DE2815360A1

DE2815360A1 - Lagendetektor mit halleffekt

Info

Publication number: DE2815360A1
Application number: DE19782815360
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Ricouard; Bruno Schorter
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-04-20
Filing date: 1978-04-10
Publication date: 1978-10-26
Also published as: GB1603230A; SE7804286L; FR2388248B1; JPS6021322B2; DE2815360C2; IT7867861A0; JPS53131859A; FR2388248A1; IT1109665B; US4204158A

Description

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Va/GROE/GK

R V Philips' eioeitampenfabrieken, Eindhoven Z 8 ΐ 5 3 6 O

"Lagendetektor mit Halleffekt"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lagendetektor mit Halleffekt, der eine feste magnetische Erregerschaltung für den verwendeten Kristall mit Halleffekt enthält, die mit einem bewegbaren sich in unmittelbarer Nähe des genannten .Detektors verschiebenden Teil zusammenarbextet und weich-magnetische Elemente enthält, die während ihrer Verschiebungsbewegung abwechselnd auf der einen bzw. der anderen Seite der Symmetrieachse des Lagendetektors angeordnet sind, wobei das Ende eines auf der einen Seite dieser Achse liegenden weichmagnetischen Elements genau mit dem Anfang eines auf der anderen Seite der genannten Symmetrieachse liegenden weichmagnetischen Elements zusammenfällt.

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Aus einem Aufsatz mit dem Titel: "Kontaktloser Signalgeber mit berührungsloser Betätigung durch Eisenteile" (Detektor ohne auf die Nähe von Eisenteilen ansprechende Kontakte), veröffentlicht in der deutschen Zeitschrift "Elektrotechnische Zeitschrift" A, Band 83^ Nr. 11, vom 21. Mai I962, S. 367-372, ist ein Beispiel eines Lagendetektors bekannt, bei dem ein Kristall mit Halleffekt und eine magnetische Erregerschaltung mit zwei parallel angeordneten Dauermagneten verwendet werden, und in dem die Verschiebung eines Eisenteiles vor den beiden Magneten in einer Richtung entsprechend der Orientation der vorderen Polflächen der genannten Magnete zu gewissen Zeitpunkten eine Inversion der Querkomponente des Magnetfeldes herbeiführt, wobei diese Komponente in bezug auf den Kristall mit Halleffekt die Nutzkomponente ist.

Der in diesem Aufsatz beschriebene Detektor '"war dazu bestimmt, ohne strenge Anforderungen in bezug auf die Genauigkeit die Querverschiebungen von Untergestellen anzuzeigen, die je die Karosserie eines Automobils längs eines horizontalen Förderers grosser Länge abstützen.

Die Genauigkeit der Lagendetektion, die durch die in diesem Detektortyp angewandten Massnahmen erhalten wird, kann nicht besonders gross sein, und diese Massnahmen, die für eine longitudinale Translationsbewegung angewandt wurden, können nicht dazu benutzt werden, mit grosser Genauigkeit bestimmte Winkellagen eines sich

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schnei drehenden Teiles, wie die Kurbelwelle eines Innen— Verbrennungsmotors, anzuzeigen.

Die Anmelderin hat ein anderes Verfahren zum Erhalten der Inversion der· Nutzkomponente des auf eine Anordnung mit Halleffekt einwirkenden Magrietfeldes vorgeschlagen, das sich insbesondere dazu eignet, mit grosser Genauigkeit Lagen sich drehender Teile anzuzeigen. Dieses Verfahren ist in einer deutschen Offenlegungsschrift Nr. 2.65Ο.499 beschrieben.

Das von der Arimelderin vorgeschlagene Verfahren besteht darin, dass mit dem bewegbaren Teil, von dem mit Genauigkeit der Durchgang durch besondere bestimmte Lagen angezeigt werden soll, ein Zusatzteil zusammengebaut wird, der weichmagnetische Elemente enthält, die abwechselnd auf der einen bzw. der anderen Seite der Symmetrieachse der Detektionsvorrichtung angeordnet sind, wobei das Ende eines auf der einen Seite dieser Achse liegenden weichmagnetischen Elements genau mit dem Anfang eines auf der anderen Seite der genannten Symmetrieachse liegenden weichmagnetischen Elements zusammenfällt, und wobei die durch die Bewegung herbeigeführte Verwechselung eines auf einer Säte in geringer Entfernung von dem Kristall mit Halleffekt passierenden weichmagnetischen Elements gegen ein anderes auf der anderen Seite in ge— ringer Entfernung von dem genannten Kristall mit Halleffekt passierendes weichmagnetisches Element zu einer Inversion der Richtung der wirksamen Komponente des erregenden Magnetfeldes des Kristalls mit Halleffekt führt,

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welches Feld von einer festen magnetischen Erregerschaltung erzeugt wird.

Dieses Verfahren, das für die Anzeige besonderer Winkellagen sich schnell drehender Teile besonders geeignet ist, weil es die Anwendung statisqh und dynamisch ausgewuchteter bewegbarer Teile ermöglicht, kann auch für eine geradlinige Bewegung vollführende Teile verwendet
werden.

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft einen Lagendetektor mit Halleffekt, bei dem das in der obengenannten DE-OS 26 50 k99 beschriebene und oben angeführte Verfahren angewandt wird.

Die Erfindung bezweckt u.a. die bereits sehr
grosse Genauigkeit der Detektion der auf demselben Prinzip basierenden und in der vorgenannten Patentanmeldung
beschriebenen Lagendetektoren zu verbessern.

Weiter bezweckt die Erfindung, durch eine ein-' fächere Struktur die Herstellung dieser Detektoren zu

erleichtern.

Nach der Erfindung ist ein Lagendetektor mit

Halleffekt, der eine feste magnetische Erregersehaltung
für den verwendeten Kristall mit Halleffekt enthält, die mit einem bewegbaren sich in der unmittelbaren Nähe des
genannten Detektors verschiebenden Teil zusammenarbeitet und weichmagnetische Elemente enthält, die während ihrer Verschiebungsbewegung abwechselnd auf der einen bzw. der anderen Seite der Symmetrieachse des Lagendetektors angeordnet sind, wobei das Ende eines auf der einen Seite

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dieser Achse liegenden weichmagnetischen Elements genau mit dem Anfang eines auf der anderen Seite der genannten Symmetrieachse liegenden weichmagnetischen Elements zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Erregerschaltung durch einen einzigen Dauermagnet gebildet wird, von dem eine Polfläche, die in Richtung auf den bewegbaren Teil orientiert ist, mit zwei symmetrischen weichmagnetischen Polschuhen versehen ist, zwischen denen ein enger Luftspalt vorgesehen ist, in dem der verwendete Kristall mit Halleffekt angeordnet ist.

Eines der überraschenden und unerwarteten Aspekte der Erfindung und dieser Ausführungsform ist, dass sie nicht nur besonders einfach ist, sondern dass auch durch die Anwendung zweier identischer auf derselben PoI-fläche eines Dauermagnets befestigter Polschuhe dennoch eine Inversion der Querkomponente des auf den Kristall mit Halleffekt einwirkenden Magnetfeldes erhalten werden 'kann, dadurch, dass gegen ein in der unmittelbaren Nähe eines der Polschuhe liegendes weichmagnetisches Element ein anderes in der Nähe des anderen Polschuhes liegendes weichmagnetiches.Element verwechselt wird.

Die Anwendung eines einzigen Magnets für die Erregung des Kristalls mit Halleffekt bietet technische Vorteile wegen einer grösseren Homogenität der Magnetflussquellen als beim Vorhandensein zweier gesonderter Dauermagnete, die je mit einem Polschuh zusammenarbeiten: Infolge der möglichen Streuung der Eigenschaften zweier grundsätzlich identischer Dauermagnete aus einer bestimm-

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ten Produktionsserie und in noch grösserem Masse aus verschiedenen Produktionsserien ist das magnetische Gleichgewicht einer durch einen einzigen Magnet gebildeten Erregerschaltung (wobei das Gleichgewicht durch die Kleinheit der magnetischen Querkomponente beim Fehlen störender weichmagnetischer Elemente ausgedrückt wird) erheblich besser als das der durch zwei gesonderte Magnete gebildeten Erregerschaltungen.

Die mephanische Ausführung des Lagendetektors wird auch vereinfacht und erleichtert, wenn nur ein einziger Erregermagnet vorhanden ist.·

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Lagendetektors liegen die Stützflächen der zwei symmetrischen weichmagnetischen Polschuhe auf der Polfläche des Erregermagnets in einem Abstand voneinander, der zwischen der Breite der genannten Stützflächen und der Hälfte dieser Breite liegt, wobei der 'enge Luftspalt, in dem der verwendete Kristall mit Halleffekt angeordnet ist, zwischen Polfacetten geringen Flächeninhalts vorgesehen ist, die einander gegenüber liegen und mit dem Körper des entsprechenden Polschuhes über einen Teil verbunden sind, der im grossen ganzen die Form eines Kegelstumpfes aufweist.

Eine derartige Ausführungsform sichert jedem der Polschuhe eine gewisse "magnetische Unabhängigkeit" gegenüber dem anderen Polschuh und eine Konzentration des transversalen Magnetflusses auf dem Pegel des engen zwischen den Polfacetten vorgesehen Luftspaltes, und so-

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mit eine Vergrösserung der Querkomponente des (den Kristall mit Halleffekt erregenden) Magnetfeldes, wobei übrigens alle Bedingungen gleichbleiben, was für die Empfindlichkeit der Lagendetektion und für die Genauigkeit der genannten Detektion günstig ist. ,^

Weiter ist es günstig, den vorderen Teil der Polschuhe in Form eines Trapezes mit abgestumpften Rändern auszuführen, in das die Basis des im grossen ganzen kegelstumpfförmigen Teiles einbeschrieben wird, der die Polfacette mit dem Körper des Polschuhes verbindet, wobei durch diese Massnahme die magnetischen Streuverluste von den genannten Polschuhen her zu dem zweiten Pol des Dauermagnets herabgesetzt werden.

Vorteilhafterweise ist der einzige Erregermagnet aus einem harten magnetischen Material geringer Permeabilität, wie einem Ferrit auf Basis eines der Elemente aus der Gruppe von Barium und Strontium, hergestellt. '•Diese Ferrite weisen eine gute Stabilität beim Vorhandensein eines starken Entmagnetisierungsfeldes auf und ihre geringe Permeabilität erleichtert die Erhaltung einer gewissen magnetischen Unabhängigkeit der beiden Polschuhe, die den vorderen Teil des Lagendetektors mit Halleffekt nach der Erfindung bilden.

Nach einer vorteilhaften Massnahme ist die zweite Polfläche des einzigen Erregermagnets mit einem einzigen flachen weichmagnetischen Polschuh mit einer geringen Dicke in bezug auf die Höhe des Magnets in seiner Magnetxsationsrichtung versehen, wobei dieser flache Pol-

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schuh an zwei seiner Enden mit einem kleinen magnetischen Nebenschluss versehen ist, der einstellbar ist und sich auf regelbare Weise in Richtung des vorderen Polschuhs erstreckt, der auf der ersten Polfläche des Magnets senkrecht zu dem betreffenden Ende des genannten flachen einzigen Polschuhs angeordnet ist.

Ein derartiger flacher Polschuh setzt die Gesamtreluktanz der magnetischen Erregerschaltung und somit die Grosse des an den erregenden Dauermagnet angelegten Entmagnetisierungsfeldes herab. Die kleinen regelbaren magnetischen Nebenschlüsse ermöglichen es, alle kleinen Unvollkommenheiten auszugleichen, die sich in der Ausführung der Auffangvorrichtungen nach der Erfindung ergeben, wie geringe Symmetrieunvollkommenheiten in dem mechanischen Gebilde der die magnetische Schaltung bildenden Teile, ein kleiner Mangel an "magnetischer" Homogenität des Erregermagnets, und eine sehr geringe Vernetzung (als "offset" über bestimmte Höhen bezeichnet) der von dem Halbleiterkristall mit Halleffekt gelieferten Hallspannung. Durch eine geeignete Einstellung der Lage eines der kleinen magnetischen Nebenschlüsse können diese geringen Fehler leicht korrigiert und kann der Lagendetektor nach der Erfindung leicht magnetisch und elektrisch symmetrisch gemacht werden, was sich, je nach den Bedingungen, durch eine drastische Beseitigung der Querkomponente des Magnetfeldes in dem engen Luftspalt, in dem der Kristall mit Halleffekt angeordnet ist, oder durch das Anlegen einer sehr kleinen Querkomponente ge-

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eigneter Grosse und Richtung bemerkbar macht.

Vorteilhafterweise ist der erregende Dauermagnet an seinen zwei Enden mit einer mittleren Nut versehen, die mit dem kleinen einstellbaren magnetischen Nebenschluss zusammenarbeiten kann, der an demjenigen Ende des einzigen flachen Polschuhes angeordnet ist, das dem betreffenden Ende des Erregermagnets entspricht. Durch eine derartige Massnahme wird die Zweckmässigkeit der magnetischen Nebenschlüsse verbessert und kann zugleich der Gesamtumfang der Detektionsvorrichtung herabgesetzt werden, indem der Durchmesser des äusseren Tangentialkreises der Vorrichtung verringert wird.

Die Untersuchungen, die zu der Erfindung geführt haben, haben ergeben, dass es in bezug auf die weichmagnetischen Elemente, die von dem bewegbaren Teil abgestützt werden, vor dem der Lagendetektor nach der Erfindung angeordnet ist, günstig ist, eine geringe Versetzung zwischen dem Ende eines auf einer Seite der Symmetrieachse des Detektors liegenden weichmagnetischen Elements und dem Anfang eines auf der anderen Seite der genannten Symmetrieachse liegenden weichmagnetischen Elements vorzusehen: die Geschwindigkeit der Aenderung der magnetischen Induktion in dem Luftspalt, in dem der Kristall mit Halleffekt angeordnet ist, als Funktion der Verschiebung der genannten weichmagnetischen Elemente ist dann grosser als wenn das Ende eines weichmagnetischen Elements und der Anfang des nächstfolgenden weichmagnetischen. Elements genau zusammenfallen.

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Wenn der bewegbare Teil ein sich drehender Teil ist, wird also eine sehr geringe Winkelverschiebung zwischen dem Ende eines weichmagnetischen Elements und dem Anfang des nächstfolgenden Elements vorgesehen; der sich drehende Teil ist dann wenigstens teilweise aus einem weichmagnetischen Material hoher Permeabilität hergestellt. Die äussersten Teile des sich drehenden Teiles werden durch weichmagnetische Elemente gebildet, die nacheinander vor dem Lagendetektor passieren, und zwar ein erstes vor einem der Polschuhe und das nächstfolgende vor dem anderen Polschuh, wodurch in dem Luftspalt zwischen den genannten Polschuhen aufeinanderfölgende entgegengesetzt gerichtete magnetische Induktionen erzeugt werden.

