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Kontaktlos veränderlicher D=ehwiderstand mit Feldplatten Es ist bekannt,
magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände (Feldplatten) zwischen den Polschuhen
von Magneten anzubringen und so, z.B. durch Veränderung des Magnetfeldes, kontaktlos
veränderliche Widerstände oder Potentiometer herzustellen. Der elektrische 7oder
stand eines solchen Halbleiterkörpers erreicht ein Maximum, wenn der Halbleiter
sich ganz im Magnetfeld befindet bzw. dieses seinen größten Wert hat, und kann durch
Herausziehen der Feldplatte aus dem Magnetfeld bzw. durch Erniedrigung desselben
bis zu einem Minimum verkleinert werden.
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Die Erfindung betrifft einen kontaktlos veränderlichen Drehwiderstand
mit magnetfeldabhängigen Feldplatten im Luftspalt zwischen den Polschuhen eines
magnetischen Kreises. Die erfindung besteht darin, daß auf die Sti Rnfläche mindestens
eines der Polschuhe eine Feldplatte gelegt ist, daß ein um eine @enkrecht zu den
magnetischen Kraftlinien gerichtete Achse drehbarer, magneti#cher Rückschlu#körper
genau in den als Teil eines Zylinders ausgebildet#n Raum zwischen den Polschuhen
eingepaßt ist, und daß der bei Drehun@ @ber die Feldplatte in Richtung tier Drehachse
hinweggleiten@e una peliebig oft drehbare Rückschlußkörper sich in jeder Drehstellung
in mechanisch und magretisch stabiler Lage befindet. Der magnetische Rückschlußkörper
kann aus massivem oder lamellenförmigem weichmagnetiochen Material oder Ferrit hergestellt
sein. Die Stirnfläche eines Pol schuhs ist dessen dem anderen Polschuh zugewandte
Flache.
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Der Rückschlußkörper kann z.B. als Schnecke mit einer Windung mit
zur Zylinderform der Pol. schuhe parallelem Außenrand ausgebildet und um die Schneckenachse
drehbar im Raum zwischen den Pol schuhen angeordnet sein. Diese Schnecke hat im
Prinzip die Fcrm einer als Unterlegscheibe für Schrauben bekannten Springringes.
Bei Drehung der Schnecke wird der Außenrand der Schnecke über die Polschuhe in Richtung
der Drehachse hinweggeschoben bzw. abewicke1t.
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Im Polgenden wird unter der Länge der Feldplatte deren größte Ausdehnung
in Richtung der Drehachse verstanden; in diese Richtung wird auch die örtliche Breite
bzw. Dicke des magnetischen Rückschlußkörpers gemessen.
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Ist auf einen der Polschuhe eine z.B. zweipolige Feldplatte aufgebracht,
die also an den beiden Längsenden je einen elektrischen Anschluß besitzt, so kann
bei geeigneter Ganghöhe und Breite des Schneckenrandes in Abhängigkeit vom Drehwinkel
eine vorbestimmte lineare, parabolische oder exponentielle Widerstandscharakteristik
des so gebildeten Drehwiderstandes erhalten werden.
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Der magnetische Rückschlußkörper des erfindungsgemäßen Drehtiderstandes
kann auch als bezüglich der Drehachse schief stehende Kreisscheibe mit einem zur
Zylinderform der Polschuhe parallelen Außenrand ausgebildet sein. In diesem Falle
ergibt sich z.B. unter Verwendung einer zweipoligen Feldplatte in Abhängigkeit vom
Drehwinkel des scheibenförmigen Rückschlußkörpers eine sinusförmige Widerstandscharakteristik.
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Wenn die Fcldplatte nur an ihren Längsenden elektrische Anschlüsse
besitzt (zweipolige Feldplatte), zo wird der Außenra?'jd (te Rtick-chlu'-körpers
etwa ebenso breit gewählt, wie die Feldplatte lang ist. Die Feldpl:-itte kann aber
auch dreipolig, mit Mittelanzapfung, also als Potentiometer, ausgebildet sein. Dann
wird ein Rückschlußkörper verwendet, dessen Außenrand etwa halb so breit ist, wie
die Feldplatte lang ist.
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Zur Verminderung des magnetischen Streuflusses kann - in Richtung
der Drehachse des Rückschlußkörpers gesehen - der Querschnitt eines eine Feldplatte
tragenden Polschuhes so ausgebildet sein, daß sein Rand von der Feldplatte aus konkav
in den Hauptteil des magnetischen Kreises der Widerstandsvorrichtung vergeht. Man
kann diesen Polschuh
als"stegförmig"bezeichnen. Der Querschnitt
eines solchen stegförmigen Polschuhs ist (konkav) in Richtung auf die Feldplatte
zugespitzt, wobei die Spitze abgeschnitten und zu einem gerade der Feldplatte platzbietenden
Plateau ausgebildet ist.
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Da die Feldplatte also auf einer massiven, gut wärmeleitenden Unterlage
aufliegt, kann sie elektrisch stark belastet werden. Es ist daher möglich, eine
sehr kleine Feldplatte mit entsprechend hohem Grundwiderstand (Widerstand beim Magnetfeld
null) zu verwenden. In Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstandes sind Feldplatten
mit Flächen bis herab zu einigen Quadratmillimetern benutzt.
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Ebenfalls zur Verminderung des magnetischen Streuflusses kann der
Querschnitt eines keine Feldplatte tragenden Polschuhs nahezu ein halber Kreis sein.
Ein solcher Polschuh stellt also etwa eine Hälfte eines der Länge nach aufgeschnittenen
Hohlzylinder8 dar und wird als "halbzylinderförmig"bezeichnet. Durch die Formgebung
des letzteren Polschuhs wird erreicht, daß nahezu kein magnetisches Drehmoment auf
die Achse des RückschluBkörpers wirkt. Da der Rückschlußkörper mechanisch ausgewuchtet
werden kann, ergeben sich auch keine mechanischen Rückstellkräfte.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, die Pol schuhe aus weichmagnetischem
Material herzustellen. Dann kann sich nämlich die Richtung des magnetischen Flusses
in den Polschuhen der Lage des Außenrandee des Rückschlußkörpers anpassen, wenn
sich diese Lage bei Drehung des Rückschlußkörpers relativ zu den Polschuhen ändert.
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Im einfachsten Falle wird der verwendete magnetische Kreis durch einen
Permanentmagneten erregt. Bei der Auswahl eines solchen Magneten ist zweckmäßig
zu beachten, daß - unter Vernachlässigung von Streuverlusten - der Fluß BlF1 durch
den Permanentmagneten und der Fluß B2F2 durch das obengenannte Plateau des Polschuhs,
auf das eine Feldplatte gelegt ist, leich sind. Die Flußdichte B1 im Magneten mit
der Querschnittsfläche F1 und die F;ußdichte B2 durch die Plateaufläche F2 sind
daher umgekehrt proportional zu den genannten Flächen. Da die Fläche P2 (im wesentlichen
die Feldplattenfläche) klein gegen F1 ist, braucht also, um den Polschuh (mit Feldplatte)
gerade im Sättigungszustand zu halten, der verwendete Permanentmagnet nicht besonders
stark zu sein.
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Der beschrieben'e erfindungsgemäße Drehwiderstand kann als Einzelelement
eines Kaskadenwiderstandes mit zwei oder mehr auf ein und derselben Achse nebeneinander
angeordneten Einzelelementen verwendet werden. Dabei werden die Polschuhe der Einzelelemente
von einem einzigen Magneten erregt. Jedes Einzelelement besteht aus einem halbzylinderförmigen
und einem stegförmigen Pol schuh mit im Raum zwischen diesen drehbarem magnetischen
Rückschlußkörper. Benachbarte Einzelelemente können zum Ausgleich der auf die Drehachse
wirkenden magnetischen Kräfte jeweils um 1800 versetzt sein. Auf den stegförmigen
Polschuh jedes Einzelelementes ist eine Feldplatte aufgelegt.
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Die Einzelelemente eines solchen Kaskadenwiderstandes sindaustauschbar
und können je nach Wunsch zum Teil oder insgesamt durch solche Einzelelemente mit
anderen Widerstandscharakteristiken ersetzt werden.
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In einer Ausführungsform des Kaskadenwiderstandes sind die Rückschlußkürper
der Einzelelemente starr verbunden und ohne Anschlag beliebig oft drehbar.Dabei
wiederholt sich die auf der drehwinkelabhängigen Widerstandsänderung der Feldplatten
beruhende Signalfunktion, wenn die Feldplatten in einer geeigneten @ektrischen Schaltung
angeordnet sind. In einer solchen Zusammenstellung wird die Wirkung der einzelnen
Drehwiderstände addiert, da kann je nlcii der gegenseitigen Drehstellung ier Rückschlußkörper
mit gl@@cher Phase oder mit konstanter Phasenverschiebung geschehen. Bei Verwendung
von Einzelelementen mit verschiedenen Widerstandscharakterijtiken können auf diese
Weise beliebigelineare und nichtlineare Funktionen mit vorgegebener Phasenverschiebung
zusammengesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Kaskadenwiderstandes sind die
Rückschlußkörper der Einzelelemente derart auf deren gemeinsamer Drehachse gekoppelt,
daß bei Umdrehung der Achse die Rückschlußkörper nacheinarider in Bewegung gesetzt
werden und der folgende Rückschlußkörper seine Drehbewegung erst beginnt, wenn der
vorhergehende wieder still steht. Außerdem können die Grundwiderstände (Widerstand
beim Magnetfeld null) der FeLdplatten der aufeinanderfolgenden Einzelelemente sich
jeweils um einem bestimmten, insbesondere gleichen, Faktor unterscheiden, derart,
daß sich der elektrische Widerstand jeder einzelnen Feldplatte bei Drehung des zugehörigen
Rückschlußkörpers auf den Grundwiderstand der Feldplatte des nachfolgenden Einzelelementes
erhöht.
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Werden die @eldplatten in diessr Anordnung z.B. alle hintereinandergesch@lt@t,
@@ @@@ö@@ich@ @@ g@bildete Reihen-Drehwiderstand, bei einigen @@@ @@@@@@n dosselb@@,
eine konta@ @lose iderstandsänderung
ber mehrere Größenordnungen.
Besitzt die Reihenschaltung der Feldplatten eine Mittelanzapfung, so ergibt sich
leicht ein Potentiometer mit einem Teilverhältnis von 1 : 1000 oder 10 000.
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Der oben beschriebene erfindungsgemäße Drehwiderstand kann auch als
Positionsanzeiger einer kardanischen Aufhängung angewendet werden.
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Dabei ist an mindestens einem der Kardanlager ein erfindungsgemäßer
Drehwiderstand angebracht. Beispielsweise ist der magnetische Kreis des Drehwiderstandes
fest mit dem Kardanring verbunden, und der zwischen den Polschuhen des magnetischen
Kreises um die zugehörige Kardanachse drehbare magnetische Rückschlußkörper ist
starr an das Lager der Kardanachse gekoppelt.
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Auf mindestens einem insbesondere stegförmigen Polschuh des Positionsanzeigers
befindet sich eine Feldplatte, die zwei- oder dreipolig sein kann, Ist sie dreipolig
(mit Mittelabgriff), so kann es zweckmäßig sein, den Rückschlußkörper so einzustellen,
daß in der Ausgangsstellung des Kardanringes beide Hälften der Feldplatte von gleich
starken Magnetfeldern durchsetzt werden. Dann sind also die Teilwiderstände der
beiden Peldplattenhälften gleich, und das Nullinstrument eines mit der Feldplatte
gehildeten Potentiometers zeigt den Wert Null an.
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Ein solcher Positionsanzeiger dient vornehmlich dazu, die Schwankungen
um den genannten Nullpunkt anzuzeigen. Ist der Rückschlußkörper als Schnecke ausgebildet,
so wird dabei eine solche mit möglichst großer Steigung ihrer Spiralform verwendet.
