DE2426420C2 - Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit wenigstens zwei magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit wenigstens zwei magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen, von denen jeweils wenigstens einer im Fluß eines Magneten angeordnet ist, dessen Flußverteilung auf wenigstens einer der Halbleiterwiderstände sich mit der Bewegung eines weichmagnetischen Steuerkörptrs ändert, wobei der Fluß des Magneten über ein Joch und den Steuerkörper sowie einen Luftspalt geschlossen ist, der die Halbleiterwiderstände enthält.

Die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände,

ίο deren magnetfeldabhängige Halbleiterkörper vorzugsweise aus einer AmBv-Verbindung bestehen kann und die im allgemeinen als Feldplatten bezeichnet werden, können direkt auf der glsichen Poifläche des Permanentmagneten angeordnet sein (DE-OS 20 36 361).

In einer verbesserten Ausführungsform einer solchen Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen befinden sich die beiden Feldplatten parallel nebeneinander in einem vorbestimmten Abstand jeweils auf einen Polschuh aus weichmagnetischem Material. Diese Polschuhe sind auf der gleichen Polfläche eines Magneten befestigt und dienen zur Fiußlenkung. Der magnetische Fluß des Magneten wird in diesen Polschuhen konzentriert, und der Streufluß wird entsprechend vermindert Dadurch wird die Empfind-

25· lichkeit der Anordnung verbessert Mit der Bewegung eines weichmagnetischen Steuerkörpers ist der Fluß von dem einen Polschuh zu dem anderen verlagert. Damit ändert sich der elektrische Widerstand der Feldplatten entsprechend. Aus der Widerstandsänderung wird in bekannter Weise ein elektrisches Signal abgeleitet

Aus der US-PS 31 52 261 ist eine Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit vier Hallgeneratoren bekannt, die auch als magnetfeldabhängige

■J5 Widerstände ansprechbar sind, da sie einen von einer Stromquelle zu Klemmen fließenden Strom einen magnetfeldabhängigen Widerstand entgegensetzen. Diese Hallgeneratoren sind im Fluß je eines Magneten angeordnet, dessen Flußverteilung sich mit der Bewegung eines weichmagnetischen Steuerkörpers ändert. Der Fluß des Magneten ist hierbei über ein Joch und den Steuerkörper sowie einen Luftspalt geschlossen, der die Hallgeneratoren enthält.

Ein ähnlicher Stand der Technik, jedoch mit Feldplatten und einem etwas abweichenden, aber ebenfalls mit Überbrückungsjochen geschlossenen magnetischen Kreis ist aus der GB-PS 10 86 422 bekannt. Dabei isi zusätzlich auch vorgesehen, daß der Steuerkörper in einer zu den Flachseiten der Halbleiterwiderstände parallelen Ebene bewegbar ist. Dies ergibt sich bei jeder Ausführung mit Axialluftspalt zwangsläufig, was z.B. auch aus »IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 5, Nr. 12, Mai 1963, Seite 41. folgt, wo ebenfalls eine Anordnung zur Erzeugung von elektrisehen Signalen mit magnetfeldabhängigen Widerständen beschrieben ist. Bei dieser, zuletzt genannten Anordnung erscheint ein Steuerkörper als ein von einer nicht magnetischen Basis getragener flacher spiraliger Streifen aus einem Material mit niedrigem magnetisehen Widerstand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auflösungsvermögen der bekannten Anordnungen zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen auf einfache Weise zu erhöhen und dadurch die Umwandlung der Bewegung des Steuerkörpers in ein den Weg proportionales oder digitales Signal mit größerer Empfindlichkeit zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Steuerkörper eine weichmagnetische, zum Teil aus ferromagnetischem Material bestehende Folie vorgesehen ist, die in einer zu den Flachseiten der Halbleiterwiderstände parallelen Ebene bewegbar ist und auf den Stirnflächen Hes Joches gleitet In dem geschlossenen Magnetkreis bildet der als Steuerkörper dienende magnetisch wirksame Teil der Folie einen Teil des magnetischen Rückschlusses. Durch die Bewegung der Folie relativ zum Magnetkreis verlagern sich der ι« magnetisch wirksame und der magnetisch unwirksame Bereich der Folie oberhalb der Halbleiterwiderstände von einem der Widerstände zum anderen. Zu diesem Zweck ist die Folie entweder _v selbst als Streifen ausgebildet der sich von der einen Feldplatte zur is anderen verschiebt Die Widerstandsänderung der Halbleiterwiderstände ist dann proportional der Wegänderuiig des Steuerkörpers. Ferner kann die Folie in einer besonderen Ausführungsform der Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit wenigstens einem entsprechend geformten Ausschnitt versehen sein, der einen magnetisch unwirksamen FVsreich der Folie bildet Es können aber auch digitale Signale dadurch erzeugt werden, daß die Folie mit entsprechenden Ausschnitten versehen wird. Die zwischen diesen Ausschnitten entstehenden weichmagnetischen Stege dienen dann zur Flußverlagerung.

Die weichmagnetischen Teile der Folie werden von dem Magneten angezogen. Die Folie gleitet somit auf den Stirnflächen des Joches 4 und zum Teil auch auf den Jo Halbleiterwiderständen, die zu diesem Zweck vorteilhaft mit einer entsprechenden Schutzschicht, beispielsweise einem Isolierlack, versehen sein können. Die Dicke dieser Schutzschicht bildet dann den Abstand der Folie von den Halbleiterwiderständen. Der Abstand ändert sich somit während der Bewegung des Steuerkörpers nicht »

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Anordnung zur Erzeugung von digitalen Signalen erhält man dadurch, daß der Magnetkreis als Topfmagnet gestaltet ist, deren Deckel von einer scheibenförmigen Folie gebildet wird, die um die Achse de? Magneten drehbar ist. Über den Radius des Deckels werden dann mehrere Halbleiterwiderstände hintereinander angeordnet, denen jeweils eine Kreisbahn der scheibenförmigen Faiie zugeordnet ist. Jede Kreisbahn ist durch Ausschnitte oder nichtmagnetische Teile der Folie mit Stegen versehen, deren Breite und deren Abstand nach einem vorbestimmten System gewählt sind. Im Zusammenwirken dieser WideiStandsänderungen erhält man so dann eine nahezu beliebige digitale Signalfolge auch über eineil geringen Winkelbereich der Folie. Man erhält somit einen Winkelgeber oder Drehmelder bzw. Positionsanzeiger mit hohem Auflösungsvermögen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der verschiedene Ausführungsbeispiele von Signalgebern nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind. F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Magnetkreis. In

F i g. 2 ist die Zuordnung der Folie zu den magnetfeldabhängigen Widerständen dargestellt. In

Fig.3 ist eine Ausführungsform der Folie zur Erzeugung einer digitalen Signalfolge veranschaulicht Die Schaltung der Halbleiterwiederstände nach F i g. 3 ist in F i g. 4 dargestellt

Fig.5 zeigt einen Ausschnitt einer kreisförmigen Folie für einen digitale .1 Winkelgeber. Eine Ausführungsform mit einer spiralförmigen Gestaltung des magnetisch unwirksamen Teils der Folie für eine. Drehbewegung ist in F i g. 6 dargestellt

Im Querschnitt der Anordnung nach Fig. I ist ein Magnet 2 mit einem U-förmigen Joch 4 versehen, dessen mittlerer Schenkel am mit S bezeichneten Südpol des Magneten anliegt Der Magnet 2 hat eine magnetische Vorzugsrichtung, so daß wenigstens annähernd sein gesamter Fluß über seine Polflächen gleichmäßig verteilt ist und sein Flußaustritt an seinen Seitenflächen vemachlässigbar klein ist Auf der Polfläche des mit N bezeichneten Nordpols sind zwei magnetfeldabhängige Halbieiterwiederstände 10 und 12 nebeneinander angeordnet Sie können beispielsweise mittels einer Kleberschicht 6 auf der Polfläche. befestigt sein. Die obere Flachseite der Halbleiterwiderstände 10 und 12 ist mit einer Schutzschicht 14 versehen, die beispielsweise aus einem Isolierlack bestehen kann. Auf den U-Schenkeln des Joches 4 liegt eine als Steuerkörper dienende Folie 16 auf, die zum Teil aus weichmagnetischem Material besteht

Ober das Joch 4 und den weichmagnetischen Teil der Folie 16 sowie den in der Figur der Deutlichkeit halber etwas vergrößert dargestellten und mit d bezeichneten Luftspalt in dem sich die Halbleiterwiderstände ;9 und 12 befinden, schließt sich der magnetische Fluß des Magneten 2. Mit einer Dicke der Kleberschicht 6 von wenigen μπι, beispielsweise 5 μπι, und einer Dicke der Feldplatten von beispielsweise etwa 20 μπι sowie einer Dicke der Schutzschicht 14 von etwa 25 μπι erhält man einen Luftspalt d, dessen Breite 50 μπι nicht wesentlich überschreitet. Durch die Anziehungskraft des Magneten 2 wird der manetische Rückschluß It angezogen, so daß der als Sieuerkörper dienende Teil der Folie überwiegend auf den Stirnflächen des Joches 4 gleitet

In der Anordnung nach F i g. 2 ist der zur Signalbildung wirksame weichmagnetische Teil 16 einer Folie 18 als Streifen gestaltet, der diagonal zur Längsrichtung der Folie 18 verläuft. Diese Längsrichtung ist zugleich die Bewegungsrichtung der Folie 18, die 171 der Figur durch einen Doppelpfeil 22 angedeutet ist. Durch die Neigung des Steuerkörpers 16 gegenüber der 'bewegungsrichtung wird mit der Bewegung des Steuerkörpers 16 jeweils der vom Steuerkörper 16 abgedeckte Teil der Halbleiterwiderstände 10 und 12 verschoben. Damit verlagert sich auch der Fluß dts in der Figur lediglich angedeuteten Magneten 2. Da die Breite b der Halbleiterwiderstände 10 und 12 sehr gering ist und im allgemeinen ΙΟΟμίτι nicht wesentlich überschreitet, so ändert sich der Widerstandswert der Halbleiterwiderstände 10 und 12 wenigstens annähernd proportional mit der Bewegung des Steuerkörpers 16 und ein »Verschmieren« des Ausgangssignals ist praktisch ausgeschlossen.

Der als Steuerkörper 16 dienende weichmagnetische Teil der Folie 18 kann beispielsweise durch entsprechende Ausschnitte 19 und 20 in der Folie 18 hergestellt sein. Es kann aber auch eine Kunststoffolie verwendet werden, die im als Steuerkörper 16 dienenden Teil mit weichmagnetische'·. Einlagerungen versehen ist. Wichtig ist nur, daß der Steuerkörper 16 dünn ist und sich während seiner Bewegung in geringem Abstand über den Widerständen 10 und 12 verschiebt. Da die Folie durch die magnetische Kraftwirkung des Magneten 2 angezogen wird und während ihrer Bewegung praktisch auf den Halbleiterwderständen 10 und 12 gleitet, kann sich der Abstand nicht verändern und der Einfluß mechanischer Toleranzen wird praktisch ausgeschlossen.

In der Ausführungsform eines Signalgebers nach F i g. 3 sind außer den beiden Halbleiterwiderständen 10 und 12 in einem vorgegebenen Abstand / noch zwei weitere Halbleiterwiderstände 24 und 26 vorgesehen. Jedem der Widerstandspaare 10 und 12 bzw. 24 und 26 ist ein in der Figur nicht dargestellter Magnetkreis zugeordnet. Eine Folie 28 ist mit Ausschnitten 30 bis 43 versehen. Die Ausschnitte 30 und 36 sind in einer Reihe hintereinander angeordnet und den Halbleiterwiderständen 10 und 24 zugeordnet. In gleicher Weise sind die Ausschnitte 37 bis 43 in der Bewegungsrichtung der Folie 28 hintereinander angeordnet. Diese Ausschnitte sind den Halbleiterwiderständen 12 und 26 zugeordnet. Die Abstände der einzelnen Ausschnitte und ihre Breite sowie die Lage der Ausschnitte sind jeweils so gewählt. daß sich mit der Bewegung der Folie 28 immer jeweils ein Steg über diagonal zueinander angeordneten Halbleiterwiderständen, beispielsweise den Widerständen 12 und 24. und über den beiden anderen Halbleiterwiderständen, beispielsweise den Widerständen 10 und 26, gerade ein Ausschnitt, nämlich die Ausschnitte 31 bzw. 42 befinden. In der dargestellten Lage der Folie 28 werden somit gerade die Halbleiterwiderstände 12 und 24 vom Magnetfluß durchsetzt. Der elektrische Widerstandswert der Widerstände 12 und 24 ist somit groß, während der Widerstandswert der gerade nicht vom Fluß durchsetzten Widerstände 10 und 26 klein ist. Mit der Bewegung der Folie 28, deren Richtung durch einen Pfeil 46 angedeutet ist, schiebt sich dann die öffnung 35 über den Halbleiterwiderstand 24 und die Öffnung 39 über den Halbleiterwiderstand 12. Dagegen werden die Halbleiterwiderstände 10 und 26 von einem nachfolgenden Steg bedeckt und somit vom Fluß der entsprechenden Magneten durchsetzt. Damit erhöht sich ihr Widerstandswert entsprechend, während der Widerstandswert der Widerstände 12 und 24 abnimmt.

Gemäß F i g. 4 sind die Halbleiterwiderstände 10 und 12 sowie 24 und 26 jeweils in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung angeordnet, deren Eingangsspan- *o nungsquelle 48 eine Spannung U liefern soll und an deren Ausgang 50 eine Spannung U\ abgenommen werden kann. Die sich mit der Bewegung der Folie 28 nach Fig.3 in Richtung des Pfeiles 46 ergebenden Änderungen der Widerstandswerte der Widerstände 10, 12 und 24, 26 lassen sich als Änderung der Ausgangsspannung LJ\ und damit als Signal im Nullzweig der Brücke abnehmen.

In dem Ausschnitt einer kreisscheibenförmigen Folie 58 nach F i g. 5 sind 11 Kreisbahnen 52 bis 62 vorgesehen, die jeweils mit Ausschnitten versehen sind. Den verschiedenen Kreisbahnen ist jeweils ein magnetfeldabhängiger Halbleiterwiderstand zugeordnet Diese Halbleiterwiderstände sind in der Figur mit 72 bis 82 bezeichnet. Die Anzahl, die Größe und der Abstand der Ausschnitte in den einzelnen Kreisbahnen ist jeweils so gewählt, daß sich eine Änderung des Ausgangssignals ergibt, wenn die Scheibe sich um die Teilung der Ausschnitte der äußeren Bahn 52 weiterdreht. Mit einem Durchmesser der äußeren Kreisbahn 52 von «> beispielsweise 65,2 mm und einer Teilung von 0,4 mm erhält man beispielsweise eine Auflösung einer Umdrehung in 512 Schritten. Die Breite der Ausschnitte auf dem äußeren Teilkreis 52 beträgt dann 300 μπι und ihr gegenseitiger Abstand beträgt 100 μπι. Im gesamten Zählbereich ergeben sich dann 2048 Zählstellen, die 11 Bit entsprechen.

In dieser dargestellten Ausführungsform wird den Halbleiterwiderständen 72 bis 82 vorzugsweise ein gemeinsamer in der Figur nicht dargestellter Magnet zugeordnet, der zweckmäßig ebenfalls eine magnetische Vorzugsrichtung hat. Damit erhält man eine wenigstens annähernd gleichmäßige Verteilung der Teilflüsse ajf die einzelnen Halbleiterwiderstände 72 bis 82. Um eine Flußkonzentration dieses Magneten in den einzelnen Halbleiterwiderständen zu erreichen, kann die Polfläche des Magneten, auf der die Halbleiterwiderstände 72 bis 82 angeordnet sind, vorzugsweise einseitig oder auch beiderseits schräg gestalte! sein, so daß man eine sehr schmale Polfläche erhält. Damit ergibt sich eine erhebliche Konzentration des magnetischen Flusses in seiner streifenförmigen Stirnfläche und somit in den auf dieser Fläche angeordneten Halbleiterwiderständen.

Eine derartige zu den aufliegenden Halbleiterwiderständen abgeschrägte Seitenfläche des Magneten 2 wird man zweckmäßig auch in den Ausführungsformen des Magnetkreises anch den Fig. i und 2 wählen, was in F i g. 2 durch eine gestrichelte Linie 3 angedeutet ist, die eine Randkante der Polfläche des Magneten 2 darstellen soll.

In der Ausführungsform der Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen nach F i g. 6 ist eine scheibenförmige und um ihre Mittelachse drehbar gelagerte Folie 86 vorgesehen, die mit einem spiralförmigen Ausschnitt 88 versehen ist. In radialer Richtung sind iwei Halbleiterwiderstände 90 und 92 hintereinander angeordnet, die im Luftspalt eines Magnetkreises angeordnet sind, dessen Joch in der Figur mit 94 bezeichnet ist. Der Abstand η der Außenkante des Ausschnitts 88 am Anfang der Spirale ist gleich dem Abstand r-i der Innenkante am Ende der Spirale. Mit der Bewegung der Folie 86 relativ zum Magnetkreis um die Drehachse verschiebt sich somit der Teil des Ausschnitts über den Halbleiterwiderständen 90 und 92 vom Widerstand 90 zum Widerstand 92. Die Breite χ des Ausschnitts 88 wird deshalb so gewählt, daß sie etwa gleich der Länge einer der Widerstände 90 und 92 einschließlich des in der Figur nicht näher bezeichneten gemeinsamen mittleren Anschlusses der beiden Widerstände 90 und 92 ist.

