Zusammenfassung und Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Wandler zum Erfassen von
Winkelstellungen, und insbesondere einen Wandler zum
Erfassen der Stellung eines Bandspannungsarms unter
vorzugsweiser Verwendung eines Hall-Effekt-Bauelements.
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Auf dem Gebiet des Fernsehens benutzen hochentwickelte
Video-Bandaufzeichnungsgeräte für Rundfunkübertragungen
einen Bandspannungsarm im Magnetbandweg, um während des
Vorgangs der Aufzeichnung und Wiedergabe magnetischer
Geschichte auf das/dem Band die Bandspannung zu
kontrollieren. In solchen Situationen wird die Stellung des
Spannungsarms, d.h. die Drehung des Spannungsarms um
vorgewählte sich ändernde Winkel bei dessen Anlage am Band, in
eine Spannung umgewandelt und als ein Eingang einem
Servoschaltungssystem zugeführt, welches die Spannung
kontrolliert, unter der das Band steht. Somit verschafft die in
Form der Spannung definierte Erfassung der Stellung des
Spannungsarms eine relative Aussage über die Spannung im
Band. Da die Bandspannung ein Parameter ist, der
unmittelbar mit der Genauigkeit der Aufzeichung und Wiedergabe
magnetischer Geschichte auf das/dem Band zusammenhängt, ist
es in hohem Maße wünschenswert, daß der die Stellung
erfassende Wandler sehr genau ist, hinsichtlich der
Winkelstellung vorzugsweise einen sehr linearen Spannungsausgang
liefert und temperaturunempfindlich ist. Darüber hinaus ist es
in hohem Maße wünschenswert, daß der Spannungsarmsensor
einfach ist, leicht herzustellen und zu montieren ist und
in seiner betriebsmäßigen Umgebung mechanisch und
elektrisch zuverlässig ist.
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Zur Zeit sind verschiedene Arten von Wandlern zum Erfassen
der Stellung eines Spannungsarms erhältlich, zum Beispiel
zur Verwendung in Video-Bandaufzeichungsgeräten.
Vorherrschend unter derartigen Bauelementen ist ein
Photopotentiometer-Wandler, der unter Verwendung einer Licht
emittierenden Diode (LED) die relative Winkelstellung des
Spannungsarms erfaßt. Die LED richtet Licht durch eine Maske mit
einer Öffnung vorgewählter Form und von dort in einen
photoresistiven Potentiometer-Sensor. Bei Drehen des
Spannungsarms wird von der Maske eine entsprechend veränderte
Lichtmenge hindurchgelassen; ein Photowiderstand erzeugt
eine Ausgangsspannung, die sich somit proportional zum Grad
der Drehung ändert. Obwohl er weithin verwendet wird,
erfordert ein solcher Photopotentiometer-Wandler die
Verwendung elektrischer Drähte, welche von dem erfassenden
Bauelement zu dem auf einer gedruckten Verdrahtungseinheit
angebrachten sendenden Bauelement (LED) verlaufen. Da die
(LED) an dem drehbaren Schaft angebracht ist, verursachen
die Verbindungsdrähte eine Schleppwirkung, welche wiederum
entsprechende Fehler in der die Winkelstellung des Schafts
repräsentierenden Ausgangsspannung hervorruft. Zudem ist
das erzeugte Ausgangssignal bedingt durch die Eigenschaften
des Photopotentiometer-Wandlers inhärent vergleichsweise
nichtlinear, was ebenfalls Fehler in der Ausgangsspannung
hervorruft. Der Wandler hat ferner den Nachteil, daß er
aufgrund sich ändernder oder inkonsistenter
Linearitätseigenschaften des Photowiderstands in dem
Photopotentiometer unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen im
Bandaufzeichungsgerät keine übereinstimmend genauen Meßwerte
liefert, was wiederum die Genauigkeit der zugehörigen
Servoschaltung beeinträchtigt.
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Eine zweite Art eines Wandlers zur Winkelstellungserfassung
verwendet ein magnetoresistives Wandlerbauelement, bei dem
über Widerstandsänderungen des Bauelements, welche durch
eine Magnetfeldbewegung hervorgerufen werden, eine Drehung
in eine Ausgangsspannung übersetzt wird. Diese Wandler sind
sehr temperaturempfindlich und erfordern aufgrund ihres
Aufbaus eine ausgeklügelte Anbringung in ihrem jeweiligen
Traggehäuse. Die Komplexität bei der Anbringung des
magnetoresistiven Wandlers wird anhand der Schwierigkeit
verdeutlicht, den in dem die Erfassung vollbringenden
Bauelement erforderlichen gesonderten Schaft mit demjenigen
Schaft auszurichten, dessen Drehung erfaßt wird. Der
Wandler ist nicht in sich abgeschlossen und verlängert die
Montage daher in unerwünschter Weise, wobei sich die
hinzugekommene Komplexität im Traggehäuse als zusätzliche
Herstellungs- und Montagekosten wiederspiegelt.
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Eine dritte Art eines Wandlers zur Winkelstellungserfassung
benutzt ein Hall-Effekt-Bauelement in Verbindung mit einem
Magnet zur Bereitstellung eines gewählten Magnetfelds.
Derartige Wandler bieten ausgewählte Vorteile gegenüber den
oben genannten vorherigen Wandlerarten. Die zur Zeit
erhältlichen Hall-Effekt-Wandler besitzen jedoch einen
Aufbau, der inhärent verschiedene Nachteile beinhaltet.
Beispielsweise erfassen die Wandler eine Drehung eines
Elements, indem sie einen sich ändernden Luftspalt nutzen, um
sich ändernde Flußdichten zu erhalten. Das Hall-Effekt
Bauelement erfaßt die sich ändernde Flußdichte und erzeugt
eine zur Drehung des Elements proportionale Spannung. Die
mit diesem Aufbau erzeugte resultierende Spannung kann
jedoch bedingt durch den benutzten Aufbau mit sich
änderndem Luftspalt vergleichsweise nichtlinear über den gesamten
Drehwinkel hinweg sein, der gemessen wird.
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Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile der
vorgenannten Wandler zur Winkelstellungserfassung. Hierzu
sieht die Erfindung einen relativ einfachen Aufbau vor, der
als in sich abgeschlossene Einheit problemlos in
beispielsweise einem bestehenden Traggehäuse einer
Spannungsarmkonstruktion eines Video-Bandaufzeichnungsgeräts anbringbar
ist und der darüber hinaus über die gesamte Winkeldrehung
des Bandspannungsarms eine sehr lineare Ausgangsspannung
liefert. Außerdem ist die Erfindung temperaturunempfindlich
und wegen Ihrer Einfachheit sehr zuverlässig. Der Wandler
seinerseits ist leicht herzustellen und in z.B. einem
Video-Bandaufzeichnungsgerät einfach zu montieren oder diesem
als Umbausatz zuzufügen.
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Ein die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1
mitteilendes Dokument ist die EP-A-0104031.
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Die Erfindung sieht eine Bandspannungsarmvorrichtung für
ein Bandaufzeichnungsgerät vor, umfassend ein rotierendes
Element, einen das rotierende Element tragenden Arm, eine
auf dem Arm angeordnete Bandangriffsführung, wobei der Arm
mit dem rotierenden Element im ins Gewicht fallenden
Winkelbereich in beiden Winkelrichtungen aus einer zentralen
Stellung drehbar ist, sowie Mittel zur Erzeugung eines
elektrischen Signals, dessen Größe sich in Abhängigkeit von
der Winkelverschiebung aus der zentralen Stellung ändert,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen kreisförmigen
Ringmagneten, der relativ zu seiner Kreisfiguration
polarisierbar ist, wengistens ein Paar von magnetischen Polen
besitzt und zur Rotation mit dem rotierenden Element
koaxial befestigt ist, einen Hall-Effekt-Wandler oder anderen
Wandler, der eine Polarisationsänderung eines Magnetfeldes
zu erfassen vermag und eng und konstant benachbart zum
Umfang des Magneten angeordnet ist, um einen vorgewählten
konstanten Spalt zwischen dem Wandler und dem Umfang des
Ringmagneten zu bilden, und der an einer Stelle angeordnet
ist, welche im wesentlichen in der Mitte zwischen den
Winkelstellungen von umfangsmäßig benachbarten Polen des
Magneten liegt, wenn der Arm in der zentralen Stellung steht,
so daß der Wandler ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt,
das sich im wesentlichen im gesamten Bereich linear mit der
Winkelstellung des Arms ändert, sowie eine elektrische
Verschiebungsschaltung zur Einstellung des elektrischen
Ausgangssignals des Wandler zwecks Erzeugung eines
ausgewählten Nullwertes bei Stellung des Arms in seiner zentralen
Stellung umfassen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
Schaft eines herkömmlichen Spannungsarms in einem Gehäuse
angebracht und ein bezüglich seiner Kreiskonfiguration
selektiv polarisierter Ringmagnet am Ende des Schafts oder
längs dessen Länge zur Drehung mit diesem koaxial
befestigt. Ein Hall-Effekt-Bauelement ist durch das Gehäuse in
Nachbarschaft zu dem drehbaren Ringmagnet sicher gehalten,
um einen vorgewählten konstanten Zwischenraum zwischen dem
Hall-Effekt-Bauelement und dem Umfang des Ringmagnets über
die gesamte mögliche Drehung des Schafts hinweg vorzusehen.
Die enge und konstante Nähe des Hall-Effekt-Bauelements zum
Ringmagnet optimiert das von dem Hall-Effekt-Bauelement
gesehene Magnetfeld und optimiert so den linearen
Spannungsausgang. Z.B. kann bei einer bevorzugten Ausführungsform,
die zur Definierung um 180º beabstandeter Pole einen über
den Durchmesser hinweg polarisierten Ringmagnet verwendet,
die Drehung an ±80º aus einer Nullstellung herankommen,
welche einer Mittelstellung des drehbaren Spannungsarms
entspricht. Zur weiteren Optimierung der
Ausgangsspannungslinearität ist das Hall-Effekt-Bauelement bei sich in
seiner Mittelstellung befindendem Spannungsarm mittig
hinsichtlich der Orientierung der magnetischen Pole des
Magnets angeordnet, d.h. an dem von den Nord-Süd-Polen
erzeugten Nulldurchgang. Auf diese Weise werden auf eine
Drehung des Ringmagnets hinweisende Spannungsänderungen
eher durch eine Bewegung des Polpaars relativ zum Hall-
Effekt-Bauelement hervorgerufen als durch eine
Flußdichteänderung, wie sie durch Luftspaltvariierung bewirkt wird.
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Das Hall-Effekt-Bauelement wird hier mit einer regulierten
Spannung versorgt und seine Ausgangsspannung einem Offset-
Operationsverstärker zugeführt, der für eine Justierung
sorgt, um die Spannung bei sich in seiner Mittelstellung
befindendem Spannungsarm auf eine abgeglichene Spannung,
beispielsweise auf Null, einzustellen. Mit dem
Offset-Operationsverstärker
ist ein zweiter Operationsverstärker
gekoppelt, der das Ausgangssignal zur nachfolgenden
Verwendung in der zugehörigen Servoschaltung geeignet
verstärkt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 ist eine vereinfachte Perspektivansicht einer
Basisausführung der Erfindung.
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Figur 2 ist eine vereinfachte Ansicht eines Teils der in
Figur 1 gezeigten Vorrichtung, die eine Orientierung des
Hall-Effekt-Bauelements relativ zu dem von einem
Einzelpolpaar-Ringmagnet erzeugten Magnetfeld darstellt.
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Figuren 3 und 4 sind weitere vereinfachte Ansichten der
Orientierung des Hall-Effekt-Bauelements relativ zu dem von
Doppelpolpaar-Ringmagneten erzeugten Magnetfeld.
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Figur 5 ist eine graphische Darstellung der Spannung
gegenüber der Winkeldrehung, die die Linearität des in den
Figuren 1, 2 beispielhaft dargestellten erfindungsgemäßen
Wandlers verdeutlicht.
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Figuren 6 und 7 sind vereinfachte Ansichten alternativer
Ausführungsformen des Ringmagnets inklusive der
Relativstellungen des Hall-Effekt-Bauelements.
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Figur 8 ist eine graphische Darstellung der Spannung
gegenüber der Winkeldrehung, erzeugt von dem alternativen "C"-
förmigen Ringmagnet der Figur 7.
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Figur 9 ist eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen
Hall-Effekt-Wandlers in der Umgebung einer
Bandspannungsarm-Baugruppe.
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Figur 10 ist eine entlang der Schnittlinie 10-10 der Figur
9 genommene Querschnittsansicht.
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Figur 11 ist ein schematischer Schaltplan, der die Offset-,
Verstärkungs- und Spannungsregulierungs-Schaltungsanordnung
der Erfindung beispielhaft darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Bezugnehmend auf Figur 1 ist eine vereinfachte
Bandspannungsarm-Baugruppe dargestellt, welche eine
Bandrollenführung 12, einen Spannungsarm 14 sowie einen
Spannungsarmschaft 16 umfaßt. In Übereinstimmung mit der Erfindung ist
ein Ringmagnet 18 koaxial an dem Ende des Schafts 16
gesichert, beispielsweise durch Preßsitz oder durch andere
geeignete Mittel. Der dargestellte Ringmagnet 18 ist ein
Einzelpolpaar-Ringmagnet mit einem Nord-Süd-Polpaar (N-S),
welches entsprechend ein durch den Pfeil 20 dargestelltes
Magnetfeld erzeugt. Ein Hall-Effekt-Bauelement 22 mit einer
Spannungsausgangsleitung 24 ist in enger Nachbarschaft zum
Umfang des Ringmagnets 18 und auf einem Radius des Magnets,
welcher allgemein orthogonal zu dem N-S-Magnetfeld 20
verläuft, an einem Gehäuse befestigt (Figuren 9, 10). Das
Hall-Effekt-Bauelement ist somit allgemein orthogonal zu
dem N-S-Polpaar angeordnet, d.h. an einer dem Nulldurchgang
des Magnetfelds entsprechenden mittleren Stelle angeordnet,
wenn sich die Bandspannungsarm-Baugruppe in der hier durch
eine Linie 26 dargestellten Mittelstellung befindet.