Ist der Rüokschlußkörper andererseits eine Scheibe, so schließt diese zweckmäßig
mit der Drehachse
einen möglichst kleinen Winkel (z.B. 450) ein.
Die Feldplatten sollen dabei relativ lang und schmal und die Außenränder der Rückschlußkörper
entsprechend breit sein.
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Der Positionsanzeiger kann z.B. bei einem kardanisch aufgehängten
und zur Aufzeichnung von künstlichen Horizonten dienenden Stabilisterungskreisel
angewendet werden.
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Anhand von einigen schematischen Zeichnungen wird die Erfindung näher
erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Drehwiderstand mit schneckenförmigem Rückschlußkörper,
Figur 2 einen Querschnitt entlang der Linie X-X von Figur 1, Figur 3 eine Widerstandscharakteristik
in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rtlckschlußkörpers gemäß Figur 1, Figur 4 einen
Drehwiderstand mit scheibenförmigem RUck.ohlußkörper, Figur 5 eine Widerstandscharakteristik
in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rückschlußkörpers gemäß Figur 4, Figur 6 ein
Ausführungsbeispiel eines Kaskadenwiderstandes, Figuren 7 und 8 ein Ausführungsbeispiel
eines Positionsanzeigers ftir eine kardanische Aufhängung in Seitenansioht und in
Aufsicht.
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Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Drehwiderstandes mit schneckenförmigem, weichmagnetischem Rückschlußkörper 2, welcher
um die Achse 3 drehbar im Raum zwischen den Polschuhen 4 und 5 angeordnet ist. Die
Drehachse 3 ist senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien gerichtet. Die itt elektrischen
Endgnschlossen 8a und 8b und dem Mittelabgriff Bc verbehene dreipolige Feldplatte
1 liegt auf dem stegförmigen Polechuh 4 dea der halbzylinderförmige Polechuh 5 gegenüberliegt.
Die beiden Hälften der
Feldplatte 1 sind mit la und ib bezeichnet.
Der magnetische Kreis vom erregenden, z.B. in der eingezeichneten Pfeilrichtung
magnetisierten, Stabmagneten 7 zu den (weichmagnetischen) Polschuhen 4 und 5 wird
durch die, insbesondere weichmagnetischen, Teile 6 gebildet.
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Bei Drehung um die Achse 3 wird der den Polschuhen angepaßte AuBenrand
des schneckenförmigen Rückschlußkörpers 2 über die Feldplatte 1 fast gleitend hinweggeschoben.
Wenn also vor Beginn des Drehens der Teil la der Feldplatte wegen der augenblicklichen
Drehstellung des Rückschlußkörpers von einem starken Magnetfeld durchsetzt ist,
so bewegt sich beim Drehen (in geeigneter Richtung) des Rückschlußkörpers der Außenrand
desselben kontinuierlich über die Feldplatte weg, bis er schließlich nur den Teil
Ib der Feldplatte bedeckt.
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In Figur 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie X-X von Figur 1 dargestellt.
Gleiche Teile sind wie in Figur 1 bezeichnet. Auf dem Polschuh 4, der stegförmig
mit konkav zum Hauptteil des magnetischen Kreises abfallenden Seitenflächen ausgebildet
ist, liegt die Feldplatte 1 fest auf. Der Querschnitt der Feldplatte 1 kann - ebenso
wie die Fläche des Polschuhs 4, auf der die Feldplatte. aufliegt - zur Verminderung
des Luftspaltes, an die Kreisform des vom Körper 2 bestrichenen Kreises 2a angepaßt
werden. - Die in den Figuren 1 und 2 angegebenen Längen betragen in einem Ausführungsbeispiel
der Reihe nach 26, 33 und 15 mm.
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Figur 3 zeigt eine Charakteristik des Halbleiterwiderstandes R1 (in
Ohm) einer zweipoligen Feldplatte in Abhängigkeit vom Drehwinkel des schneckenförmigen
Rtickschlußkörpers gemäß Figur 1. Mit einem solchen Rü¢kschluBX6iper, dessen Außenrand
sich bei einer Drehung
beispielsweise gerade um eine Ganghöhe verschiebt,
ergibt sich also für eine (im Gegensatz zu Figur 1) zweipolige Feldplatte eine Widerstandskennlinie
9, die vom Drehwinkel 0 bis 3600 linear ansteigt. Hat die Schnecke eine nichtlineare
Windungsform, so kann die Charakteristik auch exponentiell sein. Nach den anfangs
gegebenen Erläuterungen ist eine zweipolige Feldplatte etwa ebenso lang, wie der
Rand des schneckenförmigen Rückschlußkörpers breit ist. Eine solche Feldplatte ist
demnach etwa halb so lang wie der stegförmige Polschuh, auf dem sie aufliegt.
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In der Figur 4 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Drehwiderstandes
mit bezüglich der Achse 3 als schief stehende Kreisscheibe 10 ausgebildetem Rückschlußkörper,
welcher, um die Achse 3 drehbar, im Raum zwischen den Polschuhen 12 und 5 angeordnet
ist. Diese Figur zeigt ein Beispiel einer zweipoligen Feldplatte 11, deren Länge
etwa ebenso groß ist wie die Breite der Scheibe 10. Im Gegensatz dazu hat die Länge
der Feldplatte 1 in Figur 1 etwa den doppelten Betrag wie die Breite des Außenrandes
der Schnecke 2. (Die angegebenen Längen und Breiten sind in Drehachsrichtung gemessen
zu denken,) Der Polschuh 12 ist etwa doppelt lang wie die Feldplatte 11 und auch
sonst ähnlich ausgebildet wie der entsprechende Polschuh 4 in Figur 1, Es ist zweckmäßig,
diese Ausbildung des Polschuhs zu wählen, damit der Fluß zwischen dem Rückschlußkörper
10 und dem Polschuh in keiner Drehstellung des ersteren abreißt. Könnte nämlich
der Fluß in einer Drehstellung abreißen, so ergäben sich nicht nur starke magnetische
Reaktionskräfte
auf die Drehachse, sondern es bestünde auch die Gefahr, daß der den magnetischen
Kreis erregende Permanentmagnet <7 in Figur 1 und 2) einen Teil seiner magnetischen
Kraft einbüßt.
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Der Pol schuh 5 und die Körper 6 und 7 entsprechen den gleichbezeichneten
Teilen in Figur 1.
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Die Figur 5 zeigt eine sinusförmige Charakteristik 13 des Halbleiterwiderstandes
R2 (in Ohm), die mit einer zweipoligen Feldplatte (z.B. 11 in Figur 4) in Abhängigkeit
vom Drehwinkel 2 des scheibenförmigen Rückschlußkörpers gemäß Figur 4 erhalten werden
kann. Die Maxima, sowohl in dieser Kurve 13 als auch in Kurve 9 von Figur 3, sind
um so höher, Je größer der Unterschied zwischen dem stärksten und schwächsten Magnetfeld
im Bereich der Feldplatte gemacht werden kann, Der Abstand zwischen dem Maximum
und dem Minimum in der Kurve 13 entspricht einem Drehwinkel von 1800.
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In Figur 6 ist ein Ausfuhrungsbeispiel eines Kaskadenwiderstandes
mit vier Einzelelementen gezeichnet. Die um die Achse 15 drehbaren magnetischen
Rückschlußkörper 16 bis 19 des erfindungsgemäßen Drehwiderstandes sind im gezeichneten
Beispiel als schräg zur Drehachse stehensich im de kreisförmige Scheiben ausgebildet.
Jeder RUckschlußkörper -befindet / Luftspalt zwischen einem stegförmigen 20 bis
23 und einem halbzylinderförmigen 24 bis 27 Polschuh, die alle von ein und demselben
Permanentmagneten 28 magnetisch erregt werden. Die magnetische Verbindung zwischen
dem in der eingezeichneten Pfeilrichtung magnetisierten Permanentmagneten 28 und
den weichmagnetischen Polschuhen 20 bis 27 ist mit 29 bezeichnet. Auf die stegfbrmigen
Polschuhe 20 bis 23 sind die Feldplatten 30 bis 33 aufgelegt. In der Zeichnung-handelt
es sich um zweipolige Feldplatten, selbstverständlich können auch dreipolige
Feldplatten
(z.B. mit Mittelabgriff) verwendet werden. Benachbarte Einzelelemente des gezeichneten
Kaskadenwiderstandes können zum Ausgleich der auf die Drehachse 15 wirkenden magnetischen
Kräfte Jeweils um 1800 versetzt werden.
