 312 mit cosθsinωt bezeichnet wird. Die analogen arithmetischen Operationsschaltungen 311 und 312 umfassen Operationsverstärker OP1, OP2 und Widerstandsschaltungen RS1, RS2.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorangegangenen Anordnungen eingeschränkt ist und die Spulensegmente Lα, LA, LB, LC, LD und Lβ auch durch in Reihe geschaltete getrennte Spulen implementiert werden könnten. In einem solchen Fall können die getrennten Spulen zusammen durch ein vorbestimmtes Einzel-Phasen-Wechselstrom- bzw. -Wechselspannungs-Signal angeregt oder parallel über getrennte Anregungsschaltungen in der gleichen Phase durch ein vorbestimmtes Einzel-Phasen-Wechselstrom- bzw. -Wechselspannungs-Signal angeregt werden. Jedoch ist die oben beschriebene Ausführungsform, bei der eine einzige durchgehende Spule in mehrere Spulensegmente aufgeteilt ist, und die Ausgangsspannungen aus diesen aufgeteilten Spulensegmenten durch dazwischen angeordnete Zapfanschlüsse abgenommen werden, am meisten vorzuziehen, weil sie diejenige mit dem einfachsten Aufbau ist. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass die Spulensegmente Lα, LA – LD und Lβ hiernach einfach als "Spulen" bezeichnet werden.
Bei den oben beschriebenen Anordnungen wird bei einer Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils 11 auf eine der Spulen zu oder tiefer in sie hinein die Selbstinduktanz, d.h. Impedanz, der Spule, und daher auch die Spannung zwischen den entgegengesetzten Enden der Spulen während einer Verschiebung der Spitze 11a des magnetismusempfindlichen Teils 11 von einem Ende zum anderen dieser Spule stetig größer. Da die Spulen Lα, LA, LB, LC, LD und Lβ entlang der Verschiebungsrichtung des zu detektierenden Objekts in Reihe angeordnet sind, werden daher stetig ansteigende (stetig inkrementelle) Variationen der entsprechenden Spannungen Vα, VA, VB, VC, VD und Vβ der Spulen Lα, LA, LB, LC, LD und Lβ sequentiell auftreten, wie das im Teil (A) von 18 gezeigt ist, während sich das magnetismusempfindliche Teil 11 im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden Objekts im Verhältnis zur Spule bewegt. Im Teil (A) von 18 repräsentiert eine Steigung in jeder der Kurven, welche die Ausgangsspannung aus einer der Spulen anzeigt, ein Bereich, bei dem sich die Spitze 11a des magnetismusempfindlichen Teils 11 vom einen Ende zum anderen der fraglichen Spule bewegt. Typischerweise kann die stetig ansteigende Variationskurve der Spannung zwischen den entgegengesetzten Enden der Spule, die während der Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils 11 von dem einen Ende der Spule zum anderen Ende auftritt, mit einer Funktionswertvariation innerhalb eines Bereichs von 90° der Sinus- und Kosinusfunktion verglichen werden. Daher ist es durch eine entsprechende Kombination der Ausgangsspannungen Vα, VA, VB, VC, VD und Vβ aus den Spulen Lα, LA, LB, LC, LD und Lβ und Durchführen einer Addition und/oder Subtraktion zwischen den Kombinationen möglich, zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt mit Amplituden zu erzeugen, die Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen, die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen.
Insbesondere kann die analoge arithmetische Operationsschaltung 311 ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal liefern, das eine Amplitudenkurve der Sinusfunktionscharakteristik aufweist, wie das in Teil (B) der 18 gezeigt ist, indem an den Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD aus den Spulen LA, LB, LC und LD gemäß dem Ausdruck (4) unten arithmetische Operationen durchgeführt werden. Das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal kann äquivalent durch "sinθsinωt" ausgedrückt werden. (VA – VB) + (VD – VC) Ausdruck (4)
Außerdem kann die andere analoge arithmetische Operationsschaltung 312 ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal liefern, das eine Amplitudenkurve der Kosinusfunktionscharakteristik aufweist, wie das in Teil (B) von 18 gezeigt ist, indem an den Ausgangsspannungen Vα, VA, VB, VC, VD und Vβ aus den Spulen Lα, LA, LB, LC, LD und Lβ gemäß dem Ausdruck (5) unten entsprechende arithmetische Operationen durchgeführt werden. Auch wenn die Amplitudenkurve der Kosinusfunktionscharakteristik, die im Teil (B) von 18 gezeigt ist, tatsächlich eine Minus-Kosinusfunktionscharakteristik aufzeigt, d.h. "-cosθsinωt", entspricht die Amplitudenkurve der Kosinusfunktionscharakteristik, da sie eine Verschiebung um 90° im Verhältnis zur Sinusfunktionscharakteristik aufweist. Sie kann daher auch als ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal der Kosinusfunktionscharakteristik bezeichnet werden, das äquivalent durch "cosθsinωt" dargestellt werden kann. (VA – Vα) + (VB – VC) + (Vβ – VD) Ausdruck (5)
Es wird darauf hingewiesen, dass der folgende mathematische Ausdruck anstelle des obigen Ausdrucks (5) verwendet werden kann: (VA – Vα) + (VB – VC) – VD Ausdruck (5')
Das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal "-cosθsinωt" der Minus-Kosinusfunktionscharakteristik, die durch Ausdruck (5) ausgewertet wird, kann elektrisch in ihrer Phase um 180° verkehrt werden, um dadurch ein Signal von tatsächlich "cosθsinωt" zur Verwendung als das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal der Kosinusfunktionscharakteristik zu erzeugen. In einer Situation jedoch, bei der das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal der Kosinusfunktionscharakteristik durch eine Phasendetektionsschaltung 32 in einem nachfolgenden Schritt für eine subtrahierende arithmetische Operation in der Form von "–cosθsinωt" verwendet wird, kann das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal "–cosθsinωt" der Minus-Kosinusfunktionscharakteristik natürlich auch so eingesetzt werden, wie es ist. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal "cosθsinωt" der tatsächlichen Kosinusfunktionscharakteristik dadurch erzeugt werden kann, dass der folgende mathematische Ausdruck anstelle von Ausdruck (5) verwendet wird: (VA – Vα) + (VC – VB) + (VD – Vβ) Ausdruck (5'')
Der Phasenwinkel θ in der Sinus- und der Kosinusfunktion, die Amplitudenkomponenten der einzelnen Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sind, entspricht einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts, und der Phasenwinkel θ innerhalb eines Bereichs von 90° entspricht der Länge K einer der Spulen. Auf diese Weise entspricht der effektive Detektionsbereich der Länge von 4K den Phasenwinkeln θ, die von 0° bis 360° reichen. Daher kann jede Position innerhalb des effektiven Detektionsbereichs der Länge von 4K in einem absoluten Wert durch Erfassen eines solchen Phasenwinkels θ erfasst werden.
Es folgt eine Erläuterung der Kompensation der Temperaturcharakteristiken in dieser Ausführungsform. Die Impedanz der einzelnen Spulen variiert mit einer Temperaturveränderung, und eine solche Impedanzvariation führt zu Variationen der Ausgangsspannungen Vα, VA, VB, VC, VD und Vβ. Wie zum Beispiel in Teil (A) von 18 gezeigt ist, würde jede der Ausgangsspannungen in einer Richtung zu- oder abnehmen, wie das durch die gestrichelte Linie im Gegensatz zu einer durchgezogenen Kurve gezeigt ist. Bei den Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken, die durch additive und subtraktive Synthesen der Ausgangsspannungen erhalten wurden, würden die Variationen jedoch als positive und negative Amplitudenvariationen erscheinen, wie das durch gestrichelte Linien im Gegensatz zu den durchgezogenen Kurven im Teil (B) von 18 dargestellt ist. Wenn ein Amplitudenkoeffizient A verwendet wird, können die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale als Asinθsinωt bzw. Acosθsinωt dargestellt werden, und es ist dieser Amplitudenkoeffizient A, der im Ansprechen auf eine Veränderung der Umgebungstemperatur variiert. Hieraus wird klar, dass der Amplitudenkoeftizient A, der die Temperaturcharakteristiken anzeigt, den Phasenwinkel θ in den Sinus- und Kosinusfunktionen nicht beeinflusst. Daher können bei der vorliegenden Ausführungsform die Temperaturcharakteristiken selbsttätig kompensiert werden, um hierdurch eine hochgenaue Positionsdetektion zu erzielen.
Jede Position des zu detektierenden Objekts kann als ein absoluter Wert durch die Phasendetektionsschaltung (oder durch Amplituden-Phasen-Konvertiermittel) 32 erfasst werden, welche den Phasenwinkel θ der Amplitudenfunktionen sinθ und cosθ in den Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Kosinusfunktionen misst. Die Phasendetektionsschaltung 32 kann in der gleichen Weise wie oben erwähnt konstruiert werden.
Auch in diesem Fall werden, wenn es eine lineare Korrespondenz zwischen dem Phasenwinkel θ und der Position x des zu detektierenden Objekts gibt, die Amplituden der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken keine wirklichen Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen. Vielmehr führt die Phasendetektionsschaltung 32 den Phasendetektionsvorgang durch, während diese Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt so betrachtet werden, als hätten sie wirkliche Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken. Deshalb wird der erfasste Phasenwinkel θ keine Linearität bezüglich der Position x des zu detektierenden Objekts aufweisen. Beim Erfassen einer Position spielt jedoch eine fehlende Linearität zwischen den Detektionsausgangsdaten (dem detektierten Phasenwinkel θ) und der tatsächlichen Position des zu detektierenden Objekts keine große Rolle und kann gegebenenfalls eingestellt werden, wie das oben schon erwähnt wurde.
Der Variationsbereich des Phasenwinkels θ der Amplitudenfunktionen sinθ und cosθ bei den Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Kosinusfunktionen kann so gesetzt werden, dass er ein eingeschränkter Winkelbereich ist, der kleiner als der volle Rotationsbereich von 0° bis 360° ist, wie er bei der oben beschriebenen Ausführungsform eingesetzt wurde. In einem solchen Fall kann der Aufbau der Spulen beträchtlich vereinfacht werden. Der detektierbare Phasenwinkel kann so gesetzt werden, dass er kleiner als der volle Bereich von 360° ist, insbesondere dann, wenn winzige oder mikroskopische Verschiebungen des zu detektierenden Objekts zu erfassen sind, da der effektive Detektionsbereich verkleinert werden kann. Außerdem kann in verschiedenen anderen Fällen auch der detektierbare Phasenwinkel so gesetzt werden, dass er kleiner als die vollen 360° ist, was jeweils von einem Zweck der detektierten Positionen abhängt. Die folgenden Absätze beschreiben daher solche Modifikationen des detektierbaren Phasenwinkels.
19 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der Positionsdetektorvorrichtung zeigt, bei der Phasenvariationen über einen Bereich von 0°–180° erzeugt werden können. Bei dieser Positionsdetektorvorrichtung von 19 enthält der Spulenabschnitt 10 zwei Spulen LA und LB, die einem effektiven Detektionsbereich der Vorrichtung entsprechen, und zwei Zusatzspulen Lα und Lβ, die unmittelbar vor und hinter den Spulen LA und LB angeordnet sind. Eine analoge arithmetische Operationsschaltung 313 empfängt entsprechende Zwischen-Klemmen-Spannungen Vα, VA, VB und Vβ, die von den Spulen ausgegeben werden, so dass die Operationsschaltung 313 arithmetische Operationen durchführt, wie sie durch den unten angegebenen Ausdruck (6) dargestellt werden, um dadurch ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθsinωt zu erzeugen, das eine Amplitudenkurve einer Sinusfunktionscharakteristik aufweist, und führt auch eine arithmetische Operation durch, wie sie durch den unten angegebenen Ausdruck (7) dargestellt wird, um dadurch ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal cosθsinωt zu erzeugen, das eine Amplitudenkurve einer Kosinusfunktionscharakteristik aufweist. VA – VB Ausdruck(6) (VA – Vα) + (VB – Vβ) Ausdruck(7)
Wie aus einer Zusammenschau der 19 und 18 leicht zu ersehen ist, kann die durch den Ausdruck (6) repräsentierte arithmetische Operation ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθsinωt erzeugen, das eine Amplitudenkurve einer Sinusfunktionscharakteristik für den Bereich von 0° bis 180° repräsentiert, und die durch den Ausdruck (7) repräsentierte arithmetische Operation ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal cosθsinωt erzeugen, das eine Amplitudenkurve einer Kosinusfunktionscharakteristik für einen Bereich von –90° bis 270° aufweist (d.h. von –90°, durch 0°, plus 90° und 180°, bis 270°). In ähnlicher Weise zu den oben beschriebenen Ausführungsformen kann die zusätzliche Spule Lβ wie in den oben beschriebenen Fällen weggelassen werden. Jede Position innerhalb des effektiven Detektionsbereichs von einer Länge von 2K der beiden Spulen LA und LB kann durch Erfassen des Phasenwinkels θ in den Amplitudenfunktionen als ein absoluter Wert detektiert werden. Es versteht sich, dass die hier verwendeten mathematischen Ausdrücke gegebenenfalls modifiziert werden können und nicht auf die oben erwähnten allein eingeschränkt sind. Die mathematischen Ausdrücke können nämlich dadurch modifiziert werden, dass der Winkelbereich, über den die Phasenvariation einer Breite von 180° auftreten sollte, geändert wird. In einer Situation, wo zum Beispiel eine effektive Phasenvariation für einen Winkelbereich von 180° bis 360° auftreten soll, kann ein mathematischer Ausdruck von "(Vα – VA) + (Vβ – VB)" dazu verwendet werden, ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθsinωt einer Sinusfunktionscharakteristik zu erzeugen, und ein mathematischer Ausdruck von "(VB – VA)" dazu verwendet werden, ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal cosθsinωt einer Kosinusfunktionscharakteristik zu erzeugen.
