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Magent fühler
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfühler nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung.
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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.
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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.
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Patentansprnche: