DE1791213B1 - Magnetfelddetektor - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeld- bung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsdetektor mit einem Paar Magnetwiderstandselemente, weise dargestellt, und zwar zeigt

Solche Magnetfelddetektoren sind bekannt (deut- F i g. 1 einen Schaltplan mit einer Ausführungs-

sche Patentschrift 1018 539). Weiterhin sind zahl- form des erfindungsgemäßen Magnetfelddetektors bei reiche Anordnungen zusammengefalteter Hallgenera- 5 Anwendung auf einem bürstenlosen Gleichstromtoren bekannt, durch deren Anordnung und Zusam- motor,

menschaltung beispielsweise die Feldrichtungsabhän- F i g. 2 einen Querschnitt durch den im Schaltplan

gigkeit der Empfindlichkeit kompensiert, Magnetfeld- der F i g. 1 enthaltenen bürstenlosen Gleichstromkomponenten getrennt gemessen oder der Feld- motor,

gradient bestimmt werden sollen (deutsche Pa- io Fi g. 3 einen Querschnitt durch den Motor der tentschrift 1194 971, deutsches Gebrauchsmuster F i g. 2 entsprechend der Linie ΠΙ-ΙΙΙ der F i g. 2, 1884381, britische Patentschrift 868 765). Magnet- Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Träger für den

f elddetektoren können in zahlreichen technischen An- Detektor zum Feststellen der Drehstellung des Motorwendungsgebieten Verwendung finden, beispielsweise rotors,

bei kommentatorlosen Gleichstrommotoren, bei 15 F i g. 5 eine perspektivische Ansicht zur schematidenen sie Transistoren ansteuern, die die Speisung sehen Darstellung einer Ausführungsform eines erder verschiedenen Motorenwicklungen steuern. findungsgemäß verwendeten Magnetwiderstands-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Magnet- elementes,

felddetektoren zu schaffen, die bei sehr guter Emp- Fig. 6 eine graphische Darstellung der Strom-

findlichkeit hohe Ausgangssignale liefern, die bei üb- 20 Spannungs-Kennlinien des Magnetwiderstandselemenlichen Anwendungen nicht weiter verstärkt zu werden tes nach F i g. 5,

brauchen. F i g. 7 eine graphische Darstellung der Magnetfeld-

Ein erfindungsgemäßer Magnetfelddetektor ist da- Widerstands-Kennlinie des Magnetwiderstandseledurch gekennzeichnet, daß jedes Widerstandselement mentes,

des Paares magnetischer Widerstandselemente ein 25 Fi g. 8 einen Schaltplan einer Ausführungsform Halbleitersubstrat mit p- und η-leitenden Zonen so- eines Magnetfelddetektors aus zwei Magnetwiderwie einer auf einer Seite ausgebildeten Rekombi- Standselementen,

nationszone umfaßt, und daß das Paar Magnetwider- F i g. 9 eine graphische Darstellung zur Erläuterung

Standselemente derart geschaltet und ausgerichtet ist, der Betriebsweise des Motors, bei dem der erfindaß sich die Widerstände der Magnetwiderstands- 30 dungsgemäße Magnetfelddetektor zum Einsatz geelemente in Abhängigkeit von der Richtung des sie langt,

beaufschlagenden Magnetfeldes in unterschiedlichen F i g. 10 einen Schaltplan einer anderen Ausfüh-

Richtungen ändern. Zweckmäßigerweise ist dabei den rungsform mit vier Magnetwiderstandselementen und beiden in Reihe geschalteten Widerstandselementen Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer wei-

eine Energiequelle parallel geschaltet und wird das 35 teren Ausführungsform eines Magnetwiderstands-Nutzsignal an der Verbindungsstelle der beiden in elementes.

Reihe geschalteten Widerstandselemente abge- In den F i g. 1 bis 4 ist ein Beispiel eines bürsten-

