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Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit wenigstens zwei
magnet feldabhängi gen Halble iterwiderst änden Die Erfindung bezieht sich auf eine
Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit wenigstens zwei magnetfeldabhängigen
Halbleiterwiderständen, von denen jeweils wenigstens eine im magnetischen Fluß eines
Magneten angeordnet ist. Die Flußverteilung des Magneten auf die Halbleiterwiderstände
ändert sich mit der Bewegung eines weichmagnetischen Steuerkörpers. Solche Anordnungen
zur Erzeugung von elektrischen Signalen sind bekannt.
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Die magnet feldabhängi gen Halbleiterwiderstände, deren magnetfeldabhängige
Halbleiterkörper vorzugsweise aus einer A III B V-Verbindung bestehen kann und die
im allgemeinen als Feldplatten bezeichnet werden, können direkt auf der gleichen
Polfläche des Permanentmagneten angeordnet sein (DT-OS 2 036 361).
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In einer verbesserten Ausführungsform einer solchen Anordnung zur
Erzeugung von elektrischen Signalen befinden sich die beiden Feldplatten parallel
nebeneinander in einem vorbestimmten Abstand jeweils auf einen Pol schuh aus weichmagnetischem
Material. Diese Polschuhe sind auf der gleichen Polfläche eines Magneten befestigt
und dienen zur Flußlenkung. Der magnetische Fluß des Magneten wird in diesen Polschuhen
konzentriert und der Streufluß entsprechend vermindert und somit die Empfindlichkeit
der Anordnung verbessert. Mit der Bewegung eines weichmagnetischen Steuerkörpers
ist der Fluß von dem einen Polschuh zu dem anderen verlagert. Damit ändert sich
der elektrische Widerstand der Feldplatten entsprechend. Aus der Widerstandsänderung
ist in bekannter Weise ein elektrisches Signal abgeleitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auflösungsvermögen der
bekannten Anordnungen zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit magnetfeldabhängigen
Halbleiterwiderständen zu erhöhen und dadurch die Umwandlung der Bewegung des Steuerkörpers
in ein den Weg proportionales oder digitales Signal mit größerer Empfindlichkeit
zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Fluß des
Magneten über ein Joch und den Steuerkörper sowie einen Luftspalt geschlossen ist,
der die Halbleiterwiderstände enthält, und daß als- Steuerkörper eine weichmagnetische
Folie vorgesehen ist, die parallel zu den Flachseiten der Halbleiterwiderstände
bewegbar ist. In dem geschlossenen Magnetkreis bildet der alsSteuerkörper dienende
magnetisch wirksame Teil der Folie einen Teil des magnetischen Rückschlusses.
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Durch die Bewegung der Folie relativ zum Magnetkreis verlagern sich
der magnetisch wirksame und der magnetisch unwirksame Bereich der Folie oberhalb
der Halbleiterwiderstände von einem der Widerstände zum anderen. Zu diesem Zweck
ist die Folie entweder selbst als Streifen ausgebildet, der sich von der einen Feldplatte
zur anderen verschiebt. Die Widerstandsänderung der Halbleiterwiderstände ist dann
proportional der Wegänderung des Steuerkörpers. Ferner kann die Folie in einer besonderen
Ausführungsform der Anordnung zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit wenigstens
einem entsprechend geformten Ausschnitt versehen sein, der einen magnetisch unwirksamen
Bereich der Folie bildet. Es können aber auch digitale Signale dadurch erzeugt werden,
daß die Folie mit entsprechenden Aus schnitten versehen wird. Die zwischen diesen
Aus schnitten entstehenden weichmagnetischen Stege dienen dann zur Flußverlagerung.
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Die weichmagnetischen Teile der Folie werden von dem Magneten angezogen.
Die Folie gleitet somit auf den Stirnflächen des Joches 4 und zum Teil auch auf
den Halbleiterwiderständen, die zu diesem Zweck vorteilhaft mit einer entsprechenden
Schutzschicht, beispielsweise einem Isolierlack, versehen sein können. Die Dicke
dieser Schutzschicht bildet dann den Abstand
der Folie von den Halbleiterwiderständen.
Der Abstand ändert sich somit während der Bewegung des Steuerkörpers nicht.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Anordnung zur Erzeugung
von digitalen Signalen erhält man dadurch, daß der Magnetkreis als Topfmagnet gestaltet
ist, deren Deckel von einer scheibenförmigen Folie gebildet wird, die um die Achse
des Magneten drehbar ist. über den Radius des Deckels werden dann mehrere Halbleiterwiderstände
hintereinander angeordnet, denen jeweils eine Kreisbahn der scheibenförmigen Folie
zugeordnet ist. Jede Kreisbahn ist durch Ausschnitte oder nichtmagnetische Teile
der Folie mit Stegen versehen, deren Breite und deren Abstand nach einem vorbestimmten
System gewählt sind. Im Zusammenwirken dieser Widerstandsänderungen erhält man dann
eine nahezu beliebige digitale Signalfolge auch über einen geringen Winkelbereich
der Folie. Man erhält somit einen Winkelgeber oder Drehmelder bzw. Positionsanzeiger
mit hohem Auflösungsvermögen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in der verschiedene Ausführungsbeispiele von Signalgebern nach der Erfindung
schematisch veranschaulicht sind. Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Magnetkreis.