Die für den sich drehenden Teil kennzeichnenden Winkellagen, die mit einer grossen Genauigkeit detektiert werden, sind diejenigen, die der Verwechselung eines weichmagnetischen Elements gegen ein anderes weichmagnetisches Element entsprechen, welche Verwechselung mit einer sehr schnellen Aenderung der Richtung der magnetischen Induktion in dem vorgenannten Luftspalt einhergeht,

Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Ansicht einer Ausführungsform eines Lagendetektors nach der Erfindung in einem sehr beschränkten Schnitt, und zwar in einem Teilschnitt längs der Linie I-I der Fig. 2, wobei diese Ansicht auch die Lage der weichmagnetischen Elemente zeigt, die sich in

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der unmittelbaren Nähe des dargestellten Lagendetektors verschieben;

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Lagendetektors nach Fig. 1, von der linken Seite her gesehen; Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Lagendetektor nach Fig. 1; in dieser Draufsicht sind annahmeweise die weichmagnetischen Elemente transparent und ihre Kraftlinien sind durch gestrichelte Linien angedeutet;

Fig. 4 ist eine isometrische Projektion einer Ausführungsform eines sich drehenden Teiles, der wenigstens teilweise aus einem weichmagnetischen Material hoher Permeabilität hergestellt ist und mit einem Lagendetektor nach der Erfindung zusammenarbeiten kann; diese Ansicht ist in einem etwas verkleinerten Masstab und in einem viel kleineren Masstab als die Figuren 1, 2 und 3 dargestellt;

Fig. 5 ist eine Ansicht der magnetischen Erregerschaltung des Lagendetektors nach Fig. 1, wobei die Streuverluste und die ¥irkung der magnetischen Nebenschlüsse beim Fehlen störender vorderer weichmagnetischer Elemente schematisch dargestellt sind;

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht der magnetischen Erregerschaltung nach Fig. 5> wobei die Aenderung der Kraftlinien der Magnetfelder schematisch dargestellt 2.5 ist und in diesem Falle von einem weichmagnetischen Element in der Nähe des linken Polschuhes erzeugt wird, und

Fig. 7 ist eine der nach Fig. 6 analoge Ansicht, wobei jedoch ein weichmagnetisches Element in der Nähe

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des rechten Polschuhes der magnetischen Erregerschaltung dargestellt ist.

Die magnetische Schaltung des Lagendetektors nach Fig. 1 wird durch vier Hauptteile gebildet, und zwar einen Dauermagnet 10, der die Form eines rechteckigen Parallelepipeds aufweist, dessen vier Ecken abgerundet sind und das mit zwei seitlichen Nuten versehen ist; zwei symmetrische Polschuhe 11 und 12, die auf der vorderen Polfläche des Magnets 10 befestigt sind, und einen flachen Polschuh 13, der auf der hinteren Polfläche des genannten Magnets befestigt ist.

Die unterschiedlichen Polschuhe werden vorteilhafterweise auf dem Dauermagnet 10 festgeklebt; dabei können Kleber verwendet werden, die nur einen ziemlich kurzen Aufenthalt der Teile in einer geeigneten Lehre erfordern (zwischen z.B. 15 Sekunden und 10 Minuten); diese Kleber können Stoffe auf Basis von Epoxydharzen oder auf Basis von Cyanoacrylatestern, wie Aethyl- und Methylcyanoacrylatestern, sein.

Unter den zu der ersten Gattung gehörigen Erzeugnissen können erwähnt werden: die Kleber, die unter den Bezeichnungen 60I (B'ocpresse Super Rapide) und 602 von der Societe Loctite Corporation vertrieben werden, während unter den zu der zweiten Gattung gehörigen Er-Zeugnissen die unter den Bezeichnungen IS 407> IS hik und IS 496 von der Societe Loctite Corporation vertriebenen Klebemittel erwähnt werden können.

In Richtung auf die Symmetrieachse des Lagen-

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detektors enden die Polschuhe 11 und 12 in einer Polfacette 14 bzw. in einer Polfacette I5. Die Polfacette 14 ist mit dem Körper des Polschuhes 11 über einen Teil 16 verbunden, der im grossen ganzen die Form eines Kegelstumpfes aufweist; auf entsprechende Weise ist die Polfacette I5 mit dem Körper des Polschuhes 12 über einen Teil I7 verbunden, der im grossen ganzen die Form eines Kegelstumpfes aufweist.

Eine integrierte Schaltung 18 mit einem Kristall mit Halleffekt, der derart angeordnet ist, dass er sich in dem mittleren Teil des Luftspaltes befindet, der zwischen den Polfacetten 14 und I5 vorgesehen ist, ist in dem genannten Luftspalt angeordnet; die integrierte Schaltung 18 enthält Verstärkerstufen und eine Ausgangsstufe mit zwei stabilen Gleichgewichtslagen; der Ueber— gang von einer zu der anderen dieser Lagen hat den Charakter einer Kippbewegung und erfolgt ausserordentlich

schnell.

Der hintere flache Polschuh 13 ist mit zwei kleinen Schrauben 19 und 20 aus Weich- oder Halbhartstahl versehen, die zwei regelbare magnetische Nebenschlüsse bilden, die durch Festdrehen in eine der in dem mittleren Teil zweier der Seitenflächen des Dauermagnets 10 vorgesehenen Nuten eingeführt werden können. In Fig. 1 und in Fig. 2 ist die Schraube 19 teilweise in einer der vorgenannten Nuten, die mit 21 bezeichnet ist, festgeschraubt, während das obere Ende der Schraube 2O auf dem Pegel der unteren Polfläche (der hinteren Polfläche) des

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Dauermagnets 10 liegt.

Jn den Figuren 1 und 2 sind auch teilweise weichmagnetische Elemente 22 und 23 dargestellt, die mechanisch ein Ganzes mit dem bewegbaren Teil bilden, dessen Durchgang durch besondere genau definierte Lagen mit Genauigkeit, aber ohne mechanischen oder elektrischen Eontakt, detektiert werden soll. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der bewegbare Teil ein sich drehender Teil, während die Ränder der weichmagnetischen Elemente 22 und 23 kreisförmig sind und den gleichen Radius aufweisen.

Wenn der Durchgang eine geradlinige Bewegung vollführender Teile durch besondere Lagen detektiert werden soll, sind die Ränder der genannten Teile geradlinig und zu der Bewegungsrichtung parallel.

Die weichmagnetischen Elemente 22 und 23 sind in der Lage dargestellt, die während der Aßnderung der Querrichtung des Magnetfeldes in dem zwischen den Polfacetten 14 und 15 vorhandenen Luftspalt dem Zeitpunkt entspricht, zu dem das Quermagnetfeld gleich Null ist.

Der vordere Teil der Polschuhe 11 und 12 weist eine in Fig. 2 deutlich sichtbare Trapezform auf, die durch das Vorhandensein zweier schräger Flächen 2k und 25 an dem oberen Teil der genannten Polschuhe erhalten ist. Die aus einem plastischen Werkstoff gepresste iso-? lierende Umhüllung der integrierten Schaltung 18 ragt zu beiden Seiten der Polschuhe 11 und 12 heraus. Die unterschiedlichen Anschlussfahnen 26 der Schaltung 18 er-

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möglichen es, die Speiseleiter der Schaltung und die Leiter, denen die Signale entnommen werden, festzulöten.

In Fig. 3 ist der Lagendetektor nach der Erfindung dargestellt, der sich innerhalb eines Rohres 27 befindet, das durch punktierte Linien angedeutet ist und aus einem unmagnetischen Metall, wie Aluminium, besteht; die Weise, in der ein solcher Detektor in dem Rohr 27 angeordnet sein kann, ist deutlich gezeigt.

Der Oberrand des Rohres 27 liegt auf dem gleichen Pegel wie die obere Fläche 28 der Polschuhe. Die Abzweigungsleiter der integrierten Schaltung 18 werden festgelötet, bevor der Detektor in dem Rohr 27 angeordnet wird, und das genannte Rohr wird anschliessend mit einem Epoxydharz gefüllt, das mit Aluminiumoxidpulver beladen und getönt wird.

So wird eine Detektionsvorrichtung erhalten, die. nicht zerbrechlich ist und deren Befestigung und Betriebslageneinstellung einfach sind.

Fig. h zeigt einen sich drehenden Teil ^jO, bei dem die Winkellage der herausragenden weichmagnetischen Elemente der Deutlichkeit der Zeichnung halber nicht der Lage der in den Figuren 1 und 2 gezeigten weichmagnetischen Elemente entspricht. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. h wird der Teil 4P durch Zusammenbauzweier elementarer identischer Teile 4i und kz auf einem zylindrischen Zwischenteil 43 erhalten.

Der Teil 4i enthält zwei herausragende symmetrische Elemente 22 und 22B, deren kreisförmige Ränder

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sich über einen etwas unter 100° liegenden Winkel, z.B. 9915° für einen Aussendurchmesser von etwa 120 mm, erstrecken und die mit dem kreisförmigen mittleren Teil des Teiles 4i durch radiale Ränder, wie 44 und 45» verbunden sind.

Der mit dem Teil 41 identische Teil 42 enthält herausragende symmetrische Elemente 23 und 23B, deren Achsen einen Winkel von 100° mit den Achsen der herausragenden Elemente 22 und 22B des Teiles 41 einschliessen, was zur Folge hat, dass die radialen Ränder der herausragenden Elemente 22, 23, 22B und 23B paarweise einen gegenseitigen Winkelabstand aufweisen, der im vorliegenden Beispiel 0,5° beträgt.

Die Teile 41 und 42 sind z.B. aus Weichstahl- oder Extraweichstahlblech geeigneter Dicke hergestellt und direkt durch Schneiden mit Hilfe eines geeigneten Schneidewerkzeugs gebildet. Der Zwischenteil 43 kann aus magnetischem Material (z.B. Weichstahl oder Extraweichstahl) oder aus unmagnetischem Material (z.B. aus Aluminium oder aus Duralumin) bestehen. Je nach der Art des Materials des Zwischenteiles 43 kann der Zusammenbau der Teile z.B. durch elektrisches Punktschweissen oder durch Nieten erfolgen.

Der in Fig. 4 gezeigte Teil ^0_ dient dazu, vier Inversionen der Richtung des Quermagnetfeldes in dem Luftspalt, in dem der Kristall mit Halleffekt der integrierten Schaltung 18 angeordnet ist, pro Umdrehung der den genannten Teil abstützenden Welle zu erzeugen, was z.B.

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der genauen Detektion der Lagen "oberer Totpunkt am Ende des Kompressionshubes" der vier Kolben eines Vierzylinder-Viertaktmotors entspricht, wenn sich der Teil kQ mit der Nockenwelle eines derartigen Motors mit der halben Geschwindigkeit der Kurbelwelle dreht.