Der Ausschnitt 88 kann auch mit magnetisch unwirksamem Material, beispielsweise Kunststoff ausgefüllt sein. Ferner kann der magnetische Rückschluß auch so gestaltet sein, daß die Folie aus magnetisch unwirksamem Material und der in der Figur als Ausschnitt dargestellte Teil 88 aus ferromagnetischem Material besteht das beispielsweise auf eine Kunststofffolie aufgebracht, insbesondere aufgepreßt oder aufgedampft sein kann.

Zur Erhöhung der Flexibilität dsr Folie 86 kann diese beispielsweise noch mit zusätzlichen Schlitzen 96 versehen sein.

Es ist nicht erforderlich, daß sich der spiralförmige Ausschnitt 88 der Folie 86 über annähernd eine volle Umdrehung erstreckt wie es in F i g. 6 dargestellt ist. Es kann für gewisse Anwendungen genügen und u.U. sogar vorteilhaft sein, wenn sich der spiralförmige Ausschnitt bzw. die ferromagnetische Auflage nur über einen Teilkreis, beispielsweise nur über einen Viertelkreis oder sogar noch weniger, erstreckt In diesem Fall wird die Krümmung der Spirale entsprechend größer ausgelegt damit auch dann der Radius der Außenkante am Anfang der Spirale etwa gleich dem Radius der Innenkante am Ende der Spirale ist

In der Ausführungsform nach Fig.6 ist nur ein einziger spiralförmiger Bereich gewählt der durch

einen entsprechenden Ausschnitt 88 magnetisch unwirksam gemacht worden ist. Es können aber auch mehrere Ausschnitte oder auch mehrere Spiralen aus ferromagnetischem Material auf einer magnetisch unwirksamen Folie vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit wenigstens zwei magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen (10, 12), von denen jeweils wenigstens einer im Fluß eines Magneten (2) angeordnet ist, dessen Flußverteilung auf wenigstens einen der Halbleiterwiderstände (10,12) sich mit der Bewegung eines weichmagnetischen Steuerkörpers (16) ändert, wobei der Ruß des Magneten (2) über ein Joch (4) und den Steuerkörper (16) sowie einen Luftspalt (d) geschlossen ist, der die Halbleiterwiderstände (10, 12) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerkörper (16) eine weichmagnetische, zum Teil aus ferromagnetischem Material bestehende Folie vorgesehen ist, die in einer zu den Flachseiten der Halbleiterwiderstände (10, 12) parallelen Ebene bewegbar ist und auf den Stimflädhsn des Joches (4) gleitet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material durch wenigstens einen Ausschnitt (17, 19, 20) mit einem magnetisch unwirksamen Bereich versehen ist (Fig. 1 und 2).

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (28) mit Ausschnitten (30 bzw. 36 bzw. 37 bis 43) versehen ist, die in der Bewegungsrichtung (46) der Folie (28) hintereinander angeordnet und durch Stege getrennt sind, die mit der Bev. egung der Folie (28) nacheinander vom Fluß des Magneten durchseC"! sind (F i g. 3).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Paare von neber einander angeordneten Halbleiterwiderständen (10,12 und 24,26) in der Bewegungsrichtung der Folie hintereinander angeordnet sind und daß die Anzahl und Breite der Stege so gewählt ist, daß sich jeweils abwechselnd der eine Halbleiterwiderstand (12) des ersten Paares und der andere Halbleiterwiderstand (24) des zweiten Paares unter einem Sieg befindet (Fig. 3).

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekeimzeichnet, daß die Breite der Stege und/oder der Ausschnitte verschieden sind (F i g. 5).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine scheibenförmige Folie (58) vorgesehen ist und daß die Stege und/oder die Ausschnitte (52 bis 62) jeweils auf einer Kreisbahn konzentrisch zur Drehachse der Folie (58) und die Halbleiterwiderstände (72 bis 82) radial zu den einzelnen Kreisbahnen angeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine scheibenförmige Folie (86) vorgesehen ist, die mit wenigstens einem streifenförmigen, als Spirale gestalteten Bereich (88) versehen ist, der magnetisch unwirksam ist (F i g. 6).

8. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine scheibenförmige Folie aus magnetisch unwirksamem Material vorgesehen ist, die mit wenigstens einem streifenförmigen, als Spirale gestalteten Bereich aus ferromagnetischem Material versehen ist.