DE2539548A1

DE2539548A1 - Magnetisch betaetigbarer elektrischer signalgeber

Info

Publication number: DE2539548A1
Application number: DE19752539548
Authority: DE
Inventors: Michael Bozoian; Gary F Woodward
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1974-09-20
Filing date: 1975-09-05
Publication date: 1976-07-29
Also published as: GB1475660A

Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. W.Beyer
Dipl.-Wirtseh.-Ing. B.Jochem

Frankfurt am Main . Staufenstrasse 36

In Sachen:

Ford-Werke
Aktiengesellschaft
5 Köln 21
Ottoplatz 2

Magnetisch betätigbarer elektrischer Signalgeber.

Die Erfindung betrifft einen magnetisch betätigbaren Signalr geber, insbesondere zur Erzeugung von elektrischen Impulsen proportional einer mechanisch aufgegebenen Drehzahl, bestehend aus einem magnetisch steuerbaren Halbleiterschalter mit einer induktionsempfindlichen Fläche, an welcher die gegensinnigen Pole eines ersten Magneten mechanisch vorbeibewegbar sind.

Signalgeber der vorgenannten Art werden insbesondere zur Erzeugung elektrischer Signale proportional der Drehzahl einer rotierenden Welle in einem Kraftfahrzeug wie beispielsweise der Abtriebswelle des Getriebes verwendet, um auf diesem Wege drehzahlabhängige Eingangsgrößen für die verschiedensten Steuerungszwecke zu erhalten. Die Abmessungen solcher Signalgeber sollen möglichst klein sein. Andererseits erfordert der damit eingebaute Halbleiterschalter ein verhältnismäßig starkes Feld des an ihm vorbeibewegbaren Magneten, was gleichbedeutend mit einer gewissen Größe des Magneten ist. Die Erfüllung dieser beiden diametralen Forderungen ist bisher nicht befriedigend gelungen.

609831/0838
Fo 8678/3.9.1975

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Signalgeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich klein in den Abmessungen ausbilden läßt und zugleich einwandfreie elektrische Impulse unter allen Betriebsbedingungen liefert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen zweiten Magneten, welcher derart fest in bezug auf den Halbleiterschalter angeordnet ist, daß sein Magnetfeld im Bereich der induktionsempfindlichen Fläche dem Magnetfeld des ersten Magneten entgegenwirkt, wenn ein erster Pol desselben der induktionsempfindlichen Fläche zugewandt ist, und das Magnetfeld des ersten Magneten unterstützt, wenn ein entgegengesetzter Pol desselben der induktionsemjäfindlichen Fläche zugewandt ist.

Der zweite Magnet ist vorzugsweise ein stabförmiger Permanentmagnet und wird zweckmäßig auf der dem ersten Magneten abgewandten Seite der induktionsempfindlichen Fläche des Halbleiterschalters angeordnet, so daß das von ihm ausgehende Feld, wenn sich gleichsinnige Pole einander gegenüberstehen, das Feld des ersten Magneten in bezug auf dessen Wirkung auf die induktionsempfindliche Fläche wenigstens angenähert aufhebt.

Der erste Magnet kann in an sich bekannter Weise ein zylindrischer Permanentmagnet sein, an dessen Außenumfang eine Vielzahl abwechselnd gegensinniger Pole ausgebildet ist. Wenn nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung dann der erste Magnet auf einer drehbaren Welle innerhalb eines Gehäuses angeordnet wird, in welchen der Halbleiterschalter und der zweite Magnet befestigt sind, wird dadurch ein Impulsgeber geschaffen, der beispielsweise mit der aus ihm herausragenden Welle in das Gehäuse eines Fahrzeuggetriebes eingesetzt und dort an ein Getriebeglied angekuppelt werden

609831/0838

Fo 8678/3.9.1975

kann. Bei einer solchen konstruktiven Ausgestaltung des Impulsgebers ist es weiterhin zweckmäßig, wenn die Welle einen Ring mit einer radial offenen ümfangsnut trägt, welche den ersten Magneten aufnimmt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, aus welcher auch die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung eines zweiten Magneten deutlich hervorgeht. Es zeigen:

Fig. 1 in übernatürlicher Größe einen Axialschnitt durch einen Impulsgeber gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Impulsgeber nach Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 in noch weiterer Vergrößerung und perspektivischer Darstellung einen handelsüblichen Halbleiterschalter, wie er bei dem Impulsgeber nach Fig. 1 und 2 verwendet ist,

Fig. 4 in schematischer Darstellung einen umlaufenden Magneten und einen von dessen Kraftlinien beeinflußten Halbleiterschalter gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 5 mit der erfindungsgemäßen Anordnung in einer ersten Stellung des umlaufenden Magneten, in der sich gleichsinnige Pole gegenüberstehen,

Fig. 6 die gleiche Darstellung wie in Fig. 5 jedoch mit sich gegenüberstehenden gegensinnigen Polen, und

ro 867₈/3.₉.m5 609831/083

Fig. 7 ein Induktions-Zeit-Diagramm mit dem Verlauf der magnetischen Induktion bei einem Signalgeber nach dem Stand der Technik im Vergleich mit einem Signalgeber nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist mit 1o ein magnetisch betätigbarer elektrischer Signalgeber bezeichnet, der einen magnetisch betätigten Halbleiterschalter zur Erzeugung von elektrischen Impulsen irit einer Frequenz proportional der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges verwendet. Der Signalgeber 1o wird durch das Getriebe des Kraftfahrzeugs angetrieben und erstreckt sich aus diesem Grund durch eine kreisförmige Öffnung 12 in der Außenwand 14 des Getriebegehäuses und reicht in dessen Innenraum 16. Ein O-Ring 18 bildet eine Dichtung zwischen der Oberfläche der öffnung 12 und dem undrehbaren Gehäuse 2o des Signalgebers 1o. Diese O-Ringdichtung verhindert ein Herauslecken von Getriebeflüssigkeit.

Das Gehäuse 2o hat eine zentrale Bohrung, in welcher eine Welle 22 gelagert ist. Die Welle 22 enthält im unteren Abschnitt eine Bohrung 21 geringeren Durchmessers und weist vier gleichmäßig am Umfang verteilte Abflachungen 24 auf, mittels welcher der Bohrung 21 im darunter liegenden Abschnitt Rechteckform gegeben ist. Ein Antriebsstift 26 mit rechteckförmigen Endabschnitten erstreckt sich in den rechteckförmigen Teil der Bohrung 21. Das andere Ende des Antriebsstifts 26 greift in eine rechteckförmige öffnung innerhalb eines Zahnrades 28 ein, das vom Fahrzeuggetriebe mit einer Drehzahl proportional der Fahrzeuggeschwindigkeit angetrieben wird. Das Getriebe läßt das Zahnrad 28 um die Mantelfläche eines Ansatzes 3o am Signalgebergehäuse 2o rotieren. Dadurch dreht der Antriebsstift 26 und läßt seinerseits die Welle 22 rotieren. Das Zahnrad 28 ist in seiner Bewegung im Verhältnis zur Achse 32 des Gehäuses

609831/0838 Fo 8678/3.9.1975

•2533548

und der Welle 22 durch einen Rückhalteclip 34 mit Vorsprüngen 36 und 38 begrenzt, welche in eine Nut 4o im Ansatz 3o des Gehäuses 2o eingreifen.

Das Signalgebergehäuse 2o hat eine Erweiterung 32, die Raum für einen zylindrischen Permanentmagneten 44 schafft, welcher von der radial nach außen offenen Umfangsnut eines Ringes aufgenoirjnen ist, der auf eine Riffelung auf der Welle 22 in Preßsitz aufgepaßt ist. Der zylindrische Permanentmagnet 44 weist an seiner zylindrischen Umfangsflache insgesamt magnetische Pole abwechselnd entgegengesetzter Polarität auf. Es sind somit acht Nordpole N und acht Südpole S in gleichen Abständen voneinander mit abwechselnd entgegengesetzter Polarität vorhanden. Wenn die Welle 22 rotiert, rotiert auch der Permanentmagnet 44 mit ihr.

Innerhalb der Erweiterung 42 befindet sich ferner ein magnetisch betätigbarer Halbleiterschalter 48 in Anlage gegen den Permanentmagneten 44 dergestelt, daß dessen Pole fortgesetzt in und außer Deckung mit einer induktionsempfindlichen Fläche 5o des Halbleiterschalters 48 gelangen, wenn der Permanentmagnet 44 rotiert. Der magnetisch betätigbare Schalter 48 ist in Fig. 3 perspektivisch dargestellt und weist, wie ersichtlich, die vorerwähnte induktionsempfindliche Fläche 5o auf, die auf eine vorbestimmte magnetische Induktion dahingehend anspricht, daß sich der Ausgang einer in dem Halbleiterschalter enthaltenenintegrierten Schaltung von einem ersten in einen zweiten Zustand elektrischer Leitfähigkeit ändert, wenn der Halbleiterschalter an eine elektrische Energiequelle angeschlossen ist. Der magnetisch steuerbare Halbleiterschalter kann beispielsweise ein handelsüblicher Schalter Typ 512SS der MICRO SWITCH Division der Fa. Honeywell, Inc. in Freeport, Illinois, V.St.A. sein. Derartige Halbleiterschalter verwenden ein Hall-Effektelement zur Erzeugung

609831 /0838 Fo 8678/3.9.1975

der umschaltung eines integrierten Kreises in Abhängigkeit vom Vorhandensein eines magnetischen Flusses vorbestimmter Induktion durch die Fläche 5o des Schalters aus. Charakteristischerweise enthält der magnetisch steuerbare Schalter einen Ausgangstransistor, der von einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand umschaltet, wenn die magnetische Induktion durch die Fläche 5o eine vorbestimmte Höhe von beispielsweise 43o Gauß erreicht. Der Halbleiterschalter hält dann dem leitenden Zustand seines Ausgangstransistors aufrecht, bis die magnetische Induktion auf einen Betrag von beispielsweise 26o Gauß absinkt.

Der magnetisch steuerbare Halbleiterschalter 48 ist mit Anschlußkleranen 52, 54 und 56 versehen. Die Klemme 52 ist über eine Leitung 58 an eine +12 Volt Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die Klemme 54 ist über eine Leitung 6o mit dem einen Ende eines Ladewiderstandes 62 verbunden, dessen anderes Ende 24 an Masse liegt. Das Ausgangssignal des magnetisch steuerbaren Halbleiterschalters 48 wird von der Leitung 6o abgegriffen und ist ein Rechteckwellensignal, wie es in Fig. 2 bei 66 angedeutet ist. Diese Impulswelle hat eine Frequenz proportional der Drehzahl des Permanentmagneten 44, der auf der Welle 22 dreht. Die Klemme 56 des Halbleiterschalters 48 ist umgebolgen und mit der Masse des Fahrzeugs durch Deformation zweier die Klemme zwischen sich aufnehmender Zapfen 68 verbunden. Die Zapfen 68 sind vorzugsweise an das Gehäuse 2o angegossen. Die Leitungen 58 und 6o treten in die Erweiterung 42 innerhalb des Gehäuses 2o durch eine im wesentlichen ringförmige und vorzugsweise aus Gummi bestehende Dichtung 7o ein. Ein mit Gewinde versehenes Kupplungsglied 72 übergreift das Gehäuse 2o zur Ausübung eines Druckes auf die Dichtung 7o und damit einem Verschließen der Erweiterung 42. Das Kupplungsglied 72 kann für den Anschluß einer Tachometerwelle verwendet werden. Zu diesem Zweck kann eine herkömmliche Tachometerwelle mit

609831 /0838 Fo 8678/3.9.1975

einem vierkantförmigen Ende in eine Vierkantöffnung 74 am oberen finde der Welle 22 eingesetzt werden. Das Ausgangssignal des magnetisch steuerbaren Halbleiterschalters 48 kann zur Erzeugung der elektronischen Anzeige der Fahrzeuggeschwindigkeit oder anderen Winkelgeschwindigkeitsanzeigen verwendet werden.

Der vorgeschriebene Signalgeber ist sehr klein in seinen Abmessungen, und es ist ein verhältnismäßig großes magnetisches Feld erforderlich, um eine zuverlässige Betätigung des magnetisch steuerbaren Halbleiterschalters 48 sicherzustellen. Es ist sehr schwierig, einen Magneten 44 zu bekommen, der eine ausreichend hohe Feldstärke zur Sicherstellung einer zuverlässigen Betätigung des Halbleiterschalters besitzt. Aus diesem Grunde enthält der Signalgeber als entscheidendes Merkmal der Erfindung einen zusätzlichen stabförmigen Permanentmagneten 76 mit der in Fig. 1 und 2 mit N und S angegebenen Polarität. Der magnetisch gesteuerte Halbleiterschalter 48 befindet sich zwischen dem Permanentmagneten 76 und dem rotierenden Permanentmagneten 44. Wenn die Nord- und Südpole des Permanentmagneten 44 nacheinander in und außer Deckung mit der induktionsempfindlichen Fläche 5o des Halbleiterschalters 48 gelangen, unterstützt entweder das vom Permanentmagneten 76 erzeugte magnetische Feld, das gegenüber dem Gehäuse 2o festliegt, das von dem drehenden Permanentmagneten 44 erzeugte Feld oder wirkt diesem entgegen.

Fig. 4 veranschaulicht schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise eines magnetisch betätigbaren elektrischen Signalgebers nach dem Stand der Technik, bei welchem allein der Permanentmagnet 44 mit dem Halbleiterschalter 48 zusammenwirkt. Aus Fig. 4 läßt sich entnehmen, daß sich die magnetischen Kraftlinien 8o zwischen den Nord- und Südpolen des Permanentmagneten 44 erstrecken. Wenn dieser

609831/08 3 8 Fo 8678?3.9.1975

Permanentmagnet 44 rotiert, ändert sich die magnetische Induktion durch die Fläche 5o des Halbleiterschalters 48 in ihrer Größe und Richtung und bewirkt, daß der Halbleiterschalter, wenn er an die erforderliche Versorgungsspannung angeschlossen ist, ständig von einem Niveau der Ausgangsspannung zu einem anderen wechselt und umgekehrt. Ein zuverlässiger Betrieb erfordert jedoch, daß die magnetische Induktion durch die Fläche 5o ausreichend hoch ist, und dies läßt sich mit einem Signalgeber kleiner Abmessung nur schwer erreichen.

Hier schafft die Erfindung gemäß der Darstellung in den Fig. 5 und 6 Abhilfe. Aus Fig. 5 läßt sich ersehen, daß, wenn einer der Nordpole vor der induktionsempfindlichen Fläche 5o des Halbleiterschalters 48 steht, der Nordpol des festen Permanentmagneten 76 ein magnetisches Feld erzeugt, welches dem Permanentmagneten 44 entgegengerichtet ist. Demzufolge tritt, sofern überhaupt, nur ein sehr kleiner magnetischer Fluß durch die Fläche 5o des Halbleiterschalters 48 hindurch. Wenn hingegen der Permanentmagnet 44 in die in Fig. 6 gezeigte Stellung weitergedreht hat, in welcher ein Südpol S vor der induktionsempfindlichen Fläche So des Halbleiterschalters 48 steht, dann unterstützt der von dem Permanentmagneten 76 erzeugte magnetische Fluß das von dem Permanentmagneten 44 erzeugte Feld, und es tritt durch die Fläche 5o des Halbleiterschalters 48 ein magnetischer Fluß mit sehr hoher Induktion. Die funktioneilen Unterschiede zwischen der Anordnung nach Fig. 4 im Vergleich zu der nach Fig. 5 und 6 gehen aus dem Diagramm nach Fig. 7 hervor, aus dem entnommen werden kann, daß die magnetische Induktion mit dem Vorspannmagneten 76 viel größer als ohne diesen ist. Beispielsweise läßt sich ersehen, daß die magnetische Induktion durch die Fläche 5o des Halbleiterschalters (Hall-Elements) auf einen Scheitel-

609831/0838 FO 8678/3.9.1975 "r

wert von etwa 25oo Gauß weit über den typischen Wert von 43o Gauß ansteigt, wie er zur Betätigung des Halbleiterschalters 48 erforderlich ist. Auch läßt sich ersehen, daß bei der bisher bekannten Anordnung ohne den zweiten Vorspannmagneten 76 zwischen den oberen und den unteren Scheitelwerten nur sehr geringe Unterschiede vorhanden sind, die dazu führen können, daß die magnetische Induktion unterhalb des Wertes bleibt, wie er zur Betätigung des Halbleiterschalters erforderlich ist.

Obgleich die Magneten 44 und 76 als Permanentmagneten gezeigt und beschrieben worden sind, können ebenso Elektromagneten verwendet werden. Darüber hinaus sind auf verschiedene Weise Abänderungen des vorbeschriebenen elektrischen Signalgebers im Rahmen der Erfindung möglich.

Patentansprüche /

Fo 8678/3.9.1975

609831/0838

Claims

- 1ο -

Patentansprüche

Jy Magnetisch betätigbarer elektrischer Signalgeber, insbesondere zur Erzeugung von elektrischen Impulsen proportional einer mechanisch aufgegebenen Drehzahl, bestehend aus einem magnetisch steuerbaren Halbleiterschalter mit einer induktionsempfindlichen Fläche, an welcher die gegensinnigen Pole eines ersten Magneten mechanisch vorbeibewegbar sind, gekennzeichnet durch einen zweiten Magneten (76), welcher derart fest in bezug auf den Halbleiterschalter (48) angeordnet ist, daß sein Magnetfeld im Bereich der induktionsempfindlichen Fläche (5o) dem Magnetfeld des ersten Magneten (44) entgegenwirkt, wenn ein erster Pol desselben der induktionsempfindlichen Fläche (5o) zugewandt ist, und das Magnetfeld des ersten Magneten (44) unterstützt, wenn ein entgegengesetzter Pol desselben der induktionsempfindlichen Fläche (2o) zugewandt ist.
2. Impulsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Magnet (76) ein stabförmiger Permanentmagnet ist.
3. Impulsgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Magnet (76) auf der dem ersten Magneten (44) abgewandten Seite der induktionsempfindlichen Fläche (5o) des Halbleiterschalters (48) angeordnet ist.
4. Impulsgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnet (44) ein zylindrischer Permanentmagnet ist, an dessen Außenumfang eine Vielzahl abwechselnd gegensinniger Pole ausgebildet ist.

Fo 8678/30.1o. 1975 6 0 9 8 3 1/0838

• ' 2533548
5. - Impulsgeber nach Anspruch A, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Magnet (44) auf einer drehbaren Welle (22) innerhalb eines Gehäuses (2o) angeordnet ist, in welchem der Halbleiterschalter (48) und der zweite Magnet (76) befestigt sind.
6. Impulsgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (22) einen Ring .(46) mit einer radial offenen Umfangsnut trägt, welche den ersten Magneten (44) aufnimmt.

^{FO 8678} ; 609831/0838