DE2704124A1 - Magnetfuehler - Google Patents
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Description
- Magent fühler
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfühler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Bei mechanischen Vorrichtungen möchte man häufig die Anzahl der Umdrehungen einer rotierenden Welle oder eine Adressenposition eines linear sich bewegenden Gliedes abtasten und auch die ab~etastete AtIsgangsgröPe in ein elektrisches Signal umwandeln, das sowohl für die Berechnung oder die Darstellung der Zahl der Umdrehungen oder der Adresse, als auch für die Steuerung eines weiteren Instrumentes verwendet wird. Beispielsweise enthält ein ,'agnetband-Kasettenrecorder eine rotierende Scheibe, die mit einer der Bandspulenwellen verbunden ist und die abwechselnd leitende und nicht leitende Bereiche aufweist, welche in C#leitkontaktverbindung mit einem leitenden Teil gehalten werden, so dal? der Betrieb des Recorders automatisch gestopptwerden kann, wenn der Bandlauf unterbrochen wird, um so eine zu roe Bandbelastung zu verhindern. Ein solches rotierendes System ist jedoch hinsichtlich der Kontaktgabe instabil, was durch Abnutzung der Kontaktbereiche während der Rotation oder durch Ablagern von Staub während des Gebrauchs bewirkt wird, und deshalb Schwankungen unterworfen, die man als "cocking" ("Sperren") bezeichnet, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems in nachteiliger Weise herabgesetzt ist.
- Um dieses Problem zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, einen Ringmagneten vorzusehen, der mit der Magnetband-Spulenwelle zusammen rptiert und mit einem Hall-Element zusarrimenwirkt, das dem Magneten benachbart angeordnet ist den Magnetpol des Magneten zur Umwandlung in ein elektrisches Signal abtastet.
- Diese Anordnung ist jedoch nicht gänzlich befriedigend, da das Hall-Element eine Vielzahl von Zuführungsleitungen erforderlich macht und eine unsymmetrische Spannung erzeugt. Da ferner die Ausgangsspannung des Hall-Elementes nur ein geringes Niveau besitzt, ist es notwendig, einen Magneten hoher Flußdichte zu verwenden, was eine Verteuerung der Anordnung zur Folge hat.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Meßfühler der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine erhöhte Zuverlässigkeit bei der Umwandlung einer mechanischen Bewegung in ein elektrisches Signal besitzt und der eine hohe Ausgangsspannung erzeugen kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemä# durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
- Erfindungsgemäß ist also ein bewegbarer Magnet, der eine geradlinige oder eine Rotationsbewegung ausführt, mit einer Anordnung bzw. Gruppierung einer Vielzahl von Magnetpolen abwechselnd entgegengesetzter Polarität versehen. Ein Paar magnetischer Widerstandselemente sind an der Polfläche eines stationärer Magenten zum Abtasten der Bewegung eines Poles oder der Pole des bewegbaren Magneten und zum Umwandeln der abgetsteten Bewegung in ein elektrisches Signal befestigt. Normalerweise sind die magnetischen Widerstandselemente durch einen Fluß vom stationären Magneten magnetisch vorgespannt, so daß ihre Arbeitspunkte auf einem Bereich ihrer Kennlinie angeordnet sind, in dem eine Änderung des Widerstandes gros ist. Die magnetischen Widerstandselemente sind elektrisch in Reihe geschaltet und ihr Verbindungspunkt ist mit einer Ausgangsklemme verbunden, Die Elemente reagieren auf eine abwechselnde Änderung der Flußdichte bzw. Induktion bei der Bewegung des bewegbaren Magneten, wodurch eine hohe sinusförmige Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme erzeugt wird.
- Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung das Prinzip eines Magnetfühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, Fig. 2 eine Draufsicht auf den stationären Magneten mit einem Paar an ihm befestigter magnetischer Widerstandselemente, Fig. 3 in schematischer Darstellung die Draufsicht auf ein mechanisches, rotierendes System mit geschnittemen Gehäusebereich, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel vorliegender Erfdinung, Fig. 4 eine Schaltungsanordnung, die die elektrische Verbindung der magnetischen Widerstandselemente zeigt, Fig. 5A bis 5D in schematischer Darstellung die Wirkungsweise während des Betriebes des bewegbaren Magneten beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, Fig. 6 in graphischer Darstellung die Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme der Fig. 4, wobei dieselben Kennzeichnungen A bis D gemäP den Fig. 5A bis 5D verwendet sind, und Fig. 7 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, bei dem ein Paar stationärer Magwte, von denen jeder ein Paar magnetischer Widerstandselemente besitzt, einem ringförmigen, bewegbaren Magneten benachbart angeordnet sind.
