DE2915461A1

DE2915461A1 - Drehrichtungs-detektoreinrichtung fuer motoren o.dgl.

Info

Publication number: DE2915461A1
Application number: DE19792915461
Authority: DE
Inventors: Susumu Ito; Morimasa Nagao
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1978-04-18
Filing date: 1979-04-17
Publication date: 1979-10-25
Also published as: GB2020813B; JPS6318140B2; US4283679A; DE2915461C2; GB2020813A; CA1136243A; JPS54148578A

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sieb auf eine Drehrichtungs-Detektoreinrichtung für die Welle eines Motors, eines Getriebes oder dgl. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 4.

Detektoreinrichtungen zum Abtasten bzw. Erfassen der Drehrichtung werden auf verschiedenen Gebieten der Technologie, insbesondere zur Steuerung von Präzisionsmaschinen in weitem Rahmen verwendet. Ihre Anwendung wird nunmehr auf andere Bereiche ausgedehnt, wie bspw. auf Steuerungssysteme von Fahrzeugmotoren und auf Wasserströmungs-Meßvorrichtungen«

Die Anwendung der Elektronik bei Kraftfahrzeugen hat vom Gesichtspunkt der Fahrsicherheit, der Treibstoffersparnis, der leichten Handhabung und der Verhinderung von Luftverschmutzung bemerkenswerte Fortschritte erzielt. Ein elektronisches MotorsteuerungssysteTP ist bspw. eine solche Anwendung. Bspw. ist ein elektronisches Motorsteuersystem auf Mikroprozessorbasis, das die Treibstoffwirtschaftlichkeit verbessern und Luftverschmutzung verhindern soll₃ in dem Artikel "SPECIAL REPORT: Automotive Electronics Gets The Green Light" von Gerald M. Walker, veröffentlicht in "Electronics", 29. September 1977, Seiten 83 - 88 beschrieben. Das elektronische Motorsteuersystem besitzt gernäß Figur 3 , auf Seite 86 des Walker-Artikels einen 12-Bit-Mikroprozessor und sieben den Zustand des Motors erfassende Sensoren, Der Mikroprozessor steuert zwei Stellorgane zur Zündpunkt-Steuerung und Auspuffgas-Rezirkulation. Da der Zustand der Verbrennung des Motors bei Vorwärtsbewegung des Kraftfahrzeuges sich von dem bei Rückwärtsbei-jegung unterscheidet₃ müssen die Zündpunkteinstellung und die Auspuffgas-Resirkulation gesteuert werden₉ indem diese Zustandsdifferenz bei der Verbrennung in Betracht gezogen wird. Deshalb ist

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es unerlässlich, daß das elektronische Motorsteuersystem mit einer Einrichtung zum Abtasten bzv?. Erfassen der Richtung des rotierenden Rades während der Vorwärts- und der Rückwärtsbewegung versehen wird.

Eine solche Abtastung der Potationsrichtung ist auch für Wasserdurchfluß-Meßgeräte notwendig, insbesondere dann, wenn bei einem solchen Gerät eine Rückwärtsdrehbewegung der Welle möglich ist, während sie sich nur in Vorwärtsrichtung drehen soll. Ein typisches Beispiel einer Rückwärtsbewegung tritt in den höheren Stockwerken eines Bürooder Appartementhochhauses auf, das mit einem Dachreservoir versehen ist, insbesondere dann, wenn der Wasserverbrauch in den unteren Stockwerken sehr schnell ansteigt, so daß der Wasserdruck in den höheren Stockwerken absinkt. Wenn also das Wasser in den Zweigleitungen der oberen Stockwerke plötzlich durch die Hauptleitung in die Abzweigleitungen der unteren Stockwerke fließen kann, dann wird eine Rückwärtswellendrehung am Wasserdurchfluß-Meßprerät in den oberen Stockvierken bewirkt. Deshalb benötigt man eine Drehrichtungs-Detektoreinrichtung, um den Meßwert des !Jas serf luß-Meßgerätes für die Rückwärtsbewegung zu kompensieren.

Verschiedene Typen solcher Brehrichtungs-Detektoreinrichtungen wurden bereits vorgeschlagen. Ein Beispiel ist ein optischer Umlaufkodierer mit einer Glasscheibe mit einer Vielzahl von Fotoschlitzen, wenigstem einem Paar aus einer lichtemittierenden Diode (LED) und einer Fotodiode. Dieser optische Kodierer bringt jedoch einige Probleme mit sich: (1) Er erfordert eine sehr genaue Belichtungstechnik sowie eine ausgefeilte Ätztechnik, um die Fotoschlitze auf der gesamten Oberfläche der Scheibe ohne Aberration bzv/. Verzerrung vorsehen zu kennen; (25 es ist sehr schwierig, den Mittelpunkt jedes Schlitzes und den einer Bohrung, die die Rotationswelle aufnimmt₅ genau einzustellen; (3) die

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Herstellung der Bohrung, die die Rotationswelle passend genau aufnimmt, ist sehr schwierig; (¹O demgemäß wird der Kodierer, um die gewünschte Leistungsfähigkeit zu erreichen, sehr kostspielig; und (5) des weiteren ist der eine Glasscheibe verwendende Kodierer gegenüber mechanischen Stoßen sehr empfindlich.

Ein anderes Beispiel eines magnetischen Tachometers ist von A.B. Wills in "IBM Technical Disclosure Bulletin", Band 16 Nr. 1, Juni 1973, Seite 260 beschrieben. Dieser Tachometer enthält eine kleine Magnetscheibe, die ein magnetisches Medium auf einer Oberfläche nahe ihres Umfanges trägt, und einen Magnetfluß-Transducer. Dieser Transducer bzw. Wandler fühlt die auf dem magnetischen Medium aufgezeichneten magnetischen Signale und bestimmt die Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe, d.h. die Rotationsgeschwindigkeit der mit der Scheibe verbundenen Welle. Dieser Artikel offenbart jedoch keinen magnetischen Tachometer in konkreter Art und Weise, sondern zeigt nur seine Realisierbarkeit auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Drehrichtungs-Detektoreinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die kompakt und leicht im Gewicht ist und die die oben genannten Nachteile herkömmlicher Einrichtungen vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Anordnung der eingangs genannten Art die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. 4 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigen:

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Fig. la und b jeweils in perspektivischer teilweise aufgebrochener Darstellung eine Detektoreinrichtung gemäß zweier Ausführungsbeispiele vorliegender Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Fig. 3 in perspektivischer Darstellung im Einzelnen einen Teil eines Ausführungsbeispiels vorliegender Erfindung,

Fig. M-A bis D in schematischer Darstellung typische Beispiele der Anordnung von magnetischen Widersrandselementen, wie sie bei der Erfindung verwendet werden,

Fig. 5a bis c in schematischer Darstellung typische Beispiele der Anordnung von HaIl-Effekt-Vorrichtungen, wie sie gemäß der Erfindung verwendet werden,

Fig. 6a bis c, 7a bis c, 8a bis c, 9a bis c, 10a bis c und 12a bis r¹ jeweils Kurvendiagramme zur Darstellung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung und

Fig. 11a bis c und Fig. 13 ßlockdiap-ramrne, die im Einzelnen einen weiteren Teil eines Ausführungsbeispieles vorliegender Erfindung zeigen.

In der gesamten Zeichnung sind ähnliche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Gemäß Fig. la enthält eine Drehrichtungs-Detektoreinrichtung gem-"3 einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung einen Permanentmagneten 2, der mit einer Drehwelle 1 eines drehbaren Gegenstandes gekoppelt ist, dessen Drehrichtung abgetastet bzw. erfaßt werden soll; ferner einen Magnetfeldsensor bzw. -fühler M-, der auf ein sich drehendes Magnetfeld anspricht, das durch die Rotation des Permanentmagneten 2 erzeugt wird, und der ein Ausgangssignal erzeugt, das die elektrische Widerstandsänderung darstellt, die der Rotation der Drehwelle 1 entspricht; einen den Rotationszustand abtastenden Detektor bzw. Rotationszustands-Detektor 5 zum

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Bestimmen der Drehrichtung des Magneten 2 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Fühlers 4; einen Anzeigekreis 7 zum Anzeigen des Ergebnisses der durch den Detektor 5 erfolgten Abtastung; eine gedruckte Schaltungsplatte 3,.auf der der Fühler M- und der Detektor 5 angeordnet sind; und
ein Gehäuse 6.., das die gedruckte Schaltungsplatte 3, den Fühler 4, den Detektor 5 und den Magneten 2 umhüllt. Als
Anzeigekreis 7 kann eine lichtemittierende Diode oder ein Flüssigkristall-Anzeigepaneel verwendet werden. Eine Leitung bzw. ein Kabel 8 dient zum Zuführen der Energie zum Fühler U, zum Detektor 5 und zum Anzeigekreis 7 und zum Empfangen
bzw. Obertragen des Ausgangssignals des Detektors 5.

Fig. Ib zeigt eine andere Einrichtung 100' gemäß vorliegender Erfindung, die ähnlich der in Fig. la gezeigten ist, mit
der Ausnahme, daß sowohl der Detektor 5 als auch der Fühler zu einem Sensor-Rotationszustanddetektor 9 integriert sind und daß der Magnet 2 außerhalb des Gehäuses B₂ vorgesehen ist.

