DE2425183A1

DE2425183A1 - Magneto-elektrische wandleranordnung

Info

Publication number: DE2425183A1
Application number: DE19742425183
Authority: DE
Inventors: Warner Everett Stillings; Albert Watson Vinal
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-06-18
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1975-01-02
Also published as: IT1010158B; JPS5027973A; FR2233632A1; FR2233632B1

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: EN 972 069

Magneto-elektrische Wandleranordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung magnetischer Feldgrößen, insbesondere zum Nachweis magnetischer Feldänderungen mittels magneto-elektrischer Wandler. Als Wandler können beispielsweise Hall-Elemente verwendet werden.

Es ist bereits bekannt, in einem geschlossenen magnetischen Kreis den magnetischen Fluß durch geeignete Maßnahmen zu konzentrieren. So wird beispielsweise in der US-Patentschrift 3 230 517 eine Anordnung beschrieben, bei der die magnetische Kraftflußdichte in einem Magnetkopfsystem zur Abtastung magnetisierbarer Aufzeichnungsträger zur Erzielung besserer Ergebnisse bei der Abtastung erhöht wird.

In allen Anordnungen, in denen der Kraftfluß konzentriert wird, erfolgt dies durch Zusammendrängung des konstanten magnetischen Gesamtflusses auf einen an irgendeiner Stelle des magnetischen Kreises verringerten Querschnitt. Diese Art der Konzentration des magnetischen Flusses ist jedoch nur nützlich in magnetischen Kreisen mit relativ kleinen Luftspalten. Demgegenüber wird in offenen magnetischen Kreisen eher die Feldstärke als die Kraftflußdichte bei der Bestimmung der Kreisgrößen abgefühlt. Aus diesem Grund sind bei offenen Kreisen Anordnungen zur Kraftflußkonzentration auf den magneto-elektrischen Wandler nicht anwendbar.

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Es ist weiterhin bekannt, die Intensität des magnetischen Feldes in der näheren Umgebung eines Wandlers dadurch zu erhöhen, daß ein Magnetpaar entgegengesetzter Polung auf beiden Seiten des Wandlers angebracht wird. Durch diese Maßnahme läßt sich eine Feldverstärkung um den Faktor 2 erzielen. Die Erhöhung wird dabei durch das Zusammenwirken der beiden zusätzlichen Magnete erzielt.

Dennoch ist eine solche Lösung - die Benutzung zweier beweglicher Magnete zur Erzielung eines Verstärkungsfaktors von zwei oder weniger - für solche Fälle nicht anwendbar, bei denen eine größere Verstärkung erforderlich ist.

So ist beispielsweise bei der Verwendung eines magneto-elektrischen Wandlers innerhalb einer Tastatur eine Änderung der magnetischen Feldstärke in der Umgebung des Wandlers in der Größenordnung von 600 Oersted zur Erzielung eines zuverlässig wiederholbaren Ausgangssignals erforderlich.

Verfährt man nach einem der bekannten Verfahren, so muß der die magnetische Quelle bildende Magnet sehr nahe an den Wandler herangebracht werden - größenordnungsraäßig O_#75 mm - um eine ausreichende Feldstärke am Wandler zur Erzielung eines Ausgangssignals zu erzeugen. Aufgrund dieses geringen Abstands ergeben bereits sehr kleine Abstandsänderungen große Feistärkeabweichungen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine in der Einstellung weniger empfindliche Anordnung zur Feldverstärkung anzugeben. Insbesondere soll die Justage der magnetischen Quelle gegenüber dem magneto-elektrischen Wandler dadurch vereinfacht werden, daß die einzuhaltenden Einstellmaße größere Toleranzen aufweisen. Dennoch soll eine Verstärkung des Magnetfelds auf mindestens den zweifachen Wert erzielt werden.

Diese Aufgaben v/erden durch die in den Patentansprüchen angegebe-

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nen Maßnahmen zur Gestaltung -einer Anordnung mit einem magnetoelektrischen Wandler gelöst. Einzelheiten der vorgeschlagenen Anordnung sind der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen zu entnehmen» Auf letzteren zeigen:

Fig. l eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung

Fig. la u. Ib Einzelheiten der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung

Fig. 2 eine zweite Ausfuhrungsform der Erfindung

Fig. 3a - 3c Darstellungen verschiedener relativer Lagen von

für die Erfindung wesentlichen Einzelteilen

Fig. 4 eine graphische Darstellung der ermittelten Verstärkung des Magnetfelds in Abhängigkeit von bestimmten Maßgrößen

Fig. 5 eine graphische Darstellung ermittelter Werte

des Verstärkungsfaktors in Abhängigkeit von einer anderen Maßgröße der Anordnung

Fig. 6 eine graphische Darstellung der ermittelten Kurvenscharen für die räumliche Feldstärkeverteilung in einem bestimmten Bereich innerhalb der erfindungsgemäßen Anordnung.

In Fig. ι ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Ein magneto-elektrischer Wandler 11, beispielsweise ein Hall- Element, ist im Chip 12 befestigt. Letzteres ist in übli- , eher Weise mit Lötkugeln auf eine Karte 13 montiert. Die Karte 13 besitzt eine Bohrung, durch die sich der ferromagnetischer Körper 15 so erstreckt, daß er sich in der näheren Umgebung des Hall-Elements 11 befindet.

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In Fig. la ist der ferromagnetische Körper 15 im Detail dargestellt. Er besteht aus einem Zylinder aus magnetisierbarem Material mit dem Zylinderdurchmesser D und der Länge L. Das Verhältnis von L zu D wird als Streckung S bezeichnet. Wie später noch gezeigt werden wird, übt die Streckung S einen wesentlichen Einfluß auf die Funktion der gesamten Wandleranordnung aus. Aus Fig. 5 wird erkennbar sein, daß ein optimaler Bereich für die Streckung S zwischen ungefähr 2,5 und 3 liegt.

In Fig. Ib ist eine weitere maßgebliche Einflußgröße dargestellt. Es handelt sich dabei um den Abstand H zwischen dem magnetisierbaren Körper 15 und dem in das Chip 12 eingelassenen magnetoelektrischen Wandler 11.

Die graphische Darstellung der Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors (für das magnetische Feld) vom Verhältnis .Abstand H zu Durchmesser D des ferromagnetischen Körpers. Für eine Streckung S = L/D = 3,0 kann für H = 0,2 D ein Verstärkungsfaktor zwischen 2,5 und 2,9 erreicht werden. Die Variation im Verstärkungsfaktor beruht darauf, daß der Wandler 11 gegenüber dem ferromagnetischen Körper 15 nicht zentriert sein muß. Bei exakter Zentrierung wird ein Verstärkungsfaktor von ungefähr 2,75 erreicht. Beträgt die Abweichung 0,7 R (R = D/2, d.h. der Radius des ferromagnetischen Körpers 15) oder 0,35 D gegenüber der Achse, wird ein Verstärkungsfaktor vom 2,85 erzielt. Bei einer Fehljustierung von 0,9 R (oder 0,45 D) wird ein Verstärkungsfaktor von 2,55 erzielt.

Demnach kann bei einer gegebenen Streckung des magnetisierbarer! Körpers 15 und einem gegebenen Abstand H zwischen Körper 15 und Wandler 11 ein Verstärkungsfaktor für das magnetische Feld zwischen 2,55 und 2,85 erzielt werden, wobei die zulässige Fehljustierung 90% des Radius R des ferromagnetischen Körpers 15 betragen darf.

Die in Fig. 1 dargestellte, bereits genannte Karte 13 wird durch EN 972 069

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die Stifte 16 gegenüber der Platte 17 sowohl mechanisch festgelegt und gehalten, als auch mit dieser elektrisch verbunden. Eine magnetische Quelle 20, beispielsweise ein Permanentmagnet, ist so angeordnet, daß in der Umgebung des.magneto-elektrischen Wandlers 11 ein im wesentlichen gleichförmiges Magnetfeld erzeugt wird. Die magnetische Quelle 2O ist relativ zum Wandler 11 beweglich, um eine schnelle Änderung des auf den Wandler einwirkenden Magnetfeldes zu bewirken. Die Bewegung der Quelle 20 kann dabei durch den Eintritt eines äußeren Ereignisses hervorgerufen werden. Eine typische Anwendung ist z.B. die Abfühlung einer Tastatur. Dabei kann die magnetische Quelle 20 quer zur Achse des ferromagnetischen Körpers 15 bewegt werden. Ebenso ist eine Bewegung in Längsrichtung, also in Richtung der Achse des Körpers 15, denkbar. Dabei wird ein erster Wert des magnetischen Feldes vom Wandler 11 "erkannt", der beispielsweise einer entlasteten Taste einer Tastatur entspricht; das Drücken der Taste bewirkt eine Verschiebung der magnetischen Quelle 20 und damit die Abtastung eines zweiten Wertes des magnetischen Feldes durch den Wandler 11.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Während bei der ersten Ausfuhrungsform magnetische Quelle 20 und Wandler 11 auf der gleichen Seite des ferromagnetischen Körpers 15 angeordnet waren, befinden sie sich bei der zweiten Ausführungsform zu beiden Seiten des ferromagnetiscften Körpers 15, so daß letzterer zwischen Quelle und Wandler liegt. Ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel kann die Quelle 20 entweder quer zur oder in Achsenrichtung des ferromagnetischen Körpers bewegt werden, um die Änderung des Magnetfelds, die den Wandler 11 beeinflußt, zu erzielen.

In den Figuren 3a, 3b und 3c sind drei mögliche Lagen des magnetoelektrischen Wandlers 11 im Chip 12 relativ zum magnetisierbaren Körper 15 dargestellt. Unter Benutzung der bereits eingeführten Bezeichnung R für den Radius des ferromagnetischen Körpers 15 beträgt die Fehlausrichtung in Fig. 3c 90% R, in Fig. 3b 70% R, während die in Fig. 3a dargestellte Anordnung exakt zentriert ist.

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Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 4 gezeigt wurde, sind bei
entsprechender Wahl des Abstands Η die gezeigten Fehlzentrierungen von vernachlässigbarem Einfluß auf die Funktion der Anordnung,

Die Begründung für dieses Phänomen ist der in Fig. 6 dargestellten Kurvenschar zu entnehmen. In dieser Figur entspricht jede
der dargestellten Kurven der relativen Feldstärke, wie sie beispielsweise mit einem Hall-Element gemessen werden kann. Für jeden Abstand H zwischen Wandler 11 und magnetisierbarem Körper 15 wurde die Feldstärke in Abhängigkeit von der relativen Lage bzw. dem Abstand zur Mittelachse des Körpers gemessen und über den
normierten Abstand entlang des Radius R aufgetragen. Es soll dabei auf folgende Punkte hingewiesen werden:

1. Jede der dargestellten Kurven zeigt einen Feldstärkegewinn
infolge der Anordnung des magnetisierbaren Körpers 15.

2. Der Gewinn an den Kanten des ferromagnetischen Körpers wächst wesentlich stärker als im Zentrum und dies wahrscheinlich
aufgrund der Tatsache, daß an den Seiten des Körpers magnetische Pole induziert werden. Dieses Phänomen ist bei kleinerem Abstand H zwischen Wandler und Körper wesentlich deutlicher
ausgeprägt.

3. Für H/D = 0,2 ist der Verlauf der Funktion über den Radius nahezu konstant. Wählt man eine dementsprechende Anordnung, so
ergibt sich eine stabile und zuverlässig wiederholbare Anzeige, beispielsweise einer mechanischen Bewegung eines Magneten in einem Drucktastenaggregat.

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Claims

- 7 PATENT-ANSPRÜCHE

\ij/ Anordnung mit einem magneto-elektrischen Wandler, insbesondere einem Hall-Element, und einer magnetischen Quelle, gekennzeichnet durch einen ferromagnetischen Körper (15), dessen Abmessungen (L, D), Abstand (H) und Lage gegenüber Wandler (15) und magnetischer Quelle (20) so gewählt werden, daß das auf den Wandler (11) wirkende Magnetfeld verstärkt und in der Umgebung des Wandlers (11) homogenisiert wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß magnetische Quelle (20) und Wandler (11) auf der gleichen Seite des ferromagnetischen Körpers (15) liegen.
3. Anordnung nach Anspruch- 1, dadurch gekennzeichnet, daß magnetische Quelle (20) und Wandler (11) auf verschiedenen Seiten des ferromagnetischen Körpers 15 liegen.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper (15) eine zumindest angenähert zylindrische Form aufweist, wobei der Quotient (Streckung S = L/D) aus Länge (L) und Durchmesser (D) wenigstens 2 beträgt.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (H) zwischen ferromagnetischen Körper (15) und Wandler (11) ungefähr ein Fünftel des Durchmessers (D) des ferromagnetischen Körpers (15) beträgt.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Quelle (20) gegenüber ferromagnetischem Körper

(15) und Wandler (11) beweglich ist.
7. Anordnungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Lage von Wandler (11) und ferromagnetischem

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Körper (15) definierte Achse zumindest annähernd senkrecht zur Bewegungsrichtung der magnetischen Quelle (20) verläuft.
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die durch die Lage von Wandler (11) und ferromagnetischem Körper (15) definierte Achse zumindest annähernd parallel zur Bewegungsrichtung der magnetischen Quelle (20) verläuft.

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