Des Weiteren ist 20 ein Blockdiagramm, das eine weitere Ausführungsform der Positionsdetektorvorrichtung zeigt, bei der Phasenvariationen über einen Bereich von 0° bis 90° erzeugt werden können. In dieser Positionsdetektorvorrichtung von 20 enthält der Spulenabschnitt 10 eine einzige Spule LA, die einem effektiven Detektionsbereich der Vorrichtung entspricht, und zwei zusätzliche Spulen Lα und Lβ, die unmittelbar vor und nach der Spule LA liegen. Eine analoge arithmetische Operationsschaltung 314 empfängt entsprechende Zwischen-Klemmen-Spannungen Vα, VA und Vβ, die aus den Spulen ausgegeben werden, so dass die Operationsschaltung 314 eine arithmetische Operation durchführt, wie sie durch den unten angegebenen Ausdruck (8) ausgedrückt wird, um dadurch ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθsinωt zu erzeugen, das eine Amplitudenkurve einer Sinusfunktionscharakteristik aufweist, und ebenfalls eine arithmetische Operation wie durch den unten angegebenen Ausdruck (9) repräsentiert ausführt, um dadurch ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal cosθsinωt zu erzeugen, das eine Amplitudenkurve einer Kosinusfunktionscharakteristik aufweist. VA – Vβ Ausdruck (8) VA – Vα Ausdruck (9)
Wie anhand einer Zusammenschau der 20 und 18 leicht zu ersehen ist, kann die durch den Ausdruck (8) repräsentierte arithmetische Operation für einen Bereich von 0°–180° (von 0° durch 90° bis 180°) ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθsinωt erzeugen, das eine Amplitudenkurve einer Sinusfunktionscharakteristik aufweist, und die durch den Ausdruck (9) ausgedrückte arithmetische Operation für einen Bereich von –90° bis 90° (d.h. von –90° durch 0° bis 90°) ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal cosθsinωt erzeugen, das einen Amplitudenkurve einer Kosinusfunktionscharakteristik aufweist. Daher kann der Winkelbereich von 0° bis 90° als der effektive Detektionsbereich der Positionsdetektorvorrichtung zugewiesen werden. Auch in diesem Fall können die eingesetzten mathematischen Ausdrücke gegebenenfalls modifiziert werden und sind nicht auf die oben erwähnten eingeschränkt. Die mathematischen Ausdrücke können nämlich durch Ändern des Winkelbereichs verändert werden, über den die 90° breite Phasenvariation auftreten sollte.
Die Ausführungsformen wurden zwar so beschrieben, dass sie zusätzliche Spulen Lα und Lβ enthalten, die unmittelbar vor und nach dem effektiven Detektionsbereich angeordnet sind, doch können diese zusätzlichen Spulen Lα und Lβ auch weggelassen werden. Die 21A bis 21C zeigen eine solche modifizierte Ausführungsform, die Phasenvariationen innerhalb eines Bereichs von 0° bis 180° erzeugen kann. In dieser Ausführungsform weist der Spulenabschnitt 10 zwei Spulen LA und LB auf, die dem effektiven Detektionsbereich der Positionsdetektorvorrichtung entsprechen. Diese Spulen LA und LB sind entlang der Verschiebungsrichtung des zu detektierenden Objekts in Reihe angeordnet, so dass bei einer Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils 11 im Verhältnis zu den Spulen LA und LB im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts die Zwischen-Klemmen-Spannungen VA und VB der Spulen LA und LB wie in 21B veranschaulicht so variieren, dass sie in einer Abfolge stetig ansteigen. Hier wird die Spannung, die erzeugt wird, wenn das magnetismusempfindliche Teil 11 noch gar nicht in die Spule eingetreten ist, durch "Vo" repräsentiert, und die Spannung, die erzeugt wird, wenn das magnetismusempfindliche Teil 11 vollständig in eine der Spulen eingetreten ist, durch "VN" repräsentiert. Wenn konstante Spannungen Vo und VN von einer geeigneten Konstantspannungs-Generatorschaltung erzeugt werden und eine Summe (VN + Vo) der konstanten Spannungen Vo und VN von einer Summe der Zwischen-Klemmen-Spannungen VA und VB subtrahiert wird, dann weist die Spannung, die als das subtrahierte Ergebnis "VA + VB – VN – Vo" erhalten wird, über den Bereich von 0° bis 180° eine Kosinusfunktionscharakteristik (oder Minus-Kosinusfunktionscharakteristik) auf, wie das in 21C gezeigt ist. Auf der anderen Seite weist eine Spannung (VA – VB), die durch Subtrahieren der Spannung VB von der Spannung VA erhalten wird, über den Bereich von 0°–180° eine Sinusfunktionscharakteristik auf, wie das ebenfalls in 21C gezeigt ist.
Durch eine Subtraktionsschaltung 315, die eine subtraktive arithmetische Operation ("VA – VB") zwischen der Zwischen-Klemmen-Spannung VA der Spule LA und der Zwischen-Klemmen-Spannung VB der Spule LB im Beispiel von 21A durchführt, kann nämlich ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθsinωt, das eine Sinusfunktionscharakteristik aufweist, erzeugt werden. Durch eine Addiererschaltung 316, welche die Zwischen-Klemmen-Spannungen VA und VB der Spulen LA und LB addiert, und eine Subtraktionsschaltung 317, die eine Operation ("VA + VB – VN – Vo") durchführt, bei der die Summe der konstanten Spannung VN und Vo subtrahiert wird, die durch eine Konstantspannungs-Generatorschaltung 27 erzeugt wird, kann aus der Summe der Zwischen-Klemmen-Spannungen VA und VB, ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal cosθsinωt erzeugt werden, das eine Kosinusfunktionscharakteristik aufweist. Hier sei angenommen, dass die konstanten Spannungen VN und Vo, die durch die Konstantspannungs-Generatorschaltung 27 erzeugt wurden, mit Temperaturcharakteristiken verändert werden, die denjenigen der Spulen LA und LB ähnlich sind. Zu diesem Zweck ist es lediglich nötig, dass die Konstantspannungs-Generatorschaltung 27 als Dummyspule ausgebildet ist, deren Charakteristiken denjenigen der Spule LA oder LB gleich sind und durch das gleiche Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal angeregt wird. Wenn ein Magnetkern, dessen Charakteristiken dem magnetismusempfindlichen Teil 11 ähnlich sind, immer in eine solch Dummyspule eingefügt ist, wird die gleiche konstante Spannung wie die Maximalspannung VN, die erzeugt wird, wenn das magnetismusempfindliche Teil 11 vollständig in eine der Spulen eingeführt wurde, konstant mit den Temperaturcharakteristiken erhalten. Wenn kein solcher Magnetkern in die Dummyspule eingefügt wurde, dann wird die gleiche konstante Spannung wie der Minimalspannungswert Vo erhalten.
Die oben erwähnte Konstantspannungs-Generatorschaltung 27 ist nicht nur in dem Fall anwendbar, wo die Anzahl der Spulen 2 ist, sondern auch auf andere Fälle, wo eine kleinere oder größere Anzahl der Spulen eingesetzt wird. In einer Situation zum Beispiel, wo drei Spulen LA, LB und LC verwendet werden, um Phasenvariationen über einen Bereich von 0°–270° zu erzeugen, kann das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθsinωt, das eine Sinusfunktionscharakteristik aufweist, durch eine arithmetische Operation "VA – VB – VC + Vo" unter der Verwendung der Ausgangsspannungen VA, VB und VC und der konstanten Spannungen VN und Vo aus der Konstantspannungs-Generatorschaltung 27 erzeugt werden, und das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal cosθsinωt, das eine Kosinusfunktionscharakteristik aufweist, durch eine arithmetische Operation "VA + VB – VC – VN" erzeugt werden.
Als ein weiteres Beispiel sei angeführt, dass auch nur eine Spule, die dem effektiven Detektionsbereich der Positionsdetektorvorrichtung entspricht, vorgesehen werden kann. In diesem Fall ist eine Phasenvariationsbreite innerhalb des der Länge K nur einer Spule entsprechende effektive Detektionsbereich kleiner als 90°. Die 22A bis 22C zeigen ein solches Beispiel, bei dem, wie in 22A gezeigt, die einzige Spule LA in Reihe mit einem Widerstand R1 geschaltet ist. Bei dieser Anordnung verringert sich bei einer stetigen Erhöhung der Amplitudenkomponente der Zwischen-Klemmen-Spannung VA der Spule LA, wie in 22B gezeigt, im Ansprechen auf eine Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils 11 die Amplitudenkomponente des Zwischen-Klemmen-Spannungsabfalls VR des Widerstands R1. Wenn die Zwischen-Klemmen-Spannung VR des Widerstands R1 als ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθsinωt einer Sinusfunktionscharakteristik und die Zwischen-Klemmen-Spannung VA der Spule LA als ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal cosθsinωt einer Kosinusfunktionscharakteristik betrachtet wird, können sie Charakteristiken innerhalb eines vorgegebenen weniger als 90° betragenden Winkelbereichs zugeordnet werden, bei dem sich die Sinus- und Kosinusfunktionen überkreuzen. Daher kann durch ein Anlegen dieser Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale an die Phasendetektionsschaltung 32 ein Phasenwinkel θ innerhalb des Winkelbereichs von weniger als 90° in diesem Fall als ein absoluter Wert erfasst werden.
Die 23A bis 23E zeigen eine Modifikation der in den 22A bis 22C gezeigten Ausführungsform, wobei eine Dummyspule LN anstelle des Widerstands R1 vorgesehen ist. Die Dummyspule LN ist in Reihe mit der Detektionsspule LA geschaltet, die durch eine Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils 11 beeinflusst würde, ist selbst jedoch von der Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils 11 nicht betroffen. Durch das Vorsehen der Dummyspule LN kann die gleiche konstante Spannung wie die maximale Spannung VN, die erzeugt wird, wenn das magnetismusempfindliche Teil 11 in eine der Spulen voll eingetreten ist, konstant mit Temperaturcharakteristiken erhalten werden. Auf diese Weise werden die Zwischen-Klemmen-Spannungen VA und VN der Spulen LA und der Dummyspule LN, die der Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils 11 entspricht, in einer Weise erzeugt, wie in 23B gezeigt ist. Eine arithmetische Operationsschaltung 318 berechnet diese Spannungen VA und VN gemäß vorbestimmter mathematischer Ausdrücke. Zum Beispiel erzeugt die arithmetische Operationsschaltung 318 ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθsinωt einer Sinusfunktionscharakteristik durch eine arithmetische Operation "VA + VN" und erzeugt ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal cosθsinωt einer Kosinusfunktionscharakteristik durch eine arithmetische Operation "VA – VN". Sie können Charakteristiken innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs von weniger als 90°, wie in 23D gezeigt, zugeordnet werden. Daher kann durch Anliegen dieser Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale an die Phasendetektionsschaltung 32 ein Phasenwinkel θ innerhalb des fraglichen Winkelbereichs von weniger als 90° in einem absoluten Wert erfasst werden. Es versteht sich, dass die oben erwähnte Dummyspule LN mit der Detektionsspule LA auch parallel und nicht in Reihe geschaltet sein kann, wie das in 23E gezeigt ist. Aus einem unterschiedlichen Blickwinkel kann das Beispiel von 23A auch als eine Modifikation der in den 1A–1C gezeigten Ausführungsform betrachtet werden. Da nur eine Referenzspannung VN verwendet wird, wird ein engerer detektierbarer Phasenwinkelbereich vorgesehen.
Während bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen die einzelnen Spulen im Spulenabschnitt 10 koaxial angeordnet sind und das magnetismusempfindliche Teil 11 in den durch diese Spulen definierten Innenraum beweglich ist, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht eingeschränkt, und jedes gewünschte Positionsverhältnis zwischen dem Spulenabschnitt 10 und dem magnetismusempfindlichen Teil 11 kann gewählt werden. Zum Beispiel können, wie in 24 gezeigt, die Spulen Lα, LA – LD und Lβ im Spulenabschnitt 10 so angeordnet sein, dass ihre Achsen nebeneinander verlaufen können, und das magnetismusempfindliche Teil 11 kann so angeordnet sein, dass es in der Nähe der entsprechenden Enden der Spulen verläuft. In einem solchen Fall ist es vorzuziehen, dass die Spulen Lα, LA – LD und Lβ jeweils um einen Eisenkern gewickelt sind.
Außerdem kann, auch in dem Fall wo die einzelnen Spulen im Spulenabschnitt 10 koaxial angeordnet sind, wie das im Beispiel der 17A bis 17C der Fall ist, das magnetismusempfindliche Teil 11 so angeordnet sein, dass es nicht in den durch die Spulen definierten Innenraum bewegt wird, wie das beispielsweise in 25A gezeigt ist. In 25A ist das magnetismusempfindliche Teil 11 so angeordnet, dass es in der Nähe der Spulen parallel zu ihren Achsen verläuft. In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass ein Eisenkern 53 durch einen durch die Spulen Lα, LA – LD und Lβ definierten axialen Innenraum geführt wird. In solchen Anordnungen kann ein Magnetfluss mit größerer Wirkung um die Spulen herum verlaufen, wodurch eine erhöhte Empfindlichkeit für das magnetismusempfindliche Teil 11 geschaffen wird, das den Spulen außen nah ist, und daher die Detektionsgenauigkeit erhöht werden. 25B ist eine perspektivische Darstellung, die eine solche Modifikation zeigt, bei der das magnetismusempfindliche Teil 11 in der Form eines Hohlzylinders ist, in dem der Spulenabschnitt 10 beweglich ist. Auch in diesem Fall ist es vorzuziehen, wenn ein Eisenkern 53 durch einen durch die Spulen Lα, LA – LD und Lβ definierten axialen Innenraum eingefügt wird, so dass der Magnetfluss mit erhöhter Wirkung außen um die Spulen herum verlaufen kann.
26 ist ein schematischer zeitlicher Schnitt, der weitere Beispiele des Spulenabschnitts 10 und des magnetismusempfindlichen Teils 11 zeigt. In diesem Beispiel sind die Spulen Lα, LA – LD und Lβ mit einem Abstand K, wie das auch im Beispiel der 17A und 17B der Fall ist, beabstandet, doch hat jede der Spulen eine kleinere Länge als im Beispiel der 17A und 17B. Die nebeneinander liegenden Spulen Lα, LA – LD und Lβ brauchen bei diesem Beispiel nämlich nicht so nahe beieinander zu liegen, wie das im Beispiel der 17A und 17B der Fall ist, sondern können durch jeden beliebigen geeigneten Abstand voneinander beabstandet sein. Das magnetismusempfindliche Teil 11 verjüngt sich über eine Länge, die im Wesentlichen gleich der Spulenlänge K ist, zu einer Spitze 11a. Bei dieser Verjüngung über die Länge, die im Wesentlichen der Spulenlänge K entspricht, kann die Induktanz der jeweiligen Spulen in glatter stetiger Weise im Ansprechen auf eine Bewegung der Spitze 11a des magnetismusempfindlichen Teils 11 zunehmen. Natürlich kann auch in dem Fall, bei dem die Spulen Lα, LA – LD und Lβ nahe beieinander liegen, wie zum Beispiel bei den 17A und 17B, die Spitze 11a des magnetismusempfindlichen Teils 11 in entsprechender Weise spitz zulaufen.
Als ein weiteres Beispiel sei angeführt, dass jede der Spulen im Spulenabschnitt 10 mehrere getrennte Spulensegmente aufweisen kann. 27 zeigt eine beispielhafte Anordnung der getrennten Spulensegmente, bei denen eine Spule LA aus vier voneinander beabstandeten Spulensegmenten LA1, LA2, LA3 und LA4 zusammengesetzt ist, die zusammen die Länge K abdecken. Diese Spulensegmente LA1, LA2 und LA3 und LA4 sind miteinander in Reihe geschaltet, um eine Zwischen-Klemmen-Spannung VA der Spule LA zu erzeugen. In diesem Fall können die Spulensegmente LA1, LA2, LA3 und LA4 bezüglich der Anzahl der Spulenwindungen entweder zueinander identisch sein oder sich voneinander unterscheiden. Außerdem können die Spulensegmente LA1, LA2, LA3 und LA4 wie gewünscht entweder gleiche Abstände oder ungleiche Abstände voneinander haben.
Durch den Einsatz unterschiedlicher Anzahlen von Spulenwindungen und ungleicher Intervalle zwischen den Spulensegmenten (nicht linearen Anordnungen) können Impedanzvariationen mit Charakteristiken erzeugt werden, die einer Sinus- und Kosinusfunktionskurve näher sind, was die oben erwähnte Nichtlinearität zwischen einem detektierten Phasenwinkel θ und einer tatsächlichen zu detektierenden Entfernung (Position) verbessern kann. Außerdem kann, auch wenn die Spulen Lα, LA – LD und Lβ einander nahe sind, wie das im Beispiel der 17A und 17B der Fall ist, die Anzahl von Spulenwindungen über die Länge K der fraglichen Spule zwischen den Spulensegmenten gleich oder ungleich gemacht werden. Dies kann dann auch Impedanzvariationen mit Charakteristiken erzeugen, die einer Sinus- und Kosinusfunktionskurve näher sind, was die oben erwähnte Nichtlinearität zwischen einem detektierten Phasenwinkel θ und einer tatsächlichen zu detektierenden Entfernung (Position) verbessern kann.
Außerdem ist die Positionsdetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich zur Erfassung einer Position eines zu detektierenden Objekts, das sich einem vollständig geraden Pfad folgend bewegt, auch zur Erfassung eines zu detektierenden Objekts anwendbar, das sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs einem bogenförmigen oder kurvigen Pfad folgend bewegt. 28 zeigt ein solches Beispiel, bei dem die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auf den Fall einer linearen Positionsdetektion angewendet sind. In 28 weist der Spulenabschnitt 10 Spulen LA – LD auf, die über einen vorbestimmten Winkelbereich ψ in einer Abfolge bogenförmig angeordnet sind, und bei dem das magnetismusempfindliche Teil 11 so angeordnet ist, dass es über den Winkelbereich ψ um eine Achse C schwenkbar ist. Außerdem kann die erfindungsgemäße Positionsdetektorvorrichtung so konstruiert werden, dass sie einen Winkel innerhalb eines vorbestimmten Drehwinkelbereichs erfasst.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen das magnetismusempfindliche Teil 11 aus einer nicht magnetischen Substanz einer guten elektrischen Leitfähigkeit, wie zum Beispiel aus Kupfer oder Aluminium, anstelle einer magnetischen Substanz hergestellt werden kann. In einem solchen Fall wird ein Wirbelstromverlust die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule dazu bringen, stetig abzufallen, während das magnetismusempfindliche Teil 11 sich der Spule nähert. Es wird auch darauf hingewiesen, dass das magnetismusempfindliche Teil 11 ein Hybridteil sein kann, das eine Kombination einer magnetischen Substanz und einer elektrisch leitfähigen Substanz aufweist, wobei in diesem Fall das magnetismusempfindliche Teil 11 sich verjüngen kann, um eine Spitze 11a einer nicht magnetischen und elektrisch leitfähigen Substanz 11b vorzusehen, und eine magnetische Substanz 11c kann zum Kompensieren eines Mangels der nicht magnetischen und elektrisch leitfähigen Substanz 11b aufgrund ihrer sich verjüngenden Form vorgesehen werden, wie das in 29 veranschaulichend gezeigt ist.
Als noch ein weiteres Beispiel kann das magnetismusempfindliche Teil 11 einen Permanentmagneten aufweisen und jede der Spulen im Spulenabschnitt 10 einen Eisenkern aufweisen, wie das veranschaulichend in 30 gezeigt ist. In 30 ist der Permanentmagnet 11M, der als das magnetismusempfindliche Teil 11 fungiert, in der Form eines Rings, in den der Spulenabschnitt 10 beweglich ist, und ein Eisenkern 54 wird durch einen axialen Innenraum eingeführt, der durch die einzelnen Spulen Lα, LA – LD und Lβ gebildet wird. Wenn der Permanentmagnet 11M einer der Spulen nahe genug kommt, wird ein Magnetkern in der Nähe der Spule magnetisch gesättigt oder übersättigt, so dass die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule fällt. Der Permanentmagnet 11M hat eine Länge, die mindestens gleich einer Spulenlänge K ist, so dass die Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule während einer Bewegung des Permanentmagneten 11M von einem Ende zum anderen der Spule stetig abnimmt. Auch in dem Fall, wo der Permanentmagnet 11M als das magnetismusempfindliche Teil 11 verwendet wird, kann nämlich eine stetige Verringerung der Zwischen-Klemmen-Spannung der Spule während einer Bewegung des Permanentmagneten 11M von einem Ende zum anderen der Spule verursacht werden, wie das auch der Fall ist, wenn die nicht magnetische Substanz einer guten elektrischen Leitfähigkeit 11B verwendet wird. Im Fall von 30 wird jedoch der nicht gesättigte Zustand wiederhergestellt, nachdem der Permanentmagnet 11M an einer vorbestimmten Position der Spule vorbeigegangen ist. Die erfindungsgemäße Positionsdetektorvorrichtung kann jedoch so konstruiert werden, dass Amplitudenpegelvariationen erwünschter Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken geliefert werden, indem entsprechende analoge arithmetische Operationen in einer folgenden Stufe durchgeführt werden. Alternativ dazu kann der magnetisch gesättigte oder übersättigte Zustand dazu veranlasst werden anzudauern, indem eine Reihe mehrerer Permanentmagneten 11M als das magnetismusempfindliche Teil 11 vorgesehen werden. Der Permanentmagnet 11M kann auch eine beliebige andere Form als die eines Rings, wie zum Beispiel die eines Stabs, haben, wobei in diesem Fall das magnetismusempfindliche Teil 11, das den Permanentmagneten 11M umfasst, so angeordnet sein kann, dass es in der Nachbarschaft des Spulenabschnitts 11 parallel zu dessen Achse vorbeigeführt wird. Es wird vorgezogen, dass der Magnetkern 54 in dieser Modifikation eine relativ dünne Form bekommt, so dass die magnetische Sättigung leicht eintritt.
Die 31A und 31B zeigen Modifikationen der Platzierung der Spulen im Spulenabschnitt 10 von 25B, was zu einer Verhinderung von Quersprechen zwischen jeweils benachbarten Spulen und dadurch zur Erhöhung der Detektionsgenauigkeit beabsichtigt ist. In der Modifikation von 31A sind die Spulen Lα, LA – LD und Lβ über magnetische Abstandhalter 62 voneinander beabstandet, um so eine Ausbreitung des Magnetflusses zu verhindern, der von den einzelnen Spulen erzeugt wird. Der Magnetfluss von den jeweiligen Spulen folgt nämlich einem Pfad, der in den Figuren mit ϕ bezeichnet wird, entlang dessen er aus dem inneren der Spule heraus, dann am nächstliegenden Ende vorbei (d.h. der Position des magnetischen Abstandhalters 62), um die Spule herum über ein weiteres nächstes Ende (d.h. die Position eines weiteren magnetischen Abstandhalters 62) und dann wieder in das Innere der Spule fließt. Solche Anordnungen verhindern wirkungsvoll unerwünschtes Quersprechen zwischen den Spulen, was die Empfindlichkeit (Impedanzvariationen) der einzelnen Spulen bezüglich der Anwesenheit des magnetismusempfindlichen Teils 11, das sich der Spule außen nähert, beträchtlich verbessert, wodurch die Detektionsgenauigkeit erhöht wird. Während beim Beispiel von 31A nur ein magnetischer Abstandshalter 62 zwischen jeweils beieinanderliegenden Spulen angeordnet sind, können, wie in 31B gezeigt, auch zwei magnetische Abstandhalter 62, die geringfügig voneinander beabstandet sind, zwischen jeweils beieinanderliegenden Spulen angeordnet sein. Im Beispiel von 31B kann ein nicht magnetischer Körper als ein Spulenkörper anstelle des Magnetkerns 53 verwendet werden. Der Gedanke einer Trennung der Spulen voneinander über die magnetischen Abstandhalter 62A und 62B wie in den Modifikationen der 31A und 31B ist auch auf die Ausführungsform von 30 anwendbar.
32 ist, ein schematischer Axialschnitt, der noch eine weitere Ausführungsform der Positionsdetektorvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt, die so angeordnet ist, dass die Spuleninduktanz im Spulenabschnitt stetig kleiner wird, während sich das magnetismusempfindliche Teil 11 tiefer in den Spulenabschnitt 10 hinein bewegt. 33A ist eine schematische perspektivische Darstellung, die einen Hauptteil der Detektorvorrichtung zeigt, wobei ein beispielhaftes Positionsverhältnis zwischen dem Spulenabschnitt 10 und dem magnetismusempfindlichen Teil 11 von 32 gezeigt ist. 33B ist eine schematische Schnittdarstellung entlang der Achse des Spulenabschnitts 10, und 33C ist ein Blockdiagramm, das dem Spulenabschnitt 10 zugeordnete elektrische Schaltungen zeigt. In der Positionsdetektorvorrichtung von 32 ist das magnetismusempfindliche Teil 11 in der Form eines Hohlzylinders, in den der Spulenabschnitt 10 wie in den Beispielen der 25B und 30 beweglich ist.
Außerdem weist in der Ausführungsform von 32 der Spulenabschnitt 10 mehrere Spulen auf – vier Spulen im gezeigten Beispiel, LA, LB, LC und LD -, die in einer Abfolge um einen Spulenkörper 70 gewickelt sind, sowie ein nicht magnetisches und elektrisch leitfähiges Schutzrohr (das alternativ auch eine Beschichtung oder ein Formteil sein kann) 71, das die mehreren Spulen umschließt und sie daher außen herum abdeckt. Das Schutzrohr 31 kann aus einem beliebigen geeigneten Material sein. Ein wärmeschrumpfbarer Schutzschlauch aus einem isolierenden Harz ist jedoch am meisten vorzuziehen, da es kostengünstig ist.
Der Spulkörper 70 ist in der Form eines nicht magnetischen Hohlzylinders, in den einer oder mehrere Magnetstäbe 72 aufgenommen sind. Die Stäbe 72 erstrecken sich über die ganze Länge des Spulenabschnitts 10 und haben die Wirkung des Setzens eines Induktanzwerts, d.h. einer Impedanz, entlang der gesamten Länge des Spulenabschnitts 10. Das Setzen eines solchen Induktanzwerts entlang der gesamten Länge des Spulenabschnitts 10 kann gegebenenfalls verändert werden, indem die Dicke und die Anzahl der Stäbe 72, die im Spulenkörper 70 aufgenommen sind, geändert wird. Vorzugsweise ist jeder der Magnetstäbe 72 mit Kupfer oder dergleichen beschichtet, um eine leitfähige Beschichtung auf seiner Außenoberfläche zu schaffen, so dass die leitfähige Beschichtung zum Kompensieren von Temperaturdriftcharakteristiken beiträgt. Der Spulenkörper 70 kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder Harz ausgebildet sein, solange er nicht magnetisch ist. In Fällen, wo eine Vorrichtung, welche die erfindungsgemäße Positionsdetektorvorrichtung verwendet, auf eine große Baumaschine oder dergleichen angewendet wird, wo sie großen Lasten ausgesetzt ist, ist es eher vorzuziehen, dass der Spulenkörper 70 aus Metall ist, wie zum Beispiel einem nicht magnetischen Edelstahl, um eine ausreichende mechanische Festigkeit vorzusehen. Bei einer Anwendung auf kleinere Geräte oder Vorrichtungen wird der Spulenkörper 70 aufgrund der geringeren Kosten und des geringeren Gewichts jedoch lieber aus Harz hergestellt. Die folgenden Absätze beschreiben anhand der 33A bis 33C, wie die Positionsdetektorvorrichtung von 32 zur Positionserfassung betrieben wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass in den 33A bis 33C zur einfacheren Darstellung nur ein Magnetstab 72 und der Spulenkörper 70 nicht gezeigt ist.
Im Spulenabschnitt 10 der 33A bis 33C sind die Spulen LA, LB, LC und LD, die sich in der Anzahl der Spulenwindungen, der Spulenlänge und verschiedener anderer Eigenschaften gleichen, in Reihe entlang der Richtung angeordnet, in der das zu detektierende Objekt linear bewegt wird. Bei dieser Ausführungsform variieren die relativen Positionen zwischen dem Spulenabschnitt 10 und dem magnetismusempfindlichen Teil 11 im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden Objekts in einer ähnlichen Weise zur Ausführungsform der 17A und 17B. Insbesondere tritt, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 11 im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts zum hinteren Ende des Spulenabschnitts 10, in der Figur nämlich nach rechts, bewegt, die Spitze 11a des magnetismusempfindlichen Teils 11 zuerst in ein Magnetfeld der führenden Spule LA und tritt dann in entsprechende Magnetfelder der anderen Spulen LB, LC und LD nacheinander in der erwähnten Reihenfolge. Eine strichpunktierte Linie 11' in 33B stellt das magnetismusempfindliche Teil 11 dar, wie es vollständig bis zum Magnetfeld der letzten Spule LD eingetreten ist. Der axiale Bereich 4K (4 x K) der den vier Spulen LA, LB, LC und LD entspricht, bilden zusammen den effektiven Detektionsbereich der Positionsdetektorvorrichtung. Da jedoch die Detektionsgenauigkeit an entgegengesetzten Enden der axialen Bereiche 4K die Tendenz hat, abzunehmen, werden die entgegengesetzten Enden des effektiven Detektionsbereichs für Positionsdetektionszwecke nicht tatsächlich verwendet, so dass der effektive Detektionsbereich etwas kürzer ausfallen würde, als eine Gesamtlänge der Axialbereiche 4K. Natürlich können, um eine genaue Detektion entlang der gesamten Länge des effektiven Detektionsbereichs zu erlauben, Zusatzspulen Lα und Lβ unmittelbar vor und nach dem effektiven Detektionsbereich 4K in einer ähnlichen Weise zu den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen werden.
Der eine oder die mehreren Magnetstäbe 72 erstrecken sich axial durch die einzelnen Spulen LA, LB, LC und LD an ihren entsprechenden Kernbereichen. Der eine oder die mehreren Magnetstäbe 72 weisen einen maximalen Induktanzwert auf, wenn das magnetismusempfindliche Teil 11 dem Spulenabschnitt 10 nicht entsprechend nahe ist. Wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 11 dem Magnetfeld einer der Spulen nähert oder weiter in es eindringt, nimmt die Selbstinduktanz der Spule ab. Daher nimmt eine Zwischen-Klemmen-Spannung zwischen entgegengesetzten Enden der Spule stetig ab, während sich die Spitze 11a des magnetismusempfindlichen Teils 11 vom einen Ende zum anderen Ende der fraglichen Spule verschiebt. Insbesondere deckt in dem Fall, wo das magnetismusempfindliche Teil 11 aus einer magnetischen Substanz hergestellt ist, die magnetische Substanz die Spule außen ab, die durch das magnetismusempfindliche Teil 11 inzwischen umgeben wurde, und daher leckt ein Magnetfluss, der sich bisher ausschließlich an den Magnetkernen, nämlich den Stäben 72, konzentriert hatte, im Spulenkernbereich zum Element 11 nach außen, so dass die Selbstinduktanz der Spule verringert wird. Außerdem deckt in dem Fall, wo das magnetismusempfindliche Teil 11 aus einer elektrisch leitfähigen Substanz hergestellt ist, die leitfähige Substanz die Spule außen ab, die durch das Teil 11 inzwischen umgeben ist, und daher tritt am Magnetfeld ein Wirbelstromverlust auf, der ebenfalls verursacht, dass die Selbstinduktanz der Spule abnimmt. Das bedeutet also, dass bei der Ausführungsform von 32 die Selbstinduktanz des Elements 11 verringert wird, wenn sich das magnetismusempfindliche Teil 11 dem Magnetfeld des Spulenabschnitts 10 nähert oder in ihn eindringt, unabhängig davon, ob das Teil 11 aus einer magnetischen Substanz oder aus einer elektrisch leitfähigen Substanz hergestellt ist. Die Verwendung der elektrisch leitfähigen Substanz als das magnetismusempfindliche Teil 11 ist jedoch vorzuziehen, weil die Rate der Induktanzverringerung, welche durch den Wirbelstromverlust in der die Spule umgebenden leitfähigen Substanz größer ist als die Rate der Induktanzverringerung, die durch die Magnetflussleckage an die die Spule umgebende magnetische Substanz ist. Da es lediglich notwendig ist, dass die elektrisch leitfähige Substanz einen sogenannten "Skin-Effekt" erzeugt, kann die Substanz auch in der Form lediglich einer dünnen Schicht sein, die auf dem magnetismusempfindlichen Teil 11 vorgesehen ist. In einem solchen Fall kann das magnetismusempfindliche Teil 11 dadurch gebildet werden, dass eine elektrisch leitfähige Substanz (z.B. eine Verkupferung) auf und entlang einer Innenwandoberfläche eines geeigneten Basiselements (beweglichen Elements) vorgesehen wird, das eine Hohlzylinderform aufweist.
Wie in 33C gezeigt, werden die einzelnen Spulen LA, LB, LC und LD mit einer konstanten Spannung oder einem konstanten Strom durch ein vorbestimmtes Einzel-Phasen-Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal ("sinωt") angeregt, das durch die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Versorgung 30 erzeugt wird. Spannungen zwischen den entsprechenden entgegengesetzten Enden dieser Spulen LA, LB, LC und LD werden in den Figuren durch "VA", "VB", "VC" bzw. "VD" bezeichnet, und Zapfanschlüsse 14–18 sind zum Abnehmen dieser Spannungen VA, VB, VC und VD vorgesehen. Wie leicht ersichtlich ist, brauchen die Spulen LA, LB, LC und LD nicht notwendigerweise physisch getrennte Spulen zu sein, sie können vielmehr durch eine einzige durchgehende Spule ersetzt werden, die durch zwischengeordnete Zapfanschlüsse 14–18 in vier Längen oder Spulenabschnitte unterteilt ist. Dies bedeutet, dass der Spulenabschnitt zwischen den Zapfanschlüssen 14 und 15 als die Spule LA, der Spulenabschnitt zwischen den Zapfanschlüssen 15 und 16 als die Spule LB, der Spulenabschnitt zwischen den Zapfanschlüssen 16 und 17 als die Spule LC und der Spulenabschnitt zwischen den Zapfanschlüssen 17 und 18 als die Spule LD fungiert. Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD aus den einzelnen Spulen werden in vorbestimmten Kombinationen an die analogen arithmetischen Operationsschaltungen 311 und 312 weitergeleitet, in denen sie auf der Grundlage vorbestimmter mathematischer Ausdrücke, die noch zu beschreiben sind, einer Addition und/oder Subtraktion unterzogen werden. Auf diese Weise erzeugen diese analogen arithmetischen Operationsschaltungen 311 und 312 zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt mit Amplituden, die Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen, die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen.
Wie schon früher erwähnt, wird bei einer Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils 11 näher an oder weiter in das Magnetfeld einer jeweiligen Spule die Selbstinduktanz der Spule geringer und daher wird die Spannung zwischen den entgegengesetzten Enden der Spule während einer Verschiebung der Spitze 11a des Teils 11 von einem Ende zum anderen Ende der Spule stetig geringer. Hier werden aufgrund der Anordnung der Spulen LA, LB, LC und LD in einer Reihe entlang der Verschiebungsrichtung des zu detektierenden Objekts stetige Variationen der entsprechenden Spannungen VA, VB, VC und VD der Spulen LA, LB, LC und LD sequentiell auftreten, wie das veranschaulichend in Teil (A) von 34 gezeigt ist, während sich das magnetismusempfindliche Teil 11 im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden Objekts im Verhältnis zu den Spulen LA, LB, LC und LD bewegt. Im Teil (A) von 34 repräsentiert eine Steigung in den jeweiligen Kurven, welche die Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD aus den Spulen LA, LB, LC und LD zeigen, einen Bereich, bei dem die Spitze 11a des magnetismusempfindlichen Teils 11 sich vom einen Ende zum anderen Ende der fraglichen Spule bewegt. Typischerweise kann eine stetige Variationskurve der Spannung zwischen den entgegengesetzten Enden der Spule, die während der Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils 11 vom einen Ende der Spule zum anderen auftritt, mit einer Funktionswertvariation innerhalb eines Bereichs von 90° der Sinus- oder Kosinusfunktion verglichen werden. Daher ist es durch eine entsprechende Kombination der Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD aus den einzelnen Spulen LA, LB, LC und LD und Durchführen einer Addition und/oder Subtraktion zwischen den Kombinationen möglich, zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt mit Amplituden zu erzeugen, die Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen, die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen.
Insbesondere kann die analoge arithmetische Operationsschaltung 311 ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal liefern, das eine Amplitudenkurve der Sinusfunktionscharakteristik anzeigt, wie in Teil (B) von 34 gezeigt, indem gemäß dem unten angegebenen Ausdruck (10) arithmetische Operationen an den Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD aus den Spulen LA, LB, LC und LD durchgeführt werden. Das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal kann äquivalent durch "sinθsinωt" dargestellt werden. (VB – VA) – (VD – VC) – Vo Ausdruck (10)
Es wird darauf hingewiesen, dass "Vo" eine Referenzspannung repräsentiert, die einem minimalen Induktanzwert entspricht, der erhalten wird, wenn das magnetismusempfindliche Teil 11 eine der Spulen gänzlich abgedeckt hat, und diese Referenzspannung hier zum Versetzen der Ausgangsspannung auf einen Pegel 0 verwendet wird.