- Fig. 1 zeigt eine Grundanordnung zur Darstellung des Prinzips vorliegender Erfindung. Ein bewegbarer Magnet M1 besitzt eine Vielzahl von Magentpolen mit abwechselnd entgegengesetzten Polaritäten. Beispielsweise ist der Pol P1 als N-Pol und demgegenüber der Pol P2 als 5-Pol magnetisiert. Der bewegbare Magnet M1 kann sich sowohl in die eine mit dem Pfeil A1 als auch in die andere mit dem Pfeil A2 bezeichnete Richtung bewegen. Ein stationärer Magnet M2 ist in einer Richtung magnetisiert, die zur Richtung der Bewegung dea bewegbaren Magenten M1 senkrecht verläuft; ferner ist ein Paar von&MR1 und MR2, die die Wirkung eines magnetischen Widerstandes besitzen, also unter dem Einfluß eines Magentfeldes ihren Widerstand ändern, und die im folgenden als magnetische Widerstandselemente bezeichnet werden, an derjenigen Polfläche F des stationären Magneten M2 befestigt, die dem bewegbaren Magenten M1 gegenüberliegt. Auf diese Weise sind die magnetischen Widerstandselemente MR1, MR2 normalerweise einer magnetischen Vorspannung vom stationären Magneten M2 her unterworfen, wodurch ihr Arbeitspunkt auf einem steilen Bereich ihrer quadratischen Kennlinie bzw. Charakteristik angeordnet ist. Da sich der bewegbare Magnet M1 in beide durch den Pfeil A1 oder A2 angegebenen Richtungen bewegt, sind die Elemente MR1, MR2 abwechselnd einem abstoßenden und einem anziehenden Feld unterworfen, was eine große Änderung des Wertes ihres Widerstandes erzeugt.
- Fig. 2 zeigt die Anordnung der magnetischen Widerstandselemente MR1, MR2 auf der Polfläche F des stationären Magneten M. Die beiden Elemente MR1, MR2 des Paares sind symmetrisch und parallel zueinander in Bezug auf die Mittellinie L der Polfläche F mit der Breite d angeordnet. Die das Paar bildenden Elemente MR1, MR2 sind derart gewählt, daß sie jeweils eine Länge, eine Breite, einen Anfangswiderstand (Widerstand ohne Einfluß eines Magentfeldes) und einen magnetischen Widerstandseffekt besitzen, die bei beiden identisch sind oder sehr nahe beieinanderliegen. Die Elemente MR1, MR2können zwar auf der Polfläche F den einander gegenüberliegenden Kanten F1, F2 benachbart liegen, die optimale Lage ist jedoch jeweils in einem Abstand von einem Viertel der Breite d von der betreffenden Kante F1, F2 entfernt. Wenn die Elemente in einer solchen Lage angeordnet sind, ist der Abstand zwischen den Elementen im wesentlichen gleich der Breite der betreffenden Magnetpole P1, P2. Dies macht es möglich, die Elemente MR1, MR2 einem einheitlichen Fluß zu unterwerfen, und stellt die Symmetrie in den Kennlinien beider Elemente sicher. Die Kennlinien-Symmetrie beider Elemente wird ferner dadurch verbessert, daß eine Breite d des stationären Magneten M2 gewählt wird, die ein wenig kleiner ist als die Summe D aus der Breite zweier benachbarter Pole des bewegbaren Magneten M1, so da die Wirkung der Flußdichtenänderung, die vom bewegbaren und vom statiónären Magenten M1, M2 herrührt, auf die magnetsichen Widerstandselemente MR1, MR2 erhöht wird. Vorteilhaft ist es, wenn die Oberflächen-Flußdichte des stationären Magenten M2 um einen Faktor 1,2 bis 2,0 größer ist als die des bewegbaren Magneten M1.
- Da das Elementenpaar MR1, MR2 an einem gemeinsamen, stationären Magenten befestigt ist und derselben Umgebungstemperatur und derselben Temperaturänderung unterworfen ist, die eine Folge der Joule'schen Aufheizung durch den Stromfluß ist, kann man durch eine geeignete Schaltungsanordnung in einfacher Weise eine Temperaturkompensation erreichen.
- Fig. 3 zeigt eine magnetische Fühlervorrichtung bzw. einen Meßfühler gemäß vorliegender Erfindung, der mit einer rotierenden Welle, beispielsweise einer Bandwelle ein Bandrecorders gekoppelt ist. Der Magnetfühler besitzt eine sich drehende Welle 10, die in einem Gehäuse 12 rotierbar befestigt ist. An der Welle 10 ist eine Scheibe 14 aus unmagnetischem Material, wie beispielsweise Aluminium oder Polyacetal-Harz, befestigt und auf der Scheibe 14 ist der ringfõrmige bewegbare Magnet M1 passend angeordnet. Der Magnet M1 ist umfangsseitig mit einer Vielzahl von Polen P1, P2 mit entgegengesetzten Polaritäten versehen, wobei jeder Pol einen einheitlichen Winkel e überdeckt, Beispielsweise besitzt der Magent M1, wenn der Winkel e gleich 20 ist, 18 Pole und, wenn der Winkel 8 gleich 100 ist, 36 Pole. Der stationäre Magent M2 der eine Grundplatte 16 besitzt, ist an einer Seitenwand des Gehäuses 12 befestigt; ferner ist ein Paar magnetischer Widerstandselemente MR1, MR2 an der Polfläche derart befestigt, daß die beiden Elemente dieselbe relative Lage in Bezug auf den bewegbaren Magenten M1 einnehmen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
- Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit den magnetischen Widerstandselementen NR1, NR2. Ein Paar von Widerständen 18, 20 sind in Reihe Aber eine Gleichspannungsquelle E mit konstanter Spannung geschaltet, wobei der Widerstand 20 im Nebenschluß zur Reihenanordnung der Elemente MR1 und MR, liegt. Der Verbindungspunkt zwischen den Elementen NR1 und MR2 ist mit einer Ausgangsklemme 22 verbunden. Bei dieser Schaltungsanordnung kann die Ausgangsspannung Volt, die an der Ausgangsklemme 22 erscheint, in einem Temperaturbereich von minus 300 C bis plus 1300 C durch die gegenseitige Beeinflußung der Elemente NR1, NR2 im wesentlichen konstant gehalten werden. Mit einer Ausgangskle le 22 kann die Basis eines Transistors verbunden werden, der als Schalter betrieben werden kann, wodurch ein Stromfluß in der Größenordnung von 3 mA durch die Elemente MR1, MR2 geleitet wird.
- dann Die Anderung der Ausgangsspannung an der Klemme 22e wenn die Welle 10 in einer durch den Pfeil A3 (Fig. 3) angezeigten Richtung rotierend angetrieben wird, wird nachstehend an Hand der Fig. 5 und 6 beschrieben. Die Spannung über den Widerstand 20 ist mit Vin, der Anfangswiderstand der Elemente MR1 und MR2 mit R1 bzw. R2 und der Anderungsfaktor der Elemente MR1, MR2 dann, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind, mit K bezeichnet. Wenn der bewegbare Magnet M1 die in Fig. 5A dargestellte Lage einnimmt, ist der Widerstand des Elementes MR1 unverändert, während der Widerstand des Elementes MR2 sich von R2 nach KR2 geändert hat. Deshalb ist die Ausgangsspannung: was das in Fig. 6 bei A dargestellte Spannungsniveau zur Folge hat.
- In entsprechender Weise wird sich bei der Stellung des bewegbaren Magenten nach den Fig. 5B und 5D der Widerstand der Elemente HRI von R und MR2 von R1 nach KR1/2 bzw.#nach2KR#/2 ändern, wodurch sich eine 2 Ausgangsspannung ergibt von: wodurch die in Fig. 6 bei B und D dargestellten Spannungsniveaus erreicht sind. Wenn sich der bewegbare Magnet in der in Fig. 5C dargestellten Lage befindet, ändert sich der Widerstand des Elementes MR1 von R1 nach KR1, während der Widerstand des Elementes MR2 unverändert bleibt. Dadurch ergibt sich: wodurch das in Fig. 6 bei C dargestellte Spannungsniveau erzeugt wird.