Je nach ihren Betriebsbedingungen können die Teile, die eine gleiche Funktion wie der Teil 40 erfüllen, eine Struktur und eine Anzahl herausragender Elemente aufweisen, die von denen des dargestellten Ausführungsbeispiels verschieden sind: Für dieselbe Anwendung und für einen direkt auf der Kurbelwelle des betreffenden Motors befestigten Teil könnten die den Teilen 4i und 42 entsprechenden Teile mit einem einzigen herausragenden Element versehen sein, das einen ¥inkel in der Grössen-

Ordnung von 199>5° statt eines Winkels von 99i5° beansprucht

Es ist besonders einfach, dxe Struktur eines Teiles, der eine gleiche Funktion wie der in Fig. 4 dargestellte Teil h0_ erfüllt, an die Lieferung der gewünschten Daten in bezug auf die besonderen Winkellagen anzupassen, die mit der erforderlichen Genauigkeit detektiert werden sollen.

Bei der Darstellung der Figuren 5, 6 und 7 ist angenommen, dass der vordere Polschuh des Dauermagnets 10 ein Nordpolschuh ist; es ist einleuchtend, dass die oben gegebenen Erläuterungen ebenfalls zutreffen, wenn der vordere Polschuh ein Südpolschuh ist; nur müsste dann die konventionelle Richtung des Magnetfeldes in dem Luftspalt, die definitionsgemäss von dem Nordpol zu dem Süd-

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pol geht, umgekehrt werden.

Die in Fig. 5 gezeigte magnetische Erregerschaltung befindet sich in der Ruhelage und es sind keine störenden weichmagnetischen Elemente in der Nähe des Polschuhes 11 und des Polschuhes 12 vorhanden; der zwischen der Polfacette 1^ und der Polfacette 15 vorgesehene Luftspalt (in dem die integrierte Schaltung 18 angeordnet ist, die mit einem Kristall mit Halleffekt versehen ist, wenn der Lagendetektor zusammengebaut ist) ist mit 50 bezeichnet.

Die respektiven Streuverluste zwischen dem Polschuh 11 und dem unteren Polschuh 13 einerseits und zwischen dem Polschuh 12 und dem unteren Polschuh 13 andererseits sind schematisch in Form zweier Bündel und 52 der Kraftlinien des zwischen den respektiven obengenannten Polschuhen vorherrschenden Magnetfeldes auf der Aussenseite der magnetischen Erregerschaltung darge-

stellt.

In einer magnetischen Erregerschaltung mit einer in mechanischer und magnetischer Hinsicht idealen Symmetrie ist die Querkomponente des Magnetfeldes in dem Luftspalt 50 (der in der Figur waagerecht ist) gleich Null und sind die gegebenenfalls in der senkrechten Symmetrieebene vorhandenen Komponenten selber gleich Null oder vernachlässigbar (und haben ausserdem keinen Einfluss auf das \⁷erhalten des Kristalls mit Halleffekt, weil sie in dessen Ebene liegen).

In einer praktischen magnetischen Erregerschal-

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tung ist ziemlich oft eine kleine Cuerkomponente des Magnetfeldes in der Ruhelage in dem Luftspalte 50 vorhanden; bei der Darstellung der Fig. 5 ist von einer Querkomponente ausgegangen, die von links nach rechts geht, wobei der Polschuh 11 die Neigung hat, einen Magnetfluss zu emittieren, der etwas grosser als der von dem Polschuh 12 emittierte Magnetfluss ist (infolge der Tatsache, dass der Polschuh 11 z.B. von dem linken Teil des Magnets 10 einen Magnetfluss empfängt, der etwas grosser als der Magnetfluss ist, den der Polschuh 12 von dem rechten Teil des genannten Magnets empfängt).

Zur Beseitigung dieser Querkomponente ist es genügend, die dem von dem Polschuh 11 emittierten Magnetfluss geleistete Reluktanz etwas herabzusetzen, dadurch, dass der magnetische Nebenschluss 19 festgeschraubt und in die in der Figur dargestellte Lage gebracht wird; Uebrigens überbrückt die Schraube 19 in geringem Masse den linken Teil des Magnets 10 und diese beiden Wirkungen sind ergänzend.

Wenn, mit einer vorderen Nordpolfläche für den Magnet 10, die Querkomponente des Magnetfeldes von rechts nach links orientiert ist, ist es genügend, die Schraube 19 loszudrehen (oder losgedreht zu halten) und die Schraube 20 festzudrehen, um diese Komponente zu beseitigen.

Nach Durchführung dieser Regelung werden die beiden Nebenschlusschrauben 19 und 10 vorteilhafterweise mittels eines Firnistropfens fixiert, es sei denn, dass

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sofort zum Einbetten in z.B. einem Epoxydharz übergegangen wird.

In Fig. 6 ist das weichmagnetische Element 22 in einer von der in den Figuren 1, 2 und 3 verschiedenen Winkellage dargestellt und liegt dem Polschuh 11 gegenüber und sehr nahe, während das weichmagnetische Element 23 weit von dem Polschuh 12 entfernt ist.

Unter diesen Bedingungen und infolge der niedrigen Reluktanz des vorderen Luftspaltes 61 zwischen dem Polschuh 11 und dem bewegbaren weichmagne tischen Element 22 wird die Pauschalreluktanz zwischen dem Polschuh 13 und dem Gebilde (11 + 22) in wesentlichem Masse in bezug auf die Reluktanz in der Ruhelage zwischen den Polschuhen 11 und 13 herabgesetzt: Infolgedessen wirkt der Mechanismus, mit dem in geringem Umfang durch die magnetischen Nebenschlüsse 19 und 20 in der Ruhelage eine kleine Querkomponente des Magnetfeldes in dem Luftspalt '50 beseitigt werden kann, nun in grossem Umfang, und zur Veranschaulichung lässt sich sagen, dass das Gebilde (Polschuh 11 + weichmagnetisches Element 22) über den Luftspalt 50 einen Bruchteil des Magnetflusses abführt, der von dem Magnet 10 an den Polschuh 12 geliefert und von diesem emittiert wi , was das Auftreten eines sehr beträchtlichen Magnetfeldes in dem genannten Luftspalt herbeiführt, das im Falle der Fig. 6 von rechts nach links orientiert ist.

Demzufolge wird der Magnetfluss, der direkt von dem Polschuh 12 zu dem rechten Teil des unteren Pol-

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schuhs 13 geht und durch das Bündel ^ZB der Kraftlinien des Magnetfeldes dargestellt ist, ebensoviel herabgesetzt, wobei der Magnetfluss, der von dem rechten Teil des Dauermagnets 10 an den Polschuh 12 geliefert wird, in erster Annäherung als genau konstant betrachtet werden kann,

vor allem wenn der Dauermagnet 10 aus einem Barium- oder Strontiumferrit hergestellt ist.

In Fig. 7 ist dargestellt, wie die Bündel der Kraftlinien des Magnetfeldes aussehen, wenn das weich-

magnetische Element 22 von dem Polschuh 11 entfernt ist und wenn das weichmagnetische Element 23 dem Polschuh gegenüber liegt. Ein Mechanismus, der zu dem eben an
Hand der Fig. 6 beschriebenen Mechanismus symmetrisch
ist, wird wirksam: Mit Hilfe des weichmagnetischen EIements 23 führt der Polschuh 12 einen Teil des Magnetflusses ab, der von dem linken Teil des Magnets 10 an den Polschuh 11 geliefert wird, wodurch in dem Luftspalt 50 eine Querkomponente des Magnetfeldes erzeugt wird, die von links nach rechts somit in einer der nach Fig. 6 entgegenge-

setzten Richtung, orientiert ist.

Aus Obenstehendem geht deutlich hervor, dass
die Verwechselung eines weichmagnetischen Elements, das einem der vorderen Polschuhe gegenüber liegt, gegen ein anderes weichmagnetisches Element, das dem anderen vorderen Polschuh gegenüber liegt, zum Zeitpunkt des Uebergangs mit einer Aenderung der Querkomponente des Magnetfeldes im Luftspalt 50 von einem Wert +H zu einem Wert —H, oder umgekehrt von einem Wert -H zu einem Wert +H, einher

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In der Nähe der Lage, die dem Nulldurchgang der Querkomponente des Magnetfeldes entspricht, ist die Kurve, die die Aenderung dieser Querkomponente als Funktion der Verschiebung der weichmagnetischen Elemente darstellt, genau geradlinig, während die Neigung dieser Kurve grösster ist, wenn ein kleiner Zwischenraum (oder eine kleine Versetzung) zwischen dem Ende eines weichmagnetischen Elements und dem Anfang des nächstfolgenden Elements, das auf der anderen Seite der Symmetrieachse des Lagendetektors liegt, vorgesehen wird.

Nur beispielsweise sei erwähnt, dass es möglich ist, wie folgt die Eigenschaften und Möglichkeiten einer Ausführungsform eines Lagendetektors nach der Erfindung zu präzisieren, der als Vorrichtung mit Halleffekt eine integrierte Schaltung benutzt, deren Kristall mit Halleffekt eine Nennspannung von 0,5 mV für ein Magnetfeld von 1.10 A/m liefert, wie dies für die integrierte Schaltung der Fall ist, von der von der Anmelderin Proben unter der Bezeichnung TC ^50 A geliefert werden und die ein Element mit Halleffekt enthält, das durch einen Differenzvorverstärker ergänzt wird, der sechs npn-Transistoren enthält.

Je nach der Polarität der Hallspannung und somit je nach der Richtung der waagerechten Komponente des Magnetfeldes im Luftspalt 50 ist der Ausgangstransistor des Endverstärkers der integrierten Schaltung entweder gesperrt oder leitend im Sättigungszustand von einem Wert der Hallspannung von etwa 0,4 mV her, wobei dieses Ver-

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halten auf die Anwendung einer Schwellenvorrichtung mit Kippwirkung zurückzuführen ist, die der unter der Bezeichnung "Schmitt-Kippschaltung" bekannten Vorrichtung verwandt ist, was ein schnelles und genaues Umkippen sichert, sogar wenn die Aenderung der Querkomponente des Magnetfeldes langsam ist.

Jm vorliegenden Beispiel ist der verwendete Magnet aus einem anisotropen Eisen-Strontiumferrit hergestellt, das von der Anmelderin unter der Bezeichnung "Ferroxdure 330" vertrieben wird, und die Abmessungen des Magnets sind folgende: Länge 12 mm, Breite 8 mm, Höhe 7 mm.

Die bewegbaren weichmagnetischen Elemente, die mit dem Detektor zusammenarbeiten, weisen eine Dicke von 2 mm auf und ihre Innenflächen befinden sich in Ebenen, die in einem gegenseitigen Abstand von 5 mm liegen; der Abstand zwischen dem Aussenrand der weichmagnetischen Elemente und der vorderen Facette der Polschuhe ist vorteilhafterweise 0,5 mm; die Tangentialverschiebung zwischen dem Ende eines weichmagnetischen Elements und

dem Anfang des nächstfolgenden auf der anderen Seite der Achse liegenden weichmagnetischen Elements ist 0,5 mm. Unter diesen Bedingungen ist im Luftspalt 50 eine Querkomponente des Magnetfeldes von 36.000 A/m ge— messen und die Neigung der Kurve, die die Aenderung der Intensität dieser Querkomponente als Funktion der Tangentialverschiebung der weichmagnetischen Elemente darstellt, ist, wenn sich diese Elemente in der in Fig. 2 darge-

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stellten Lage befinden, 20.000 A/m pro mm Verschiebung. Die Genauigkeit der Detektion des Durchgangs der weichmagnetischen Elemente in der Lage nach Flg. 2 ist, wie gefunden wurde, mehr als 0,1 mm in einem Temperaturberexch von -25°C bis +125⁰C.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

1J Lagendetektor mit Halleffekt, der eine feste magnetische Erregerschaltung für den verwendeten Kristall mit Halleffekt enthält, die mit einem bewegbaren sich in der unmittelbaren Nähe des genannten Detektors verschiebenden Teil zusammenarbeitet und weichmagnetische Elemente enthält, die während ihrer Verschiebungsbewegung abwechselnd auf der einen bzw. der anderen Seite der Symmetrieachse des Lagendetektors angeordnet sind, wobei das Ende eines auf der einen Seite dieser Achse liegenden weichmagnetischen Elements genau mit dem Anfang eines auf der anderen Seite der genannten Symmetrieachse lie— genden weichmagnetischen Elements zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Erregerschaltung durch einen einzigen Dauermagnet (1O) gebildet wird, von dem eine Polfläche, die in Richtung auf den bewegbaren Teil orientiert ist, mit zwei symmetrischen weichmagnetischen Polschuhen (11, 12) versehen ist, zwischen denen ein enger Luftspalt vorgesehen ist, in dem der verwendete Kristall (18) mit Halleffekt angeordnet ist.
2. Lagendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden Stützflächen der beiden symmetrischen weichmagnetischen Polschuhe (11, 12) auf der Polfläche des Erregermagnets (io) in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, der zwischen der Breite der genannten Stützflächen und der Hälfte dieser Breite liegt', und dass der enge Luftspalt,

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ORIGINAL INSPECTED

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in dem der verwendete Kristall (18) mit Halleffekt angeordnet ist, zwischen Polfacetten geringen Flächeninhalts (14, 15) vorgesehen ist, die einander gegenüber liegen und mit dem Körper des entsprechenden Polschuhes über einen Teil (16, I7) verbunden sind, der im grossen Ganzen die Form eines Kegelstumpfes aufweist.

3· Lagendetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Teil der symmetrischen weichmagnetischen Polschuhe (11, 12) die Form eines Trapezes ('2k, 25) mit abgestumpften Rändern aufweist, in das die Basis des im grossen ganzen kegeistumpfförmigen Teiles (i6, 17) einbeschrieben ist, der die Polfacette (ik, I5) mit dem Körper (11, 12) des Polschuhes verbindet. k. Lagendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige Erregermagnet aus einem hartmagnetischen Material, wie einem Ferrit auf Basis eines der Elemente aus der durch Barium und Strontium gebildeten Gruppe, hergestellt ist.

5. Lagendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Polfläche des einzigen Erregermagnets (1O) mit einem einzigen flachen weichmagnetischen Polschuh (13) mit einer geringen Dicke in bezug auf die Höhe des Magnets in seiner Magnetisationsrichtung versehen ist, wobei dieser flache Polschuh an seinen zwei Enden mit einem kleinen einstellbaren magnetischen Nebenschluss (19» 20) versehen ist, der sich auf regelbare Weise in Richtung des vorderen Polschuhes erstreckt, der auf der ersten Polfläche des Magnets senkrecht zu dem

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betreffenden Ende des genannten einzigen flachen Polschuhes angeordnet ist.·-

6. Lagendetektor nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass der erregende Dauermagnet (1O) an seinen zwei Enden mit einer mittleren Nut (21) versehen ist, die mit dem einstellbaren kleinen magnetischen Nebenschluss (19) zusammenwirken kann, der an demjenigen Ende des flachen einzigen Polschuhes angeordnet ist, das dem betreffenden Ende des Erregermagnets entspricht. 7· Lagendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine kleine Versetzung zwischen dem Ende eines auf einer Seite des Symmetrieachse des Detektors liegenden weichmagnetischen Elements (22) und dem Anfang eines auf der anderen Seite der genannten Symmetrieachse liegenden weichmagnetischen Elements (23) vorgesehen ist,

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