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In Figur 2 ist die Zuordnung der Folie zu den magnetfeldabhängigen
Widerständen dargestellt. In Figur 3 ist eine Ausführungsform der Folie zur Erzeugung
einer digitalen Signalfolge veranschaulicht. Die Schaltung der Halbleiterwiderstände
nach Figur 3 ist in Figur 4 dargestellt. Figur 5 zeigt einen Ausschnitt einer kreisförmigen
Folie für einen digitalen Winkelgeber. Eine Ausfuhrungsform mit einer spiralförmigen
Gestaltung des magnetisch unwirksamen Teils der Folie für eine Drehbewegung ist
in Fig. 6 dargestellt.
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Im Querschnitt der Anordnung nach Figur 1 ist ein Magnet 2 mit einem
U-förmigen Joch 4 versehen, dessen mittlerer. Schenkel am mit S bezeichneten Südpol
des Magneten anliegt. Der Magnet 2 hat eine magnetische Vorzugsrichtung, so daß
wenigstens annähernd sein genannter Fluß über seine Polflächen
gleichmäßig
verteilt ist und sein Flußaustritt an seinen Seitenflächen vernachlässigbar klein
ist. Auf der Polfläche des mit N bezeichneten Nordpol sind zwei magnetfeldabhängige
Halbleiterwiderstände 10 und 12 nebeneinander angeordnet. Sie können beispielsweise
mittels einer Kleberschicht 6 auf der Polfläche befestigt sein. Die obere Flachseite
der Halbleiterwiderstände 10 und 12 ist mit einer Schutzschicht 14 versehen, die
beispielsweise aus einem Isolierlack bestehen kann. Auf den U-Schenkeln des Joches
4 liegt eine als Steuerkörper dienende Folie 16 auf, die zum Teil aus weichmagnetischem
Material besteht.
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über das Joch 4 und den weichmagnetischen Teil der Folie 16 sowie
den in der Figur der Deutlichkeit halber etwas vergrössert dargestellten und mit
d bezeichneten Luftspalt, in dem sich die Halbleiterwiderstände 10 und 12 befinden,
schließt sich der magnetische Fluß des Magneten 2. Mit einer Dicke der Kleberschicht
6 von wenigen /um, beispielsweise 5 /um, und einer Dicke der Feldplatten von beispielsweise
etwa 20/um sowie einer Dicke der Schutzschicht 14 von etwa 25/um erhält man einen
Luftspalt d, dessen Breite 50/um nicht wesentlich überschreitet. Durch die Anziehungskraft
des Magneten 2 wird der magnetische Rückschluß 16 angezogen, so daß der als Steuerkörper
dienende Teil der Folie überwiegend auf den Stirnflächen des Joches 4 gleitet.
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In der Anordnung nach Figur 2 ist der zur Signalbildung wirksame weichmagnetische
Teil 16 einer Folie 18 als Streifen gestaltet, der diagonal zur Längsrichtung der
Folie 18 verläuft.
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Diese Längsrichtung ist zugleich die Bewegungsrichtung der Folie 18,
die in der Figur durch einen Doppelpfeil 22 angedeutet ist. Durch die Neigung des
Steuerkörpers 16 gegenüber der Bewegungsrichtung wird mit der Bewegung des Steuerkörpers
16 Jeweils der vom Steuerkörper 16 abgedeckte Teil der Halbleiterwiderstände 10
und 12 verschoben. Damit verlagert sich auch der Fluß des in der Figur lediglich
angedeuteten Magneten 2.
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Da die Breite b der Halbleiterwiderstände 10 und 12 sehr gering ist
und im allgemeinen iOO/um nicht wesentlich überschreitet,
so ändert
sich der Widerstandswert der Halbleiterwiderstände 10 und 12 wenigstens annähernd
proportional mit ein der Bewegung Ges SteuerRörpers lb uncti11yerscnmleren11 des
Ausgangssignals ist praktisch ausgeschlossen.
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Der als Steuerkörper 16 dienende weichmagnetische Teil der Folie 18
kann beispielsweise durch entsprechende Ausschnitte 19 und 20 in der Folie 18 hergestellt
sein. Es kann aber auch eine Kunststoffolie verwendet werden, die im als Steuerkörper
16 dienenden Teil mit weichmagnetischen Einlagerungen versehen ist. Wichtig ist
nur, daß der Steuerkörper 16 dünn ist und sich während seiner Bewegung in geringem
Abstand über den Widerständen 10 und 12 verschiebt. Da die Folie durch die magnetische
Kraftwirkung des Magneten 2 angezogen wird und während ihrer - Bewegung praktisch
auf den Halbleiterwiderständen 10 und 12 gleitet, kann sich der Abstand nicht verändern
und der Einfluß mechanischer Toleranzen wird praktisch ausgeschlossen.
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In der Ausführungsform eines Signalgebers nach Figur 3 sind außer
den beiden Halbleiterwiderständen 10 und 12 in einem vorgegebenen Abstand 1 noch
zwei weitere Halbleiterwiderstände 24 und 26 vorgesehen. Jedem der Widerstandspaare
10 und 12 bzw.
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24 und 26 ist ein in der Figur nicht dargestellter Magnetkreis zugeordnet.
Eine Folie 28 ist mit Ausschnitten 30 bis 43 versehen. Die Ausschnitte 30 bis 36
sind in einer Reihe hintereinander angeordnet und den Halbleiterwiderständen 10
und 24 zugeordnet. In gleicher Weise sind die Ausschnitte 37 bis 43 in der Bewegungsrichtung
der Folie 28 hintereinander angeordnet. Diese Ausschnitte sind den Halbleiterwiderständen
12 und 26 zugeordnet. Die Abstände der einzelnen Ausschnitte und ihre Breite sowie
die Lage der Ausschnitte sind jeweils so gewählt, daß sich mit der Bewegung der
Folie 28 immer Jeweils ein Steg über diagonal zueinander angeordneten Halbleiterwiderständen,
beispielsweise den Widerständen 12 und 24, und Über den beiden anderen Halbleiterwiderständen,
beispielsweise den Widerständen 10 und 26, gerade ein Ausschnitt, nämlich die Ausschnitte
31 bzw. 42 befinden. In der dargestellten tage der Folie 28
werden
somit gerade die Halbleiterwiderstände 12 und 24 vom Magnetfluß durchsetzt. Der
elektrische Widerstandswert der Widerstände 12 und 24 ist somit groß, während der
Widerstandswert der gerade nicht vom Fluß durchsetzten Widerstände 10 und 26 klein
ist. Mit der Bewegung der Folie 28, deren Richtung durch einen Pfeil 46 angedeutet
ist, schiebt sich dann die Öffnung 35 über den Halbleiterwiderstand 24 und die Öffnung
39 über den Halbleiterwiderstand 12. Dagegen werden die Halbleiterwiderstände 10
und 26 von einem nachfolgenden Steg bedeckt und somit vom Fluß der entsprechenden
Magneten durchsetzt. Damit erhöht sich ihr Widerstandswert entsprechend, während
der Widerstandswert der Widerstände 12 und 24 abnimmt.
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Gemäß Figur 4 sind die Halbleiterwiderstände 10 und 12 sowie 24 und
26 jeweils in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung angeordnet, deren Eingangsspannungsquelle
48 eine Spannung U liefern soll und an deren Ausgang 50 eine Spannung U1 abgenommen
werden kann. Die sich mit der Bewegung der Folie 28 nach Figur 3 in Richtung des
Pfeiles 46 ergebenden änderungen der Widerstandswerte der Widerstände 10, 12 und
24, 26 lassen sich als Änderung der Ausgangsspannung U1 und damit als Signal im
Nullzweig der Brücke abnehmen.
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In dem Ausschnitt einer kreisscheibenförmigen Folie 58 nach Figur
5 sind 11 Kreisbahnen 52 bis 62 vorgesehen, die jeweils mit Ausschnitten versehen
sind. Den verschiedenen Kreisbahnen ist jeweils ein magnetfeldabhängiger Halbleiterwiderstand
zugeordnet. Diese Halbleiterwiderstände sind in der Figur mit 72 bis 82 bezeichnet.
Die Anzahl, die Größe und der Abstand der Ausschnitte in den einzelnen Kreisbahnen
ist jeweils so gewählt, daß sich eine Änderung des Ausgangssignals ergibt, wenn
die Scheibe sich um die Teilung der Ausschnitte der äußeren Bahn 52 weiterdreht.
Mit einem Durchmesser der äußeren Kreisbahn 52 von beispielsweise 65,2 mm und einer
Teilung von 0,4 mm erhält man beispielsweise eine Auflösung einer Umdrehung in 512
Schritten. Die Breite der Ausschnitte auf dem äußeren Teilkreis 52 beträgt dann
300/um und ihr gegenseitiger Abstand beträgt 100/um. Im gesamten Zahlbereich ergeben
sich dann 2048
Zählstellen, die 11 Bit entsprechen.