Theoretisch entspricht diese Stellung einem abgeglichenen
Spannungsausgang (vorzugsweise Null) des
Hall-Effekt-Bauelements 22. In der Praxis entspricht diese Mittelstellung
einem abgeglichenen Spannungsausgang der halben
Versorgungsspannung plus oder minus der Offset-Fehler des Hall-
Effekt-Bauelements, weshalb eine in Figur 13 näher
beschriebene Offset-Stufe benötigt wird. Bei einer
praktischen Bandtransportapplikation drehen sich die Führung
12/der Arm 14 und somit der Schaft 16 zusammen über einen
Winkel der Größenordnung von ±30º bezogen auf die
Mittelstellung
26. Wie jedoch in Figur 1 dargestellt, kann der
Wandler abhängig von der gewünschten Applikation und der
entsprechenden Konfiguration bei größeren Winkeldrehungen
der Größenordnung von ±800 verwendet werden, wie unten
weiter beschrieben.
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Figur 2 veranschaulicht weiter bei Ziffer 28 die von dem
Einzelpolpaar-Ringmagnet 18 hervorgerufenen
Magnetfeld-Flußlinien und zeigt ferner die Orientierung des
feststehenden Hall-Effekt-Bauelements 22 bezüglich der Flußlinien
längs der der Mittelstellung des Spannungsarms 14
entsprechenden Position 26. Demgemäß ist das
Hall-Effekt-Bauelement 22 an einer zum Magnetfeld 20 allgemein orthogonalen
Position und am magnetischen Nulldurchgang des N-S-Polpaars
angeordnet.
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Figur 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, bei der gleichartige Komponenten in
gleichartiger Weise bezeichnet sind. Anstelle des
Einzelpolpaar-Ringmagnets 18 der vorherigen Beschreibung ist ein
Doppelpolpaar-Ringmagnet 18' verwendet. Das resultierende Paar von
N-S-Magnetfeldern ist durch Ziffern 30, 32 dargestellt und
erzeugt ein einem Doppelpaar von Flußlinien entsprechendes
Muster, wie durch Ziffer 34 dargestellt. Das Hall-Effekt-
Bauelement 22 ist hierbei in enger Nachbarschaft zum Umfang
des Ringmagnets 18' befestigt, an einer Position auf einem
Radius von diesem, der bezüglich benachbarter N-S-Pole 30,
32 im großen und ganzen unter einem Winkel von 45º, jedoch
immer noch mittig zwischen diesen liegt, und entlang der
durch die Linie 26 dargestellten Mittelstellung des
Spannungsarms 14. Das Bauelement 22 kann zwischen anderen
Paaren benachbarter Pole und entweder im magnetischen Null-
Bereich oder gegenüber dem Null-Bereich versetzt angeordnet
sein, wie in Figur 2 beschrieben.
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Figur 4 stellt einen Doppelpolpaar-Ringmagnet 18'' dar, bei
dem der Magnet mit abwechselnden Nord-Süd-Nord-Süd-Polen an
aufeinanderfolgenden 90º-Punkten um den Magnet magnetisiert
worden ist. Die magnetischen Flußlinien 34' sind jenen der
Figur 3 im wesentlichen ähnlich, wobei aber die
N-S-Magnetfelder 31, 33, 35 und 37 innerhalb des Ringbereichs des
Magnets liegen. Wie zu erkennen ist, liegt das Hall-Effekt-
Bauelement 22 bei der dargestellten Konfiguration allgemein
orthogonal zum Feld 31, kann aber zwischen anderen
benachbarten Polen angeordnet sein.
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Die graphische Darstellung der Figur 5 veranschaulicht die
von dem Hall-Effekt-Wandler am Ausgangsverbinder (Figur 13)
erzeugte Spannung bei Verwendung der
Einzelpolpaar-Konfiguration der Figuren 1, 2 über eine Drehung von
beispielsweise ungefähr 180º. In der Skizze wird eine der
Mittelstellung des Spannungsarms 14 entsprechende Nullspannung
bei etwa 90º erzeugt. Eine Winkeldrehung bis 0º erzeugt
etwa -6 Volt, während eine Winkeldrehung bis 180º eine
Spannung von etwa +6 Volt erzeugt; diese graphische
Darstellung beschreibt also den auf eine Winkeldrehung des
Spannungsarms 14 der Größenordnung von ±90º um die vorher
erläuterte Mittelstellung 26 hinweisenden Spannungsausgang.
Wie zu erkennen ist, ist der Spannungsausgang des Hall-
Effekt-Bauelements 22 über die Winkeldrehung von ±70º
hinweg besonders linear, wie durch Vergleich mit der geraden
Linie 39 dargestellt, und über eine Drehung von ±80º noch
immer vergleichsweise linear, wie durch Vergleich mit der
geraden Linie 41 gezeigt. Bei der
Doppelpolpaar-Konfiguration der Figuren 3, 4 schwächt sich die Linearität der
Ausgangsspannnung an jedem Extrem einer ±30º-Winkeldrehung
etwas ab, verglichen mit der Linearität der von dem
Einzelpolpaar-Ringmagnet der Figuren 1, 2 erzeugten Spannung.
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Bezugnehmend auf Figur 6 ist eine alternative
Ausführungsform eines Ringmagnets 18''' dargestellt, die geschaffen
wird, indem der Winkelort der in dem Magnet erzeugten
magnetischen Nord- und Südpole zum Zeitpunkt der Herstellung
des letzteren gewählt wird. Wie beispielhaft in Figur 6
dargestellt, können auf diese Weise die N-S-Pole in dem
Ringmagnet an symmetrischen Orten induziert werden, welche
z.B. 20º von einem Durchmesser entfernt liegen, wodurch
sich das resultierende Muster von Magnetfeld-Flußlinien 43
auf einer Bogenlänge um den Magnetumfang von mehr als 180º
erstreckt. Dies gestattet einen größeren Bereich der
Winkeldrehung des Magnets 18''' relativ zum
Hall-Effekt-Bauelement 22 weiterhin unter Optimierung der Linearität des
Ausgangssignals vom Hall-Effekt-Bauelement 22.
Selbstverständlich zieht die Erfindung die Verwendung anderer,
anderen Winkelwerten entsprechender N-S-Magnetpolorientierungen
in Betracht.
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Zur Veranschaulichung stellt Figur 7 eine weitere, hier als
"C"-förmiger Ringmagnet 118 definierte Konfiguration mit
unterbrochenem Ringmagnet dar. Der Magnet 118 besitzt die
gleiche allgemeine Kreiskonfiguration und kann ohne
weiteres die Ringmagnete der Figuren 2-4 und 6 ersetzen. Jedoch
ist aus dem Querschnitt des Magnets 118 ein Stück oder Keil
herausgeschnitten, um hierdurch eine Lücke 120 zu bilden,
die den stetigen Verlauf des Magnetmaterials unterbricht.
Der Magnet 118 ist so magnetisiert, daß er einen Nordpol an
einem Ende des magnetischen Materials und einen Südpol an
dem anderen Ende vorsieht, wobei die Nord-Süd-Pole auf
entgegengesetzten Seiten der Lücke 120 liegen. Das
resultierende Magnetfeld ist als kreisförmiges Feld 122
dargestellt, das von den Nord-Süd-Polen ausgeht und allgemein
konzentrisch um den Magnet 118 verläuft. Konzentrierte
Kraftlinien verlaufen durch die Lücke 120, während ein
Magnetfeldnulldurchgang an dem der Lücke diametral
gegenüberliegenden Punkt ebenso wie in der Lücke selbst
auftritt.
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Der Magnet 118 ist an dem Spannungsarmschaft 16 unter
Halbierung der Lücke 120 durch die Linie 26 befestigt, welche
der vorher erläuterten Mittelstellung des Spannungsarms 14
entspricht. Das Hall-Effekt-Bauelement 22 ist entlang der
Linie 26 in enger und konstanter Nachbarschaft zum Umfang
des Ringmagnets 118 ortsfest befestigt, wie vorher
beschrieben. Man kann erkennen, daß bedingt durch das
Vorhandensein der Lücke 120 und die Anordnung der Nord-Süd-Pole
an der Lücke eine vergleichsweise größere Bogenlänge
nichtunterbrochener magnetischer Flußlinien verfügbar ist,
innerhalb derer das Hall-Effekt-Bauelement gehalten werden
kann. Daraus folgt, daß wie in Figur 6 eine größere Drehung
des Schafts/Magnets 118 möglich ist, während das
Hall-Effekt-Bauelement 22 weiterhin ein lineares
Spannungsausgangssignal auf der Leitung 24 erzeugen kann.
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Figur 8 stellt mit durchgezogener Linie das von dem Hall-
Effekt-Bauelement 22 erzeugte theoretische Ausgangssignal
dar, wenn die Konfiguration mit versetzten Polen der Figur
6 oder der "C"-förmige unterbrochene Ringmagnet 118 der
Figur 7 gegeben sind. Bei der Lücke 120 gibt es zwei schnelle
Umkehrungen der Magnetfeldpolaritäten, bei einem
vergleichsweise linearen Bereich der Drehung, der allgemein
von 60º bis 300º entspricht. Der Magnetfeldnulldurchgang
tritt am 180º-Punkt ebenso wie am Null-Grad-Punkt mit einer
Polaritätsumkehr auf.
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Zum Vergleich ist in Figur 8 zusätzlich das von dem Hall-
Effekt-Bauelement 22 der Ausführungsform der Figuren 1, 2
erzeugte Ausgangssignal der Figur 5 durch die gestrichelte
Kurve über eine volle Drehung von 360º dargestellt. Wie in
der gestrichelten Kurve gezeigt, befindet sich das Hall-
Effekt-Bauelement 22 bei einer 180º-Winkelstellung des
Magnets 18 an einem magnetischen Nulldurchgang mit einer
Phasenumkehr. Bei 270º passiert der Südpol das Bauelement
22 zur Bereitstellung der größten negativen Spannung, bei
360º (oder 0º) gibt es beim zweiten magnetischen
Nulldurchgang eine entgegengesetzte Phasenumkehr. Bei 90º passiert
der Nordpol das Hall-Effekt-Bauelement zur Bereitstellung
des größten positiven Spannungsausgangs.
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Die Figuren 9, 10 stellen eine Ausführung des vorliegenden
Hall-Effekt-Wandlers in Kombination mit beispielsweise
einer Bandspannungsarm-Baugruppe dar, wobei gleichartige
Komponenten der vorherigen Figuren in gleichartiger Weise
bezeichnet sind. Der Spannungsarmschaft 16 ist mittels
eines Paars im Abstand voneinander angeordneter Lager 38,
40 in einem Gehäuse 36 angebracht. Das Gehäuse umfaßt
Montageflansche 42 zur Befestigung der Baugruppe und des
Wandlers in der zugehörigen
Video-Bandaufzeichnungskonstruktion. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich das Ende
des Schafts 16 innerhalb des Endes des Gehäuses 36 über das
Lager 40 hinaus. Der vorerwähnte Ringmagnet 18 (oder ein
alternativer) ist in koaxialer Anordnung auf das Ende des
Schafts 16 gepreßt oder anderweitig an diesem gesichert.
Eine Feder 44 ist komprimiert zwischen dem Lager 40 und dem
Ringmagnet 18 angeordnet, um den Ringmagnet in
Axialstellung bezüglich des Hall-Effekt-Bauelements zu halten. Das
vorgenannte Hall-Effekt-Bauelement 22 ist an beispielsweise
einer Schaltungsplatte 46 mittels eines geeigneten steifen
Trägers 47 befestigt, welcher von den Zuleitungen des
Bauelements 22 gebildet sein kann. Die Schaltungsplatte 46
wiederum ist lösbar, beispielsweise durch geeignete
Schrauben 48, an dem Ende des Gehäuses 36 befestigt. Die
Schaltungsplatte 46 enthält die Wandlerelektronik (Figur 13)
ebenso wie das Hall-Effekt-Bauelement 22; auf diese Weise
wird eine in sich abgeschlossene Wandlereinheit geschaffen,
die leicht an der Spannungsarm-Baugruppe montiert werden
kann oder die abgenommen werden kann, wenn Reparaturen oder
ein Austausch erforderlich sind. Das Hall-Effekt-Bauelement
22 ist an der Platte 46 mittels des steifen Trägers 47
befestigt, welcher das Bauelement 22 in enger Nachbarschaft
zum Umfang des Ringmagnets 18 hält. Auf diese Weise wird
ein konstanter Zwischenraum 50 zwischen dem Umfang und dem
Bauelement 22 über den vollen Bereich der Winkeldrehung des
Ringmagnets 18, d.h. des Spannungsarms 14, hinweg erhalten.
Als Beispiel kann die Breite des Zwischenraums 50 in der
Größenordnung von einer Beinahe-Berührung des Ringmagnets
bis zu etwa einem Achtel eines Zolls liegen. Im
wesentlichen ist das Hall-Effekt-Bauelement 22 entlang eines durch
die Linie 26 als der Mittelstellung dargestellten Radius
befestigt (Figur 10), welche der vorgenannten
Mittelstellung der Spannungsarm-Baugruppe entspricht. Das von dem
Einzelpolpaar-Ringmagnet 18 der Figur 10 erzeugte
Magnetfeld ist bei Ziffer 28 dargestellt, wobei bei der
bevorzugten Ausführungsform das Hall-Effekt-Bauelement 22 in dem
Feld an einer Stelle angeordnet ist, welche allgemein
mittig zwischen den N-S-Polen an deren magnetischem
Nulldurchgang liegt.
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Man kann somit erkennen, daß Spannungsänderungen am Ausgang
des Hall-Effekt-Bauelements bei den verschiedenen
Ausführungsformen im wesentlichen dadurch hervorgerufen werden,
daß für eine Bewegung zwischen dem N-S-Polpaar und dem
Hall-Effekt-Bauelement gesorgt wird unter Erhaltung des
vorgenannten konstanten Zwischenraums. Es folgt daraus, daß
das Hall-Effekt-Bauelement eher eine Änderung der
Polarisation des Felds als eine Änderung der Flußdichte oder der
Feldstärke erfaßt.
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In Figur 11 ist das Hall-Effekt-Bauelement 22 in
Kombination mit einer zugehörigen elektronischen Schaltung
dargestellt und umfaßt ein temperaturkompensiertes Hall-Effekt-
Bauelement, wie beispielsweise einen von Texas Instruments
hergestellten TL3103C. Ein erster Eingang ist mit einer von
einem Spannungsregler 53 ausgehenden Leitung 52 gekoppelt
und ein zweiter Eingang mit einer von einem Spannungsregler
55 ausgehenden Leitung 54 gekoppelt. Lediglich als Beispiel
liefern dementsprechend die Leitungen 52, 54 geregelte
Spannungen der Größenordnung von -7,5 Volt bzw. +7,5 Volt.
Eine Ausgangsspannung wird auf der vorher erwähnten Leitung
24 bereitgestellt, welcher Ausgang auf ungefähr Null Volt
eingestellt ist, wenn sich die Spannungsarm-Baugruppe in
ihrer Mittelstelllung befindet und das
Hall-Effekt-Bauelement 22 im wesentlichen mittig zu dem N-S-Polpaar, oder an
dessen magnetischem Nulldurchgang, liegt, wie vorstehend
beschrieben. Jede Winkeldrehung des Schafts 16 und somit
des Ringmagnets 18 ruft eine entsprechende Änderung der
Lage der N-S-Pole des Feldes relativ zu dem stationären
Hall-Effekt-Bauelement hervor, was wiederum dazu führt, daß
das Bauelement eine entsprechende Änderung der
Ausgangsspannung auf der Ausgangsleitung 24 erzeugt. Die Leitung 24
ist mit dem invertierenden Eingang einer
Offset-Operationsverstärkerstufe 58 (Opamp) gekoppelt, welche beispielsweise
die Justierung der Schaltung auf eine ausgewählte
Abgleichspannung (z.B. Null Volt) gestattet. Somit wird durch die
Schaltung ein Ausgang von Null Volt geliefert, wenn sich
die Spannungsarm-Baugruppe in der vorerwähnten
Mittelstellung befindet. Der Ausgang der Offset-Opamp-Stufe 58 ist
mit einem invertierenden Eingang einer verstärkenden
Operationsverstärkerstufe 60 (Opamp) gekoppelt. Da sich die von
dem Hall-Effekt-Bauelement erzeugte Spannung in einem
vollen Bereich der Größenordnung von nur ±0,2 Volt ändern
kann, stellt die verstärkende Opamp-Stufe 60 hier eine
ausreichende Verstärkung bereit, um einen ±5 Volt-Ausgang
von der Schaltung der Figur 11 zu liefern. Die
Offset-Justierung ist durch ein variables Potentiometer 63
vorgesehen und die Verstärkungsjustierung durch das variable
Potentiometer 69. Ein Ausgangsverbinder 62 der Opamp-Stufe 60
liefert auf einer Leitung 65 die Ausgangsspannung, die ein
Maß für die Winkeldrehung des Ringmagnets 18 und damit des
Spannungsarms 14 ist. Eine negative Spannungsänderung
beschreibt die Drehung in einer ersten Winkelrichtung, eine
positive Spannungsänderung die Drehung in der anderen
Winkelrichtung.
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Man kann erkennen, daß das Hall-Effekt-Bauelement 22 hier
zwischen den beiden Energieversorgungen 53, 55 und den
Leitungen 52, 54 angeordnet ist, anstatt zwischen einer
positiven Energieversorgung und Masse angeordnet zu sein.
Obwohl die letztere Konfiguration hinnehmbar ist, wenn eine
geregelte Energiequelle mit gewünschter Offset-Justierung
zur Verfügung steht, wird in solchen Situationen, in denen
eine ungeregelte Energiequelle verwendet wird und/oder in
denen über eine einzelne Energiequelle keine ausreichende
Spannung zur Verfügung steht, die Verwendung der
Schaltungskonfiguration der Figur 11 bevorzugt. Dies beseitigt
das Problem einer dem Bauelement gelieferten ungeregelten
Spannung, die Spannungsänderungen im Wandlerausgang auf der
Leitung 65 und Spulen-Jitter im Spulen-Servomechanismus
hervorrufen würde.
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Die Spannungsregler 53, 55 sind vom justierbaren Typ und
können durch jeweilige Widerstände 64 und 66 so eingestellt
werden, daß sie die positiven und negativen 7,5 Volt
Gleichspannungen auf den Leitungen 52, 54 liefern. Ein
Kondensator 70 am Eingang der verstärkenden Opamp-Stufe 60
erlaubt die Anpassung der RC-Zeitkonstante der Schaltung
zur Emulation der Frequenzantwort einer
Spannungsarmvorrichtung, die beispielsweise in einem
Video-Bandaufzeichnungsgerät verwendet wird oder bei der die Hall-Effekt-
Wandlereinheit anstelle beispielsweise eines
Spannungsarmwandlers vom Photopotentiometer-Typ in das
Aufzeichnungsgerät eingebaut wird. Der Kondensator 70 erlaubt die
Herabsetzung der üblichen Hochfrequenzantwort von etwa 100 kHz
des Hall-Effekt-Bauelements zur Angleichung an die tiefere
Antwort beispielsweise eines ursprünglichen
Photopotentiometer-Wandlers. Somit ist die Schaltungsanordnung der Figur
11 ohne weiteres zur Verwendung in einer bestehenden
Spannungsarmvorrichtung in der Umgebung eines
Video-Bandaufzeichungsgeräts geeignet, bei der es erwünscht ist, einen
ursprünglichen Wandler zur Erfassung der
Bandspannungsarmstellung auszutauschen, ohne die Elektronik des
Aufzeichnungsgeräts neu zu entwerfen. In diesen Situationen sind
die Spannungen der elektronischen Schaltung, die Offset-
Spannung u.s.w. ohne weiteres auf die existierenden oder
verfügbaren Spannungen in dem Aufzeichnungsgerät
abgestimmt.
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Die Schaltung wurde hier lediglich anhand eines Beispiels
beschrieben, bei dem ±7,5 Volt an das
Hall-Effekt-Bauelement angelegt waren, mit im wesentlichen einem Null Volt
Ausgang bei der Mittelstellung. Das Hall-Effekt-Bauelement
kann über andere verfügbare Spannungsbereiche hinweg
angeschlossen sein, wie beispielsweise von Massepotential bis
+12 Volt, wobei der Ausgang theoretisch 6 Volt sein wird.
In dieser Situation kann die Ausgangsspannung des Hall-
Effekt-Bauelements bei einer Drehung des Ringmagnets über
±70ºim Bereich von beispielsweise 5,8 bis 6,2 Volt
variieren. Die Widerstandswerte der Offset-Opamp-Stufe 58 sind
hierbei so gewählt, daß eine Offset-kompensierte
Abgleichspannung (vorzugsweise Null Volt) bereitgestellt wird, wenn
sich der Spannungsarm in der Mittelstellung befindet.
Selbstverständlich kann die Abgleichspannnung von Null Volt
verschieden sein. Man kann erkennen, daß grobe
Offset-Justierungen in der Schaltung durch Ändern der
Widerstandswerte vorgenommen werden und feine Justierungen durch
Einstellung variabler Widerstände vorgenommen werden.
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Obwohl die Erfindung hier unter Verwendung von Hall-Effekt-
Bauelementen beschrieben worden ist, ist zu beachten, daß
die Erfindung die Verwendung elektromagnetischer
Wandlerbauelemente des Typs in Betracht zieht, der eine Änderung
der Polarisation eines Magnetfelds erfassen und eine
Spannung liefern kann, welche ein Maß für die Änderung ist.
Außerdem kann das Hall-Effekt-Bauelement durch ein
magnetoresistives Bauelement ersetzt werden, bei dem eine Änderung
der Polarisation eines Magnetfelds relativ zu dem
Bauelement eine Widerstandsänderung hervorruft, welche wiederum
durch eine Spannung am Ausgang der zugehörigen Schaltung,
wie beispielsweise derjenigen der Figur 11, repräsentiert
wird.