- Daraus sieht man, daß die Rotation des bewegbaren Magenten M1 eine verzerrungsfreie, kontinuierliche, sinusförmige Ausgangsspannung gemäß Fig. 6 an der Ausgangsklemme 22 erzeugt. Durch Wahl des Spannungsnieveaus an den Punkten B und D der Fig. 6 als Mittelniveau wird die Verbidnung mit einem Operationsverstärker erleichtert. In diesem Falle gewinnt die Symmetrie der Spannungsniveaus B und D bezüglich des Spannungsniveaus C an Bedeutung. Wie oben im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, ergibt sich dann, wenn die Symmetrie der Kennlinien der Elemente MR1, MR2 oder die symmetrische Befestigung der Elemente MR1, MR2 am stationären Magneten M2 nicht befriedigend ist, eine Differenz in den Spannungsniveaus B und D, wodurch eine Verzerrung der Wellenform verursacht und ihre Verwendung als Mittelniveau verhindert wird.
- Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung.
- Hier ist ein Paar stationärer Magnete M2 dem bewegbaren Magneten M1 benachbart angeordnet, wobei auf jedem stationären Magenten M2 ein Paar magnetischer Widerstandselemente MR1, MR2 befestigt ist. Die stationären Magnete M2 sind winklig zueinander versetzt angeordnet, und zwar um die Hälfte des eingeschlossenen Winkels e1, so daß die betreffenden Ausgangsspannungen um 906 auPer Phase sind. Die Phasendifferenz ist jedoch nicht auf 900 begrenzt; es kann jeder beliebig andere Wert, wie beispielsweise 606 gewählt werden. Ferner kann diese Anordnung auch dort verwendet werden, wo der bewegbare Magnet M1 eine geradlinige Bewegung erfährt. Ferner können die Magnete M2 auch (anders als dargestellt) entgegengesetzte Polaritäten besitzen.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet breite Anwendung, wie beispielsweise bei der Abtastung der Rotation einer Bandwelle eines Magnetbandrecorders oder eines Tachometers, bei der Abtastung einer Magnetband(zug)spannung, bei der Abtastung akustischer Schwingungen, bei Stromungsmessern, Anemometern oder dgl.
- Patentansprnche:
Claims (6)
- Patentansprüche 1. Magnetfühler zum Abtasten einer mechanischen Bewegung und ihre Umwandlung in eine elektrische AusgangsgröPe, mit mindestens einem bewegbaren Magneten, dadurch g e k e n n z e ic h -n a t , daB der bewegbare Magnet (M1) eine Gruppierung von MagnetpgeentzPtl, P2) mit abwechselnd entgegengerichteter PolaritätJund längs deren Gruppierungsrichtung beweglich angeordnet ist, daß nahe beim bewegbaren Magneten (M1) mindestens ein stationärer Magnet (M1) angeordnet ist, dessen ener Magnet-Pol dem bewegbaren Magneten (M1) gegenüberliegt, daß an der dem bewegbaren Magneten (M1) zugewandten Polfläche (F) jedes stationären Magneten (M) jeweils ein Paar in einem bestimmten Abstand angeordneter magnetischer Widerstandselemente (MR1, MR2) befestigt ist, die auf eine Änderung der Flußdichte während der Bewegung des bewegbaren Magneten (M1) ansprechen, und daß die beiden Widerstandselemente (MR1, MR2) jedes Paares elektrisch in Reihe geschaltet sind und an jeweils einem der Widerstandselemente jedes Paares je eine unabhängige Ausgangsspannung abgenommen ist.
- 2. Magnetfühler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , da? die Widerstandselemente (MR1, MR2) jedes Paares in Bezug auf die Mittellinie (L) quer zur Breite der Polfläche (F) des stationären Magneten (M2) symmetrisch angeordnet sind.
- 3. Magnetfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e ken n -z e i c h n e t , daß das Paar Widerstandselemente (MR1, MR2) innerhalb der betreffenden Seitenkanten (F1, F2) der Polfläche (F) des stationären Magneten (M2) angeordnet ist.
- 4. Magnetfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daR die Polfläche (F) des stationären Magneten (M2) eine Breite (d) besitzt, die kleiner als die Summe (D) der Breite zweier Pole (P1, P) des bewegbaren Magneten CM1) ist.
- 5. Magnetfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , dar der Abstand zwischen den Widerstandselementen (MR1, MR2) eines Paares gleich der Breite eines Magnetpoles (P1, P2) des bewegbaren Magnetes CM1) ist.
- 6. Magnetfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere stationäre Magnete (M2) derart angeordnet sind, daß ihre betreffenden Widerstandselementenpaare (MR1, MR2) Ausgangsspannungen erzeugen, die unterschiedliche Phasenlagen besitzen.
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