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In dieser dargestellten Ausführungsform wird den Halbleiterwiderständen
72 bis 82 vorzugsweise ein gemeinsamer in der Figur nicht dargestellter Magnet zugeordnet,
der zweckmäßig ebenfalls eine magnetische Vorzugsrichtung hat. Damit erhält man
eine wenigstens annähernd gleichmäßige Verteilung der Teilflüsse auf die einzelnen
Halbleiterwiderstände 72 bis 82.
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Um eine Flußkonzentration dieses Magneten in den einzelnen Halbleiterwiderständen
zu erreichen, kann die Polfläche des Magneten, auf der die Halbleiterwiderstände
72 bis 82 angeordnet sind, vorzugsweise einseitig oder auch beiderseits schräg gestaltet
sein, so daß man eine sehr schmale Polfläche erhält. Damit ergibt sich eine erhebliche
Konzentration des magnetischen Flusses in seiner streifenförmigen Stirnfläche und
somit in den auf dieser Fläche angeordneten Halbleiterwiderständen.
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Eine derartige zu den aufliegenden Halbleiterwiderständen abgeschrägte
Seitenfläche des Magneten 2 wird man zweckmäßig auch in den Ausführungsformen des
Magnetkreises nach den Figuren 1 und 2 wählen, was in Fig. 2 durch eine gestrichelte
Linie 3 angedeutet ist, die eine Randkante der Polfläche des Magneten 2 darstellen
soll.
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In der Ausführungsform der Anordnung zur Erzeugung von elektrischen
Signalen nach Fig. 6 ist eine scheibenförinige und um ihre Mittelachse drehbar gelagerte
Folie 86 vorgesehen, die mit einem spiralförmigen Ausschnitt 88 versehen ist. In
radialer Richtung sind zwei Halbleiterwiderstände 90 und 92 hintereinander angeordnet,
die im Luftspalt eines Magnetkreises angeordnet sind, dessen Joch in der Figur mit
94 bezeichnet ist.
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Der Abstand r1 der Außenkante des Ausschnitts 88 am Anfang der Spirale
ist gleich dem Abstand r2 der Innenkante am Ende der Spirale. Mit der Bewegung der
Folie 86 relativ zum Magnetkreis um die Drehachse verschiebt sich somit der Teil
des Äusschnitts über den Halbleiterwiderständen 90 und 92 vom Widerstand 90
zum
Widerstand 92. Die Breite x des Ausschnitts 88 wird deshalb so gewählt, daß sie
etwa gleich der Länge einer der Widerstände 90 und 92 einschließlich des in der
Figur nicht näher bezeichneten gemeinsamen mittleren Anschlusses der beiden Widerstände
90 und 92 ist.
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Der Ausschnitt 88 kann auch mit magnetisch unwirksamem Material, beispielsweise.
Kunststoff ausgefüllt sein. Ferner kann der magnetische Rückschluß auch so gestaltet
sein, daß die Folie aus magnetisch unwirksamem Material und der in der Figur als
Ausschnitt dargestellte Teil 88 aus ferromagnetischem Material besteht, das beispielsweise
auf eine Kunststoffolie aufgebracht, insbesondere aufgepreßt oder aufgedampft, sein
kann.
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Zur Erhöhung der Flexibilität der Folie 86 kann diese beispielsweise
noch mit zusätzlichen Schlitzen 96 versehen sein.
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Es ist nicht erforderlich, daß sich der spiralförmige Ausschnitt 88
der Folie 86 über annähernd eine volle Umdrehung erstreckt, wie es in Fig. 6 dargestellt
ist. Es kann für gewisse Anwendungen genügen und u. U. sogar vorteilhaft sein, wenn
sich der spiralförmige Ausschnitt bzw. die ferromagnetische Auflage nur über einen
Teilkreis, beispielsweise nur über einen Viertelkreis oder sogar noch weniger, erstreckt.
In diesem Fall wird die Kriimmung der Spirale entsprechend größer ausgelegt, damit
auch dann der Radius der Außenkante am Anfang der Spirale etwa gleich dem Radius
der Innenkante am Ende der Spirale ist.
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In der Ausführungsform nach Fig. 6 ist nur ein einziger spiralförmiger
Bereich gewählt, der durch einen entsprechenden Ausschnitt 88 magnetisch unwirksam
gemacht worden ist. Es können aber auch mehrere Ausschnitte oder auch mehrere Spiralen
aus ferromagnetischem Material auf einer magnetisch unwirksamen Folie vorgesehen
sein.
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8 Patentansprüche 6 Figuren