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Die Rückschlußkörper 16 bis 19 des Kaskadenwiderstandes können starr
verbunden und ohne Anschlag beliebig oft drehbar sein. Sie lassen sich aber z.B.
auch derartig auf der Achse 15 koppeln, daß sie sich bei Umdrehung der Achse nacheinander
im Bewegung setzten. Es kann dabei eine Mitnehmervorrichtung verwendet werden, mit
Hilfe deren der folgende Rückschlußkörper in Bewegung gesetzt wird, wenn der vorhergehende
wieder still steht. Dann machen die Rückschlußkörper, die auch schneckenförmig ausgeführt
sein können, bei mehreren Umdrehungen nacheinander Jeder eine Umdrehung um die gemeinsame
Drehachse.
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In den Figuren 7 und 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines Positionsanzeigers
für eine kardanische Aufhängung in Seitenansicht und in der Aufsicht auf zwei in
einer Ebene liegende Kardanringe 39 und 52 Zezeichnet, wobei sich (in diesem Beispiel)
an Jeder Kardanachse 35 bis 38 der beiden Ringe 39 und 52 ein erfindungsgemäßer
Drehwiderstand 34 befindet. Zwischen den weichmagnetischen Polschuhen 40 bis 43
der etwa U-förmig ausgebildeten und starr mit dem zugehörigen lardanring verbundenen
permanentmagnetischen Kreise 44 und 45 befinden sich die fest mit den Achsenlagern
46 und 47 verbundenen magnetischen RUckschlußkörper 48 und 49. Diese haben, in -Achsriohtung
gesehen, einen kreisförmigen Querschnitt und können als Schnecke oder bezüglich
der Achse schräg gestellte Scheibe ausgebildet sein. Die RUcksohlußkörper sind genau
in den Raum zwischen den Polechuhen 40 bis 43 eingepaßt derart, daß letztere gerade
frei drehbar sind.
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Auf die stegförmigen Pol schuhe 40 und 41 sind Feldplatten 50 und
51 aufgelegt. Diese können Je nach Wunsch zwei- oder dreipolig sein.
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Die Polschuhe 42 und 43 sind beispielsweise halbzylinderförmig. Wenn
auf sie ebenfalls Feldplatten aufgebracht werden sollen, können auch sie stegförmig
gemacht werden.
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Die an zwei zu einem Kardanring gehörigen Drehwiderstände (Positionsanzeiger)
gemessenen Signale können auf eine Anzeigevorrichtung gegeben werden. Es ist aber
auch möglich, die Drehwiderstände eines Kardanringes mit verschiedenen Empfindlichkeiten
auszulegen, z. B. mittels verschieden geformter Rückschlußkörper, und die gewonnenen
Signale auf zwei getrennte Anzeigevorrichtungen zu geben. Auf diese Weise erhält
man die Möglichkeit, die Position des Kardanringes mit verschiedenen, i. B. vom
Drehwinkel abhängigen, Genauigkeiten angeben zu können.
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Die Halbleiterfeldplatten, die in den erfindungsgemäßen Drehwiderständen
verwendet werden, sollen möglichst stark magnetfeldabhängigen Widerstand haben.
Als Halbleitersubstanzen eignen sich unter anderen die bekannten A BV-Materlalien,
wie Indiumantimonid oder Indiumarsenid, aus der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems
der Elemente. Man erhält eine besonders starke Magnetfeldabhängigkeit, wenn im Halbleitermaterial
parallel zueinander ausgerichtete, elektrisch gut leitende, nadelförmige EinschlUsse
eingebettet sind, z.B.
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Nickelantimonid-Nadeln in Indiumantimonid.
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1 Patentan8prUche 8 Piguren