DE2241072C3 - Magnetfeldabhängige Widerstandsanordnung zur Erfassung der Größe und Richtung eines äußeren magnetischen Steuerfeldes - Google Patents

Description

Gegenstand des Hauptpatentes 20 42 491 (Anspruch 40) ist eine magnetfeldabhängige Widerstandsanordnung zur Erfassung der Größe und Richtung eines äußeren magnetischen Steuerfeldes mit mindestens einem Magnetkreis, der einen Permanentmagneten mit kleiner Permeabilität, d. h. hohem magnetischen Widerstand, sowie an dessen Polenden anliegende ferromagnetische Polplatteh enthält, die über einen Rückschlußkörper des Magnetkreises aus ferromagnetischem Material sowie eine als magnetfeldabhängiger Widerstand dienende Feldplatte miteinander verbunden sind. Die Gesamtanordnung enthält zwei Teilanordnungen mit je einer Feldplatte, die jeweils im Magnetkreis eines Permanentmagneten angeordnet sind, dessen Länge in Richtung seiner magnetischen Achse klein ist gegen die Ausdehnung seiner Polfläche und dessen eine Stirnfläche ohne wesentlichen Abstand an dem ihm zugeordneten Rückschlußkörper anliegt. Die beiden Teilanordnungen sind derart nebeneinander angeordnet, daß jeweils eine Polplatte, die beiden Feldplatten und der magnetische Rückschlußkörper vom gemeinsamen Steuerfluß durchsetzt sind, der von einem äußeren Steuerflußgeber verursacht ist. Die Widerstandsanordnung und der Steuerflußgeber sind relativ zueinander beweglich. Die Feldplaiten arbeiten gegenläufig (Fig. 17 des Hauptpatents).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Gesamtanordnung so zu gestalten, daß sie als Potentiometer oder beispielsweise auch als Positionsanzeiger verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst. daß als Steuerflußgeber ein drehbar gelagerter Dauermagnet vorgesehen ist. dessen Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Magnetisierung der Permanentmagnete der beiden Widerstandsanordnungen gerichtet ist und dessen Drehachse in Richtung der Magnetisierung der beiden Permanentmagnete verläuft und in der Symmetrieebene zwischen den beiden Widerstandsanordnungen angeordnet ist. In den beiden magnetisch gegeneinander geschalteten Widerstandsanordnungen werden die Feldplatten jeweils nur vom Fluß des zugeordneten Dauermagneten und vom Steuerfluß durchsetzt.

Wird der Steuerflußgeber, der sowohl ein Stabmagnet scm kann als auch als diametral magnetisierte Scheibe oder als Ring gestaltet sein kann, um die genannte Achse gedreht, so ändert sich die Summe der Magnetflüsse in den beiden Feldplatten der Widerstandsanordnung mit der Drehbewegung des Steuermagneten zwischen dem Wert Null und einem bekannten Maximalwert nach Art einer Sinusschwingung. Mit dieser Anordnung erhält man somit ein Potentiometer mit einem einfachen Aufbau und ohne bewegliche Kontakte.

Es ist zwar bereits bekannt, einen äußeren Steuerfluß mit einer zwei Feldplatten enthaltenden Gesamtanordnung zu erfassen, die mit zwei Dauermagneten versehen ist. Der magnetische Vorspannungsfluß dieser Dauermagnete ist in der einen Feldplatte mit dem Steuerfluß gleichgerichtet und in der anderen Feldplatte dem Steuerfluß entgegengerichtet. Mit dieser bekannten Anordnung soll die Größe des konstanten äußeren Steuerfeldes ermittelt werden. Die Feldplatten werden vom gemeinsamen Magnetfluß der beiden magnetisch hintereinandergeschalteten Dauermagneten durchsetzt (»Elektronik«. Heft 8,1965, S. 225 bis 229).

Es ist auch bekannt, einen drehbar gelagerten Dauermagneten derart anzuordnen, daß mit seiner Drehung die Wirkung zweier magnetisch gegeneinandergeschalteter magnetischer Flüsse auf magnetfeldabhängige elektronische Bauelemente jeweils abwechselnd verstärkt und geschwächt wird. In einem elektronischen Kommutator sind zu diesem Zweck zwei Hallgeneratoren im gemeinsamen Magnetfluß zweier Elektromagneten angeordnet. Mit der Drehung eines diametral magnetisierten Läufers, dessen Drehachse senkrecht zum Fluß der Elektromagneten verläuft und der selbst den magnetischen Rückschluß mit entspre-

ι Luftspalten im Fluß der Elektromagneten ■f-^bjldet, ändert sich der Gesanufluß in den beiden frJV'HaUgcneratoren (französische Patentschrift 10 19 072).
^pZ_x Die beiden Feldplatten können jeweils in einem ^ Zweig einer Brückenschaltung angeordnet sein, wie es ^i aus der US-Patentschrift 27 12 601 bekannt ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die

dehnung Bezug genommen. In Fig.l ist ein i^usiuhrungsbeispiel sehematisch veranschaulicht. "^i;Fig.2 zeigt eine Anordnung der beiden Feldplatten in einer Brückenschaltung. In F i g. 3 ist die Wirkungswei-¹UT ~ se der Anordnung nach Fig.l in einem Diagramm . veranschaulicht

In Fig-1 ist eine Gesamtanordnung mit 2 bezeich- ^ net, die zwei Widerstandsanordnungen enthält. In *- diesen Widerstandsanordnungen sind die Permanentmagnete mit 4 und 6, vordere Polplatten aus ,· ferromagnetische!!! Material mit 8 u.-,d 10, hintere Polpldltcn mit 12 und 14 und die Rückschlußkörper der magnetischen Vorspannungskreise mit 16 und 18 bezeichnet Zwischen den vorderen Polplatten 8 und 10 und den entsprechenden Rückschlußkörpern 16 und 18 befindet sich jeweils ein magnetfeldabhängiger Halbleiterwiderstand, eine sogenannte Feldplatte, die mit 20 und 22 bezeichnet sind. Oberhalb der Widerstandsanordnung 2 ist ein Steuerflußgeber 24 angeordnet, dessen Magnetisierungsrichtung, die durch einen Nordpol N und einen Südpol S angedeutet ist, senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der beiden Vorspah.iungsmagnete 4 und 6 verläuft. Der Steuerflußgeber 24 ist mit einer nicht näher bezeichneten Bohrung versehen und somit als diametral magnetisierter Ringmagnet gestaltet. In seiner Bohrung ist eine Drehachse 26 befestigt, die mit einer in der Figur nicht dargestellten Antriebsvorrichtung verbunden ist. Die Drehbewegung ist durch einen nicht näher bezeichneten Pfeil angedeutet. Die in der Figur strichpunktiert dargestellte Drehachse 28 bildet zugleich die magnetische Symmetrieachse der Widerstandsanordnung 2.

Die Magnetisierung der beiden permanentmagnetischen Vorspannungsmagnete 4 und 6 ist jeweils so gerichtet, daß ihre magnetischen Flüsse 32 bzw. 34 in den beiden Feldplatten 20 und 22 einander entgegengerichtet sind. Der vom Steuerflußgeber 24 vorgegebene Magnetfluß 36 überlagert sich in den beiden Feldplatten 20 und 22 jeweils dem Vorspannungsfluß der Magnete 4 und 6. Die Größe des Steuerflusses 36 und seine Richtung ändern sich in den Feldplatten mit der Drehung des Steuerflußgebers 24. Der Magnetfluß 36 wird somit in Abhängigkeit von dv.r Lage des Steuerflußgebers 24 jeweils den magnetischen Gesamtfluti in der einen Feldplatte verstärken und in der anderen schwächen. In der gestrichelten Stellung addiert sich der Steuerfluß 36 in der feldplatte 20 zum magnetischen Vorspannungsfluß des Magneten 4. und der Gesamtfluß in dieser Feldplatte wird somit entsprechend erhöht. Demgegenüber wird der magnetische Vorspannungsfluß des Permanentmagneten 6 in der Feldplatte 22 durch den Steuerfluß 36 geschwächt und deren Widerstand somit entsprechend vermindert.

Wird der Steuerflußgeber 24 in der Pfeilrichtung gedreht, so wird die Flußerhöhung in der Feldplatte 20 mit der Stellung des· Steuerflußgebers 24 abgeschwächt und in gleicher Weise die Flußverminderung in der Feldplatte 22 aufgehoben. Sobald die magnetische Achse des Steuerflußgebers 24 senkrecht zur Zeichenebene der Fig.l steht, ist der vom Steuerflußgeber 24 den FeldDlatten 20 und 22 vorgegebene Magnetfluß praktisch Null, und er hat somit keinen Einfluß auf den Widerstand der Feldplatten. Wird der Steuerflußgeber 24 weiter gedreht, so ist der vom Steuerflußgeber 24 der Feldplatte 22 vorgegebene Steuerfluß mit dem Vorspannungsfluß des Permanentmagneten 6 gleichgerichtet und der Gesanufluß in der Feldplatte 22 wird somit entsprechend erhöht, und in gleicher Weise wird der Gesamtfluß in der Feldplatte 20 vermindert. 1st der Steuerflußgeber 24 so weit gedreht, daß der Nordpol N

ίο sich auf der linken und der Südpol Ssich auf der rechten Seite befindet, so erreicht der Fluß in der Feldplatte 22 sein Maximum und dementsprechend hat der Gesamtfluß in der Feldplatte 20 sein Minimum. Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung

:5 Jer Anordnung nach Fig.l erhält man dadurch, daß die beiden Rückschlußkörper 16 und 18 in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet werden, so daß ein Spalt 38 entsteht der mit einem diamagneiischen Medium gefüllt ist. Als Medium ist vorzugsweise Luft geeignet, es kann aber auch ein diamagnetisches Metall, beispielsweise Messing oder Aluminium, verwendet werden. Diese Gestaltung hat den Vorteil, daß die Empfindlichkeit der Anordnung in einem verhältnismäßig weiten Bereich nahezu unabhängig wird vom Abstand δ des Steuerflußgebers 24 von der freien Oberfläche der ferromagnetischen Polplatten 8 und 10 der beiden Magnetkreise. Eine genaue Justierung des Steuerflußgebers 24 ist somit überflüssig.

Zur Vorgabe einer bestimmten Stellung des Steuerflußgebers 24 relativ zu den beiden Feldplatten 20 und 22 kann vorzugsweise ein in der Figur nicht dargestelltes Planetengetriebe vorgesehen sein, das mii der Drehachse 26 in Antriebsverbindung steht. Diese Einstellung von Potentiometern mittels eines Planetengetriebes ist an sich bekannt aus der US-Patentschrift 34 11 366. In dieser bekannten Anordnung soll jedoch die Drehbewegung der Antriebswelle durch das Getriebe begrenzt werden. In einem aus der deutschen Auslegeschrift 19 57 895 bekannten Stelige-

triebe soll ebenfalls die Überführung des mit der Antriebswelle gekuppelten Betätigungsgliedes in eine vorgewählte Stellung gesteuert werden, und zwar mit Hilfe eines mechanischen Anschlages.

Demgegenüber erhält man mit einem Planetengetriebe als Antriebsvorrichtung für die Drehachse 26 eine sehr genaue Einstellung des Steuerflußgebers.

In der Anordnung nach F i g. 2 ist die Schallung der beiden Feldplatten 20 und 22 jeweils in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung dargestellt, die

noch zwei weitere Widerstände 40 und 42 enthält. Mit der Eingangsspannung Uo der Brückenschaltung, insbesondere einer konstanten Eingangsgleichspannung, und den beiden Feldplauen 20 und 22 als veränderbare Widerstände in jeweils einem Brückenzweig erhält man am Ausgang der Brückenschaltung ein Ausgangssignal LL, das sich mit der Bewegung des Steuerflußgebers 24 und der entsprechenden Änderung des Widerstandsverhältnisses der Feldplatten 20 und 22 in Form einer Sinusschwingung ändert.