nommen. losen Gleichstrommotors mit einem erfindungsgemä-

Die gemäß der Erfindung verwendeten Wider- ßen Detektor dargestellt. Eine allgemein mit der Bestandselemente sind bereits an sich sehr empfindlich 40 zugszahl 1 bezeichnete Motoranordnung umfaßt einen und ergänzen sich durch die angegebene Stellung ge- Rotor 2, der mit einer drehbar gelagerten Welle 3 genseitig sehr günstig, da sie durch ihre gegenläufigen verbunden ist. Der Rotor 2 ist in der Weise magneti-Widerstandsgradienten ein elektrisches Ausgangs- siert, daß in seiner Radialrichtung magnetische Nordsignal ergeben, das sich mit dem anliegenden Magnet- und Südpole vorgesehen sind (Fig. 1). Fig. 2 und 3 feld praktisch über die gesamte angelegte Potential- 45 zeigen einen Stator 5 >mit drei in gleichmäßigen Windifferenz verändern kann. Hierdurch ergibt sich auch kelabständen voneinander angeordneten Feldspulen für kleine Änderungen des angelegten Magnetfeldes 4 a, 4 b und 4 c, die um entsprechende Polstücke 5 α, schon ein beachtlicher Spannungshub. Sb und 5 c gewickelt sind. Die Feldspulen 4 a, 4 b und

Ferner ergibt sich durch die Erfindung noch der 4 c werden nacheinander derart mit Gleichstrom-Vorteil einer Kompensation des Temperaturgangs der 50 impulsen gespeist, daß der Rotor 2 in Drehung verElemente, setzt wird. Die Polstücke 5a, Sb und 5 c sind über ein Der erfindungsgemäße Magnetfelddetektor kann so Magnetjoch miteinander verbunden, das aus dem Staweiter ausgestaltet werden, daß den beiden ersten tor 5 besteht (Fig. 3). In der Achsrichtung ist der magnetfeldabhängigen Widerstandselementen ein zwei- Stator endseitig durch Deckplatten 6 a und 6 b vertes Paar solcher Elemente parallel geschaltet ist. 55 schlossen, die jeweils zentral angeordnete Lager Ία Durch entsprechende Polung der Elementpaare kann bzw. Ib tragen. Die Lager 7α und Ib stützen die eine Brücke geschaffen werden, deren Brückenspan- Welle 3 des Rotors 2 ab.

nung je nach der Richtung des anliegenden Magnet- Die den Magnetfelddetektor nach der Erfindung

feldes positiv oder negativ ist und insofern eine bildenden Magnetwiderstandselemente zum Steuern weiterhin verbesserte Beziehung des angelegten ma- 60 des bürstenlosen Gleichstrommotors sind in der deutgnetischen Signals zum abgenommenen Spannungs- sehen Patentanmeldung S 112 393 VIIId /21c einsignal aufweist. gehend beschrieben.

Beim erfindungsgemäßen Magnetfelddetektor sind Das Magnetwiderstandselement MD besteht bei-

weiterhin noch die leichte Justierbarkeit, die stabile spielsweise aus einem eigenleitenden Germaniumsub-Funktionsweise und der geringe Raumbedarf hervor- 65 strat i, wie dies in F i g. 5 dargestellt ist, in das Lazuheben. dungsträger, nämlich Elektronenlöcher und Elektro-

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der nen, in ausreichender Menge injizierbar sind. An beiErfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei- den Enden des Substrats i sind p- und η-leitende Zo-

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nen ρ und η mit verhältnismäßig hoher Störstofflcon- Querschnitt von 1 mm² und einer Länge von einigen zentration eingebracht, die ausreichend Ladungs- Millimetern, so daß folglich auch das Paar Magnetträger in das Substrat i injizieren. An einer Seite der widerstände FD sehr kleine Abmessungen hat. Das eigenleitenden Zone i ist zwischen den p- und n-lei- Paar Magnetwiderstände FD hat drei Klemmen und tenden Zonen ρ und η eine Rekombinationszone S 5 ist leicht zu handhaben. Auch sind die Widerstände mit verhältnismäßig hoher Rekombinationsge- der beiden Enden des Paares Magnetwiderstände im schwindigkeit vorgesehen. Diese Rekombinations- wesentlichen konstant, so daß das Paar Magnetwiderzone S kann durch Aufrauhen des entsprechenden stände eine stabile Konzentration hat. Bereichs der eigenleitenden Zone i mit Sandpapier Die Paare Magnetwiderstände Sa, 8 b und 8 c sind

