DE60130700T2

DE60130700T2 - Induktiver Positionsgeber

Info

Publication number: DE60130700T2
Application number: DE60130700T
Authority: DE
Inventors: Yasuo Shinagawa-ku Nekado
Original assignee: Sony Manufacturing Systems Corp
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2021-03-24
Also published as: DE60130700D1; US20010028248A1; JP2001272201A; EP1139070B1; US6580264B2; EP1139070A1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Feld der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Positionsgeber gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein Positionsgeber dieser Art ist bekannt aus der US-A-4,623,840 .
2. Beschreibung des Standes der Technik
Als Positionsgeber, der eine zurückgelegte Wegstrecke und eine veränderte Position eines beweglichen Teils eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder dergleichen erkennt, wurde ein Positionsgeber 100 nach Art eines Differenzialtransformators vorgeschlagen, wie er in 1 gezeigt ist.
Wie in 1 gezeigt, hat der Positionsgeber 100 nach Art eines Differenzialtransformators eine Erfassungseinheit 110, die eine Erregungsspule 111 aufweist, welche mit einem Signal einer Frequenz von beispielsweise 2 bis 3 kHz erregt wird, die eine erste Sensor- oder Erfassungsspule 112 aufweist, welche benachbart zu einem Ende der Erregungsspule 111 und konzentrisch mit der Erregungsspule 111 angeordnet ist, und die eine zweite Sensor- oder Erfassungsspule 113 aufweist, welche benachbart zum anderen Ende der Erregungsspule 111 und konzentrisch mit der Erregungsspule 111 vorgesehen ist, und er hat einen runden, stabförmigen magnetischen Kern 122, welcher durch eine Achse 121 mit einem beweglichen Teil 120 eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder dergleichen verbunden ist, und welcher in die Erfassungseinheit 110 entlang ihrer Mittelachse beweglich bei einer Bewegung des beweglichen Teils 120 eingelassen ist.
Die erste und zweite Erfassungsspule 112 und 113 sind länger als die Bewegungsstrecke des Kerns 122, und die Erregungsspule 111 ist im Wesentlichen so lang wie die erste und zweite Erfassungsspule 112 und 113. Die ers te und zweite Erfassungsspule 112 und 113 sind mit der Erregungsspule 111 magnetisch gekoppelt und sind magnetischen Flüssen ausgesetzt, die durch die Erregungsspule 111 erzeugt werden, um elektrische Energie zu induzieren.
Wenn sich in einem Positionsgeber 100 der oben beschriebenen Konstruktion die Eindringtiefe oder die Tiefe des Einschubs des Kerns 122 in die erste und zweite Erfassungsspule 112 und 113 ändert, weil sich der Kern 122 innerhalb der Erfassungseinheit 110 bewegt, ändert sich die Induktivität der ersten und zweiten Erfassungsspule 112 und 113 entsprechend der Tiefe des Einschubs des Kerns 122. Folglich ändert sich die durch den Magnetfluss der Erregerspule 111 in der ersten und zweiten Erfassungsspule 112, 113 induzierte elektrische Energie entsprechend der zurückgelegten Wegstrecke des Kerns 122.
Durch die Bestimmung des Unterschieds zwischen den Ausgangssignalen der ersten und zweiten Erfassungsspule 112 und 113 kann der Differenzialtransformator des Positionsgebers 100 mit hoher Genauigkeit eine zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position des Kerns 122 und damit des beweglichen Teils 120, mit dem der Kern 122 verbunden ist, erkennen.
2 zeigt eine Ausgabekennlinie des oben beschriebenen Positionsgebers 100 nach Art eines Differenzialtransformators. Unter der Annahme einer Referenzposition, in der die Eindringtiefe des Kerns 122 in die erste Erfassungsspule 112 und die Eindringtiefe des Kerns 122 in die zweite Erfassungsspule 113 gleich sind, ist die Induktivität der ersten Erfassungsspule 112 gleich der zweiten Erfassungsspule 113, wenn der Kern 122 sich in der Referenzposition befindet. Folglich ist ein Ausgangssignal C1 der ersten Erfassungsspule 112 gleich einem Ausgangssignal C2 der zweiten Erfassungsspule 113, und die Differenz zwischen diesen Ausgangssignalen (C2 – C1) ist Null.
Wenn sich der Kern 122 aus der Referenzposition bewegt, vergrößert sich die Einschubtiefe des Kerns 122 in eine der Erfassungsspulen, während sich die Einschubtiefe des Kerns 122 in die andere verkleinert. Folglich vergrößert sich die Induktivität der Erfassungsspule, bei der die Einschubtiefe des Kerns 122 vergrößert wurde, linear entsprechend der vergrößerten Einschubtiefe oder der Bewegungsstrecke des Kerns 122. Gleichzeitig verringert sich die Induktivität der Erfassungsspule, bei der die Einschubtiefe des Kerns 122 verringert wurde, linear entsprechend der verringerten Einschubtiefe oder der Bewegungsstrecke des Kerns 122. Durch eine Wandlung der Änderung der Induktivität der beiden Erfassungsspulen zur Bestimmung der Differenz der Ausgangssignale (C2 – C1) zwischen den Erfassungsspulen kann daher mit hoher Genauigkeit die zurückgelegte Wegstrecke und die geänderte Position des Kerns 122 und damit auch des beweglichen Teils 120, mit dem der Kern 122 verbunden ist, bestimmt werden, wobei der Einfluss von elektrischen Störungen unterdrückt wird.
Weiterhin wurde ein Positionsgeber mit MI-Effekt vorgeschlagen, der den so genannten magnetischen Impedanzeffekt (im Weiteren referenziert als "MI-Effekt") nutzt, und der einen Positionsgeber ähnlich zu dem oben genannten Positionsgeber 100 nach Art eines Differenzialtransformators darstellt.
Der Positionsgeber mit MI-Effekt ist hier nicht abgebildet. Er weist zwei Erfassungsspulen entsprechend der ersten beziehungsweise der zweiten Erfassungsspule 112 und 113 des zuvor beschriebenen Positionsgebers 100 nach Art eines Differenzialtransformators auf, die direkt erregt werden. Wegen dieser direkten Erregung weist dieser Positionsgeber keine Spule entsprechend der Erregungsspule 111 des Positionsgebers 100 nach Art eines Differenzialtransformators auf.
Wenn in einem Positionsgeber mit MI-Effekt die beiden Erfassungsspulen durch einen hochfrequenten Impuls, dessen Rate in einem Bereich von einigen MHz bis zu ein paar Dutzend MHz liegt, und dessen Weite in einem Bereich von wenigen ns bis zu ein paar Dutzend ns liegt, oder durch eine sinusförmige Welle einer entsprechenden Pulsfrequenz erregt werden, wird die Induktivitätskomponente der Erfassungsspulen und der Stromverdrängungseffekt („Skin-Effekt") einer magnetischen Substanz, der bei einer hochfrequenten Erregung auftritt, zu einer Änderung der tatsächlichen Widerstandskomponente der Erfassungsspulen entsprechend der relativen Position des Kerns zu den beiden Erfassungsspulen führen. Durch Auslegung des Positionsgebers mit MI-Effekt zur Erkennung von Änderungen in der Impedanz der Erfassungsspulen, welche sich als Kombination von Änderungen in der Induktivitätskomponente und der tatsächlichen Widerstandskomponente der Erfassungsspulen ergeben, ist es daher möglich, einen sehr breiten dynamischen Ausgabebereich zu erreichen und mit höherer Genauigkeit die zurückgelegte Wegstrecke und Bewegungsdistanz des Kerns und damit des beweglichen Teils, mit dem der Kern verbunden ist, zu bestimmen.
Nachteiligerweise können jedoch die oben genannten, gebräuchlichen Positionsgeber auf Basis eines Transformators und auf Basis des MI-Effekts kaum kompakt gestaltet werden. Insbesondere benötigt ein gebräuchlicher Positionsgeber nach Art eines Differenzialtransformators drei Spulen, die länger sind als die Bewegungslänge des Kerns. Das gesamte Gerät muss mehr als drei Mal länger sein als die Bewegungsdistanz (wirksame Länge der Erfassung) des Kerns.
Im gebräuchlichen Positionsgeber mit MI-Effekt ist keine Spule vorgesehen, die der Erregungsspule im Positionsgeber nach Art eines Differenzialtransformators entspricht. Da das magnetische Feld an den Enden der Erfassungsspulen weniger gleichmäßig ist und daher die Linearität des Ausgangssignals geringer ist, muss die Länge des Geräts in der Bewegungsrichtung des Kerns ausreichend länger gewählt werden als die wirksame Länge der Erfassung, damit eine hohe Genauigkeit der Erfassung sichergestellt ist. Daher kann ein gebräuchlicher Positionsgeber mit MI-Effekt verglichen mit dem Positionsgeber nach Art eines Differenzialtransformators nicht mit gleicher Kompaktheit gestaltet werden.
Zur Lösung der oben genannten Probleme des Standes der Technik hat der Erfinder der Erfindung einen Positionsgeber vorgeschlagen, der in der japanischen veröffentlichten und ungeprüften Anmeldeschrift Nr. 2000-9412 offengelegt wurde. Der Positionsgeber weist eine erste und zweite Erfassungsspule auf, die mit hoher Frequenz angeregt wird, und einen Kern, der mit einer Achse mit einem beweglichen Teil eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder dergleichen verbunden ist, und der sich in der ersten Erfassungsspule bewegt. Wenn der Kern in der ersten Erfassungsspule positioniert ist (in einer Referenz- oder Ausgangsposition), ist die Impedanz der ersten Erfassungsspule gleich der der zweiten Erfassungsspule. Wenn in diesem Positionsgeber der Kern von einer Referenzposition wegbewegt wird, ändert sich die Impedanz der ersten Erfassungsspule linear entsprechend der zurückgelegten Wegstrecke des Kerns, während die Impedanz der zweiten Erfassungsspule unabhängig von der zurückgelegten Wegstrecke des Kerns immer konstant bleibt. Dadurch ist es bei diesem Positionsgeber möglich, durch Wandlung einer Änderung der Impedanz der ersten Erfassungsspule und durch Bestimmung eines Unterschieds im Ausgangssignal zwischen der ersten und der zweiten Erfassungsspule die zurückgelegte Wegstrecke des Kerns mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, und damit die zurückgelegte Wegstrecke und die geänderte Position eines beweglichen Teils, welche mit dem Kern verbunden ist, wobei der Einfluss von elektrischen Störungen unterdrückt wird.
In diesem Positionsgeber muss die erste Erfassungsspule länger sein als die zurückgelegte Wegstrecke des Kerns (wirksame Erfassungslänge), während die zweite Erfassungsspule in ihrer Länge reduziert werden kann. Daher kann der Positionsgeber kompakter gestaltet werden.
Ähnlich wie beim oben genannten Positionsgeber mit MI-Effekt weist dieser Positionsgeber eine verminderte Gleichmäßigkeit des Magnetfelds am Ende der ersten Erfassungsspule auf. Um dieses Problem zu lösen, wird ein magnetisches Material wie beispielsweise Permalloy (μ-Metall, MU-Metall) mit hoher Permeabilität nahe beim Ende der ersten Erfassungsspule angeordnet, um die magnetischen Flüsse am Ende der ersten Erfassungsspule ideal parallel auszurichten, wodurch die Nichtlinearität des magnetischen Feldes am Ende der ersten Erfassungsspule reduziert wird.
Da die Länge von einer der beiden Erfassungsspulen kurz ist, und da das magnetische Material mit hoher Permeabilität nahe beim Ende der Erfassungsspule, welche eine Änderung in der Impedanz erfährt, angeordnet ist, um die Nichtlinearität des magnetischen Feldes am Ende der Erfassungsspule zu verbessern, kann der oben beschriebene Positionsgeber, der in der japanischen veröffentlichten und ungeprüften Anmeldeschrift Nr. 2000-9412 offenbart ist, im Ganzen kompakter gestaltet werden, indem die Länge der Spule in der Richtung, in welche der Kern sich bewegt, kürzer gewählt wird als die tatsächliche Erfassungslänge.
Bei dem in der japanischen veröffentlichten und ungeprüften Anmeldeschrift Nr. 2000-9412 offenbarten Positionsgeber ist das gesamte Gerät kompakt gestaltet und kann mit hoher Genauigkeit eine Position erkennen. Allerdings sind die Herstellungskosten höher und die Konstruktion des Geräts ist kompliziert, da das magnetische Material mit hoher Permeabilität, wie z. B. Permalloy, nahe am Ende der ersten Erfassungsspule angeordnet ist, um die Nichtlinearität des magnetischen Feldes am Ende der ersten Erfassungsspule zu reduzieren. Ferner werden die Herstellungskosten dadurch weiter erhöht, dass der Positionsgeber mit einer relativ hohen Präzision zusammengesetzt werden muss.
Der in der US-A-4,623,840 offenbarte Positionsgeber weist eine auf einen Kern gewickelte Spule auf, welche endseitig zweilagig sein kann.
DE-A-3518727 offenbart einen Positionsgeber, der eine Erfassungsspule aufweist, welche mit einem Spannungsteiler oder einer Brückenschaltung verbunden ist. Die Spule ist mit variabler Dichte entlang der Länge des Kerns gewickelt, um ein lineares Ausgangssignal der Spule zu erreichen. Dieses Dokument verweist auch auf eine Struktur, der entsprechend die Spule in mehreren Schichten gewickelt sein kann.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, indem ein Positionsgeber angegeben wird, welcher eine wirksame Erfassungslänge effektiv mit einer einfachen Konstruktion sicherstellt, welcher ohne eine Erhöhung der Herstellkosten im Ganzen kompakt gestaltet ist, und welcher eine Position mit hoher Genauigkeit erfassen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Positionsgeber mit:
einer Erfassungsspule, die mit einer hohen Frequenz angeregt wird;
einem magnetischen Kern, der beweglich bezüglich der Erfassungsspule in die Erfassungsspule eingesetzt und entlang ihrer Mittelachse beweglich ist;
einer Hilfsspule, die so gewickelt ist, dass sie die Erfassungsspule an einem Ende überlappt, und die in Phase zur Erfassungsspule erregt wird; und
einer Positionserkennungsvorrichtung zur Erkennung einer relativen Position des Kerns zu der Erfassungsspule aufgrund einer Impedanzänderung der Erfassungsspule;
dadurch gekennzeichnet, dass
der Positionsgeber so gestaltet ist, dass, wenn der magnetische Kern sich in einer Referenzposition in der Erfassungsspule befindet, die Impedanz der Hilfsspule gleich der der Erfassungsspule ist, und dass die Positionserkennungsvorrichtung einen Unterschied im Ausgangssignal zwischen der Erfassungsspule und der Hilfsspule bestimmt, um eine relative Position des magnetischen Kerns zur Erfassungsspule zu erkennen.
Wenn im oben beschriebenen Positionsgeber der Kern innerhalb der und in Relation zur Erfassungsspule bewegt wird, welche mit einer hohen Frequenz erregt ist, variiert die Änderung der Impedanz der Erfassungsspule entsprechend der Bewegungsstrecke des Kerns. Auf Grundlage der Impedanzänderung der Erfassungsspule erkennt die Positionserfassungsvorrichtung die relative Position des Kerns zur Erfassungsspule. Daher kann eine zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position eines beweglichen Teils eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder dergleichen erkannt werden, wenn der Kern der Erfassungsspule des Positionsgebers mit dem beweglichen Teil verbunden wird.
Im oben beschriebenen Positionsgeber reduziert die Hilfsspule, die so gewickelt ist, dass sie die Erfassungsspule an einem Ende überlappt, und die in Phase zur Erfassungsspule erregt wird, die Nichtlinearität des magnetischen Felds am Ende der Erfassungsspule, wodurch der Positionsgeber kompakt und mit einer hohen Präzision der wirksamen Erfassungslänge gestaltet werden kann.
Der erfindungsgemäße Positionsgeber ist so gestaltet, dass, wenn der Kern sich in einer Referenzposition in der Erfassungsspule befindet, die Impedanz der Hilfsspule gleich der der Erfassungsspule ist, und dass die Positionserkennungsvorrichtung einen Unterschied im Ausgangssignal zwischen der Erfassungsspule und der Hilfsspule bestimmt, um eine relative Position des Kerns zur Erfassungsspule zu erkennen.
Durch Erkennung der relativen Position des Kerns zur Erfassungsspule auf Basis des Unterschieds im Ausgangssignal zwischen der Erfassungsspule und der Hilfsspule, ist es daher möglich, den Einfluss von elektrischen Störungen und Ähnlichem zu unterdrücken und folglich mit größerer Genauigkeit die relative Position des Kerns zur Erfassungsspule zu erfassen.
Weiterhin kann in einem erfindungsgemäßen Positionsgeber die Hilfsspule eine erste Hilfsspule aufweisen, die an einem Ende der Erfassungsspule angeordnet ist, sowie eine zweite Hilfsspule, die mit der ersten Hilfsspule in Reihe geschaltet und am anderen Ende der Erfassungsspule vorgesehen ist. Wenn der Kern sich in einer Referenzposition in der Erfassungsspule befindet, ist die gesamte Impedanz der ersten und der zweiten Hilfsspule gleich der Impedanz der Erfassungsspule. Die Positionserkennungsvorrichtung bestimmt einen Unterschied im Ausgangssignal zwischen der Erfassungsspule und der ersten und Zweiten Hilfsspule, um eine relative Position des Kerns zur Erfassungsspule zu erkennen.
Folglich ist es möglich, durch das Vorsehen der ersten Hilfsspule an einem Ende der Erfassungsspule und das Vorsehen der zweiten Hilfsspule am anderen Ende der Erfassungsspule die Gleichmäßigkeit des magnetischen Feldes an den entgegengesetzten Enden der Erfassungsspule zu verbessern, und dadurch effektiv eine wirksame Erfassungslänge sicherzustellen.
In einem erfindungsgemäßen Positionsgeber sind die Hilfsspulen in den Endbereichen der Erfassungsspule überlappend gewickelt, welche in Phase mit der Erfassungsspule erregt werden, um die Wicklungsdichte in den Endbereichen der Erfassungsspule wesentlich zu erhöhen, wodurch die Nichtlinearität des Magnetfelds an den Enden der Erfassungsspule reduziert wird. Dadurch kann bei diesem Positionsgeber die wirksame Erfassungslänge effizient sichergestellt werden, und die Länge der Erfassungsspule wird relativ zur wirksamen Erfassungslänge gekürzt, um den Positionsgeber kompakt zu gestalten und eine hohe Genauigkeit der Positionserkennung zu ermöglichen.
Weiterhin kann mit dem Positionsgeber die wirksame Erfassungslänge mit einfachen Maßnahmen effizient sichergestellt werden, wie z. B. durch eine überlappende Wicklung von Hilfsspulen an den Endbereichen der Erfassungsspule, so dass der Positionsgeber kompakt und ohne Steigerung der Herstellkosten gestaltet werden kann.
Diese Aufgaben und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden, detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verdeutlicht werden, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Figuren betrachtet werden.
FIGURENKURZBESCHREIBUNG
1 stellt schematisch einen gebräuchlichen Positionsgeber nach Art eines Differenzialtransformators dar;
2 stellt ebenso schematisch die Ausgabekennlinien des Positionsgebers nach Art eines Differenzialtransformators aus 1 dar;
3 ist eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels für einen Positionsgeber;
4 ist ein Schaltplan eines Beispiels für die Erregungs-/Erfassungsschaltung des in 3 gezeigten Positionsgebers;
5 zeigt ein magnetisches Feld, das durch die Erfassungsspule des Positionsgebers erzeugt wird;
6 zeigt ein magnetisches Feld, das durch die Erfassungsspule eines Positionsgebers erzeugt wird, der keine Hilfsspulen aufweist;
7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Position des Kerns und dem Ausgangssignal des Positionsgebers, der eine Hilfsspule aufweist, und eines Positionsgebers, der keine Hilfsspule aufweist;
8 zeigt den Zusammenhang zwischen der Position des Kerns und dem Linearitätsfehler des Ausgangssignals des Positionsgebers, der die Hilfsspule aufweist, und eines Positionsgebers, der keine Hilfsspule aufweist; und
9 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionsgebers.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Es wird auf 3 Bezug genommen. Dort ist ein Beispiel eines Positionsgebers in Form einer Schnittdarstellung gezeigt. Wie in 3, wird der Positionsgeber generell mit Bezugszeichen 1 referenziert. Der Positionsgeber 1 ist dafür ausgelegt, eine zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position eines beweglichen Teils 2 eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder dergleichen zu erfassen. Das bewegliche Teil 2 bewegt sich linear. Es sollte beachtet werden, dass die Erfindung im Folgenden im Hinblick auf den Positionsgeber 1 beschrieben wird, dessen wirksame Erfassungslänge mit 8 mm oder mehr festgelegt ist, so dass die zurückgelegte Wegstrecke und die veränderte Position des beweglichen Teils 2 sich in einem Bereich von maximal 8 mm in Richtung der Pfeile X1 und X2 linear bewegt.
Wie gezeigt, weist der Positionsgeber 1 einen ersten Spulenkörper 10 auf, auf dem eine erste Sensor- oder Erfassungsspule 11 gewickelt ist, sowie einen zweiten Spulenkörper 20, auf dem eine zweite Sensor- oder Erfassungsspule 21 gewickelt ist.
Der erste und der zweite Spulenkörper 10 und 20 sind zylindrisch geformt und haben jeweils einen Flansch 10a und 20a, der an jeweils einem Ende ausgeformt ist. Im ersten und im zweiten Spulenkörper 10 und 20 sind die erste und die zweite Erfassungsspule 11 und 21 jeweils in den Wicklungsbereichen 10b und 20b gewickelt, welche sich jeweils von den inneren Oberflächen der Flansche 10a und 20a zu den inneren Enden des ersten und zweiten Spulenkörpers 10 und 20 erstrecken. Der äußere Durchmesser dieser Spulenkörper 10 und 20 beträgt, gemessen in den Wicklungsbereichen 10b und 20b, beispielsweise ungefähr 3 mm. Die Wicklungsbereiche 10b und 20b erstrecken sich beispielsweise über ungefähr 10 mm. Die erste Erfassungsspule 11 ist auf dem Wicklungsbereich 10b des ersten Spulenkörpers 10 gewickelt, und die zweite Erfassungsspule 21 ist auf dem Wicklungsbereich 20b des zweiten Spulenkörpers 20 gewickelt.
Die erste Erfassungsspule 11 besteht aus einem Cu-Draht mit einem Durchmesser von beispielsweise ungefähr 70 μm (die zugehörige Ummantelung inbegriffen), welcher in Form einer einzelnen Schicht über den Wicklungsbereich 10b des ersten Spulenkörpers 10 gewickelt ist. Insbesondere kann die erste Erfassungsspule 11 beispielsweise aus 140 Windungen des Cu-Drahts auf dem Wicklungsbereich 10b des ersten Spulenkörpers 10 bestehen. Ebenso kann die zweite Erfassungsspule 21 beispielsweise aus 140 Windungen des Cu-Drahts mit ungefähr 70 μm Durchmesser über dem Wicklungsbereich 20b des zweiten Spulenkörpers 20 bestehen.
Weiterhin ist eine erste Hilfsspule 12 in einem Teilbereich nahe des Flanschs 10a der ersten Erfassungsspule 11 überlappend gewickelt, beispielsweise über einem inneren Bereich von ungefähr 1,5 mm ausgehend vom Flansch 10a an einem Ende des ersten Spulenkörpers 10. Die erste Hilfsspule 12 erhöht die Wicklungsdichte in dem einen Endbereich der ersten Erfassungsspule 11, um das Ausgangssignal der ersten Erfassungsspule 11 auszugleichen. Die erste Hilfsspule 12 kann beispielsweise 20 Windungen eines Cu- Drahts ähnlich zu dem der ersten Erfassungsspule 11 bestehen, die am einen Endbereich der ersten Erfassungsspule 11 vorhanden sind, und ist mit einem Ende des Drahts verbunden zu einem Ende der ersten Erfassungsspule 11. Die erste Hilfsspule 12 und die erste Erfassungsspule 11 sind elektrisch miteinander in Reihe geschaltet, so dass sie in Phase erregt werden, und dass folglich ein magnetisches Feld durch die erste Hilfsspule 12 erzeugt wird, welches dieselbe Ausrichtung besitzt wie das magnetische Feld, das durch die erste Erfassungsspule 11 erzeugt wird, wenn die Spulen erregt werden.
Ebenso ist eine zweite Hilfsspule 22 zusätzlich überlappend zur zweiten Erfassungsspule 21 über einem inneren Bereich von ungefähr 1,5 mm ausgehend vom Flansch 20a an einem Ende des zweiten Spulenkörpers 20 gewickelt. Die zweite Hilfsspule 22 erhöht die Wicklungsdichte in dem einen Endbereich der zweiten Erfassungsspule 21, um das Ausgabesignal der zweiten Erfassungsspule 21 auszugleichen. Die zweite Hilfsspule 22 kann beispielsweise 20 Windungen eines Cu-Drahts ähnlich zu dem der zweiten Erfassungsspule 21 aufweisen, die am einen Endbereich der zweiten Erfassungsspule 21 vorhanden sind, und ist endseitig zu einem Ende der zweiten Erfassungsspule 21 verbunden. Die zweite Hilfsspule 22 und die zweite Erfassungsspule 21 sind elektrisch miteinander in Reihe geschaltet, so dass sie in Phase erregt werden, so dass ein magnetisches Feld mit gleicher Ausrichtung durch die zweite Hilfsspule 22 erzeugt wird wie das magnetische Feld, das durch die zweite Erfassungsspule 21 erzeugt wird, wenn die Spulen erregt werden.
Der erste Spulenkörper 10, auf den die erste Erfassungsspule 11 und die erste Hilfsspule 12 gewickelt sind, und der zweite Spulenkörper 20, auf den die zweite Erfassungsspule 21 und die zweite Hilfsspule 22 gewickelt sind, sind so angeordnet, dass sie an ihren jeweiligen inneren Enden, an denen die Flansche 10a und 20a nicht geformt sind, konzentrisch aneinander grenzen, d. h. in einer solchen Weise, dass die Mittelachse der ersten Erfassungsspule 11 und der ersten Hilfsspule 12 in eine Linie gebracht ist mit der der zweiten Erfassungsspule 21 und der zweiten Hilfsspule 22.
Das andere Ende der ersten Erfassungsspule 11, welches nicht an die erste Hilfsspule 12 angeschlossen ist, ist verbunden mit dem anderen Ende der zweiten Erfassungsspule 21, welches nicht an die zweite Hilfsspule 22 angeschlossen ist, während der gemeinsame Anschluss der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 durch eine erste Signalleitung (nicht gezeigt) mit einer Erregungs-/Erfassungsschaltung, welche später beschrieben wird, verbunden ist. Das andere Ende der ersten Hilfsspule 12, welches nicht an die erste Erfassungsspule 11 angeschlossen ist, ist an die Erregungs/Erfassungsschaltung mit einer zweiten Signalleitung (nicht gezeigt) angeschlossen, während das andere Ende der zweiten Hilfsspule 22, welches nicht an die zweite Erfassungsspule 21 angeschlossen ist, an die Erregungs/Erfassungsschaltung mit einer dritten Signalleitung (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Die erste Erfassungsspule 11 und die erste Hilfsspule 12, sowie die zweite Erfassungsspule 21 und die zweite Hilfsspule 22, werden jeweils durch die Erregungs-/Erfassungsschaltung mit einer hohen Frequenz erregt.
Der erste und der zweite Spulenkörper 10 und 20 haben jeweils Mittellöcher 10c und 20c, die mittelaxial gebildet sind. Jedes der Mittellöcher 10c und 20c im ersten bzw. zweiten Spulenkörper 10 und 20 hat einen Durchmesser von ungefähr 2,2 mm. Wenn der erste und zweite Spulenkörper 10 und 20 aneinandergrenzend angeordnet sind, bilden die Mittellöcher 10c und 20c zusammen ein durchgehendes Loch für die Einbringung des Kerns. Im Positionsgeber 1 ist ein magnetischer, runder, stabförmiger Kern 5 in das Loch für die Einbringung des Kerns eingelassen, so dass er linear in dem Loch für die Einbringung des Kerns bewegt werden kann.
Wie oben bemerkt, ist der Kern 5 aus einem runden Stab gebildet. Genauer gesagt, besteht der Kern 5 aus einem runden Stab aus einem magnetischen Material, wie z. B. aus SK-Material (Kohlenstoffstahl, englisch: carbon steel) oder aus etwas Ähnlichem, der einen Durchmesser von ungefähr 2 mm und eine Länge von ungefähr 10 mm hat. Der Kern 5 ist an einem Ende durch eine Achse 6 mit einem sich linear bewegenden Teil 2 eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder dergleichen verbunden. Der Kern 5 ist in so einer Weise in das Loch für die Einbringung des Kerns, welches durch eine Verbindung des Mittellochs 10c im ersten Spulenkörper 10 und des Mittellochs 20c im zweiten Spulenkörper 20 gebildet wird, eingelassen, dass, wenn sich das bewegliche Teil 2 linear bewegt, der Kern 5 linear in dem Loch für die Einbringung des Kerns entlang der Mittelachse der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 bewegt wird, und zwar mit Bezug auf eine Referenzposition P1, bei der der Kern 5 zu gleichen Teilen in die erste Erfassungsspule 11, welche auf dem ersten Spulenkörper 10 gewickelt ist, und die zweite Erfassungsspule 21, welche auf dem zweiten Spulenkörper 20 gewickelt ist, eingelassen ist.
Zu bemerken ist, dass der Kern 5 aus einem beliebigen Material gebildet sein kann, welches magnetisch ist. Beispielsweise kann Permalloy oder eine amorphe Metalllegierung für den Kern 5 verwendet werden. Da jedoch auch mit einem Kern 5, welcher sogar aus einem kostengünstig erhältlichen SK-Material hergestellt ist, ein hinreichendes Ausgangssignal erreicht werden kann, sollte der Kern wünschenswerterweise mit Blick auf die Herstellkosten aus einem SK-Material gebildet sein. Um für eine längere Gebrauchsdauer des Positionsgebers 1 ein Rosten des Kerns 5 zu verhindern, wird es eine effektive Maßnahme sein, den Kern 5 mit Cr, Zn, Ni oder Ähnlichem zu beschichten. Solch eine Beschichtung des Kerns 5 wird die Eigenschaften des Kerns 5 wenig beeinflussen.
Wenn in dem oben beschriebenen Positionsgeber 1 das bewegliche Teil 2, welches ein linear bewegliches Teil eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder dergleichen ist, linear in Richtung der Pfeile X1 und X2 in 3 bewegt, wird der Kern 5, welcher mit dem beweglichen Teil 2 verbunden ist, linear in dem Loch für die Einbringung des Kerns um die zurückgelegte Wegstrecke des beweglichen Teils 2 bewegt. Wenn sich der Kern 5 linear in dem Loch für die Einbringung des Kerns bewegt, ändert sich die Eindringtiefe des Kerns 5 in die erste und zweite Erfassungsspule 11 und 21, und folglich ändert sich die Impedanz der ersten und der zweiten Erfassungsspule 11 und 21 entsprechend.
So hängt nämlich die Impedanz der ersten Erfassungsspule 11 und die der zweiten Erfassungsspule 21 von der Eindringtiefe des Kerns 5 in die erste und zweite Erfassungsspule 11 und 21 ab und wird linear proportional zur Änderung der Eindringtiefe des Kerns 5 geändert. Wenn sich beispielsweise der Kern 5 in Richtung des Pfeils X1 aus der Referenzposition P1, in welcher der Kern 5 zu gleichen Teilen in die erste und zweite Erfassungsspule 11 und 21 eingelassen ist, bewegt, und sich folglich die Eindringtiefe des Kerns 5 in die erste Erfassungsspule 11 vergrößert, während sich die Eindringtiefe des Kerns 5 in die zweite Erfassungsspule 21 verringert, wird sich die Impedanz der ersten Erfassungsspule 11 entsprechend der Vergrößerung der Eindringtiefe des Kerns 5 erhöhen, während sich die Impedanz der zweiten Erfassungsspule 21 entsprechend der Verringerung der Eindringtiefe des Kerns 5 verringern wird. Wenn sich andererseits der Kern 5 in Richtung des Pfeils X2 aus der Referenzposition P1 bewegt, und sich folglich die Eindringtiefe des Kerns 5 in die erste Erfassungsspule 11 verringert, während sich die Eindringtiefe des Kerns 5 in die zweite Erfassungsspule 12 vergrößert, wird sich die Impedanz der ersten Erfassungsspule 11 entsprechend der Verringerung der Eindringtiefe des Kerns 5 in die erste Erfassungsspule 11 verringern, während sich die Impedanz der zweiten Erfassungsspule 21 entsprechend der Vergrößerung der Eindringtiefe des Kerns 5 in die zweite Erfassungsspule 21 vergrößern wird.
Daher ist es möglich, mit dem Positionsgeber 1 eine zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position eines beweglichen Teils 2, welches mit dem Kern 5 verbunden ist, mit hoher Genauigkeit zu erkennen, indem die Änderungen der Impedanz der ersten und zweiten Erfassungsspulen 11 und 21 in Spannungsänderungen umgewandelt werden, und die Spannungsänderungen erkannt werden. Da sich die Impedanz der ersten Erfassungsspule 11 und der zweiten Erfassungsspule 21 differenziell bei einer Bewegung des Kerns ändert, ist es mit dem Positionsgeber 1 weiterhin möglich, eine zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position des beweglichen Teils 2 mit hoher Genauigkeit zu erkennen, während der Einfluss von elektrischen Störungen und Ähnlichem unterdrückt wird, indem ein Unterschied des Ausgangssignals zwischen der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 bestimmt wird.
Der Positionsgeber 1 weist weiterhin die Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 auf, wie beispielhaft in 4 gezeigt. Die Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 ist vorgesehen, um eine zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position des Kerns 5 auf Basis der Impedanzänderungen der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 wie oben beschrieben zu erkennen. Die Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 ist dafür ausgelegt, Impedanzänderungen der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 in Spannungsänderungen umzuwandeln und einen Unterschied im Ausgangssignal zwischen der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 zu erkennen. Weiterhin ist die Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 dafür vorgesehen, die erste Erfassungsspule 11, die erste Hilfsspule 12, die zweite Erfassungsspule 21 und die zweite Hilfsspule 22 mit einer hohen Frequenz zu erregen.
Wie in 4 gezeigt, weist die Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 einen Schwingkreis 31 auf sowie einen Schalterkreis 32, welcher entsprechend einem Pulssignal des Schwingkreises 31 einen Erregungsstrom schaltet. Die ser Erregungsstrom regt die erste Erfassungsspule 11, die erste Hilfsspule 12, die zweite Erfassungsspule 21 und die zweite Hilfsspule 22 an. Weiterhin weist die Erregungs-/Erfassungsschaltung 30, wie in 4 gezeigt, eine erste Glättungsschaltung 33 auf, welche die Ausgangsspannungen der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 erfasst und glättet, eine zweite Glättungsschaltung 34, welche die Ausgangsspannungen der ersten und zweiten Hilfsspule 12 und 22 erfasst und glättet, sowie eine Differenzialverstärkungsschaltung 35, welche durch Erfassung einer Differenz zwischen den geglätteten Ausgangsspannungen der ersten und zweiten Glättungsschaltung 33 und 34 ein Differenzialsignal bereitstellt. Der Schwingkreis 31 stellt ein hochfrequentes Pulssignal mit beispielsweise einer Frequenz von 1 MHz und beispielsweise einer Pulsweite von 200 ns bereit. Der in 4 gezeigte Schwingkreis 31 weist einen Multivibrator auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der verwendeten Teile kleiner ist, und dass er kostengünstig hergestellt werden kann. Weiterhin funktioniert der Schwingkreis 31 entsprechend einer RC-Oszillation und beeinflusst nicht die Eigenschaften der Spulen 11, 12, 21 und 22. Es sollte bemerkt werden, dass der Schwingkreis 31 eine Colpitts-Oszillatorschaltung und einen Quartz-Oszillator verwenden kann.
Der Schalterkreis 32 schaltet entsprechend einem hochfrequenten Pulssignal, welches vom Schwingkreis 31 abgegeben wird, einen Erregungsstrom, der durch die erste Erfassungsspule 11, die erste Hilfsspule 12, die zweite Erfassungsspule 21 und die zweite Hilfsspule 22 fließt.
Die Spulen 11, 12, 21 und 22 können mit einer Sinuswelle erregt werden. Das Pulssignal ist jedoch vorteilhaft, weil seine harmonische Komponente die Spulen 11, 12, 21 und 22 effizienter erregt, da sein Tastverhältnis angepasst werden kann, um den Energieverbrauch gering zu halten. Außerdem kann über die Gleichspannungskomponente der Änderungspunkt der Impedanz zum externen magnetischen Feld beliebig verlagert werden. Daher sollten die Spulen 11, 12, 21 und 22 vorzugsweise mit einer Pulswelle erregt werden.
Wie oben erwähnt, ist die erste Erfassungsspule 11 an einem Ende mit einem Ende der ersten Hilfsspule 12 verbunden. Am anderen Ende ist sie mit der zweiten Erfassungsspule 21 und dem Schalterkreis 32 über eine Signalleitung 41 verbunden. Die erste Hilfsspule 12 ist mit der ersten Erfassungsspule 11 in Reihe geschaltet und mit dem anderen, nicht mit der ersten Er fassungsspule 11 verbundenen Ende mit einer Spannungsquelle (Vcc) über eine zweite Signalleitung 42 und einen Widerstand 36 verbunden.
Die zweite Erfassungsspule 21 ist an einem ihrer Enden mit einem Ende der zweiten Hilfsspule 22 und am anderen Ende mit der ersten Erfassungsspule 11 und dem Schalterkreis 32 über die erste Signalleitung 41 verbunden. Die zweite Hilfsspule 22 ist mit der zweiten Erfassungsspule 21 in Reihe geschaltet und mit dem anderen, nicht mit der zweiten Erfassungsspule 21 verbundenen Ende mit der Spannungsquelle (Vcc) über eine dritte Signalleitung 43 und einen Widerstand 37 verbunden.
Die erste Erfassungsspule 11, die erste Hilfsspule 12, die zweite Erfassungsspule 21 und die zweite Hilfsspule 22 sind miteinander durch eine Schaltungsbrücke verbunden und so parallel geschaltet; sie werden in Phase erregt, wenn der Schalterkreis 32 schaltet. Folglich werden sie in Phase mit hoher Frequenz erregt. Das bedeutet, dass die erste Erfassungsspule 11 und die erste Hilfsspule 12 sowie die zweite Erfassungsspule 21 und die zweite Hilfsspule 22 jeweils in Phase mit hoher Frequenz erregt werden, während die erste und die zweite Erfassungsspule 11 und 21 ebenso mit hoher Frequenz in Phase erregt werden.
Die erste Glättungsschaltung 33 glättet die Spannungen, die von der ersten Erfassungsspule 11 und der ersten Hilfsspule 12 erzeugt werden, wobei die erste Erfassungsspule 11 und der erste Hilfsspule 12 jeweils in Phase mit hoher Frequenz erregt werden. Entsprechend glättet die zweite Glättungsschaltung 34 die Spannungen, die von der zweiten Erfassungsspule 21 und der zweiten Hilfsspule 22 erzeugt werden, wobei die zweite Erfassungsspule 21 und die zweite Hilfsspule 22 jeweils in Phase mit hoher Frequenz erregt werden.
In die Differenzialverstärkungsschaltung 35 wird eine Ausgangsspannung der ersten Glättungsschaltung 33 und einer Ausgangsspannung der zweiten Glättungsschaltung 34 eingespeist. Die Differenzialverstärkungsschaltung 35 verstärkt eine Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der ersten Glättungsschaltung 33 und der zweiten Glättungsschaltung 34.
In einer entsprechend der obigen Beschreibung aufgebauten Erregungs/Erfassungsschaltung 30 wird der Schalterkreis 32 mit einem hochfrequenten Pulssignal des Schwingkreises 31 geschaltet, so dass die Spulen 11, 12, 21 und 22 in Phase betrieben und mit hoher Frequenz erregt werden. Zu dieser Zeit wird die Impedanz der ersten Erfassungsspule 11, welche mit der hohen Frequenz erregt wird, und die Impedanz der zweiten Erfassungsspule 21, welche ebenfalls mit der hohen Frequenz erregt wird, bestimmt durch eine Eindringtiefe des Kerns 5 in die Spulen 11 und 21, und sie wird geändert, wenn sich die Eindringtiefe des Kerns ändert. Der Kern 5 bewegt sich linear in der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 entlang der Mittelachse der Spulen, wobei die Spulen aneinander angrenzend angeordnet sind. Dabei ändert sich die Eindringtiefe des Kerns 5 in die erste Erfassungsspule 11 und in die zweite Erfassungsspule 21 differenziell mit der Bewegung des Kerns 5, und ebenso ändern sich die Impedanzen der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 differenziell.
In der Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 wird eine der Impedanz der ersten Erfassungsspule 11 entsprechende Spannung durch die erste Glättungsschaltung 33 geglättet und in die Differenzialverstärkungsschaltung 35 eingespeist, während eine der Impedanz der zweiten Erfassungsspule 21 entsprechende Spannung durch die zweite Glättungsschaltung 34 geglättet und in den Differenzialverstärker 35 eingespeist wird. Durch Bestimmen der Differenz zwischen diesen Ausgangsspannungen in der Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 ist es möglich, eine zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position des Kerns 5 und des mit dem Kern 5 verbundenen beweglichen Teils 2 zu bestimmen.
Die in dem erfindungsgemäßen Positionsgeber 1 verwendete Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 ist nicht auf das in 4 gezeigte Beispiel beschränkt, sondern kann einer beliebigen Schaltung entsprechen, in welcher die erste Erfassungsspule 11, die erste Hilfsspule 12, die zweite Erfassungsspule 21 und die zweite Hilfsspule 22 mit einer hohen Frequenz erregt werden können, in der die Änderungen der Impedanzen der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 in Spannungsänderungen umgewandelt werden können, und in der eine Differenz der Ausgangsspannung zwischen der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 22 erkannt werden kann.
Da, wie oben beschrieben, bei diesem beispielhaften Positionsgeber 1 die Änderungen der Impedanz der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 21 entsprechend der Bewegung des Kerns 5 durch die Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 in Spannungsänderungen umgewandelt werden, und eine Differenz zwischen den sich differenziell ändernden Ausgangsspannungen der ersten und zweiten Erfassungsspule 11 und 12 bestimmt wird, um eine zurückgelegte Wegstrecke und geänderte Position des Kerns 5 und des mit dem Kern 5 verbundenen beweglichen Teils bestimmt wird, ist es möglich, mit einer hohen Genauigkeit die zurückgelegte Wegstrecke und die geänderte Position des beweglichen Teils 2 zu erfassen, während der Einfluss der Änderung der Ausgangskennlinien durch elektrische Störungen und Temperaturänderungen der Erfassungsspulen 11 und 21 unterdrückt wird.
Im Positionsgeber 1 ist die erste Hilfsspule 12, welche in Phase mit der ersten Erfassungsspule 11 betrieben und ebenso in Phase mit der letzteren mit hoher Frequenz erregt wird, überlappend auf der ersten Erfassungsspule 11 in dem einen Endbereich gewickelt, um die Wicklungsdichte in diesem einen Endbereich der ersten Erfassungsspule 11 wesentlich zu erhöhen. Gleichzeitig ist die zweite Hilfsspule 22, welche in Phase mit der zweiten Erfassungsspule 21 betrieben wird und ebenso in Phase mit der letzteren mit hoher Frequenz erregt wird, überlappend auf der zweiten Erfassungsspule 21 in dem einen Endbereich gewickelt, um die Wicklungsdichte in dem einen Endbereich der zweiten Erfassungsspule 21 wesentlich zu erhöhen. Folglich hat der Positionsgeber 1 eine verminderte Nichtlinearität des Magnetfelds in dem einen Endbereich der ersten Erfassungsspule 11 und ebenso in dem einen Endbereich der zweiten Erfassungsspule 21.
5 zeigt ein magnetisches Feld erzeugt durch die erste Erfassungsspule 11, bei welcher die erste Hilfsspule 12 überlappend in dem einen Endbereich gewickelt ist, und durch die zweite Erfassungsspule 21, bei welcher die zweite Hilfsspule 22 in dem einen Endbereich überlappend gewickelt ist. Mit dem Ziel der Vergleichbarkeit zeigt 6 ein magnetisches Feld erzeugt durch die erste Erfassungsspule 11, welche nicht die in dem einen Endbereich überlappend gewickelte erste Hilfsspule 12 aufweist, und durch die zweite Erfassungsspule 21, welche nicht die in dem einen Endbereich überlappend gewickelte zweite Hilfsspule 22 aufweist.
Das magnetische Feld, welches durch die erste Erfassungsspule, welche nicht die erste Hilfsspule 12 überlappend gewickelt in dem einen Endbereich aufweist, und durch die zweite Erfassungsspule 21, welche nicht die zweite Hilfsspule 22 überlappend in dem einen Endbereich aufweist, erzeugt wird, erstreckt sich, wie in 6 gezeigt, in einem weiten Bereich divergierend zwischen dem einen Endbereich der ersten Erfassungsspule 11 und dem einen Endbereich der zweiten Erfassungsspule 21. Das magnetische Feld, welches durch die erste Erfassungsspule 11, welche die erste Hilfsspule 12 überlappend gewickelt in dem einen Endbereich aufweist, und durch die zweite Erfassungsspule 21, welche die zweite Hilfsspule 22 überlappend gewickelt in dem einen Endbereich aufweist, erzeugt wird, erstreckt sich andererseits, wie in 5, gezeigt in einem ideal parallelen Zustand in einem weiten Bereich zwischen dem einen Endbereich der ersten Erfassungsspule 11 und dem einen Endbereich der zweiten Erfassungsspule 21. Das bedeutet, dass die Nichtlinearität des magnetischen Feldes in dem einen Endbereich der Erfassungsspulen 11 und 21 vermindert ist.
Da im Positionsgeber 1 wie oben beschrieben die erste Hilfsspule 12 in dem einen Endbereich der ersten Erfassungsspule 11 überlappend gewickelt und die zweite Hilfsspule 22 in dem anderen Endbereich der zweiten Erfassungsspule 21 überlappend gewickelt ist, kann die Nichtlinearität des magnetischen Feldes in dem einen Teilbereich der Erfassungsspulen 11 und 21 vermindert werden, und die wirksame Erfassungslänge kann entsprechend effizient gesichert werden. Daher kann der Positionsgeber 1 kompakt gestaltet werden, indem die Erfassungsspulen 11 und 21 in Relation zur tatsächlichen Erfassungslänge gekürzt werden.
7 zeigt einen Zusammenhang zwischen der Position des Kerns 5 und dem Ausgangssignal des Positionsgebers 1, sowie einen Zusammenhang zwischen der Position des Kerns und dem Ausgangssignal in einem Positionsgeber, welcher ähnlich zum Positionsgeber 1 aufgebaut ist, außer dass die erste und die zweite Hilfsspule 12 und 22 nicht vorgesehen sind. Dieser letzte Zusammenhang wird hier mit dem Ziel der Vergleichbarkeit zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik gezeigt. Es ist zu bemerken, dass in dem Diagramm in 7 die Position des Kerns 5 entlang der horizontalen Achse aufgetragen ist und "0" (mm) entlang der horizontalen Achse bedeutet, dass der Kern 5 sich in der Referenzposition P1 befindet, während das Ausgangssignal der Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 entlang der vertikalen Achse aufgetragen ist.
Wie aus dem in 7 gezeigten Diagramm ersichtlich, ist in dem Positionsgeber, welcher die erste und zweite Hilfsspule 12 und 22 nicht aufweist, die Linearität des Ausgangssignals der Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 in einem Bereich oberhalb von +3 (mm) und in einem Bereich unter –3 (mm) entlang der horizontalen Achse gering. Andererseits stellt die Erregungs/Erfassungsschaltung 30 in dem Positionsgeber 1 gemäß der Erfindung ein Ausgabesignal bereit, welches sich linear in einem Bereich der wirksamen Erfassungslänge von 8 mm verändert, weil die erste Erfassungsspule 11 die erste Hilfsspule 12 aufweist, welche überlappend in dem einen Endbereich gewickelt ist, und weil die zweite Erfassungsspule 21 die zweite Hilfsspule 22 aufweist, welche überlappend in dem einen Endbereich gewickelt ist.
8 zeigt den Zusammenhang zwischen der Position des Kerns und dem Linearitätsfehler des Ausgangssignals im Positionsgeber 1, sowie den Zusammenhang zwischen der Position des Kerns 5 und dem Linearitätsfehler des Ausgangssignals in einem Positionsgeber, welcher ähnlich dem Positionsgeber 1 aufgebaut ist, außer dass die erste und zweite Hilfsspule 12 und 22 nicht vorgesehen sind. Dieser letzte Zusammenhang wird hier mit dem Ziel der Vergleichbarkeit zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik gezeigt. Es ist zu bemerken, dass in dem Diagramm in 8 die Position des Kerns 5 entlang der horizontalen Achse angetragen ist und "0" (mm) entlang der horizontalen Achse bedeutet, dass der Kern 5 sich in der Referenzposition P1 befindet, während der Linearitätsfehler des Ausgangssignals der Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 entlang der vertikalen Achse angetragen ist. Der Linearitätsfehler des Ausgangssignals wird bestimmt, indem nach der Methode der kleinsten Quadrate eine Approximationslinie aus einer Verteilung der Ausgaben der Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 im Hinblick auf die Positionen des Kerns 5 berechnet wird. Dabei wird eine Differenz der tatsächlichen Ausgabeverteilung von der Approximationslinie als Fehler (%) betrachtet.
Wie in 8 ersichtlich, ist der Linearitätsfehler des Positionsgebers ohne die erste und zweite Hilfsspule 12 und 22 groß. Insbesondere ist der Linearitätsfehler in der negativen Richtung größer als 1% im Bereich oberhalb von +3,5 (mm) entlang der horizontalen Achse, und entsprechend ist der Linearitätsfehler des Ausgangssignals in der positiven Richtung größer als 1% in einem Bereich unter –3,5 (mm) entlang der horizontalen Achse. Andererseits wird in dem Positionsgeber 1 der Linearitätsfehler des Ausgabesignals unter ±0,3% im Bereich der wirksamen Erfassungslänge von 8 mm gehalten, da die erste Erfassungsspule 11 die in dem einen Endbereich überlappend gewickelte erste Hilfsspule 12 aufweist, und die zweite Erfassungsspule 21 die in dem einen Endbereich überlappend gewickelte zweite Hilfsspule 22 aufweist.
Da, wie oben beschrieben, die erste Erfassungsspule 11 die überlappend gewickelte erste Hilfsspule 12 am einen Endbereich aufweist, während die zweite Erfassungsspule 21 die überlappend gewickelte zweite Hilfsspule 22 am einen Endbereich aufweist, kann der Linearitätsfehler des Positionsgebers 1 im Bereich der wirksamen Abtastlänge von 8 mm minimiert und folglich ein Ausgangssignal mit einer extrem hohen Linearität erreicht werden. Mit anderen Worten kann bei einem Positionsgeber 1 gemäß der Erfindung, der die erste und zweite Hilfsspule 12 und 22 aufweist, ein Ausgangssignal erreicht werden, dessen Linearität sehr hoch ist, insbesondere in einem Bereich, in dem ein Positionsgeber ohne die erste und zweite Hilfsspule 12 und 22 keine gute Linearität des Ausgangssignals liefert, und folglich eine zurückgelegte Wegstrecke des Kerns 5 nicht geeignet erfasst werden kann. Der Positionsgeber 1 lässt sich kompakt und mit hoher Präzision der wirksamen Erfassungslänge gestalten.
Mit dem Positionsgeber 1 ist es möglich, die Nichtlinearität des magnetischen Feldes in dem einen Endbereich sowohl der ersten als auch der zweiten Erfassungsspule 11 und 21 zu verringern, und folglich ein Ausgangssignal mit einer hohen Linearität bereitzustellen, wenn die erste Hilfsspule 12 in dem einen Endbereich der ersten Erfassungsspule 11 und die zweite Hilfsspule 22 in dem einen Endbereich der zweiten Erfassungsspule 21 überlappend gewickelt werden. Ist hingegen die Wicklung der ersten und zweiten Hilfsspule 12 und 22 nicht jeweils in einer geeigneten Position auf der ersten bzw. zweiten Erfassungsspule 11 und 21 vorgesehen, so wird die Nichtlinearität des magnetischen Feldes stattdessen vergrößert.
Wenn insbesondere im oben beschriebenen vergleichenden Beispiel ein Cu-Draht mit einem Durchmesser von ungefähr 70 μm als erste Hilfsspule 12 dicht in einem Bereich von ungefähr 2,5 mm ausgehend vom Flansch 10a der ersten Erfassungsspule 11 gewickelt ist, während ein Cu-Draht mit einem Durchmesser von ungefähr 70 μm als zweite Hilfsspule 22 dicht in einem Bereich von ungefähr 2,5 mm ausgehend vom Flansch 20a der zweiten Erfassungsspule 21 gewickelt ist, so wird das Ausgangssignal an dem einen Ende der ersten Erfassungsspule 11 und das an dem einen Ende der zweiten Erfassungsspule 21 zu groß. Folglich wird die Nichtlinearität der magnetischen Felder, die von den Erfassungsspulen erzeugt werden, vergrößert.
Unter der Annahme, dass für den Positionsgeber 1 ein Linearitätsfehler des Ausgangssignals von 1% oder weniger in positiver und negativer Richtung zulässig ist, wird der Linearitätsfehler eines Positionsgebers, welcher die erste und zweite Hilfsspule 12 und 22 nicht aufweist, die zulässige Abwei chung überschreiten, wenn der Kern 5 sich in einem Bereich oberhalb von +3,5 (mm) und einem Bereich unterhalb von –3,5 (mm) entlang der horizontalen Achse befindet, wie in 8 gezeigt ist. Daher kann erwartet werden, dass die Nichtlinearität des magnetischen Feldes verringert werden kann, wenn die erste und zweite Hilfsspule 12 und 22 jeweils in dem Bereich von 1,5 mm ausgehend von dem einen Ende der ersten Erfassungsspule 11 beziehungsweise in dem Bereich von 1,5 mm ausgehend von dem einen Ende der zweiten Erfassungsspule 21 gewickelt werden, was der Position des Kerns 5 im Bereich oberhalb von +3,5 (mm) und im Bereich unterhalb von –3,5 (mm) entlang der horizontalen Achse in 8 entspricht, um das Ausgangssignal der Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 zu erhöhen.
Durch Wicklung von 20 Windungen eines Cu-Drahts mit ungefähr 70 μm als erste Hilfsspule 12 in einem Bereich von 1,5 mm in dem einen Endbereich der ersten Erfassungsspule 11 und Wicklung von 20 Windungen eines Cu-Drahts von ungefähr 70 μm als zweite Hilfsspule 22 in einem Bereich von 1,5 mm in dem einen Endbereich der zweiten Erfassungsspule 21 in dem oben genannten vergleichenden Beispiel konnte die Nichtlinearität des magnetischen Feldes an dem einen Ende der ersten Erfassungsspule 11 und an dem einen Ende der zweiten Erfassungsspule 21 gesenkt werden. Es konnte dabei ein extrem niedriger Linearitätsfehler in einem Bereich der wirksamen Erfassungslänge von 8 mm erreicht werden. Weiterhin konnte ein Ausgangssignal mit einer sehr hohen Linearität erreicht werden. Dies wird in den 7 und 8 gezeigt.
Zur vorhergehenden Beschreibung des Positionsgebers 1, bei welchem die erste Erfassungsspule 11 die in dem einen Endbereich überlappend gewickelte erste Hilfsspule 12 und die zweite Erfassungsspule 21 die in dem einen Endbereich überlappend gewickelte zweite Hilfsspule 22 aufweist, ist zu bemerken, dass sogar mit einer Hilfsspule, welche nur entweder in dem einen Endbereich der ersten Erfassungsspule 11 oder in dem einen Endbereich der zweiten Erfassungsspule 21 überlappend gewickelt ist, die Nichtlinearität des magnetischen Feldes in der Umgebung des Endbereichs der Erfassungsspule, auf welcher die Hilfsspule gewickelt ist, kleiner wird, was eine effiziente Erfassungslänge sicherstellt. Allerdings kann durch Wicklung der Hilfsspule am einen Endbereich sowohl der ersten als auch der zweiten Erfassungsspule 11 und 21 die Nichtlinearität des magnetischen Feldes in dem einen Endbereich jeder der Erfassungsspulen 11 und 21 gesenkt werden, so dass eine zuverlässige Erfassungslänge sichergestellt werden kann.
Der Positionsgeber 1 ist vorgesehen, um eine zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position des beweglichen Teils 2 zu erfassen, welches ein sich linear bewegendes Teil eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder dergleichen ist, wenn der Kern 5, welcher mit der Achse 6 mit dem beweglichen Teil 2 verbunden ist, linear in dem Loch für die Einbringung des Kerns bewegt wird. Allerdings kann der Kern 5 ortsfest sein, während der erste Spulenkörper 10, auf welchem die erste Erfassungsspule 11 gewickelt ist, und der zweite Spulenkörper 20, auf welchem die zweite Erfassungsspule 21 gewickelt ist, mit dem beweglichen Teil 2 verbunden ist. In diesem Fall werden die Spulenkörper 10 und 20 über dem Kern 5 bewegt, wenn das bewegliche Teil 2 bewegt wird.
Ausführungsform der Erfindung
Als nächstes wird im Folgenden eine zweite Ausführungsform des Positionsgebers gemäß der Erfindung beschrieben.
Der oben beschriebene Positionsgeber 1 weist zwei Erfassungsspulen 11 und 21 auf. Hingegen weist die Ausführungsform des Positionsgebers gemäß der Erfindung nur eine Erfassungsspule auf, welche im Wesentlichen so lang wie die erste und zweite Erfassungsspule des Positionsgebers 1 ist. In dem Positionsgeber gemäß der Ausführungsform wird die einzelne Erfassungsspule verwendet, um ungefähr dieselbe wirksame Erfassungslänge wie im Positionsgeber 1 bereitzustellen, beispielsweise eine wirksame Erfassungslänge von ungefähr 7 mm.
In 9 wird in einer Schnittansicht der Positionsgeber gemäß der Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Dieser Positionsgeber wird mit dem Bezugszeichen 40 angegeben. Der Positionsgeber 40 weist einen Spulenkörper 50 und eine Sensor- oder Erfassungsspule 51, welche auf dem Spulenkörper gewickelt ist, auf.
Der Spulenkörper 50 ist zylindrisch geformt und hat Flansche 50a und 50b, welche jeweils an entgegengesetzten Enden ausgeformt sind. Der Spulenkörper 50 weist auf seiner äußeren Oberfläche einen Wicklungsbereich 50c auf, welcher sich von der inneren Oberfläche des Flanschs 50a, ausgeformt an einem Ende des Spulenkörpers, bis zu der inneren Oberfläche des Flanschs 50b, ausgeformt am anderen Ende, erstreckt. Der Durchmesser des Spulen körpers 50, gemessen im Wicklungsbereich 50c, beträgt beispielsweise ungefähr 4 mm, und der Wicklungsbereich 50c ist beispielsweise 10 mm lang. Im Wicklungsbereich 50c des Spulenkörpers 50 ist die Erfassungsspule 51 gewickelt.
Die Erfassungsspule 51 ist durch Wicklung eines Cu-Drahts mit einem Durchmesser von beispielsweise 70 μm in einer einzelnen Schicht über dem Wicklungsbereich 50c des Spulenkörpers 50 gewickelt. Insbesondere kann die Erfassungsspule 51 aus 140 Windungen des Cu-Drahts über dem Wicklungsbereich 50c des Spulenkörpers 50 gebildet sein.
Zudem ist eine erste Hilfsspule 52 überlappend auf der Erfassungsspule 51 in einem Bereich von beispielsweise ungefähr 1,5 mm vom Flansch 50a in einem Endbereich der Erfassungsspule 51 gewickelt, und zwar in dem Bereich der Erfassungsspule 51, welcher an den Flansch 50a angrenzt. Die erste Hilfsspule 52 ist vorgesehen, um die Wicklungsdichte der Erfassungsspule 51 in ihrem einen Endbereich zu erhöhen und das Ausgangssignal auszugleichen. Die erste Hilfsspule 52 ist beispielsweise in dem einen Endbereich der Erfassungsspule 51 aus 20 Windungen eines Cu-Drahts ähnlich zu dem der Erfassungsspule 51 gebildet. Die erste Hilfsspule 52 wird in Phase mit der Erfassungsspule 51 erregt, so dass bei einer Erregung das von der ersten Hilfsspule 52 erzeugte magnetische Feld die selbe Ausrichtung haben wird wie das durch die Erfassungsspule 51 erzeugte.
Entsprechend ist eine zweite Hilfsspule 53 in einem Teilbereich nahe des Flansches 50b der Erfassungsspule 51 beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1,5 mm ausgehend vom Flansch 50b im anderen Endbereich der Erfassungsspule 51 überlappend gewickelt, und zwar in einem Bereich der Erfassungsspule 51, der an den Flansch 50b angrenzt. Die zweite Hilfsspule 53 ist vorgesehen, um die Wicklungsdichte der Erfassungsspule 51 in dem einen ihrer Endbereiche zu erhöhen und das Ausgangssignal auszugleichen. Entsprechend der ersten Hilfsspule 52 kann die zweite Hilfsspule 53 beispielsweise aus 20 Windungen eines Cu-Drahts ähnlich zu dem der Erfassungsspule 51 in dem anderen Endbereich der Erfassungsspule 51 gebildet sein. Die zweite Hilfsspule 53 wird in Phase mit der Erfassungsspule 51 erregt, so dass bei einer Erregung das durch die zweite Hilfsspule 53 erzeugte magnetische Feld die selbe Ausrichtung haben wird wie das durch die Erfassungsspule 51 erzeugte. Die erste Hilfsspule 52 und die zweite Hilfsspule 53 sind an einem ihrer Enden miteinander in Reihe geschaltet. Das andere En de der ersten Hilfsspule 52, welches nicht mit der zweiten Hilfsspule 53 verbunden ist, ist mit einem Ende der Erfassungsspule 51 verbunden, während der gemeinsame Anschluss der ersten und zweiten Hilfsspule 52 und 53 durch eine erste Signalleitung (nicht gezeigt) zu einer Erregungs/Erfassungsschaltung, welche ähnlich zu der oben beschriebenen, im Positionsgeber 1 vorgesehenen Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 aufgebaut ist, verbunden ist. Das andere Ende der Erfassungsspule 51, welches nicht mit der ersten Hilfsspule 52 verbunden ist, ist durch eine zweite Signalleitung (nicht gezeigt) mit der Erregungs-/Erfassungsschaltung verbunden, und das andere Ende der zweiten Hilfsspule 53, welches nicht mit der ersten Hilfsspule 52 verbunden ist, ist mit der Erregungs-/Erfassungsschaltung durch eine dritte Signalleitung (nicht gezeigt) verbunden. Die Erfassungsspule 51, die erste Hilfsspule 52 und die zweite Hilfsspule 53 werden durch die Erregungs-/Erfassungsschaltung mit hoher Frequenz erregt.
Es ist zu bemerken, dass die Erregungs-/Erfassungsschaltung des Positionsgebers 40 ähnlich zu der Erregungs-/Erfassungsschaltung 30, welche in dem Positionsgeber 1 vorgesehen ist, aufgebaut ist, mit der Ausnahme, dass die Erfassungsspule 51 mit den Knoten 41 und 42 der Erregungs-/Erfassungsschaltung 30 verbunden ist, mit welchen die erste und zweite Erfassungsspule 11 und 12 verbunden sind, und dass die erste und zweite Hilfsspule 52 und 53 mit den Knoten verbunden ist, zu welchen die zweite Erfassungsspule 21 und die zweite Hilfsspule 22 verbunden sind. Daher wird die Erregungs-/Erfassungsschaltung in der Ausführungsform nicht dargestellt und weiter beschrieben.
Der Spulenkörper 50 weist ein durch ihn hindurchgehendes Mittelloch 50d auf, welches sich in Richtung seiner Mittelachse erstreckt und welches beispielsweise einen Durchmesser von ungefähr 2,2 mm haben kann. In dem Positionsgeber 40 ist ein runder, stabförmiger magnetischer Kern 54 in das Mittelloch 50d des Spulenkörpers 50 eingelassen, und ist linear beweglich in dem Mittelloch 50d des Spulenkörpers 50.
Ähnlich zu dem Kern 5, welcher im Positionsgeber 1 vorgesehen ist, besteht der Kern 54 aus einem runden Stab aus einem magnetischen Material, wie z. B. einem SK-Material, mit einem Durchmesser von ungefähr 2 mm und einer Länge von ungefähr 10 mm. Er ist an einem seiner Enden mit einer Achse 55 mit einem beweglichen Teil 56 verbunden, welches ein linear bewegliches Teil eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder der gleichen ist. Der Kern 54 ist in das Mittelloch 50d des Spulenkörpers 50 eingelassen. Der Endbereich des Kerns 54, welcher entgegengesetzt zu dem Ende des Kerns liegt, welcher mit dem beweglichen Teil 56 verbunden ist, wird in dem Mittelloch 50d im Spulenkörper 50 entlang der Mittelachse der Erfassungsspule 51 in Relation zur Mitte des Mittellochs 50d des Spulenkörpers 50, und damit in Relation zu einer Referenzposition P2 auf der halben Länge der Erfassungsspule 51, welche auf dem Spulenkörper 50 gewickelt ist, linear bewegt, wenn sich das beweglich Teil 56 linear in einem Bereich von maximal 7 mm bewegt.
Wenn sich in dem oben beschriebenen Positionsgeber 40 das bewegliche Teil 56, welches ein linear bewegliches Teil eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder dergleichen ist, in Richtung der Pfeile X3 und X4 bewegt, wird der Kern 54, welcher mit dem beweglichen Teil 56 verbunden ist, innerhalb des Mittellochs 50d in dem Spulenkörper 50 um die zurückgelegte Wegstrecke des beweglichen Teils 56 bewegt. Wenn der Kern 54 linear in dem Mittelloch 50d des Spulenkörpers 50 bewegt wird, ändert sich die Eindringtiefe des Kerns 54 relativ zur Erfassungsspule 51, so dass sich die Impedanz der Erfassungsspule 51 entsprechend ändert.
Insbesondere wird die Impedanz der Erfassungsspule 51 durch die Eindringtiefe des Kerns 54 in die Erfassungsspule 51 bestimmt und wird linear proportional zu einer Änderung der Eindringtiefe des Kerns 54 geändert. Wenn beispielsweise der Kern 54 in Richtung des Pfeils X3 aus der Referenzposition P2 bewegt wird, und sich folglich die Eindringtiefe des Kerns 54 in die Erfassungsspule verringert, wird die Impedanz der Erfassungsspule 51 entsprechend der Verringerung der Eindringtiefe des Kerns 54 verringert. Wenn andererseits der Kern 54 in Richtung des Pfeils X4 aus der Referenzposition P2 bewegt wird und sich folglich die Eindringtiefe des Kerns 54 in die Erfassungsspule 51 vergrößert, wird sich die Impedanz der Erfassungsspule 51 entsprechend der Vergrößerung der Eindringtiefe des Kerns 54 vergrößern.
Folglich kann der Positionsgeber 40 mit hoher Genauigkeit eine zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position des Kerns 54 und damit des mit dem Kern 54 verbundenen beweglichen Teils 56 durch Wandlung der Impedanzänderung der Erfassungsspule 51 in eine Spannungsänderung und durch Erfassung dieser Spannungsänderung durch die Erregungs-/Erfassungsschaltung erkennen.
Ferner wird im Positionsgeber 40 sogar dann, wenn der Kern 54 mit der maximal möglichen Auslenkung in Richtung des Pfeils X3 bewegt wird, der Kern 54 immer vollständig innerhalb der ersten Hilfsspule 52 bleiben. Andererseits wird sogar dann, wenn der Kern 54 mit der maximal möglichen Auslenkung in Richtung des Pfeils X4 bewegt ist, der Kern 54 nicht in die zweite Hilfsspule 53 eingeführt. Folglich wird die Impedanz der ersten und zweiten Hilfsspule 52 und 53 nur sehr wenig geändert und ist unabhängig von der Bewegung des Kerns 54.
Durch eine Gestaltung des Positionsgebers 40 derart, dass die Impedanz der Erfassungsspule 51 gleich der gesamten Impedanz der ersten und zweiten Hilfsspule 52 und 53 ist, wenn der Kern 54 sich in der Referenzposition P2 befindet, ist es daher möglich, mit extrem hoher Genauigkeit eine zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position des beweglichen Teils 56 zu erkennen, während der Einfluss von elektrischen Störungen und von einer durch eine Temperaturänderung verursachten Änderung der Ausgangskennlinien der Erfassungsspule 51, der ersten Hilfsspule 52 und der zweiten Hilfsspule 53 unterdrückt wird, indem eine Differenz des Ausgangssignals zwischen der Erfassungsspule 51 und der ersten und zweiten Hilfsspule 52 und 53 mit der Erregungs-/Erfassungsschaltung bestimmt wird.
Ferner kann in dem Positionsgeber 40 die Nichtlinearität des magnetischen Feldes an den entgegengesetzten Enden der Erfassungsspule 51 vermindert werden, da die erste Hilfsspule 52, welche in Phase mit der Erfassungsspule 51 betrieben und mit hoher Frequenz erregt wird, in dem einen Endbereich der Erfassungsspule 51 überlappend gewickelt ist, und da die zweite Hilfsspule 53, welche in Phase mit der Erfassungsspule 51 betrieben und mit hoher Frequenz erregt wird, überlappend in dem anderen Endbereich der Erfassungsspule 51 gewickelt ist, um dadurch die Wicklungsdichte an den entgegengesetzten Enden der Erfassungsspule 51 deutlich zu erhöhen. Daher kann mit dem Positionsgeber 40 die wirksame Erfassungslänge effizient sichergestellt werden, und die Länge der Erfassungsspule kann in Relation zur wirksamen Erfassungslänge relativ verkürzt werden, um den Positionsgeber kompakt zu gestalten und eine hohe Genauigkeit in der Positionserfassung zu erlauben.
Im Vorangegangenen ist die Erfindung im Hinblick auf den Positionsgeber 40 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden, in welcher die Erfassungsspule 51 eine überlappend gewickelte erste und zweite Hilfs spule 52 und 53 in ihren entgegengesetzten Endbereichen aufweist. Es ist jedoch zu bemerken, dass sogar mit einer Hilfsspule, welche nur in einem der beiden Endbereiche der Erfassungsspule 51 überlappend gewickelt ist, die Nichtlinearität des magnetischen Feldes in der Umgebung des Endbereichs der Erfassungsspule 51, in welchem die Hilfsspule gewickelt ist, reduziert werden kann, was wirksam für die effiziente Sicherstellung der wirksamen Erfassungslänge ist. Durch eine Gestaltung des Positionsgebers 40 derart, dass die Impedanz der Erfassungsspule 51 gleich der Impedanz der Hilfsspule ist, wenn der Kern 54 sich in der Referenzposition P2 befindet, ist es auch in diesem Fall möglich, mit extrem hoher Genauigkeit eine zurückgelegte Wegstrecke und eine veränderte Position des beweglichen Teils 56 zu erkennen, indem mit der Erregungs-/Erfassungsschaltung die Differenz des Ausgangssignals zwischen der Erfassungsspule 51 und der Hilfsspule bestimmt wird. Hierdurch wird auch der Einfluss von elektrischen Störungen und eine durch eine Temperaturänderung verursachte Änderung der Ausgabekennlinien der Erfassungsspule 51 und der Hilfsspule unterdrückt. Da jedoch die Nichtlinearität des magnetischen Feldes an beiden Enden der Erfassungsspule durch die in den entgegengesetzten Endbereichen der Erfassungsspule 51 überlappend gewickelten Hilfsspulen verringert wird, kann so die wirksame Erfassungslänge mit einer größeren Effizienz sichergestellt werden.
Die Erfindung wurde im Vorangegangenen im Hinblick auf den Positionsgeber 40 beschrieben, welcher zur Erkennung einer zurückgelegten Wegstrecke und einer veränderten Position des beweglichen Teils 56, das ein sich linear bewegendes Teil von eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboters oder dergleichen ist, vorgesehen ist, wenn der Kern 54, welcher durch die Achse 55 mit dem beweglichen Teil 56 verbunden ist, linear innerhalb des Mittellochs 50d des Spulenkörpers 50 bewegt wird. Dennoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern kann so gestaltet werden, dass der Kern 54 ortsfest angeordnet ist, während der Spulenkörper 50 mit der darauf gewickelten ersten Erfassungsspule 51 mit dem beweglichen Teil 56 verbunden ist, und sich der Spulenkörper 50 über dem Kern 54 bewegt, wenn das bewegliche Teil 56 sich bewegt.

Claims

Positionsgeber mit: einer Erfassungsspule (51), die mit einer hohen Frequenz angeregt wird; einem magnetischen Kern (54), der beweglich bezüglich der Erfassungsspule in die Erfassungsspule eingesetzt und entlang ihrer Mittelachse beweglich ist; einer Hilfsspule (52, 53), die so gewickelt ist, dass sie die Erfassungsspule an einem Ende überlappt, und die in Phase zur Erfassungsspule (51) erregt wird; und einer Positionserkennungsvorrichtung (30) zur Erkennung einer relativen Position des Kerns zu der Erfassungsspule auf Grund einer Impedanzänderung der Erfassungsspule; dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber so gestaltet ist, dass, wenn der magnetische Kern (54) sich in einer Referenzposition in der Erfassungsspule (51) befindet, die Impedanz der Hilfsspule (52, 53) gleich der der Erfassungsspule ist, und dass die Positionserkennungsvorrichtung (30) einen Unterschied im Ausgangssignal zwischen der Erfassungsspule (51) und der Hilfsspule (52, 53) bestimmt, um eine relative Position des magnetischen Kerns (54) zur Erfassungsspule zu erkennen.
Positionsgeber nach Anspruch 1, bei dem die Hilfsspule (52, 53) eine erste Hilfsspule (52) aufweist, die an einem Ende der Erfassungsspule (51) angeordnet ist, sowie eine zweite Hilfsspule, die mit der ersten Hilfsspule (52) in Reihe geschaltet und am anderen Ende der Erfassungsspule (51) vorgesehen ist, und bei dem, wenn der Kern sich in einer Referenzposition in der Erfassungsspule (51) befindet, die gesamte Impedanz der ersten und der zweiten Hilfsspule (52, 53) gleich der Impedanz der Erfassungsspule (51) ist, und die Positionserkennungsvorrichtung (30) einen Unterschied im Ausgangssignal zwischen der Erfassungsspule und der ersten und zweiten Hilfsspule (52, 53) bestimmt, um eine relative Position des Kerns (54) zur Erfassungsspule (51) zu erkennen.