Diese Änderung des Ausgangssignals Un ist in F i g. 3 in Abhängigkeit vom Drehwinkel λ der Antriebswelle 26 und damit von der Stellung des Flußgebers 24 relativ zu den Feldplatten 20 und 22 aufgetragen. In der Null-Stellung des Steuerflußgebers 24, das ist die Lage der Magnetisierungsrichtung des Steuerflußgebers 24 senkrecht zur Zeichenebene, soll auch das Ausgangssignal Null sein. Im Falle einer weiteren Drehung erhöht sich das Ausgangssignal entsprechend der dargestellten

Kurve und erreicht in der Lage des Magnetflusses 36 parallel zu der Zeichenebenc. wie es in Fig.l dargestellt ist, ein Maximum. Mit einer weiteren Viertelumdrehung der Welle 26 ist das Ausgangssignal wiederum Null, wenn sich der Stciicrfluß 36 in der Lage senkrecht zur Zeichenebene befindet. Mit der folgenden halben Umdrehung des Steuerflußgebers 24 erhält man ein Ausgangssignal Ua mit entgegengesetzter Polarität, das nach einer Viertelumdrehung sein Maxima erreicht und nach einer halben Umdrehung wieder Null ist.

Ist die Antriebswelle 26 beispielsweise mil einem nicht dargestellten Planetengeuiebe verbunden, so erhält man je nach der Untersetzung des Getriebes eine

10

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volle Sinusschwingung des Ausgangssignals der Brückcnschaluing nach F i g. 2, beispielsweise nach 10 Umdrehungen. Dann ist das Untersetzungsverhältnis 1 : 10. Wird beispielsweise eine Untersetzung 1 :b gewählt, so erhält man bei einer Umdrehung der Achse des Planclcngctricbes einen Ausschnitt von 60° aus dem Sinus des Stellwinkels λ. Mit der Untersetzung des Planelcngctriebcs kann dieser Ausschnitt nahezu beliebig gewählt werden. Für ein Potentiometer wird man vorzugsweise den Ausschnitt aus dem etwa geraden Teil der Sinusschwingung beiderseits des Null-Durchganges wählen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   Magnetfeldabhängig? Widerstandsanordnung zur Erfassung der Größe und Richtung eines äußeren "5 magnetischen Steuerfeldes mit mindestens einem Magnetkreis, der einen Permanentmagneten mit kleiner Permeabilität, d.h. hohem magnetischen ■'·■ Widerstand, sowie an dessen Polenden anliegende ferromagnetische Polplatten enthält, die Ober einen Rückschlußkörper des Magnetkreises aus ferromagnetischem_t Material soxyie eine als magnetfeldabhängiger Widerstand* dienende Feldplatte miteinander verbunden sind, und mit zwei Teijanordnungen mit je einer Feldplatte, die jeweils im Magnetkreis eines Permanentmagneten angeordnet siad, dessen Länge in Richtung seiner magnetischen _s Achse klein ist gegen die Ausdehnung seiner ■ Polfläche und dessen eine Stirnfläche ohne wesentlichen Abstand an dem ihm zugeordneten Rückschlußkörper anliegt, und bei welcher die beiden Teilanordnungen derart nebeneinander angeordnet sind, daß jeweils eine Polplatte, die beiden Feldplatten und der magnetische Rückschlußkörper vom gemeinsamen Steuerfluß durchsetzt sind, der von einem äußeren Steuerflußgeber verursacht ist, und bei welcher die Widerstandsanordnung und der Steuerflußgeber relativ zueinander beweglich sind, nach Patent 2042 491 (Anspruch 40), dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerflußgeber(24) ein drehbar gelagerter Dauermagnet vorgesehen ist, dessen Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Magnetisierung der Permanentmagnete (4, 6) der beiden Widerstandsanordnungen gerichtet ist und dessen Drehachse (28) in Richtung der Magnetisierung der beiden Permanentmagnete (4, 6) verläuft und in der Symmetrieebene zwischen den beiden Widerstandsanordnungen (4,6) angeordnet ist.
2. 2. Widerstandsanordnung nach, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerflußgeber (24) ein diametral magnetisierter scheibenförmiger Dauermagnet (24) vorgesehen ist.
3. 3. Widerstandsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerflußgeber (24) ein diametral magnetisierter ringscheibenförmiger Dauermagnet vorgesehen ist.
4. 4. Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (28) des Steuerflußgebers (24) mit einem Planetengetriebe in Antriebsverbindung steht.
5. 5. Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden magnetischen Rückschlußkörper (16,18) der Wider- «tandsanordnungen (2) durch einen Spalt (38) getrennt sind, der mit einem diamagnetischen Medium gefüllt ist.