Außerdem kann die andere analoge arithmetische Operationsschaltung 312 ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal liefern, das eine Amplitudenkurve der Kosinusfunktionscharakteristik aufweist, wie das in Teil (B) von 34 gezeigt ist, indem arithmetische Operationen an den Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD aus den Spulen LA, LB, LC und LD gemäß dem unten angegebenen Ausdruck (11) durchgeführt werden. Das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal kann äquivalent durch "cosθsinωt" ausgedrückt werden. VA + (VB – VC) + (Vp – VD) – Vo Ausdruck (11)
Es wird darauf hingewiesen, dass "Vp" eine Referenzspannung repräsentiert, die einem maximalen Induktanzwert entsprich, der erhalten wird, wenn das magnetismusempfindliche Teil 11 keiner der Spulen nahe genug ist, und diese Referenzspannung hier zum Versetzen der Ausgangsspannung VD verwendet wird. Um Temperaturdrifts zu berücksichtigen, sollte eine Erzeugung der Referenzspannungen Vo und Vp unter der Verwendung einer geeigneten Dummyspule erfolgen, so dass diese Spannungen Vo und Vp mit den gleichen Temperaturdriftcharakteristiken als diejenigen der Spulen LA, LB, LC und LD erzeugt werden können. Es können jedoch auch beliebige andere geeignete Temperaturkompensationsmittel eingesetzt werden.
Der Phasenwinkel 8 in den Sinus- und Kosinusfunktionen, welche Amplitudenkomponenten der einzelnen Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sind, entspricht der zu detektierenden aktuellen Position, und ein Phasenwinkel θ innerhalb des Bereichs von 90° entspricht der Länge einer der Spulen. Daher entspricht der effektive Detektionsbereich mit der Länge von 4K den Phasenwinkeln θ, die sich von 0° bis 360° erstrecken. Daher kann jede Position innerhalb des effektiven Detektionsbereichs mit der Länge von 4K als ein absoluter Wert erfasst werden, indem ein solcher Phasenwinkel θ erfasst wird. Insbesondere kann in einer ähnlichen Weise zur oben Erwähnten jede Position innerhalb des effektiven Detektionsbereichs mittels der Phasendetektionsschaltung (oder Amplituden-Phasen-Konvertierungsmitteln) 32 als ein absoluter Wert erfasst werden, welche die Phasenkomponente θ der Amplitudenfunktionen sinθ und cosθ in den Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken erfasst.
Es folgt eine Erläuterung der Kompensation der Temperaturcharakteristiken in der Ausführungsform von 32. Eine Impedanz der einzelnen Spulen variiert mit einer Veränderung der Temperatur, und eine solche Impedanzvariation führt zu Variationen bei den Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD aus den einzelnen Spulen. Wie zum Beispiel in Teil (A) von 34 gezeigt ist, würde jede der Ausgangsspannungen VA, VB, VC und VD in einer Richtung zunehmend oder abnehmend im Verhältnis zu einer durchgezogenen Kurve variieren, wie das durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, wie das auch bei 18 der Fall ist. Jedoch würden in den Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt der Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken, die durch additive und subtraktive Synthese der Ausgangsspannungen erhalten wurden, die Variationen als positive und negative Amplitudenvariationen erscheinen, wie das durch die gestrichelte Linien im Gegensatz zu den durchgezogenen Kurven in Teil (B) von 34 angegeben ist. Dies bedeutet, dass eine Kompensation der Temperaturdriftcharakteristiken in geeigneter Weise erzielt wurde, ohne dass dadurch der Phasenwinkel 8 in den einzelnen Sinus- und Kosinusfunktionen beeinflusst wurde, und daher kann eine höchst genaue Positionsdetektion durch die Positionsdetektorvorrichtung vorgesehen werden. Außerdem kann die Temperaturdriftkompensation durch Ausbildung einer leitfähigen Beschichtung, wie zum Beispiel einer Verkupferung, auf der Außenoberfläche eines jeden der Magnetstäbe 72, die als die Magnetkerne des Spulenabschnitts 10 fungieren, wie oben erwähnt, durchgeführt werden. Insbesondere bewirken zwar die leitfähigen Beschichtungen auf den Magnetstäben 72 eine Verringerung der Induktanz der Magnetschaltung aufgrund eines darin erzeugten Wirbelstromverlusts, doch wird der Wirbelstromverlust in den leitfähigen Beschichtungen geringer, wodurch die Induktanz der Magnetschaltung relativ größer wird, während die Spulenimpedanz größer wird, zum Beispiel im Ansprechen auf eine Temperaturerhöhung, wodurch Temperaturdrifts der Spuleninduktanz kompensiert werden können. Aus dem gleichen Grund kann ein ähnlicher Temperaturdriftkompensationseffekt durch die Verwendung einer mehr oder weniger leitfähigen Substanz als dem nicht magnetischen Metall des Spulenkörpers 70 vorgesehen werden.
Auch wenn jede der Ausführungsformen oben so beschrieben wurde, dass sie zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt erzeugt, die Amplitudencharakteristiken von Sinus- und Kosinusfunktionen haben (sozusagen drehwinkelgeberartige Zwei-Phasen-Ausgangssignale), ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht eingeschränkt und kann so konstruiert werden, dass drei oder mehr Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugt werden, die Amplitudencharakteristiken von drei oder mehr trigonometrischen Funktionen aufweisen, die um einen vorbestimmten Grad phasenverschoben sind (z.B. sinθ·sinωt, sin(θ – 120°)·sinωt und sin(θ – 240°)·sinωt). Außerdem kann die Anzahl von Spulen LA – LD größer als vier sein.
Wie außerdem in 35 gezeigt ist, können zwei Gruppen von Spulen Lα, LA – LD, Lβ und Lα', LA' – LD', Lβ' (oder drei oder mehr Gruppen von Spulen) parallel vorgesehen sein, während sie in ihrer Position durch einen vorbestimmten Abstand d voneinander abweichen, wobei in diesem Fall das magnetismusempfindliche Teil in einer Größe ausgebildet ist, die zur Abdeckung aller Spulengruppen ausreicht. Die Spulen in allen diesen Gruppen werden durch ein gleichphasiges Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal (z.B. sinωt) angeregt. Die Abweichung der Entfernung b führt zu einer entsprechenden Phasendifferenz von weniger als 90°, und daher können mehrere Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, die Amplituden auf der Grundlage mehrerer trigonometrischer Funktionen aufweisen, die Phasendifferenzen abweichend von 90° aufweisen (trigonometrische Funktionen in einem anderen Verhältnis zueinander als in dem Sinus/Kosinus-Verhältnis), wie zum Beispiel sinθ·sinωt, sin(θ – 120°)·sinωt und sin(θ – 240°)·sinωt, durch Kombinieren der Ausgangsspannungen dieser Spulen erzeugt werden, nachdem daran entsprechende Additions- und/oder Subtraktionsoperationen durchgeführt wurden.
Als eine weitere Modifikation der vorliegenden Erfindung kann auch nur eine der analogen arithmetischen Operationsschaltungen 311 von 17C zur Erzeugung lediglich eines Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignals sinθ·sinωt verwendet werden. In einer solchen Modifikation werden die Positionsdetektionsdaten aus dem Amplitudenspannungspegel des einzigen Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθ·sinωt erhalten, ohne dass dabei die Phasendetektionsschaltung 32 eingesetzt wird. Auch in diesem Fall kann eine vereinfachte Positionsdetektorvorrichtung ohne Sekundärspule vorgesehen werden. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass eine Positionsdetektorvorrichtung auf der Grundlage der bekannten Phasenverschiebungs-Phasendetektionsprinzipien auch durch Kombinieren eines Paares der Positionsdetektorvorrichtungen in der gleichen Weise wie die oben beschriebene Modifikation aufgebaut werden kann, die nur ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal sinθ·sinωt erzeugen können. In einer solchen Positionsdetektorvorrichtung auf der Grundlage der bekannten Phasenverschiebungs-Phasendetektionsprinzipien werden nämlich Mehrfachphasen-Primärspulen durch Zwei-Phasen-Wechselstrom- bzw. -Wechselspannungs-Signale (z.B. sinωt und cosωt) angeregt, und ein Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal (z.B. sin(ωt + θ)), das um einen Phasenwinkel θ phasenverschoben ist, der einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entspricht, kann als eine Zusammensetzung der Ausgangssignale der einzelnen Phasen erzeugt werden. Die Idee der vorliegenden Erfindung kann auch auf eine Positionsdetektorvorrichtung auf der Grundlage der bekannten Phasenverschiebungs-Phasendetektionsprinzipien angewendet werden. Zu diesem Zweck können zwei Spulengruppen parallel zueinander vorgesehen werden, und die Spulen in jeder der Gruppen können durch Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signale unterschiedlicher Phasen (z.B. sinωt und cosωt) in einer solchen Weise angeregt werden, dass eine der Spulengruppen sinθcosωt ausgibt, während die andere Spulengruppe sinθsinωt ausgibt, und an diesen beiden Ausgangssignalen eine Addition oder Subtraktion durchgeführt wird.
Es sollte auch offensichtlich sein, dass das magnetismusempfindliche Teil 11 in jeder der in den 17A bis 35 gezeigten Ausführungsformen fest stehen kann, während der Spulenabschnitt 10 so angeordnet ist, dass er sich im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts im Verhältnis zum magnetismusempfindlichen Teil linear bewegt.
Die Positionsdetektorvorrichtung, die einen Permanentmagneten verwendet, wie in den 6 und 30 gezeigt, kann auch auf einen Fall angewendet werden, bei dem der Spulenabschnitt Primär- und Sekundärspulen aufweist, wie das veranschaulichend in 36 gezeigt ist. Insbesondere ist 36 eine schematische Teilschnittansicht einer linearen Positionsdetektorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese lineare Positionsdetektorvorrichtung 80 umfasst im Wesentlichen einen Eisenkern 82 und einen Spulenabschnitt 81, der in vorbestimmten Bedingungen um den Eisenkern 82 gewickelt ist, sowie einen Permanentmagnetabschnitt 90, der im Verhältnis zum Spulenabschnitt 81 beweglich ist. Der Eisenkern 82 ist vorzugsweise aus einem Siliziumstahl ausgebildet, der eine hohe magnetische Permeabilität und eine geringe Koerzitivfeldstärke hat. Der Eisenkern 82 kann jedoch auch aus einem beliebigen anderen geeigneten Material als Siliziumstahl hergestellt werden oder kann auch ein Schichtstoff aus Siliziumstahlplatten, die in einen Quader zusammengesetzt sind, sein. Außerdem kann der Eisenkern 82 eine beliebige gewünschte Form haben. Der Spulenabschnitt 81 weist mehrere Primärspulen P1–P5 auf, die durch ein vorbestimmtes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Signal anzuregen sind, und aus mehreren Sekundärspulen S1–S4, die so gewickelt sind, dass sie in einer vorbestimmten Richtung X ein vorbestimmtes Positionsverhältnis einnehmen.
37 ist ein Diagramm, das Verbindungen der Primärspulen P1–P5 und Sekundärspulen S1–S4 zeigt. Wie aus der Figur zu ersehen ist, müssen die Primärspulen P1–P5 nur durch ein gleiches Einzel-Phasen-Wechselstrom- bzw. -Wechselspannungs-Signal (z.B. sinωt) angeregt werden. Nur eine oder eine beliebige gewünschte Anzahl der Primärspulen kann in einer beliebigen gewünschten Anordnung vorgesehen sein. Die Sekundärspulen S1 und S3 sind so miteinander verbunden, dass sie in differenzieller Weise betrieben werden. Das gleiche gilt auch für die Sekundärspulen S2 und S4.
In einer Situation, bei der ein mechanisches System, dessen Position durch eine Positionsdetektorvorrichtung 80 zu erfassen ist, ein Linearmotor ist, ist der Spulenabschnitt 81 mit einem (nicht gezeigten) beweglichen Teil des Linearmotors verbunden, so dass es im Ansprechen auf eine sich verändernde lineare Position des beweglichen Teils linear und hin und her beweglich ist. In dieser Ausführungsform fungiert der Permanentmagnetabschnitt 90 als eine Schiene für den Linearmotor. Der Linearmotor ist nämlich so konstruiert, dass das bewegliche Teil sich über einen Schienenstrang bewegt, d.h. der Permanentmagnetabschnitt 90 ist aus einer Reihe von Magneten 91, 92,... zusammengesetzt, wie in 36 gezeigt. Das Verhältnis zwischen dem beweglichen Teil und dem Permanentmagnetabschnitt 90 kann natürlich gegebenenfalls umgekehrt werden. Bezüglich der Magneten 91 und 92 ist zum Beispiel ein Magnetfluss in einer Verbindung zwischen den Magneten 91 und 92 dicht, während die Magnetflussdichte in und um entsprechende Mittelbereiche dieser Magneten 91 und 92 geringer ist. Daher kommen Bereiche hoher und niedriger Magnetflussdichte auf dem Schienenstrang 90 alternierend mit vorbestimmten Abständen P vor.
Wenn Abstände alternierender Anordnung von N- und S-Polen der Magnete 91, 92,... durch P bezeichnet werden, werden die Sekundärspulen S1–S4 zum Beispiel im folgenden Positionsverhältnis angeordnet. Die Sekundärspule S3 hat von der Sekundärspule S1 einen Abstand, der einer ganzzahligen Vielfachen der Hälfte des Abstands P (P/2) (nämlich S3 = S1 + (P/2 + nP)) ist, die Sekundärspule S2 von der Sekundärspule S1 einen Abstand hat, der gleich einer ganzzahligen Vielfachen eines Viertels des Abstands P (P/4) (nämlich S2 = S1 + (P/4 + nP)) ist, und die Sekundärspule S4 von der Sekundärspule S2 einen Abstand hat, der gleich einer ganzzahligen Vielfachen einer Hälfte des Abstands P (P/2) (nämlich S4 = S1 + (P/2 + nP)) ist. Mit einem solchen Positionsverhältnis weist die Sekundärspule S1 eine Charakteristik einer Sinusfunktion (sin), die Sekundärspule S3 eine Charakteristik einer Minus-Sinusfunktion (–sin), die Sekundärspule S2 eine Charakteristik einer Kosinusfunktion (cos) und die Sekundärspule S4 eine Charakteristik eines Minus-Kosinusfunktion (–cos) auf.
Im Ansprechen auf eine sich verändernde lineare Position des zu detektierenden beweglichen Teils, d.h. des Spulenabschnitts 81, wirken die Bereiche hoher und geringer Magnetflussdichte des Schienenstrangs, d.h. des Permanentmagneten 90, abwechselnd auf den Spulenabschnitt 81. Wenn insbesondere eine beliebige der Sekundärspulen einem der dichten Magnetflussbereiche gegenüberliegt, geht der Magnetfluss aus dem Magneten durch einen entsprechenden Teil des Eisenkerns 82 in dichtem Fluss, so dass eine magnetische Kopplungskraft dieser Sekundärspule mit den daneben liegenden Primärspulen geschwächt würde. Dies deshalb, weil der durch den Eisenkern 82 gehende Magnetfluss aufgrund des Magnetflusses aus dem Magneten dicht wird, um hierdurch eine magnetische Sättigung im entsprechenden Teil des Eisenkerns 82 zu erzeugen, weshalb eine solche magnetische Kopplung in der gleichen Weise geschieht, wie sie in einem "kernlosen" Zustand wäre, bei dem kein Eisenkern vorhanden ist. Wenn daher die Sekundärspule der Verbindung zwischen den Magneten 91 und 92 gegenüberliegt, wo die Magnetflussdichte hoch ist, wird eine sekundäre elektromotorische Kraft am schwächsten. Wenn andererseits die Sekundärspule einem der Bereiche geringer Magnetflussdichte gegenüber ist, geht der Magnetfluss aus dem Magneten durch einen entsprechenden Teil des Eisenkerns 82 mit einer geringeren Dichte, so dass eine magnetische Kopplungskraft dieser Sekundärspule mit den danebenliegenden Primärspulen sich nicht wesentlich verändern würde.
Daher verändern sich die Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, die in den einzelnen Sekundärspulen induziert werden, im Ansprechen auf eine Variation der relativen linearen Positionen zwischen dem Spulenabschnitt 81 und dem Schienenstrang, d.h. dem Permanentmagneten 90. Induktive Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, die gemäß einer relativen linearen Position des beweglichen Teils, d.h. des zu detektierenden Objekts, amplitudenmoduliert werden, werden aus den einzelnen Sekundärspulen S1–S4 mit Amplitudenfunktionscharakteristiken erzeugt, die den entsprechenden Positionen der Sekundärspulen S1–S4 entsprechen. Wenn die Primärspulen P1–P5 durch das gleiche Einzel-Phasen-Wechselstrom- bzw. -Wechselspannungs-Signal sinωt angeregt werden, dann werden, wie in 2 gezeigt, die induktiven Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, die von den einzelnen Sekundärspulen S1–S4 erzeugt werden, in Zyklen mit jedem der Zyklen verändert, die einen Variationsbetrag repräsentieren, der eine gleiche elektrische Phasen- und Amplitudenfunktion hat, die dem Abstand P der Bereiche hoher und geringer Magnetflussdichte der Magnete 91 und 92 entspricht. Induktive Spannungspegel der Sekundärspulen S1–S4 weisen positive Zwei-Phasen-Funktionscharakteristiken sinθ und cosθ und negative bzw. Minus-Versionen der Funktionscharakteristiken –sinθ und –cosθ auf, die einer linearen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen. Die induktiven Ausgangssignale aus den Sekundärspulen S1–S4 werden nämlich ausgegeben, nachdem sie mit den zweiphasigen positiven Funktionscharakteristiken sinθ und cosθ und negativen Funktionscharakteristiken –sinθ und –cosθ, die einer aktuellen linearen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen, amplitudenmoduliert wurden. Es ist zu beachten, dass "θ" zu einer linearen Position "x" proportional ist, so dass zum Beispiel ein Verhältnis θ = 2π (X/P) zutrifft. Zur einfacheren Beschreibung wird die Anzahl von Spulenwindungen und Koeffizienten, die anderen Bedingungen entsprechen, nicht berücksichtigt, und es sei angenommen, dass die Sekundärspule S1 die Sinusphase, die Sekundärspule S2 die Kosinusphase, die Sekundärspule S3 die Minus-Sinusphase und die Sekundärspule S4 die Minus-Kosinusphase aufweist. Durch differenzielles Synthetisieren der induktiven Ausgangssignale der Sinus- und Minus-Sinusphasen kann ein erstes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal (sinθ sinωt) mit einer Amplitudenfunktion der Sinusfunktion erzeugt werden. In ähnlicher Weise kann durch differenzielles Synthetisieren der induktiven Ausgangssignale der Kosinus- und Minus-Kosinusphasen ein zweites Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal (cosθ·sinωt) mit einer Amplitudenfunktion der Kosinusfunktion erzeugt werden.
Auf diese Weise wird ein erstes Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal A (= sinθ·sinωt) mit einem Amplitudenwert eines ersten Funktionswerts sinθ, der einer aktuellen linearen Position des zu detektierenden Objekts entspricht, und ein zweites Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignal B (= cosθ·sinωt) mit einem Amplitudenwert eines zweiten Funktionswerts cosθ, der der linearen Position des zu detektierenden Objekts entspricht, vorgesehen. Bei einer solchen Verdrahtung kann die Linearbewegungspositionsdetektorvorrichtung zwei gleichphasige Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale mit zweiphasigen Amplitudenfunktionen (Sinus- und Kosinusausgangssignale) in einer ähnlichen Weise zur herkömmlichen Drehwinkelgebern liefern, die zu den Dreh-Positionsdetektorvorrichtungen gehören.
Zusammengefasst kann die beschriebene Erfindung eine verbesserte Positionsdetektorvorrichtung vorsehen, deren Größe sehr kompakt und deren Aufbau sehr einfach ist, da sie lediglich Primärspulen und keine Sekundärspulen benötigt.
Außerdem kann die vorliegende Erfindung unter der Verwendung einer Kombination einer Spule und zweier Referenzspannungen oder einer Kombination von zwei Spulen und einer Referenzspannung im Ansprechen auf eine aktuelle lineare Position eines zu detektierenden Objekts leicht mehrere Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugen, die Amplituden vorbestimmter zyklischer Funktionscharakteristiken aufweisen (z.B. zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale, die Amplituden von Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen), und kann auch mindestens einen Quadrantenbereich (90°) als einen verfügbaren Phasenwinkelbereich zuweisen. Daher kann die beschriebene Erfindung auch mit einer verringerten Anzahl von Spulen eine Positionsdetektion über einen relativ weiten Phasenwinkelbereich durchführen und eine erhöhte Detektionsauflösung erzielen. Außerdem kann auch für eine sehr kleine oder mikroskopische Verschiebung des zu detektierenden Objekts eine Position des Objekts mit einer hohen Auflösung erfasst werden. Wenn außerdem eine Schaltung (z.B. eine Spule), die Temperaturcharakteristiken aufweist, die denjenigen der Detektionsspulen ähnlich sind, als die Schaltung zum Erzeugen einer Referenzspannung eingesetzt wird, können subtraktive arithmetische Operationen in arithmetischen Operationsschaltungen automatisch die Temperaturdrifts ausgleichen, wodurch eine höchst genaue Positionsdetektion ohne Beeinflussung durch Temperaturveränderungen vorgesehen wird.
Außerdem kann die beschriebene Erfindung eine verbesserte Dreh-Positionsdetektorvorrichtung vorsehen, deren Größe sehr kompakt und deren Aufbau sehr einfach ist, da sie nur Primärspulen und keine Sekundärspule benötigt. Außerdem kann durch Durchführen arithmetischer Operationen an einem Ausgangssignal aus einer Spule und der Referenzspannung ein Ausgangssignal erzeugt werden, das Amplitudenkoeffizientencharakteristiken einer wirklichen Sinus- oder Kosinusfunktion aufweist, bei der Amplitudenkoeffizientenkomponenten in der positiven und negativen Richtung schwingen, was dazu führt, dass die vorliegende Erfindung die Spulenstruktur beträchtlich vereinfachen kann, um hierdurch eine höher entwickelte Dreh-Positionsdetektorvorrichtung einer noch kleineren Baugröße und einer noch weiter vereinfachten Struktur vorzusehen.
Außerdem kann mit der Anordnung, bei der mehrere Spulensegmente entlang einer Verschiebungsrichtung eines zu detektierenden Objekts angeordnet sind, so dass stetige inkrementelle oder dekrementelle Variationen der entsprechenden Zwischen-Klemmen-Spannungen der Spulensegmente sequentiell auftreten, während sich das magnetismusempfindliche Teil im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts im Verhältnis zu den Spulensegmenten bewegt, die vorliegende Erfindung mehrere Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale erzeugen, die Amplituden vorbestimmter zyklischer Funktionscharakteristiken aufweisen (z.B. zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale von Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken), die einer aktuellen Position des Objekts entsprechen, indem die von den Spulensegmenten abgenommenen Spannungen entsprechend kombiniert werden, nachdem eine Addition und/oder Subtraktion an den Spannungen durchgeführt wurde. Außerdem kann sogar bei sehr kleinen oder mikroskopischen Verschiebungen des zu detektierenden Objekts eine Position des Objekts mit einer hohen Auflösung erfasst werden, indem aus einer Korrelation zwischen den Amplitudenwerten dieser Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale ein Phasenwert in den vorbestimmten zyklischen Funktionen (z.B. Sinus- und Kosinusfunktionen) erfasst wird, welche die Amplitudenwerte definieren.
Schließlich folgt eine Beschreibung weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
38A ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Positionsdetektorvorrichtung, bei der der Spulenabschnitt 50 nur eine Spule L1 aufweist und ein Positionsdetektionssignal eine Kombination einer Ausgangsspannung Vx aus der Spule L1 und zweier Referenzspannungen Va und Vb in einer ähnlichen Weise zur Ausführungsform von 1 verwendet. 38B ist eine Teilschnittdarstellung der Positionsdetektorvorrichtung von 38A. Das magnetismusempfindliche Teil 65 ist auf einem Basiselement 66 vorgesehen, das wie ein Stab geformt ist, wie zum Beispiel einer Zylinder-Kolbenstange. Insbesondere weist das magnetismusempfindliche Teil 65 ein Muster einer vorbestimmten stetig zunehmenden oder stetig abnehmenden Form auf, wie zum Beispiel ein Dreieck, das auf einer Oberfläche des stabförmigen Basiselements 66 ausgebildet ist. Das magnetismusempfindliche Teil 65 und das Basiselement 66 sind aus Substanzen, die unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen. Wenn das Basiselement 66 aus einer magnetischen Substanz, wie zum Beispiel Eisen, hergestellt ist, ist das magnetismusempfindliche Teil 65 aus einer nicht magnetischen Substanz einer guten elektrischen Leitfähigkeit, wie zum Beispiel aus Kupfer. Oder, wenn das magnetismusempfindliche Teil 65 aus einer magnetischen Substanz, wie zum Beispiel Eisen ist, dann ist das Basiselement 66 aus einer nicht magnetischen Substanz oder einer magnetischen Substanz mit einem konkaven Profil, das dem magnetismusempfindlichen Teil 65, das in eine konvexe Form gebracht ist, entspricht. Wie in 38B gezeigt, ist die Spule L1 in einem durch einen Magnetkern 52 in der Form eines Rings, der einen U-förmigen Abschnitt hat, gebildeten U-förmigen Innenraum eingefügt, und das stabförmige Basiselement 66, das mit dem magnetismusempfindlichen Teil 65 versehen ist, in einen durch die Spule L1 definierten ringförmigen Innenraum eingefügt, so dass die Spule L1 in ihrer axialen Richtung linear beweglich ist. Der Magnetpfad ϕ der Spule L1 geht durch die Oberfläche des stabförmigen Basiselements 66 zu relativ großen Teilen. In dieser Ausführungsform spielt die Länge der Spule L1 keine Rolle im Verhältnis zum Detektionsbereich K und kann kurz und einfach ausfallen. Der Bereich K des stetig zunehmenden oder stetig abnehmenden Musters des magnetismusempfindlichen Teils 65, das auf dem Basiselement 66 vorgesehen ist, entspricht dem Detektionsbereich K. Während sich nämlich das stabförmige Basiselement 66 im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts bewegt, verändert sich die Position des magnetismusempfindlichen Teils 65, der der Spule L1 entspricht, so dass in der Spule L1 eine Selbstinduktanz, d.h. eine Impedanz, entsteht, die einem Bereich des Teils 65 entspricht, die der Spule L1 entspricht (sie überquert) und eine Ausgangsspannung Vx, die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entspricht, wird aus der Spule L1 erzeugt. 38C zeigt ein Beispiel des Musters des magnetismusempfindlichen Teils 65, das auf der Oberfläche des stabförmigen Basiselements 66 ausgebildet ist. Dieses Muster kann entweder ein einfaches Muster oder eine Vielzahl nebeneinander angeordneter ähnlich geformter Muster sein.
Auf die Ausführungsform der 38A–38C angewendete elektrische Schaltungen können die gleiche Konstruktion als diejenige haben, die in 1C gezeigt ist, und das wesentliche Verhalten der Ausführungsform kann ähnlich zu der sein, die vorher anhand der 2A und 2B beschrieben wurde. Außerdem ist die Modifikation, bei der mehrere Spulen verwendet werden, wie das in den 7A und 7B gezeigt ist, die Modifikation, bei der eine einzige Referenzspannung VN verwendet wird, wie das in 23A gezeigt ist, oder die Modifikation, bei der im Ansprechen auf eine Verschiebung x eine Referenzspannung VR über ein Widerstandselement variabel ist, wie in 22A gezeigt, verwendet wird, auch auf die Ausführungsform der 38A–38C anwendbar.
39A–39E und 40A–40D sind schematische Darstellungen von Positionsdetektorvorrichtungen gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Spulenabschnitt 10 mehrere Spulen LA, LB,... aufweist und zweiphasige Sinus- und Kosinus-Detektions-Ausgangssignale (typischerweise sinθsinωt und cosθsinωt), die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen, unter der Verwendung von Kombinationen von Ausgangsspannungen VA, VB,... aus diesen Spulen in einer ähnlichen Weise zu anderen Ausführungsformen erzeugt werden, wie zum Beispiel den Ausführungsformen der 17A, 17B, 21A, 33A und 33B. In diesen Ausführungsformen sind ähnlich zu der Ausführungsform der 38A und 38B magnetismusempfindliche Teile 11a, 11b,... auf dem stabförmigen Basiselement 66 ausgebildet. Insbesondere umfasst jedes der magnetismusempfindlichen Teile 11a, 11b,... ein Muster einer vorbestimmten stetig zunehmenden oder stetig abnehmenden Form, die auf einer Oberfläche des stabförmigen Basiselements 66 ausgebildet ist. Diese Ausführungsformen unterscheiden sich von der Ausführungsform der 38A und 38B dadurch, dass die Muster der magnetismusempfindlichen Teile 11a, 11b,... sich voneinander in entsprechender Weise unterscheiden und getrennte Spulen L1, L2,... im entsprechenden Verhältnis zu den Mustern vorgesehen sind. Verschiedene Kombinationen der diese magnetismusempfindlichen Teile 11a, 11b,... und das Basiselement 66 bildenden Substanzen können in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform der 38A und 38B gewählt werden.
39 ist ein Querschnitt, der das stabförmige Basiselement 66 und den Spulenabschnitt 10 zeigt. Der Spulenabschnitt 10 ist allgemein in der Form eines Rings, in den das stabförmige Basiselement 66 zu einer linearen Bewegung in dessen Axialrichtung eingeführt wird. Die erste Spule L1 ist in einem Halbteil des Spulenabschnitts 10 und die zweite Spule L2 im anderen Halbteil des Spulenabschnitts 10 untergebracht. 39B ist eine Darstellung, welche das stabförmige Basiselement 66 und den Spulenabschnitt 10 im entfalteten Zustand zeigt, wobei der Pfeil x eine Richtung einer linearen Verschiebung des zu detektierenden Objekts anzeigt. Wie gezeigt, umfassen die magnetismusempfindlichen Teile 11a und 11b zwei getrennte Muster. Das erste Muster 11a ist also ein Dreieck, das in einer Richtung von links nach rechts zunimmt oder breiter wird, während das zweite Muster 11b ein Dreieck ist, das in der Richtung von links nach rechts abnimmt oder schmaler wird. Die erste Spule L1 deckt den Positionsbereich des Musters 11a ab. Die zweite Spule L2 deckt den Positionsbereich des Musters 11b ab.
39C ist ein Blockdiagramm den einzelnen Spulen L1 und L2 von 39A zugeordneter elektrischer Schaltungen, und 39D und 39E sind Diagramme, welche den Positionsdetektionsbetrieb dieser Ausführungsform erläutern. In ähnlicher Weise, wie schon oben erwähnt, verändern sich, während sich das stabförmige Basiselement 66 im Ansprechen auf eine Verschiebung des zu detektierenden Objekts bewegt, die Positionen der magnetismusempfindlichen Teile 11a und 11b, welche den Spulen L1 und L2 entsprechen, so dass in den Spulen L1 und L2 eine Selbstinduktanz, d.h. Impedanz, entsteht, die Bereichen der Elemente 11a und 11b entspricht, die den Spulen L1 und L2 entsprechen, und werden Ausgangsspannungen Va und Vb, die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen, von den Spulen L1 und L2 erzeugt. Diese Ausgangsspannungen Va und Vb weisen entgegengesetzte Charakteristiken auf, wie in 39D gezeigt. Daher können Variationen dieser Ausgangsspannungen Va und Vb jeweils mit einer Funktionswertvariation innerhalb eines entsprechenden Bereichs von weniger als 90° in einer Sinus- und Kosinusfunktion verglichen werden. Durch Extrahieren dieser Ausgangsspannungen Va und Vb mittels einer entsprechenden analogen Pufferschaltung 100 können daher zwei Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignale (typischerweise sinθsinωt und cosθsinωt) erzeugt werden, die Amplituden haben, die Sinus- und Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen, die einer aktuellen Position des zu detektierenden Objekts entsprechen.
Die 40A–40D zeigen die Ausführungsform, die eine vollständige Phasenvariation im Wesentlichen von 0° bis 360° realisieren kann. Insbesondere ist 40A ein Diagramm, das vier unterschiedliche Muster 11a, 11b, 11c und 11d in einem entfalteten Zustand zeigt, die durch das magnetismusempfindliche Teil 11 auf dem Basiselement 66 gebildet werden. Diese Muster 11a, 11b, 11c und 11d sind in einem entsprechenden Verhältnis zu vier Bereichen einer umlaufenden Fläche des stabförmigen Basiselements 66 angeordnet, die im Umkreis entlang der umlaufenden Oberfläche aufgeteilt sind. Zur einfacheren Beschreibung ist das stabförmige Basiselement 66 in Teil (a) der Figur so gezeigt, dass es in vier Teile entlang dessen Länge aufgeteilt ist, und diese aufgeteilten Teile sind mit P1, P2, P3 bzw. P4 bezeichnet. Zum Beispiel ist das Muster 11a ein Dreieck, dessen Fläche in der Richtung von links nach rechts über den Teil P1 stetig zunimmt bzw. breiter wird, jedoch in der Richtung von links nach rechts über den Teil P4 stetig abnimmt bzw. schmaler wird. Bei jedem der Teile P2 und P3 deckt das Muster 11a die gesamte Fläche ab, d.h. funktioniert gänzlich als das magnetismusempfindliche Teil 11. Die anderen Muster unterscheiden sich untereinander in einer sequentiellen Weise, wie gezeigt wird.
Weiter ist 40B ein Diagramm, das stetig zunehmende und stetig abnehmende Variationen der Ausgangsspannungen V1–V4 zeigt. 40D ist ein Blockdiagramm den einzelnen Spulen L1–L4 zugeordneter elektrischer Schaltungen, wobei eine analoge arithmetische Operationsschaltung 101 arithmetische Operationen "V1 – V3" und "V2 – V4" durchführt. 40C ist eine Kurvendarstellung, die ein Ausgangssignal zeigt, das als ein Ergebnis der arithmetischen Operationen ausgegeben wird. Die Spannung "V1 – V3", die durch Subtrahieren der Ausgangsspannung V3 von der Spannung V1 erhalten wird, kann mit einer Sinusfunktionscharakteristik in einen Bereich von im Wesentlichen 0° bis 360° verglichen werden. Auf der anderen Seite kann die Spannung "V2 – V4", die durch Subtrahieren der Ausgangsspannung V4 von der Spannung V2 erhalten wird, mit einer Kosinusfunktionscharakteristik in einem Bereich von im Wesentlichen 0° bis 360° verglichen werden. Es können daher Signale zu Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-Ausgangssignalen (typischerweise sinθsinωt und cosθsinωt) erzeugt werden, die über im Wesentlichen den gesamten Bereich von 360° Sinusund Kosinusfunktionscharakteristiken aufweisen.
Es sollte ersichtlich sein, dass das Basiselement 66 auch eine beliebige andere Form als die eines Stabs haben kann, wie zum Beispiel die einer flachen Platte, wobei in diesem Fall die Spulen L1, L2,... den magnetismusempfindlichen Teilen 11, 11a, 11b,..., die auf der Platte ausgebildet sind, gegenüber angeordnet sind.