Gemäß Fig. 2 enthält ein Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung den Permanentmagneten 2, der auf der Welle 1 eines drehbaren Gegenstandes befestigt ist; ferner den Magnetfeldfühler 4, der eine Vielzahl von das Magnetfeld abtastenden Elementen aus magnetischen Widerstandselementen bzw. magnetoresistiven Elementen (im folgenden MR-Elemente genannt) ^₁, U„, ...., 4 besitzt, die auf das rotierende Magnetfeld reagieren, das durch die Rotation des Permanentmagneten 2 erzeugt wird₅ und die ein Ausgangssignal erzeugen, das die elektrische Widerstandsänderung angibt, die der
Rotation der Welle 1 entspricht, wobei wenigstens zwei
dieser MR-Elemente so angeordnet sind, daß sie elektrische Widerstandsänderungen abgeben, die sich bzgl. des Magnet» feldes in der Phase voneinander unterscheiden; ferner einen

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Verst'jrkerkreis 10, der aus Verstärkern 10-, IO2 5 ....₅ 10 zum Verstärken des Ausganges des Fühlers bzw. Sensors 4 auf einen vorbestimmten Spannungspegel besteht; eine Wellenformungs- bzw. Impulsformer-Einheit 11 mit Impulsformerkreisen 11-j Ho j ...., 11 zum Umwandeln des Ausgangssignals von Verstärkerkreis in ein Impulssignal; einen Entscheidungskreis 12 zum Bestimmen der Drehrichtung des Magneten 2, was auf dem Ausgang der Impulsformer-Einheit 11 basiert, und zum Abgeben der abgetasteten Drehrichtunn: als elektrisches Signal an isolierte Leiter 8-, die das Kabel 8 (Fig. 1) bilden; einen Anzeigekreis 7 zum Anzeigen der Ergebnisse der Entscheidung, die durch den Bestinmungs- bzw. Entscheidungskreis 12 gefällt wurde; und einen Stromzuf"hrungskreis 13. Der Ausgang des Entscheidungskreises 12 wird als Information bei der Systemsteuerung mit Hilfe eines Mikroprozessors, wie er in einem oben beschriebenen Fahrzeugsteuersystern verwendet wird, oder als Steuersignal zur Korrektur der Anzeige des oben genannten Wasserdurch-. flußmeßrerätes geliefert.

Gemäß Fig. 2 bildet der Stromzuführungskreis 13 zusammen mit dem Verstärkerkreis 10, der Impulsformer-Einheit 11 und dem Entscheidungskreis 12 den Rotationszustand-Detektor 5, Eine nicht dargestellte externe Energiequelle ist mit jedem Kreis der Fig. 2 über isolierten Leiter 8_O des Kabels 8 verbunden. Der Stroiiizuführungskreis 13 braucht dann nicht vorgesehen sein, wenn die Energiequelle eine stabile Betriebsweise erlaubt, jedoch ist in diesem Falle der Kreis 13 zusätzlich vorhanden, um eine stabile Abgabe des Ausgangssignals vom Fühler 4 zu erhalten.

Gemäß Fig. 3, die im Einzelnen den Sensor-Rotationszustand-Detektor 9 gemäß Fig.. Ib zeigt, besitzt der Fühler bzw. Sensor 1 Magnetfeld-Detektorelemente 4- und 4₂j von denen jedes aus einem ferromagnetischen magnetoresistiven Element, wie noch zu beschreiben sein wird, hergestellt ist, und die

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auf einen Substrat 4„ gebildet sind. An beiden Enden jedes der Elemente 4·,, und 4_ sind Leiteranschlüsse 14 vorgesehen. Der Sensor 4 ist über Leiter 17 mit dem Rotationsaustand-Detektor 5 verbunden, der Leiteranschlüsse besitzt, die auf einem Silizium-Einkristall-Substrat 15 gebildet sind. Diese Anschlüsse oder Klemmen 14 und 16 sind ferner mit Leitungen 13 verdrahtet. Der Fühler 4 und der Detektor 5 sind mit Hilfe von Harz zu einer integralen Einheit vergossen.

Der Fühler 4 und der Detektor 5 ger.ä£ Fig. la sind auf dem Substraten 4-q und 15 der Fig. 3 unter Verwendung von Kunstharz jeweils getrennt eingegossen.

Gemäß Fig. 4A enthält der Magnetfeldfühler 4- ein Substrat 4_Q, wie bspw. eine Glasplatte oder ein Silizium-Einkristali-Substrat mit einer glatten Oberfläche und ferromagnetische V'iders tandselemente bzw. Magnetoresistoren (im folgenden FHP-Elemente genannt) 4^ und ¹^, die auf cieiu Substrat 4~ gebildet sind, wobei jedes FMR-Element ar. seinen beiden Enden Leiteranschlüsse 14 besitzt. Die Anschlüsse 14 sind aus einem dünnen Film aus Gold, Aluminium, Kupfer oder einen anderen Metall hergestellt, das zum Liefern eines Richtungsbzw. Abtaststromes zu den FMR-Elernenten 4. und 4_O geeignet ist. Jedes der FMR-Elemente 4^ und 4^ ist aus einem dünnen Film aus einem Metall wie bspw. Nickel, Kobalt oder einer Verbindung, die hauptsächlich ein solches Metall enthält, hergestellt. Die beiden FMR-Elen.ente 4^ und 4-2 sind so angeordnet, daß diei tröme, die an ihren Anschlüssen 14 erscheinen, einen Winkel bilden, der von 0°, 90°, 180 und 270 verschieden ist. In Fig. 4A ist der dargestellte 7/inkel im wesentlichen etwa 4 5°. Es ist bekannt, daß ein elektrischer Widerstand R solcher FHR-Elemente einen minimalen Wert einnimmt, wenn der Winkel δ, der durch die Richtung ihrer

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Magnetisierung und durch die des darin erzeugten Abtaststromes gebildet ist (zum dessen des elektrischen Widerstandes) 90 oder 270 ist. Demgegenüber nimmt der Widerstand R einen maximalen Wert (Rq) ein, wenn der Winkel δ 0 oder 180" ist, was durch folgende Beziehung ausgedrückt werden kann:

R (δ) = Ro - ΔΡ sin² δ (1)

Die Richtung der Magnetisierung des FMR-Elementes ist parallel zu dem des äußeren Magnetfeldes, wenn die Stärke des Feldes einen bestimmten Wert K. übersteigt. Bei vorliegender Erfindung ist der Permanentmagnet 2 so ausgebildet, daß er das Magnetfeld, das diesen Wert H. übersteigt, am Ort des Magnetfeldsensors erzeugt. Die vorliegenden Erfinder haben experimentell bestätigt, daZ ein externes Magnetfeld von 30 Oersteds benötigt wird, weil die Richtung der Magnetisierung des FMR-Elementes U₁ oder M^ parallel zu dem des externen ^Magnetfelden wird, wenn die F^MR-Elemente U^ und M^ aus einer Fe (18%)- und Ni (82%)-Legierung mit einer Breite von 20yu, einer Dicke von 0,05 μ und einer Länge von 1 mm gebildet sind.

Jedes der FMR-Elemente besitzt einen elektrischen Widerstand (Ro) von etwa 2 50 0hm und hat ein Widerstandsänderungsverhältnis ΔR/Ro von etwa 2,5%. Obwohl der Widerstand Ro und das Widerstandsänderungsverhältnis Δ R/Ro sich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung eines FMR-Elerentes ändern, ist dieses Verhältnis in praktisch jedem Falle innerhalb eines Bereiches von etwa 1 bis 5% srereben.

In der Anordnung nach Fig. UA ist, da die Abtastströme, die die durch die FMP-E lernen te M. und M-- fließen, zueinander u'n 4 5° geneigt sind, der elektrische Widerstand PM. des

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FMR-Elementes 4.., gemessen an den Klemmen 14 beider Enden, um 45° außer Phase i?it dem elektrischen Widerstand R4~ des FMR-Elententes 4„ , wie dies in Fig. 6a dargestellt ist, in der der Rotationswinkel des Permanentmagneten 2 als θ dargestellt ist (die Rotation im Gegenuhrzeigersinn ist hier als Rotation in Vorwärtsrichtung bezeichnet).

Die Fig. 4 B bis 4D zeigen andere Anordnungen der FMR-Elemente, die beim Magnetfeldfühler 4 verwendet werden können. In Fig. 48 sind acht FMR-Elemente 4,, bis 4„ so angeordnet, daß jeweils zwischen zwei FMR-Elementen ein Winkel von 45° gebildet ist. In Fig. 4C sind drei FMR-Elemente 4₁ bis 4₃ so angeordnet, daß ein VJinkel von 120° zwischen zwei benachbarten FMR-Elementen gebildet ist. In Fig. 4D sind zwölf FMR-Elemente 4., bis 4-,₂ ^so angeordnet, daß ein Winkel von 30° zwischen je zwei benachbarten FMR-Elementen gebildet ist. Beim Fühler 4 der Fig. 4B besteht zwischen den Widerstandsänderungen zweier benachbarter FMR-Elemente eine Phasendifferenz von 45°, wie in Fig. 7a dargestellt. Entsprechend ergeben sich in den Fig. 4G und 4D Phasendifferenzen von 120 bzw. 30 zwischen den Kiderstandsänderungen zweier benachbarter FMR-Elemente, wie in Fig. 8a bzw. 9a dargestellt ist.

Fig. lla bis c zeigen spezifische Schaltungen des Rotationszustand-Detektors 5 zum Umwandeln der Widerstandsänderung eines FMR-Elementes in eine Spannungsänderung. Gemäß Fig. lla werden die Widerstandsänderungen (R4., und R42> der FMR-Elemente 4., und 42 der Fig. 4A durch Eingeben eines konstanten Stromes in die FMR-Elemente 4^ und ^ ^vom Stromspeisekreis 13 (Fig. 2) in Spannungsänderungen V4^ und V4„ umgewandelt, wie in Fig. 6b gezeigt. Die Spannungsänderungen V4,, und V4„ werden durch die Verstärker 10- und 10~ verstärkt und durch Vergleicher 11., und 11«,

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deren Schwellenspannung V. in der Mitte der Spannungsänderung VU. und V4_ liegt, in Impulssignale V U. und V U~ umgewandelt. Als Ergebnis werden Impulszüge Vp4. und Vp4_ mit einer Phasendifferenz von 45 , wie in Fig. 6c dargestellt, erzeugt.

Beim Magnetfeldfühler gemäß Fig. UC können die Widerstandsänderungen der FMR-Elemente 4. bis U₃ durch Hinzufügen eines Verstärkers desselben Typs wie der Verstärker ICL der Fig. lla und eines Komparators desselben Typs wie der Kojnperator der Figg. lla zum Schaltkreis der Fig. lla in Spannungsänderungen umgewandelt werden.

In diesem Fall sind die Ausgänge VU. bis VU„ von den Verstärkern und die Ausgänge VpU. bis Vp¹I₃ von den Komperatoren in den Fig. 8b und 8c dargestellt.

Ferner ist eine Brückenschaltung:, wie sie in Fig. lib dargestellt ist, bei der Anordnung nach den Fig. UB oder UD verwendet, die eine Anzahl von FMR-Elementen aufweist und Ausgangssignale mit gleicher Phase und solche mit umgekehrter Phase (Gegenphase), wie sie als Widerstandsänderungen RU₁ bis RUg in Fig. 7a dargestellt sind, schafft.

Wenn der Fühler des in Fig. UB dargestellten Typs verwendet wird₃ werden die Spannung der Brückenschaltung aus den FMR-Elementen U,, U^, U~ und Ug und die der Brückenschaltung aus den FMR-Elementen Uj, U₄, U~g und Ug durch Differenzverstärker 10g und 10^ verstärkt, so daß die Ausgangsspannung Vl und V2 verdoppelt wird, was die Phasenverzerrung verringert. Mit der in der Mitte der Ausgänge Vl und V2 der Differenzverstärker 10- und 10^ gesetzten Schwellenwertspannung V. werden gemäß der Darstellung der Fig. 7c Impulszüge Vp.. und Vp~ erzeugt. In ähnlicher lⁱ⁷eise. werden, wenn der Fühler des

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in Fig. 4 D gezeigten Typs verwendet wird, die Ausgänge V-, V2 und V₃ der Brückenschaltungen (FMR-Elemente 4,., H₄₅ 4,,,, und 4_y), (FMR-Elemente «+₂, 4_g, 4^ und 4g) und (FMR-Elemente Ί», 4-g, 4-₁₂ ^un<3 4g) durch entsprechende Differenzverstärker verstärkt (Fig. 9b) und die Ausgänge von den Verstärkern v/erden in Impulssignale umgewandelt und die Iinpulszüge Vp., Vp„ und Vp^ gemäß Fig. 9c erzeugt.

Anstelle der FMR-Elemente können auch Halbleiter-Magnetoresistoren bzw. magnetische Halbleiter-Widerstandselemente (im folgenden als SMR-Elemente bezeichnet), derselben Form wie in Fig. 4A bis 4D, als Magnetfeld-Abtastelemente für Magnetfeldfühler verwendet werden. In diesem Falle kann der Fühler durch ein Substrat, wie bspw. als Glasplatte oder als Silizium-Einkristall-Chip, mit einer glatten Oberfläche gebildet sein, wobei jedes SMR-Element auf den Substrat gebildet ist und eine Dicke von wenigen μ und eine Breite von einigen 10 ju und Ohm'sche Elektroden, die als den Abtaststrom ableitende Anschlüsse verwendet werden, aufweisen. Das SMR-Element ist aus hochreinem η-Halbleiter aus Germanium, Indium-Antimonid, Indium-Arsenid, Gallium-Arsenid oder anderen Verbindungen hergestellt. Das SMR-Element hat eine solche Charakteristik, daß sein elektrischer Widerstand proportional zurr: Quadrat (H ) der Größe des externen Magnetfeldes anwächst, wenn der Abtaststrom senkrecht zum externen Magnetfeld ist, während sein Widerstand keiner wesentlichen Änderung unterzogen ist, wenn das Magnetfeld und der Abtaststrom parallel zueinander sind. Es sei erwähnt, daß der Permanentmagnet 2 ein Magnetfeld von 100 Oersted oder mehr an der Stelle bzw. am Ort eines SMR-Elementes erzeugt.

Die Fig. 5a bis 5c zeigen einen Magnetfeldsensor 4, der Hall-Effekt-Vorrichtungen 21 und 22 verwendet, von denen jede eine Dicke von wenigen bis einigen 10 μ und eine Breite von einigen 10 bis einigen 1000 ju aufweist und aus einem η-Halbleiter aus

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Silizium, Germanium, Indiura-Antimonid, Indium-Arsenid, Gallium-Arsenid oder dgl. hergestellt ist. Die Vorrichtungen sind ebenfalls so angeordnet, daß die Ebene der einen Vorrichtung um einen Winkel 0 (von etwa 90°) zur Ebene der anderen Vorrichtung geneigt ist. Die Hall-Cpannungen werden zwischen den Leitern 25 und 27 und zwischen den Leitern 27 und 28, die nit den Hall-Elektroden verbunden sind, aufgrund von Strömen erzeugt, die durch die Leiter 23 und 24 fließen, die mit 0hi:i' sehen Elektroden verbunden sind, die auf den betreffenden Vorrichtungen 21 und 2 2 angeordnet sind. Die Kali-Spannungen variieren mit den Magnetfeld-Komponenten senkrecht zur Ebene jeder Vorrichtung. Die Spannung, die über den Leitern 25 und 26 erscheint, ist um 180 von der über den Leitern 2 7 und 2 8 phasenverschoben. Da die Ebene der Hall-Effekt-Vorrichtung 21 um den Winkel 0 (90°) zu der der Vorrichtung 2 2 geneigt ist, erzeugen die Leiter 2 5 bis 28 ihre betreffenden Spannungen V_or bis V_9P, die um 90 gegeneinander phasenverschoben sind, wie dies in Fig. 10a dargestellt ist. Die Ausgänge, die zwischen den Leitern 25 und 26 und auch zwischen den Leitern 27 und 28 erscheinen, werden durch Differenzverstärker 1O₁^ und 1Or, die im Detektorkreis der Fig. lic dargestellt sind, verstärkt, um Spannungen V₁ und V₀ gemäß Fig. 10b zu erzeugen. Diese Ausgangsspannungen V. und V„ werden dann durch Komperatoren H₁ und ±1~ in Impulssignale umgewandelt, so daß Impulszüge Vp₁ und Vp2_s wie sie in Fig. 10c dargestellt sind, erzeugt werden können. Der Ausgang von der Impulsforner-Einheit 11 der Fig. 2 wird in Form von Impulszügen geliefert, die eine ausgewählte Phasendifferenz, wie sie oben beschrieben worden ist, aufweisen. Die Impulszüge werden dann an den Entscheidungskreis angelegt, um die so erzeugte Phasendifferenz in den Impulszügen abzutasten, wodurch die Drehrichtung des Permanentmagneten 2 bestimmt wird. Das Wirkungsprinzip des Entscheidungskreises 12 wird nun anhand der Impulszüge der Fig. 12a bis d und anhand der Fig. 4B und D beschrieben.

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Fig. 12a zeigt Impulszüge Vp.. und Vp₂ die unter Verwendung des Fühlers 4 der Fig. HB erzeugt werden, wenn sich der Permanentmagnet 2 in Vorwärtsrichtung mit der Zeit t dreht und so das Magnetfeld, das an jedem FMR-Element anliegt, im Gegenuhrzeigersinn dreht, während Fig. 12b Impulszüge zeigt, die infolge der umgekehrten Drehung des Magneten 2 erzeugt werden. Am Hoch-zu-Niedrig-Umkehrpunkt der Impulszüge Vp^ besitzt der Impulszug des Vp2 der Fig. 12a einen hohen Pegel, während der Impulszug Vp₂ der Fig. 12b einen niedrigen Pegel besitzt. Umgekehrt bedeutet dies, daß der am Niedrig-zu-Hoch-Umkehrpunkt des Impulszuges Vp,, der Impulszug Vp₂ der Fig. 12a einen niedrigen Pegel und der Impulszug Vp₂ der Fig. 12b einen hohen Pegel besitzt.

Die Fig. 12c und 12d zeigen Impulszüge Vp₁, Vp₂, Vp₃, die unter Verwendung des Sensors 4- der Fig. ID erzeugt werden, wenn sich der Magnet 2 in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung dreht. Im Einzelnen gilt, daß an den abfallenden Punkten (ansteigenden Punkten) des Impulszuges Vp^ die Impulszüge Vp₂ und Vp- hohe (niedrige) bzw. niedrige (hohe) Niveaus bei der Drehung in Vorwärtsrichtung besitzen, während die Impulszüge Vp2 und Vpg bei der Drehung in Rückwärtsrichtung niedrige (hohe) bzw. hohe (niedrige) Pegel besitzen. In ähnlicher Weise können die in Fig. 6c, 8c und 10c dargestellten Wellenformen auch dazu verwendet werden, die Drehrichtung des Permanentmagneten abzutasten. Deshalb kann die Drehrichtung des Permanentmagneten 2 von wenigstens zwei Impulszügen mit einer ausgewählten Phasendifferenz durch Bestimmung des Pegels eines Impulszuges am abfallenden Punkt (aufsteigender Punkt) des anderen Impulszuges erfasst werden. Zu diesem Zwecke ist es wesentlich, daß zwei Impulszüge mit voneinander verschiedenen Phasen erzeugt werden. Die beabsichtigte Bestimmung der Impulszüge ist jedoch unmöglich, wenn die beiden Impulszüge eine Phasendifferenz zueinander besitzen, in der der abfallende oder ansteigende Punkt des

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einen Impulszuges mit dem ansteigenden oder abfallenden Punkt des anderen zusammenfällt. Un: diese Schwierxgkeiten zu vermeiden, müssen wenigstens zwei der FMR- oder SMR-Elemente so angeordn-et werden, daß die Abtastströre, die durch sie fliegen, einen Winkel miteinander bilden, der von 0 ₅ 90 , 180 und 270 verschieden ist, oder wenigstens zwei HaIl-Effekt-Vorrichtunren so angeordnet werden, daß die Ebene jeder Vorrichtung gegenüber der Ebene der anderen Vorrichtung um einen Winkel geneigt ist, der von 0° oder 180 verschieden ist.

Aus Vereinfachun;rsgründen im Hinblick auf die Beschreibung und Zeichnung sind zwar die Abtastströme so dargestellt, daß sie durch jeweils zwei benachbarte FMR-Elemente in demselben Winkel zueinander fließen (siehe Fig. 4B, i+C und 4D) und auch die beiden Hall-Effekt-Vorrichtungen so dargestellt, daß sie miteinander denselben Winkel in ihren betreffenden Ebenen bilden. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Anordnungen von FMP-, SMR-Elementen und HaIl-Effekt-Vorrichtunp-en angewendet werden können, so lange sie die oben genannten Forderungen erfüllen.

Gemäß Fig. 13 enthält der Entscheidungskrexs 12 der zum Bestimmen der Pegel der Impulszüge der Fig. 12a und 12b geeignet ist, NAND-Gatter 12^ bis 12g. Bei Anlegen des Impulszuges Vp^ an die Klemme A und des Impulszuges Vp₂ an die Klemme B verbleiben die Klemmen C und D₅ wenn ein Hoch-zu-Niedrig-Übergang im Impulszug Vp., erfolgt dann, wenn der Impulszug Vp₂ auf einem hohen Pegel ist, auf niedrigem bzw. hohen Pegel, bis der Hoch-zu-Niedrig-Übergang im Impulszug Vp₂ auftritt. Wenn demgegenüber ein Hoch-zu-Niedrig-Übergang im Impulszug Vp., dann erfolgt, wenn der Impulszug Vp₂ auf einem niedrigen Pegel ist, verbleiben die Klemmen C und D auf hohem bzw„ niedrigem Pegel, bis der Niedrig-zu-Hoch-Übergang im Impulszug Vp₂ auftritt»

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Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, daß die Drehrichtung des Magneten durch eine Änderung einer Kombination der an den Klemmen C und D erzeugten Pegel bestimmt ist. Da die Einrichtung gemäß vorliegender Erfindung das Abtasten der Drehrichtung des Permanentmagneten an abfallenden Punkten (ansteigenden Punkten) der Impulse ermöglicht, kann die Abtastung ohne Berücksichtigung einer Impulsgeschwindigkeit, nämlich der Drehgeschwindigkeit des Permanentmagneten erreicht werden. Es sei bemerkt, daß die FMR-, SMR-Elemente und Hall-Effekt-Vorrichtungen, wie sie in vorliegender Erfindung verwendet werden, solche Frequenzcharakteristiken besitzen, daß sie auf einen Frequenzbereich von 0 (Gleichstrom) bis auf wenige MHz oder mehr reagieren können, wird ihre Anwendung auf eine große Vielfalt von sich drehender Gegenstände ermöglicht, einschließlich solcher Vorgänge bei sehr niedrigen und außerordentlich hohen Geschwindigkeiten .

Wie oben erwähnt wurd^, ermöglicht die Erfindung eine einfache Abtastung der Drehrichtung einer si.ch drehenden Welle unter Verwendung einer sehr vereinfachten Vorrichtung, die in einem sehr breiten Frequenzband anspricht. Wenn auch die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, Materialien, Formen und Anordnungen der Schaltkreiskomponenten beschrieben worden ist, versteht es sich, daß dies keine Einschränkung des Rahmens vorliegender Erfindunii bedeutet.

- Ende der Beschreibung -

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Claims

PATENTANWÄLTE

DREISS & FUHLENDORF

291^L: i^:

,„.,„ „„,= ,„ SCHICKSTR. 2, D-7000 STUTTGART 1 *· ^ ' ^v' " °

UWE DREISS

Dr. jur.. Dipl.-Ing.. M. Sc. TF (0711) 24 57 34

JÖRN FUHLENDORF TG UDEPAT

Dipl.-Ing. TX 7-22 247 udpa d

DRElSS & FUHLENDORF. SCHICKSTR. 2. D - 7000 STUTTGART 1

Anmelder:

•ürpon -leocric Cc, T.t-ΐ. Priorität:

April 10?S

33-1 j Shit.i Gocnor.e

Tokyo. 109 Japan

Japan

Amtl. Akt. Z. Ihr Zeichen Mein Zeichen Datum

Off. Ser. No. Your Ref. My Ref. Date

Mi-ioiS 17.Lf.1979 F/T

Titel: Drehrichtunps-Detektoreinrichtung fiir "otoren oder dgl

Patentansprüche

! Drehrichtungs-Detektoreinrichtunp. insbesondere für Motoren o. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Permanentmagnet (2) rrit der VJeIIe des betreffenden drehbaren Gegenstandes drehfest verbunden ist, üaP- eir !'agnecfeldfühler (M) rr.it einer Vielzahl von Kagnetfeld-Detektoreleraenten (Ί ) versehen ist, die auf ein sich drehendes Magnetfeld reagieren, das durch die Rotation des Fermanentmapneten erzeugt wird, und die AustranfTSsi^ndle erzeugen, die die Rotation der VJelle anreben, daß mindestens zwei dieser Elemente (4 ) derart arifpnranet sind, daß sie einen Winkel bilden, der von 0°, 90°, 180° oder 2 70° verschieden ist, und da& ein den Rotations zustand erfassender und die Drehrichtung der ¹^eIJe berstinar.enuer Detektor (5, 9), der auf das Auspranrssiftnal des Harnet feld fühler s (4-) anspricht, vnrresehen ist.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeld-Detektoreleiuente (¹^_n) aus ferromagnetischen VJiderstandselementen gebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Magnetfeld-Detektorelemente (4 ) aus magnetischen Halbleiter-Uiderstandselementen gebildet sind.
4. Drehrichtungs-Detektoreinrichtung insbesondere für Motoren o. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Permanentmagnet (2) mit der Kelle des betreffenden drehbaren Gegenstandes drehfest verbunden ist, daß ein Magnetfeldfühler (¹O rr.it zwei Hall-Effekt-Vorrichtungen (21, 22) versehen ist, die auf ein sich drehendes Magnetfeld reagieren, das durch die Rotation des Permanentmagneten erzeugt wird, und die Ausgangssignale erzeugen, die die Rotation der V?elle angeben, daß die Hall-Effekt-Vorrichtur.gen (21, 22) in einem Winkel angeordnet ist, der von 0° oder 130° verschieden ist, und daß ein den Rotationszustand erfassender und die Drehrichtung der Welle bestimmender Detektor (5), der auf das Ausgangssignal des Magnetfeldfühlers (■'>') ar spricht, vorgesehen ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehender. Ansprüche, dadurch rekennzeichnet, daß eine Anzeigevorrichtung (7) zum Anzeigen des Ausrrangssignal s des Detektors (5, 9) vorgesehen ist.

- Knde der Ansprache -

9 0 9 8 4 3 / 0 9 i 7
BAD ORIGINAL