od. dgl. gebildet werden, wodurch das Kristallgitter io mit dem Motor 1 verbunden und dienen als Detektor zerstört wird. Mit den p- und η-leitenden Zonen ρ zum Feststellen der Drehstellung des Rotors 2. Ein und η sind Anschlüsse Z₁ und I₂ verbunden, die einen ringförmiger Träger 9 aus magnetischem Material, Ohmschen Kontakt gewährleisten. Bei Anlegen einer beispielsweise Weicheisen, ist auf die Innenseite der Durchlaßspannung an das Magnetwiderstandselement Deckplatte 6 a, und zwar koaxial zur Drehwelle 3, MD entsprechen die Strom-Spannungs-Kennlinien 15 montiert. Die Paare Magnetwiderstände 8 a, 8 Zj und des Magnetwiderstandselementes MD denjenigen 8 c, die den Polstücken Sa, 5 b und Sc entsprechen, einer herkömmlichen Diode, wie aus Kurve α der sind auf dem Träger 9 gegenüber dem Rotor 2 ange-Fig. 6 hervorgeht, bei der als Abszisse die Span- ordnet. In diesem Fall sind Vorsprünge 9a, 9b und nung V (in Volt) und als Ordinate der Strom / (in 9 c auf der Stirnseite des Trägers 9 vorgesehen, auf Milliampere) aufgetragen sind. 20 denen die Paare Magnetwiderstände 8 a, 8 b und 8 c

Wenn ein Magnetfeld H das Magnetwiderstands- an einer Stirnseite des Rotors 2 montiert sind. Die element MD rechtwinklig zum Stromfiuß im Innern Magnetwiderstandselemente jedes Paares Magnetdes Elementes beaufschlagt, wird der Strom zur Re- Widerstandselemente erstrecken sich radial zur Drehkombinationszone S geleitet und die Strom-Span- welle 3.

nungs-Kennlinie entspricht dann der Kurve b: die 25 Die Paare Magnetwiderstände 8 a, 8 b und 8 c sind Stromdichte nimmt also ab und der Widerstand jeweils über die Transistorkreise mit den Feldspulen nimmt zu. Wird ein Magnetfeld in Sperrichtung an- 4a, 4b und 4c verbunden (Fig. 1). Beide Enden der gelegt, fließt der Strom aus der Rekombinations- Reihenschaltung, bestehend aus den das Paar Mazone S, die Stromdichte nimmt also zu und der Wi- gnetwiderstände 8 a bildenden Magnetwiderstandsderstand ab (Kurve c). Der Widerstand des Magnet- 30 elementen 10 a und 11a (die den Elementen MD₁ Widerstandselementes MD kann also nach Belieben und MD₂ von Fig. 8 entsprechend), sind zwischen durch Steuern des angelegten Magnetfelds verändert einer Energiezuführklemme 12 und Erde geschaltet, werden. F i g. 7 zeigt die durch das Magnetfeld H be- Eine Ausgangsklemme 13 α (entsprechend der Klemme wirkten Änderungen des Widerstandsverhältnisses t_Q von Fig. 8) des Paares Magnetwiderstände 8a, RhZR₀, wobei als Abszisse das Magnetfeld H (in 35 also die Verbindungsstelle der Magnetwiderstands-Kilogauß) und als Ordinate die Beziehung zwischen elemente 10 a und 11a, ist über eine Zenerdiode 14 a RnIR₀ aufgetragen sind. Wie aus der graphischen mit der Basis eines Transistors ISa verbunden, desDarstellung ersichtlich, spricht das Magnetwider- sen Kollektor an die Netzanschlußklemme 12 angestandselement MD unterschiedlich auf die Magnet- schlossen ist, und dessen Emitter über einen Widerfeider entgegengesetzter Richtungen an und hat eine 40 stand 16 a geerdet ist. Der Emitter des Transistors sehr hohe Empfindlichkeit. 15 a ist auch mit der Basis eines Transistors 17 a ver-

F i g. 8 zeigt beispielsweise ein Paar Magnetwider- bunden, dessen Emitter seinerseits über einen Widerstände FD, das aus zwei der oben bereits beschriebe- stand 18 a geerdet, und dessen Kollektor an das Ende nen erfindungsgemäßen Widerstandselemente besteht. der Feldspule 4 a angeschlossen ist, deren anderes In diesem Fall sind die Magnetwiderstandselemente 45 Ende mit der Netzanschlußklemme 12 verbunden ist. MD₁ und MD₂ in Durchlaßrichtung in Reihe geschal- Die anderen Paare S'b und 8 c von Magnetwidertet und mit einer Energiequelle E verbunden. Die ständen sind auf gleiche Weise mit den Feldspulen 4 b Verbindungsstelle der Magnetwiderstandselemente bzw. 4 c verbunden. Die den beschriebenen Teilen MD₁ und MD₂ ist mit einer Ausgangsklemme t₀ ver- entsprechenden Teile sind dabei mit den gleichen Bebunden. In diesem Fall sind die Magnetwiderstands- 50 zugszeichen, jedoch mit dem Index b und c versehen, elemente MD₁ und MD₂ entgegengesetzt zu einem Bei der beschriebenen Anordnung wird bei Dre-

