JP2010071988A

JP2010071988A - 磁気又は誘電位置センサ

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Publication number: JP2010071988A
Application number: JP2009204347A
Authority: JP
Inventors: Josef Baak; バークヨーゼフ
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2010-04-02
Also published as: EP2166312A1; EP2166312B1; EP2166312B2

Abstract

【課題】磁気又は誘電位置センサであって、磁石の位置により決まる出力信号を有すると共に、種々の位置区間に対して理想的に高分解能である出力信号を提供する。
【解決手段】一つの区間に沿って可動自在である中間手段４の位置を検知するための少なくとも二つのセンサ要素２及び、センサ要素２を評価するための電子演算ユニット１０を有しており、そこでは中間手段４が永久磁石８を備え、これにより中間手段４の位置を演算でき、演算ユニット１０が、位置を表す位置信号のために出力部を有しており、希望する第一位置にある中間手段４の第一位置値をメモリ可能であり、希望する第二位置にある中間手段の第二位置値をメモリ可能である記憶装置を備えており、二つの位置値間の測定範囲に出力信号を合わせるように演算ユニット１０を構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の位置測定用磁気又は誘電位置センサに関するものである。

磁気又は誘電位置センサは、例えば油圧又は空圧システムにおけるピストン動作を監視するために使用される。

公知である磁気誘電センサが、磁界発生のための一次コイル及び位置に関係する磁界検知のための二次コイルを有している。これは、それぞれ多数のコイルを分離して結線せねばならず、不都合に大きな工数を使って行わねばならないという欠点を有している。

更に特許文献１による位置センサで記載されているのは、長手方向で変化する巻き線密度を有するコイルがフェロ磁性の芯にあり、スライド自在の磁石によりコイル芯の異なった部分が飽和されるので、位置に関係する特性を有するコイルが得られることである。この実施方法における欠点は、多くの用途で位置信号の直線的な特性が求められることにある。磁石のスライド時に直線的な誘電性変化が得られるように巻き線密度を変化させる場合には、これが、測定長さに亘って巻き線密度を非直線的に増減することによる特許文献１に記載の実施方法を使って満たされる。それによれば、例えば巻き線密度を直線的に減らす時に短い区間の後で既に有効な誘電部分のない範囲が発生するので、可能な最大測定長さが大きく制限される。

この実施方法の別の欠点が、位置に関係する測定量がコイルの巻き線密度に関係していることにある。しかしながら、位置に関係する信号として多くの用途で望まれるのは、コイル特性からまず電子的に手間をかけて得る必要のない直流電流値又は直流電圧値である。

特許文献２では、列で配設された個別センサを有する位置センサが開示されている。その個別センサが例えばホール素子として、磁気感知ダイオード又は磁気感知抵抗として構成されている。個別センサが横を通過する磁石の影響を受け、それにより磁石の直線的な位置を確認することができる。位置センサでは、例えばボタンを押すことを介して一つの位置をゼロ点として設定することを意図している。エレクトロニクス装置がこの値をメモリすることができ、この値からの偏差すべてをプラスにだけでなくマイナスにも位置偏差として出力することができる。ゼロ点が任意に選択できる。位置センサの精度が、基本的に長さ単位で可能となる個別センサの数により決まる。

DE 103 42 473 A1 DE 32 44 891 C2

本発明の課題は位置センサを得ることであり、磁石の位置により決まる出力信号を有すると共に、種々の位置区間に対して理想的に高分解能である出力信号を提供するものである。さらに出力信号が磁石の極方向とは関係がないものである。位置センサは、簡単に較正できると共に大きな測定範囲を可能にするものである。

この課題を、第一終端位置と第二終端位置間の区間に沿って可動自在である中間手段の位置を検出するための少なくとも二つのセンサ要素を有する磁気位置センサ又は誘電位置センサにより解決するが、中間手段が永久磁石を備えている。更にセンサが、センサ要素を評価する電子演算ユニットを有しており、演算ユニットが、値範囲を有して位置を表す位置信号のために出力部を有しており、値範囲のリミット値が二つの終端位置に相当する。リミット値を終端位置に関係なく電子的に調整自在で固定することができ、位置信号の値範囲を区間に沿って可能な位置の値に合わせるために、第一終端位置値に割り当てた第一リミット値及び第二終端位置値に割り当てた第二リミット値がメモリ可能である。

本発明によれば、移動する中間手段の第一終端位置と第二終端位置の間で希望する区間に、位置信号の値範囲を任意に設定することが可能である。それにより位置信号を特定の用途に正確に合わせることができる。

本発明によれば、可動の中間手段に対するセンサの機械的な微調整が不要となる。磁気又は誘電位置センサが差し当たって求められるのは、可動の中間手段に沿った大まかな配設だけである。その後に、値範囲のリミット値を第一終端位置値と第二終端位置値に割り当てることにより、微調整を電子的に行う。

測定を希望する区間に値範囲を設定することにより、異なった経路を備えた種々の手段用に磁気又は誘電位置センサを使用することが可能であり、位置信号が希望する特に同一の値範囲を有している。

電子的に設定を行うことにより、位置信号が永久磁石の極及び取付状態とは関係がない。よって永久磁石の極に注意する必要がないので、磁気又は誘電位置センサを数多くの可動手段に使用することができる。

第一終端位置と第二終端位置を任意の順序でティーチングできるので、区間に沿った位置センサの取り付け方向を自由に選択できる。これにより位置センサを区間に沿った第一方向に、又は１８０°回転して配設することができる。引き続いて、位置信号の推移を希望するように合わせる。取り付けられた位置センサで位置信号の推移を、一つの終端位置を起点にして例えば０〜１０単位（Ｅ）により、又は逆に１０〜０単位（Ｅ）に設定することができる。これにより位置信号を、後に続く外部演算で容易に合わせることができる。

磁気又は誘電位置センサのセンサ要素数が、例えば８個又はその倍数である。よって実施方法に従いセンサが、８、１６、２４個等のセンサ要素を有している。センサ要素の数により、磁気又は誘電位置センサを決められた測定範囲に合わせることができる。非常に小さな測定範囲に対しては、磁気位置センサが有する磁気位置センサは、例えば２〜８個のみであることもある。しかしながらセンサ要素の数を任意に選択できる。センサ要素がホール素子として、磁気感知ダイオード、磁気感知抵抗として、又はコイルとして構成されていることがある。

リミット値が値範囲の最大値又は最小値それぞれを有していると好ましい。それにより、常に最大分解能で位置信号を使用できる状態にある。可動中間手段の非常に小さい、例えば２０ｍｍの区間では正に、この区間に対して例えば０〜１０Ｖの電子的に可能な全値範囲を利用する。

区間に沿った位置及び値範囲の値が直線的に相対していると好ましい。それにより、位置信号の値が中間手段の位置変更に従って均等に変化するので、位置信号を非常に簡単に演算することができる。

特に好ましい実施形態では、第一終端位置が中間手段の第一最大動作に相当し、第二終端位置が反対方向における第二最大動作に相当している。それにより値範囲が、区間に沿った最大可能動作に正確に拡張される。それにより電子的に可能な最大値範囲が正確に、中間手段の最大可能な機械的動作に、例えば機械的な調整部材に相当する。それにより位置信号の値範囲を常にフルで利用する。よって磁気又は誘電位置センサが、位置信号の最大可能な範囲を使用する。従来のセンサと比較して信号分解能が向上する。それにより磁気又は誘電位置センサを、大きく可動する異なった中間手段を有する種々の調整部材に最適で合わせることができる。

特別な実施形態によれば演算ユニットが、反復して位置信号を検知して自動的に第一及び第二終端位置を決めるために測定ユニットを有しており、規定の時間間隔内に一つの位置を何度測定したかを演算するために、頻度演算ユニットを設けている。測定頻度に従って、第一ないし第二終端位置に位置の値それぞれを割り当てることができ、メモリ可能である。これにより、可動中間手段の終端位置に位置信号の値範囲を合わせることが完全自動で行われる。磁気又は誘電位置センサが必要とするのは、中間手段に対して不可欠な間隔で取り付けることのみであり、中間手段が充分な頻度で往復動作した規定時間の後に、演算ユニットにより値範囲を自動的に設定することができる。それにより、位置センサが必要とするのは中間手段に対して大まかに位置決めするのみであり、第一及び第二終端点に対して位置信号を正確に割り当てることが、電子的に完全に自動的に行われるので、磁気又は誘電位置センサの据え付けと使用開始が全く本質的に簡単化される。そのために必要なことは、終端位置値に対するリミット値の自動的な割り当てが行われるまで、中間手段を充分な頻度で第一終端位置と第二終端位置間で動かすことのみである。後の補正は、更に手動による電子的な調整により可能である。

特に好ましい実施形態では、中間手段がピストン／シリンダ配設のピストンである。このようなピストン／シリンダ配設が、手動作をする機械の自動化において、例えば個別商品の包装業界又は加工業界で使用される。ピストン／シリンダ配設が、空圧又は油圧で駆動される。非常に異なる用途をカバーするために、数多くの異なったストローク長さを有するピストン／シリンダ配設が提供されている。また、数ｍｍの最小ストローク長さから何十ｍものストローク長さのものもある。本発明による磁気又は誘電位置センサを使うことにより利点として、この種のピストン／シリンダ配設で大きく異なるストローク長さに、位置センサの値範囲を合わせることが可能である。更に本発明による位置センサが、全ストローク長さの一部に値範囲を最適で合わせる可能性も提供する。これが大きな利点となるのは、全ストローク長さの特定部分区間のみを測定するとき、又は種々の磁気位置センサを有する多数の部分区間が、異なった値範囲分解能を有するべきときである。

更に可能なことは、異なった長さのピストン／シリンダ配設用に同一数のセンサ要素及び同じ検知範囲を有する磁気又は誘電位置センサを使用して、値範囲をそれぞれ異なったピストン／シリンダ配設に合わせることである。それにより位置センサを異なった用途に対して合わせて使用できるので、磁気又は誘電位置センサの在庫管理が使用者側で簡略化される。

本発明の更なる構成においては、終端位置値に割り当てた第一及び第二リミット値を記憶させるメモリ過程を、ティーチングキー又は信号配線を使って入力するティーチイン信号を介して行うことができる。ティーチングキーによりメモリ過程を、直接、磁気又は誘電位置センサで利点を有して且つ簡単に実施できる。それにより追加の補助手段なしで、メモリ過程を直接位置センサに実施できる。そのために、例えば第一リミット値を第一終端位置値に割り当てるために、一回目としてティーチングキーを押し、第二リミット値を第二終端位置値に割り当てるために、二回目の操作を行う。よって、区間に沿って可能な位置の値に位置信号の値範囲を合わせることが、磁気又は誘電位置センサにインストールされたソフトウエアにより自動的に実施される。

信号配線を介したティーチイン信号の入力が、制御、殊にメモリプログラマブル制御（ＳＰＳ）により、終端位置値へのリミット値の設定を自動的に行うことができるという利点を有している。このことは、該当する終端位置へのリミット値の割り当てが多数の磁気位置センサ用にセンターで、並列して自動的に行うことができる利点を有している。

別の実施形態によれば、情報を表示するために少なくとも一つの発光ダイオードを備えている。ティーチングキーを介したリミット値の割り当て経過を、発光ダイオードを介して表示し、異なった点滅信号により異なった必要処理方法を指示して制御するという利点がある。

好ましい実施形態では、位置信号がアナログの電流及び／又は電圧信号である。アナログ信号により、位置情報を非常に簡単に出力し継続して処理することができる。またアナログ信号を、制御装置、特にメモリプログラマブル制御装置により非常に簡単に読み取り演算することができる。アナログの電流又は電圧信号により位置情報を、精密且つ連続的に出すことができる。

別の好ましい実施形態によれば、位置信号がデジタルの信号である。この場合には位置情報が演算ユニットによりデジタルの信号値に変換され、デジタルの信号値がインターフェイス又は信号配線を介して周期的に出力される。このことは、例えば上位配設されたフィールドバスシステム又はフィールドネットを介して、非常に簡単に位置情報を送ることができ、それにより位置情報をセンターで更に加工処理できるという利点を有している。

本発明の更なる構成では、第一及び第二リミット値の割り当てを、遠隔監視を通じて変更又は修正できるようにしている。それにより、サービス技術者が現地で操作する必要性なしで合わせることが可能である。これで迅速な変更又は修正が可能になる。それにより機械又は装置で発生する停止時間を、本発明による磁気位置センサを使って著しく短縮することができる。

以下において、図面を参照しながら実施例を使って本発明を詳細に説明する。

本発明による磁気位置センサの概略図。リミット値を電子的に調整しない磁気位置センサの位置信号の概略図。リミット値を電子的に調整した磁気位置センサの位置信号の概略図。リミット値を電子的に調整した磁気位置センサの位置信号の概略図。

エアシリンダのこともある図１で示すピストン／シリンダ配設３０には、ピストン２８の形態をした可動の中間手段４が含まれており、ピストンが、シリンダ３１内にあるピストン桿を使うことにより、シリンダ３１の長手方向５０に可動自在である。

可動の中間手段では、本発明によれば直線に沿って又は円弧で動作する機械的な部品も対象とすることができる。可動の中間手段で対象とできるのは工作機械の移動刃物送り台であり、又は旋回自在の工具受け部でもある。

図１では、第一終端位置にあるピストン２８を示している。ピストン２８を矢印方向５０にスライドさせることにより、ピストンを第一終端位置から第二終端位置に、又は第二終端位置から第一終端位置に移動することができる。ピストン位置が、磁気位置センサ１を使って検知できるが、そのとき磁気位置センサ１が誘導位置センサであることもあり、位置を磁気位置センサ１により検知できる図示の永久磁石８が、ピストン２８についている。磁気又は誘導位置センサ１が、一連のセンサ要素２を有している。センサ要素２が、ホール素子として、磁気感知ダイオード、磁気感知抵抗として、又はコイルとして構成されていることがある。そこでセンサ要素２が横を通過する永久磁石８の影響を受け、それにより永久磁石８の直線的な位置を確認することができる。ピストン２８の第一終端位置だけでなく第二終端位置も検知できるように、磁気位置センサ１がシリンダ３１で位置が決められている。個々のセンサ要素の出力信号が演算ユニット１０により演算されて、位置信号を発するために出力部に送られる。演算ユニット１０がマイクロコントローラとして構成されていると好ましい。図示していないが、更に記憶装置を備えている。電源及び位置信号がセンサ接続配線を介して送られる。

図２は、図１によるピストン／シリンダ配設３０にある磁気位置センサ１の概略図である。磁気位置センサ１が、ピストン／シリンダ配設３０の最大ピストンストローク４４を上回る最大測定範囲５２を有している。また磁気位置センサ１を使うことにより、ピストン２８の位置に相当する位置信号４６が、できるだけ高い分解能で発せられることになる。

ピストンストロークと磁気位置センサ１の位置信号４６間の関係を示すために、図２の下側部分に信号線図を概略的に示している。水平軸上にはピストン２８に対応できる区間を記載している。縦軸には位置信号４６の値を任意の単位で記載している。単位に関してはボルト、ミリアンペア、又は別の適切な電気量を対象にすることができる。最大のピストンストロークが、第一終端位置１６から第二終端位置１８にまで達する。磁気位置センサの最大測定範囲５２がピストン２８の最大ピストンストローク４４より大きいので、第一終端位置値２０が位置信号４６の値範囲４２の概ね８Ｅにあり、第二終端位置値２２が概ね１６Ｅにある。ピストン２８の動きが磁気位置センサ１の全測定範囲５２をカバーしないので、破線５４で示しているように、磁気センサの位置信号の理論的に可能な値範囲が４Ｅの第一リミット値２４から２０Ｅの第二リミット値２６まで延伸するであろうにも拘わらず、位置信号４６の値範囲４２が二つの終端位置８Ｅの２０と１６Ｅの２２の範囲に制限されている。よってピストンの完全な動作のときには、差し当たって８Ｅから１６Ｅまでの位置信号を発することができ、これによりピストン位置を示すことができる。

本発明の使用、すなわち第一終端位置値２０に第一リミット値２４を、第二終端位置値２２に第二リミット値２６を割り当てることを図３で示している。図の上側部分では概略的に、図２による磁気位置センサ１を配設したピストン／シリンダ配設３０を示している。既に図２で記述したように、最大ピストンストローク４４が磁気センサ１の最大測定範囲５２より短い。

位置信号４６を電子的にティーチングするために、ピストン２８を、まず、第一終端位置１６に据える。その後にティーチングキー３２を押す。ティーチングキー３２を押すことにより、値４Ｅのリミット値２４が演算ユニット１０により第一終端位置値２０に割り当てられ、記憶装置にメモリされる。これにより第一終端位置値２０には４Ｅの値が割り当てられた。

引き続いてピストン２８を第二終端位置１８に移動する。改めてティーチングキー３２を押すことにより、値２０Ｅの第二リミット値２６が演算ユニットにより第二終端位置値２２に割り当てられ、同じくメモリされる。引き続いて演算ユニットで、第一終端位置値２０と第二終端位置値２２間における位置信号４６の中間値が直線的に合わせられるので、区間に沿ったピストン２８の位置及び位置信号４６の値が直線的に相対する。それによりここで、最大ピストンストローク４４に比べて磁気位置センサ１の測定範囲５２が大きいにも拘わらず、位置信号４６の範囲が有するのは４Ｅと２０Ｅのリミット値２４と２６の最大の値範囲４２であることが保証される。すなわち、破線５４による本来の位置信号が、最大のピストンストローク４４に合わせるために、電子的に位置信号４６に変換される。

図４は、別の実施例を示しており、そこで図３による実施例との違いは、ピストン２８の最大ピストンストローク４４が磁気位置センサ１の最大検知範囲５２より大きいことのみである。またこの実施例によれば第一終端位置１６と第二終端位置１８間における部分区間のみが、磁気位置センサ１により測定されることになる。そのとき、二つの終端位置１６と１８間でこの範囲を外れるピストン位置が検知されないことになる。よってそのような用法は例えば、最大ピストンストローク４４の部分区間でのみ正確な位置判定を必要とする時に利点がある。

最大の値範囲４２を有する位置信号４６を新たに終端位置１６と１８に合わせるため、既に図３に対して記載しているようにピストンをまず終端位置１６に据える。その後にティーチングキー３２を押す。ティーチングキー３２を押すことにより、値０Ｅのリミット値２４が演算ユニットにより第一終端位置値２０に割り当てられてメモリされ、それにより第一終端位置値が０Ｅの値を有する。

引き続いてピストン２８を第二終端位置１８に移動する。改めてティーチングキー３２を押すことにより、第二リミット値２６が演算ユニットにより第二終端位置値２２に割り当てられ、同じくメモリされる。引き続いて演算ユニットで、第一終端位置値２０と第二終端位置値２２間における位置信号４６の中間値が直線的に合わせられるので、区間に沿ったピストン２８の位置及び位置信号４６の値が直線的に相対する。それによりここで、部分ピストンストロークより大きく最大ピストンストローク４４より小さい磁気位置センサ１の測定範囲５２により、終端位置１６と１８間の部分ピストンストロークが、位置信号４６の最大値範囲０Ｅ〜１０Ｅにより最適の分解能を有することが保証される。

図示していないが別の実施例により、ピストン位置の検知を自動的に行う。そこでは第一及び第二終端位置を自動的に決めるために、測定ユニットを使ってピストン終端位置を自動的に検知する。そのために反復して位置信号を検知し、特定の時間間隔において一つの位置が何度測定されたかを、頻度演算ユニットが判定する。測定頻度に従って位置値それぞれが、第一及び第二終端位置それぞれに割り当てられてメモリされる。

殆どすべての用法ではピストンが殆どの時間でその終端位置にあり、比較的短時間のみ二つの終端位置間で移動する。この実施例に対してまず、磁気位置センサが機能した後に反復して短い時間間隔で当該位置を検知して、測定値記憶装置にメモリすることを前提にするので、演算ユニットが一定数のメモリされた測定値を処理できる。そのとき短い時間間隔が、ピストンの動作時に磁気位置センサが常に別のピストン位置を検知すると共に、ピストンの静止状態で常に同じピストン位置値を測定するように選ぶ。前記の短い時間間隔多数で組み合わされた規定の時間範囲に従って、一つの同じ測定値が検知された頻度の量が確認される。

また磁気位置センサの演算ユニットにおいて、特定の時間範囲内で一つの同じ位置値を測定する頻度が、ピストン位置との関係で演算される。その頻度が二つの終端位置でのみ著しくゼロとは異なっているので、この二つのピストン位置が測定した終端位置として認識され、磁気位置センサで設定される。そこで頻度が特定の最小数を上回ったときに位置値をピストンの終端位置に割り当てると利点があり、その場合にピストンの機械的な許容誤差により、ピストンが各ストロークで正確に同じ終端位置に到達しないので、この最小数が規定の許容値を伴っている。最小数が少なくとも一度繰り返した時、すなわち前後して二度測定された時に初めて位置値を割り当てると、ピストンの正しい終端位置に位置値を割り当てる確実性を向上できる。ピストンの終端位置に対してそうして得られた二つの位置値が演算ユニットに入れられ、それにより第一リミット値を第一終端位置値に、第二リミット値を第二終端位置値に割り当ててメモリする。

また何らかの外部条件によりピストンの終端位置が変化すると、常に実際の新しいピストン位置でのみ頻度が増加することにより、これを演算ユニットで考慮する。このようにすることにより、位置信号の値範囲をピストンの実際の終端位置に追随させることができ、そのとき終端位置値割り当てのための上述の基準を用いる。

Claims

磁気又は誘電位置センサであって、第一終端位置（１６）と第二終端位置（１８）間の区間に沿って可動自在である中間手段（４）の位置を検知するための少なくとも二つのセンサ要素（２）及び、センサ要素（２）を評価するための電子演算ユニット（１０）を有しており、中間手段（４）が永久磁石（８）を備え、演算ユニット（１０）が、値範囲（４２）を有して位置を表す位置信号（４６）のために出力部を有しており、値範囲のリミット値（２４，２６）が二つの終端位置（１６，１８）に相当する磁気又は誘電位置センサにおいて、
リミット値（２４，２６）を終端位置（１６，１８）に関係なく電子的に調整自在で固定可能であり、位置信号（４６）の値範囲（４２）を区間に沿って可能な位置の値に合わせるために、第一終端位置値（２０）に割り当てた第一リミット値（２４）及び第二終端位置値（２２）に割り当てた第二リミット値（２６）がメモリ可能であることを特徴とする磁気又は誘電位置センサ。
請求項１に記載の磁気又は誘電位置センサにおいて、
リミット値（２４，２６）がそれぞれ、値範囲（４２）の最大値又は最小値を有することを特徴とする磁気又は誘電位置センサ。
前記請求項のいずれか1項に記載の磁気又は誘電位置センサにおいて、
区間に沿った位置と値範囲（４２）の値が、直線的に相対していることを特徴とする磁気又は誘電位置センサ。
前記請求項のいずれか1項に記載の磁気又は誘電位置センサにおいて、
第一終端位置（１６）が中間手段（４）の第一最大動作に、第二終端位置（１８）が反対方向で第二最大動作に相当していることを特徴とする磁気又は誘電位置センサ。
前記請求項のいずれか1項に記載の磁気又は誘電位置センサにおいて、
反復して位置信号（４６）を検知して自動的に第一及び第二終端位置（１６，１８）を決めるために、演算ユニット（１０）が測定ユニットを有しており、規定の時間間隔内に一つの位置が何度測定されたかを評価するために、頻度演算ユニットを設けており、その測定頻度に従って、位置の値（２０，２２）それぞれを第一ないし第二終端位置に割り当て可能であると共にメモリできることを特徴とする磁気又は誘電位置センサ。
前記請求項のいずれか1項に記載の磁気又は誘電位置センサにおいて、
中間手段（４）が、ピストン／シリンダ配設（３０）のピストン（２８）であることを特徴とする磁気又は誘電位置センサ。
前記請求項のいずれか1項に記載の磁気又は誘電位置センサにおいて、
第一及び第二終端位置値（２０，２２）をメモリするためのメモリ過程を、ティーチングキー（３２）又は信号配線を使って入力するティーチイン信号を介して行うことを特徴とする磁気又は誘電位置センサ。
前記請求項のいずれか1項に記載の磁気又は誘電位置センサにおいて、
位置信号（４６）が、アナログの電流及び／又は電圧信号であることを特徴とする磁気又は誘電位置センサ。