Claims

Positionsdetektonrorrichtung, die folgendes aufweist: einen Spulenabschnitt (50; 40; 10), der mindestens eine Spule (L1, L2; 41, 42; LA, LB) aufweist, die durch ein Wechselstrom- oder Wechselspannungssignal erregbar ist; und ein magnetismusempfindliches Teil (60; 61; 62; 63; 64; 21; 21A; 21B; 11; 65; 11A, 11B), das in bezug auf den Spulenabschnitt (50; 40; 10) bewegbar ist, wobei die Relativpositionen zwischen dem magnetismusempfindlichen Teil (60; 61; 62; 63; 64; 21; 21A; 21B; 11; 65; 11A, 11B) und dem Spulenabschnitt (50; 40; 10) sich im Ansprechen auf eine Verschiebung eines zu detektierenden Objekts ändert und die Impedanz der Spule (L1, L2; 41, 42; LA, LB) im Ansprechen auf die Änderung der Relativpositionen geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der Spule (L1, L2; 41, 42; LA, LB) in einer solchen Weise geändert wird, dass eine in der Spule (L1, L2; 41, 42; LA, LB) erzeugte Spannung (Vx, Vy; Vs, Vc; Vs'; VA, VB) im Ansprechen auf eine Änderung der Impedanz der Spule (L1, L2; 41, 42; LA, LB) während der Änderung der Relativpositionen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs geändert wird, und dass die Positionsdetektorvorrichtung des weiteren folgendes aufweist: Referenzspannungserzeugungsmittel (Lr1, Lr2; 43; 27; R1; LN) zur Erzeugung mindestens einer vorgegebenen Referenzspannung (Va, Vb; Vr; Vr'; VN; VR) in Form eines Wechselspannungs- oder Wechselstromsignals; und eine an die Spule (L1, L2; 41, 42; LA, LB) und die Referenzspannungserzeugungsmittel (Lr1, Lr2; 43; 27; R1; LN) gekoppelte Schaltung (31A, 31B, 31C, 31D, 31; 315, 316, 317; 318), wobei die Schaltung (31A, 31B, 31C, 31D, 31; 315, 316, 317; 318) zum Empfangen der in der Spule (L1, L2; 41, 42; LA, LB) erzeugten Spannung (Vx, Vy; Vs, Vc; Vs'; VA, VB) und der vorgegebenen Referenzspannung (Va, Vb; Vr; Vr'; VN; VR) ausgelegt ist, wobei mindestens zwei Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignale erzeugt werden, die vorgegebene zyklische Amplitudenfunktionen (sin θ, cos θ) als Amplitudenkoeffizienten aufweisen, und die zyklischen Amplitudenfunktionen der beiden Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignale sich hinsichtlich der zyklischen Charakteristiken voneinander durch eine vorgegebene Phase unterscheiden.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schaltung (31A, 31B, 31C, 31D, 31; 315, 316, 317; 318) eine arithmetische Operationsschaltung (31A, 31B, 31C, 31D, 31; 315, 316, 317; 318) aufweist, die eine arithmetische Operation zwischen der in der Spule (L1, L2; 41, 42; LA, LB) erzeugten Spannung (Vx, Vy; Vs, Vc; Vs'; VA, VB) und der vorgegebenen Referenzspannung (Va, Vb; Vr; Vr'; VN; VR) durchführt, so dass mindestens zwei Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignale erzeugt werden, die vorgegebene zyklische Amplitudenfunktionen (sin θ, cos θ) als Amplitudenkoeffizienten aufweisen.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Spulenabschnitt eine einzige Spule (L1) aufweist, die Referenzspannungserzeugungsmittel erste und zweite Referenzspannungen (Va, Vb) erzeugen, und die arithmetische Operationsschaltung (31A, 31B) vorgegebene erste und zweite arithmetische Operationen unter Verwendung einer in der einzigen Spule erzeugten Spannung und der ersten und zweiten Referenzspannungen durchführt, um dadurch ein erstes Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal mit einer ersten Amplitudenfunktion als Amplituden koeffizient und ein zweites Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal mit einer zweiten Amplitudenfunktion als Amplitudenkoeffizient zu erzeugen.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die ersten und zweiten Referenzspannungen spezifische Phasenabschnitte in zyklischen Charakteristiken der ersten und zweiten Amplitudenfunktionen der ersten und zweiten Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignale definieren, und wobei eine Korrespondenz zwischen den spezifischen Phasenabschnitten und einem Variationsbereich der Relativpositionen durch Ändern der ersten und zweiten Referenzspannungen variiert werden kann.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Spulenabschnitt zwei Spulen (L1, L2; 41, 42) aufweist, wobei Positionen der zwei Spulen in bezug auf das magnetismusempfindliche Teil mit entgegengesetzt gerichteten Charakteristiken im Ansprechen auf die Verschiebung des zu detektierenden Objekts geändert werden, worauf eine jeweilige Impedanz der zwei Spulen mit entgegengesetzt gerichteten Charakteristiken variiert. die Referenzspannungserzeugungsmittel (Lr1) eine einzige Referenzspannung (Va) erzeugen, und die arithmetische Operationsschaltung (31C, 31D) vorgegebene erste und zweite arithmetische Operationen unter Verwendung jeweiliger in den Spulen erzeugten Spannungen und der Referenzspannung durchführt, um dadurch ein erstes Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal mit einer ersten Amplitudenfunktion als Amplitudenkoeffizient und ein zweites Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal mit einer zweiten Amplitudenfunktion als Amplitudenkoeffizient zu erzeugen.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Referenzspannungserzeugungsmittel mindestens eine Spule einer vorgegebenen Impedanz aufweisen, welche so positioniert ist, dass sie nicht durch eine Bewegung des magnetismusempfindlichen Teils beeinflußt wird.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Spule (L1, L2) einen Magnetkern (51, 52) aufweist und das magnetismusempfindliche Teil (60) eine ebene Oberfläche hat, die dem Magnetkern der Spule mit einem dazwischenliegenden Luftspalt gegenüberliegt, und wobei, wenn die ebene Fläche des magnetismusempfindlichen Teils sich im Ansprechen auf eine Positionsänderung des zu detektierenden Objekts bewegt, eine Größenänderung des Luftspalt stattfindet, welche eine Änderung der Impedanz der Spule herbeiführt.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Spule einen Magnetkern aufweist und wobei die Impedanz der Spule geändert wird, wenn ein Abstand, der durch einen Luftspalt zwischen dem Magnetkern und dem magnetismusempfindlichen Teil oder einem Bereich des Luftspalts definiert ist, sich im Ansprechen auf eine Positionsänderung des zu detektierenden Objekts ändert.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die ersten und zweiten Amplitudenfunktionen jeweils Sinus- und Cosinus-Funktionen sind.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das magnetismusempfindliche Teil mindestens eine magnetische Substanz und/oder eine elektrisch leitende Substanz aufweist.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das magnetismusempfindliche Teil einen Permanentmagnet aufweist und der Spulenabschnitt einen Magnetkern aufweist.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Positionsdetektorvorrichtung eine Dreh-Positionsdetektorvorrichtung ist und das magnetismusempfindliche Teil (21; 21A; 21B) drehend bewegbar in Bezug auf den Spulenabschnitt ist.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 12, bei der der Spulenabschnitt zwei Spulen (41, 42) aufweist, die um einen vorgegebenen Winkel voneinander getrennt längs einer Änderungsrichtung der relativen Drehpositionen positioniert sind, bei der die Referenzspannungserzeugungsmittel (43) eine Referenzspannung (Vr) erzeugen, die einem Variationsmittelpunkt der in jeder der zwei Spulen erzeugten Spannung (Vs, Vc) entspricht, und bei der die Schaltung (31) eine arithmetische Operation ausführt, um die Referenzspannung von der in einer ersten der zwei Spulen erzeugten Spannung zu subtrahieren, um dadurch ein erstes Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal mit einer ersten zyklischen Amplitudenfunktion als Amplitudenkoeffizient zu erzeugen, wobei die Funktion um den Variationsmittelpunkt in eine positive und negative Richtung schwingt, und die Referenzspannung von der in einer zweiten der zwei Spulen erzeugten Spannung zu subtrahieren, um dadurch ein zweites Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal mit einer zweiten zyklischen Amplitudenfunktion als Amplitudenkoeffizient zu erzeugen, wobei die Funktion um den Variationsmittelpunkt in eine positive und negative Richtung schwingt.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Schaltung (31) vorgegebene erste und zweite arithmetische Operationen unter Verwendung der in der Spule erzeugten Spannung (Vs') und der Referenzspannung (Vr') durchführt, um dadurch ein erstes Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal mit einer ersten Amplitudenfunktion als Amplitudenkoeffizient und ein zweites Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal mit einer zweiten Amplitudenfunktion als Amplitudenkoeffizient zu erzeugen.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 12, bei der der Spulenabschnitt in einem vorgegebenen begrenzten Winkelbereich, der kleiner als eine Volldrehung des zu detektierenden Objekts ist, vorgesehen ist.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 12, bei der jede der Spulen in dem Spulenabschnitt einen Magnetkern aufweist, und die Impedanz von jeder der Spulen geändert wird, wenn ein Abstand, der durch einen Luftspalt zwischen dem Magnetkern und dem magnetismusempfindlichen Teil oder eine Fläche des Luftspalts definiert ist, sich im Ansprechen auf eine Drehpositionsänderung des zu detektierenden Objekts ändert.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Magnetkern jeder der Spulen in dem Spulenabschnitt ein Ende aufweist, das in einer Axialrichtung einer Drehwelle ausgerichtet ist, die das zu detektierende Objekt ist, und der Luftspalt zwischen dem Ende des Magnetkerns und des magnetismusempfindlichen Teils im bezug auf die Axialrichtung der Drehwelle definiert ist.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Magnetkern jeder der Spulen in dem Spulenabschnitt ein Ende aufweist, das in einer Radialrichtung einer Drehwelle ausgerichtet ist, die das zu detektierende Objekt ist, und der Luftspalt zwischen dem Ende des Magnetkerns und des magnetismusempfindlichen Teils im bezug auf die Radialrichtung der Drehwelle definiert ist, wodurch der Magnetkern gegen mechanisches Schütteln der Drehwelle umempfänglich ist.
Positionsdetektorvorrichtung, die folgendes aufweist: einen Spulenabschnitt (40; 10), der eine Vielzahl von Spulensegmenten (41, 41A, 42, 42A; LA – LD, Lα, L(3; L1, L2; L1 – L4) aufweist, die durch ein vorgegebenes Wechselstrom- oder Wechselspannungssignal erregbar sind, wobei die Spulensegmente in einer vorgegebenen Reihenfolge längs einer Verschiebungsrichtung eines zu dektierenden Objekts angeordnet sind; und ein magnetismusempfindliches Teil (21; 11; 11a, 11b), das in bezug auf den Spulenabschnitt (40; 10) beweglich ist, wobei die Relativpositionen zwischen dem magnetismusempfindlichen Teil und dem Spulenabschnitt sich im Ansprechen auf eine Verschiebung eines zu detektierenden Objekts ändern und die Impedanz jedes der Spulensegmente im Ansprechen auf die Änderung der Relativpositionen zwischen dem magnetismusempfindlichen Teil und dem Spulenabschnitt geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz jedes der Spulensegmente in einer solchen Weise geändert wird, dass eine in mindestens einem der Spulensegmente erzeugte Spannung (Vs, Vsa; Vc, Vca; VA – VD, Vα, Vβ; Va, Vb; V1 – V4)) im Ansprechen auf eine Änderung der Impedanz des mindestens einen der Spulensegmente während der Änderung der Relativpositionen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs geändert wird, und dass die Positionsdetektorvorrichtung des weiteren folgendes aufweist: eine an den Spulenabschnitt gekoppelte Schaltung (31; 311, 312; 313; 314; 100; 101), wobei die Schaltung ausgelegt ist, eine Vielzahl von Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignalen zu erzeugen, die Amplituden auf der Grundlage von vorgegebenen zyklischen Funktionscharakteristiken (sin θ, cos θ) präsentieren, die einer Position des zu detektierenden Objekts entsprechen, durch Abnehmen von Spannungen an den Spulensegmenten und Durchführen von Addition und/oder Subtraktion der abgenommenen Spannungen.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Spulenabschnitt (10) eine Vielzahl von Spulensegmenten (LA – LD, Lα, Lβ) aufweist, die in Serie längs der Verschiebungsrichtung des zu detektierenden Objekts angeordnet sind, und bei der die zyklischen Funktionscharakteristiken (sin θ, cos θ), die die Amplituden einer Vielzahl von Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignalen definieren, sich voneinander durch eine vorgegebene Phase unterscheiden.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Positionsdetektorvorrichtung eine Dreh-Positionsdetektorvorrichtung ist und das magnetismusempfindliche Teil (21) drehend bewegbar in Bezug auf den Spulenabschnitt ist.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 21, bei der der Spulenabschnitt (40) mindestens zwei Spulensegmentepaare (41, 41A; 42, 42A) aufweist, wobei die Spulensegmente jedes der Paare um einen Abstand, der einem vorgegebenen Drehwinkel entspricht, voneinander getrennt positioniert sind, und wobei die relativen Drehpositionen zwischen dem magnetismusempfindlichen Teil (21) und dem Spulenabschnitt (40) im Ansprechen auf die Drehverschiebung des zu detektierenden Objekts variieren und die Impedanz jedes der Spulensegmente im Ansprechen auf eine Variation der relativen Drehpositionen in einer solchen Weise geändert wird, dass die in jedem der Spulensegmente erzeugte Spannung (Vs, Vsa, Vc, Vca) im Ansprechen auf eine Änderung der Impedanz der Spule während der Änderung der relativen Drehpositionen innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs geändert wird, wobei die in den jeweiligen Spulensegmenten (41, 41A; 42, 42A) erzeugten Spannungen (Vs, Vsa, Vc, Vca) in jedem der Paare die Differentialcharakteristiken präsentieren, und bei der die Schaltung (31) für jedes der zwei Spulensegmentepaare (41, 41A; 42, 42A) ein Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal mit einer der vorgegebenen zyklischen Funktionscharakteristiken (sin θ, cos θ) als Aplitudenkoeffizient durch Abnehmen eines Unterschiedes der in den jeweiligen Spulensegmenten erzeugten Spannungen erzeugt, wobei die zyklischen Funktionscharakteristiken (sin θ, cos θ) der Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignale, die für zwei Spulensegmentepaare erzeugt werden, in ihren zyklischen Charakteristiken sich durch eine vorgegebene Phase unterscheiden.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei der die Vielzahl von Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignalen ein Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal aufweist, das eine Amplitude auf der Grundlage einer Sinus-Funktionscharakteristik präsentiert, welche der Position des zu detektierenden Objekts entspricht, und ein Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignal aufweist, das eine Amplitude auf der Grundlage einer Cosinus-Funktionscharakteristik präsentiert, welche der Position des zu detektierenden Objekts entspricht.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei der das magnetismusempfindliche Teil mindestens eine magnetische Substanz und/oder eine elektrisch leitende Substanz aufweist.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei der das magnetismusempfindliche Teil einen Permanentmagnet aufweist und der Spulenabschnitt einen Magnetkern aufweist.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, bei der der Spulenabschnitt einen Magnetkern aufweist.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, bei der Spulenabschnitt um einen Spulenkörper angeordnet ist und der Spulenkörper einen zylindrischen Abschnitt aufweist, der aus einer nicht-magnetischen Substanz und einem oder mehreren Magnetstäben hergestellt ist, die in dem zylindrischen Abschnitt aufgenommen werden.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 27, bei der jeder Magnetstab der Spule eine elektrisch leitende Beschichtung hat, die auf seiner Oberfläche ausgebildet ist.
Positionsdetektorvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, bei der der Spulenabschnitt im wesentlichen eine Spule aufweist, die längs der Verschiebungsrichtung des zu detektierenden Objekts verläuft, und die Vielzahl der Spulensegmente von der einen Spule durch Vorsehen von Ausgangsanschlüssen an vorgegebenen Zwischenpunkten der einen Spule gebildet werden.
Positionsdetektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche außerdem einen Amplituden-Phasen-Konvertierungsabschnitt (32) aufweist, der ausgelegt ist, um die Vielzahl von durch die Schaltung erzeugten Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignalen zu empfangen, dann durch eine Korrelation von Amplitudenwerten der Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Ausgangssignale einen spezifischen Phasenwert in den vorgegebenen zyklischen Funktionen, die die Amplitudenwerte definieren, zu detektieren und anschließend Positionsdetektionsdaten, die für eine Position des zu detektierenden Objekts kennzeichnend sind, zu erzeugen.