angelegten Magnetfeld gepolt, so daß ein die EIe- hung des Rotors 2 ein Dreiphasen-Sinuswellen-Mamente durchfließender Strom durch ein Magnetfeld gnetfeld an die Paare Magnetwiderstände 8 α, 8 & und einer bestimmten Richtung derart ausgerichtet wird, 8 c angelegt. Dadurch erhält man an den Ausgangsdaß er in einem der Elemente zur Rekombinations- 55 klemmen 13 a, 13 b und 13 c Ausgangsspannungen zone S gerichtet und im anderen Element von der 19a, 19b bzw. 19c entsprechend Fig. 9, deren Pha-Rekombinationszone S zurückgestoßen wird. Auf senverschiebung 120° beträgt. Dabei werden die diese Weise wird das Magnetwiderstandspaar aus Zenerdioden 14 a, 14 b und 14 c durch die positiven dem Magnetwiderstandselement gebildet. Liefert die Bestandteile der Ausgangsspannung leitend und füh-Energiequelle E beispielsweise 6 V, gibt das Paar 60 ren die Transistoren ISa und 17 a, 15 b und 17 b und Magnetwiderstände FD von seiner Ausgangsklemme t₀ 15 c und 17 c mit einer Phasenverschiebung von — wenn an ihm ein Magnetfeld von 2 Kilogauß 120°. Folglich werden die mit den Transistoren 17 a, liegt — ein Detektorsignal von etwa 3 + 2 V ab, das 17 b und 17 c verbundenen Feldspulen 4 a, 4 b und 4 c zum Steuern eines Halbleiterelementes, z. B. eines nacheinander mit Rechteckwellensignalen 20 α, 20 b Transistors od. dgl., verwendbar ist. Das Paar Ma- 65 und 20 c gemäß F i g. 9 B, 9 C und 9 D beaufschlagt, gnetwiderstände ist also hochempfindlich. Das Ma- deren Phasenverschiebung 120° beträgt, und der Rognetwiderstandselement kann weiterhin in sehr ge- tor 2 wird angetrieben, drängter Bauart hergestellt werden, z. B. mit einem Gemäß der Erfindung haben die Paare Magnet-

widerstände 8 α, 86 und 8 c eine bemerkenswert hohe Empfindlichkeit und eignen sich folglich zum Abtasten eines Magnetfeldes verhältnismäßig niedriger Intensität. Dadurch kann das Magnetfeld des Rotors 2 auch dann mühelos festgestellt werden, wenn dessen Stärke sehr niedrig ist. Weiterhin können durch Verwendung der Paare Magnetwiderstände die Ausgangstransistoren 17 a, 17 b und 17 c durch die festgestellten Ausgangssignale gesteuert werden, die überhaupt nicht oder nur geringfügig verstärkt werden müssen. Dadurch ist ein stabiler Betrieb des Detektors gewährleistet und dessen Einstellung sehr ververeinfacht.

Das Paar Magnetwiderstände hat auch sehr kleine Abmessungen und ist dadurch in den Motor 1 einsetzbar, ohne daß dessen Form nennenswert verändert zu werden braucht. Somit kann der kleine und bürstenlose Motor unter den gleichen Umständen hergestellt werden wie ein herkömmlicher Motor.

Der Träger 9 kann zwar aus unmagnetischem Material bestehen, jedoch ist magnetisches Material, wie Weicheisen, vorzuziehen. Wenn nämlich die Paare Magnetwiderstände 8 a, Sb und 8 c auf den Vorsprüngen 9 a, 9 b und 9 c der Träger 9 montiert sind, konzentrieren sich die Magnetflüsse genau auf diese Vorsprünge und erhöhen dadurch die Empfindlichkeit des Detektors.

In der obigen Beschreibung besteht der Magnetfelddetektor FD aus zwei Magnetwiderstandselementen, kann jedoch durch eine Magnetwiderstandsbrücke aus vier Magnetwiderstandselementen MD₁, MD₂, MD3 und MD₁ ersetzt werden, deren Brückenschaltung in F i g. 10 dargestellt ist. In diesem Fall sind die einander benachbarten Magnetwiderstandselemente in bezug auf das Magnetfeld entgegengesetzt gepolt.

Weiterhin ist in den beschriebenen Beispielen ein Magnetwiderstandselement MD mit p- und n-leitenden Zonen ρ und η verwendet, die jeweils ungeteilt sind. Man kann jedoch auch ein Magnetwiderstandselement gemäß Fig. 11 verwenden, dessen n-leitende Zone η in zwei Abschnitte H₁ und n₂ unterteilt ist, von denen die eine auf der Seite der Rekombinationszone S und die andere auf der entgegengesetzten Seite liegt. Die eigenleitende Zone i verläuft zwischen den Abschnitten H₁ und n_s, wie bei i_a dargestellt ist. Somit dient das Magnetwiderstandselement als eine Art Transistor, bei dem der Abschnitt i_a als Basis, der Abschnitt H₁ als Emitter und der Abschnitt n₂ als Kollektor dient. Dadurch werden die durch das Magnetfeld erzeugten Stromänderungen in der eigenleitenden Zone i verstärkt und anschließend abgeleitet.

Der das Paar Magnetwiderstände enthaltende Detektor ist nicht nur in einem bürstenlosen Gleichstrommotor, sondern überhaupt sehr vielseitig verwendbar. So könnte beispielsweise das Paar Magnetwiderstände gemäß Fi g. 8 gedreht werden, bis das Ausgangssignal den maximalen oder minimalen Wert erreicht hat und somit das Erdmagnetfeld anzeigt. Auf diese Weise ist ein Einsatz als Kompaß möglich.

Durch die Polarität des Paares Magnetwiderstände könnte das Problem der I80°-Doppeldeutigkeit gelöst werden. So würde eine maximale Ausgangsspannung an der Klemme t₀ von Fig. 8 bedeuten, daß das Paar MD₁ und MD₂ ausgerichtet ist und zum Magnetnordpol zeigt, und eine minimale Ausgangsspannung würde bedeuten, daß das Paar MD₁ und MD₂ direkt weg vom magnetischen Nordpol zeigt.

Mit der Brückenschaltung von F i g. 10 ist zwischen den Klemmen i₀ ein Signal mit unterschiedlicher Polarität erzielbar. Wenn beispielsweise die Elemente MD₁, MD₂, MD₃ und MD₁ nicht in einem Magnetfeld mit einer rechtwinklig zur Ebene der Figur verlaufenden Komponente liegen, liegt an den Klemmen t_Q keine Spannung. Ein Feld mit einer rechtwinklig zur Ebene der Figur verlaufenden Komponente ruft an den Klemmen i₀ eine Spannung hervor, deren Polarität sich ändert, wenn sich die Richtung des Feldes um 180° ändert.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Magnetfelddetektor mit zwei magnetfeldabhängigen Widerstandselementen aus Halbleitermaterial, die in Reihe geschaltet sind und so angeordnet sind, daß der Strom in ihnen bei Anliegen eines Magnetfeldes in entgegengesetzten Richtungen verdrängt wird, und von denen ein elektrisches Ausgangssignal abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (MD, Fig. 5, 11) eine p-leitende (p) und eine η-leitende (n) Zone sowie eine zumindest teilweise zwischen diesen beiden Zonen liegende eigenleitende Zone aufweisen, in der eine Rekombinationszone (5) ausgebildet ist, die eine erhöhte Rekombination der Ladungsträger bewirkt, und daß die beiden Widerstandselemente in ihrer räumlichen Orientierung so zueinander angeordnet sind, daß ein Magnetfeld die Ladungsträger im einen Widerstandselement zur Rekombinationszone hin und im anderen Widerstandselement von der Rekombinationszone weg verdrängt.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden in Reihe geschalteten Widerstandselementen (AiD) eine Energiequelle (E) parallel geschaltet ist.

3. Detektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den ersten beiden magnetfeldabhängigen Widerstandselementen (MD₁, MD₂) ein zweites Paar von magnetfeldabhängigen Widerstandselementen (MU₃, MD₁) parallel geschaltet ist.

4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten magnetfeldabhängigen Widerstandselemente (MD₁, MD_S) des ersten und zweiten Widerstandselementenpaares entgegengesetzt gepolt und mit den ersten Seiten verbunden sind und daß die zweiten Widerstandselemente (MD₂, MD₄) des ersten und zweiten Widerstandselementenpaares entgegengesetzt gepolt und mit den ersten Seiten verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen