DE2915461C2 - Drehrichtungs-Meßeinrichtung - Google Patents

Drehrichtungs-Meßeinrichtung

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DE2915461C2
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    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehrichtungs-Meßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer aus der GB-PS 14 90 987 bekannten Diehrichtungs-Meßeinrichlung der genannten Art sind mit der Welle des betreffenden rotierenden Gegenstandes mindestens zwei Permanentmagnete drehfest verbunden, indem sie auf einer mit der Welle verbundenen Scheibe randseitig angeordnet sind. Konzentrisch zu dieser Anordnung der beiden Permanentmagnete auf der Scheibe sind zwei Magnetfeldfühler vorgesehen. Dies bedeutet, daß sich aufgrund der genannten konzentrischen Anordnung der Permanentmagnete und der Magnetfeldfühler beispielsweise der Abstand zwischen dem einen Magnetfeldfühler und dem Nordpol des einen Permanentmagneten in Abhängigkeit von der Rotation der Welle erheblich ändert. Demzufolge ändert sich die Magneifeldintensität.die auf den einen Magnetfeldfühler wirkt, in Abhängigkeit von der Rotation sehr wesentlich. Dies heißt, daß die Magnetfeldintensität in Positionen, die relativ weit vom einen Magnetfeldfühler entfernt sind, sehr klein wird. Wenn in diesem Zustand ein unerwünschtes Magnetfeld von außen auf den einen Magnetfcldfühler wirkt und das vom einen Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld aufhebt, so wird der Ausgang des einen Magnetfeldfühlcrs dementsprechend nachteilig beeinflußt. Aus diesem Grund ist ein genaues Bestimmen der Drehrichtung mit der bekannten Drehrichtungs-Mcßcinrichtiing nicht möglich. Außerdem ist die bekannte Meßeinrichtung relativ aufwendig, da sie zwei oder mehr Permanentmagnete benötigt.
Entsprechendes gilt für die aus »Siemens-Zeitschrift« Jan. 1966, Seiten 28—30, insbes. Bild 2 bekannte Drehrichtungs-Meßeinrichtung, die eine der oben genannten Anordnung ähnliche konzentrische Anordnung von Permanentmagneten und Magnetfühler aufweist
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Drehrichtungs-Meßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unabhängig von unerwünschten äußeren Magnetfeldeinflüssen stets mit gleieher Genauigkeit arbeitet
Diese Aufgabe wird bei einer derartigen Drehrichtungs-Meßeinrichtung der genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
is Bei der erfindungsgeinäßen Drehrichtungs-Meßeinrichtung ist der Abstand zwischen dem Magnetfeldfühler und dem Nordpol des rotierenden Permanentmagneten in jeder Lage des Permanentmagneten im wesentlichen gleich bzw. konstant Infolgedessen ist die μ Magnetfeldintensität unabhängig von der Rotation des Permanentmagneten konstant Des weiteren rotiert die Magnetisierungsachse des Magnetfeldfühlers mit der Änderung seines magnetischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Rotation des Magnetfeldes, dessen Intensität größer ist als diejenige des Sättigungsnw ^netfeldes. Die vorliegende Meßeinrichtung erfaßt somit die Drehrichtung der Welle in Abhängigkeit von einer solchen magnetischen Widerstandsänderung des Magnetfeldfühlers. Da das durch die Rotation des Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld konstant ist, kann jegliches äußeres und damit unerwünschtes Magnetfeld unberücksichtigt bleiben, wenn die Magnetfeldintensität des Permanentmagneten größer ist als die des äußeren Magnetfeldes.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig. la und b jeweils in perspektivischer teilweise aufgebrochener Darstellung eine Meßeinrichtung gemaß zweier Ausführungsbeispiele,
Fig.2 ein Blockschaltbild gemäß einem Ausführungsbeispiel,
F i g. 3 in perspektivischer Darstellung im einzelnen einen Teil eines Ausführungsbeispiels, Fig.4A bis D in schematischer Darstellung typische Beispiele der Anordnung von magnetischen Widerstandselementen, wie sie bei der Erfindung verwendet werden,
Fig.5a bis c in schematischer Darstellung typische Beispiele der Anordnung von Hall-Effekt-Vorrichtungen, wie sie bei der Erfindung verwendet werden,
F i g. 6a bis c, 7a bis c. 8a bis c, 9a bis c. 10a bis c, und '2a bis d jeweils Kurvendiagramme zur Darstellung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung und
Fig. 11a bis c und Fig. 13 Blockschaltungen, die im einzelnen einen weiteren Teil eines Ausführungsbeispicles zeigen.
In der gesamten Zeichnung sind ähnliche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Gemäß Fig. la enthält eine Drehrichtungs-Meßcinrichtung 100 einen Permanentmagneten 2, der mit einer Welle 1 eines drehbaren Gegenstandes gekoppelt ist, dessen Drehrichtung erfaßt werden soll: ferner einen br, Magnetfcldfühler 4, 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 dar-
stellt, die der Rotation der Drehwelle 1 entspricht; eine Auswerteschaltung 5 zum Bestimmen der Drehrichtung des Magneten 2 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Fühlers 4; einen Anzeigekreis 7 zum Anzeigen des Ergebnisses der durch die Schaltung 5 erfolgten Abtastung; eine gedruckte Schaitungsplatte 3, auf der der Fühler 4 und die Schaltung 5 angeordnet sind; und ein Gehäuse 6i. das die gedruckte Schaltungsplatte 3, den Fühler 4, die Schaltung 5 und den Magneten 2 umhüllt. Als Anzeigekre'.s 7 kann eine lichtemittierende Diode oder ein FlüssigkristaH-Anzeigepaneel verwendet werden. Eine Leitung bzw. ein Kabel 8 dient zui.. Zuführen der Energie zum Fühler 4, zur Schaltung 5 und zum Anzeigekreis 7 und zum Empfangen bzw. Obertragen des Ausgangssignals der Schaltung 5.
Fig. Ib zeigt eine andere Einrichtung ICK)', die ähnlich der in Fi g. la gezeigten ist, mit der Ausnahme, daß sowohl die Schaltung 5 als auch der Fühler 4 zu einer einzigen Einheit 9 integriert sind und daß der Magnet 2 außerhalb des Gehäuses 62 vorgesehen ist.
Gemäß Fig.2 enthält ein Ausführungsbeispiel den Permanentmagneten 2, der auf der V/cllc I eines drehbaren Gegenstandes befestigt ist; ferner der Magnetfühler 4, der eine Vielzahl von das Magnetfeld abtastenden Elementen aus magnetischen Widerstandselementen bzw. magnetoresistiven Elementen (im folgenden MR-Elemente genannt) 4i, 4.),..., 4„ besitzt, die auf das rotierende Magnetfeld reagieren, und die ein Ausgangssignal erzeugen, das die elektrische Widerstandsänderung angibt, die der Rotation der Welle t entspricht, wobei wenigstens zwei dieser MR-Eltmente so angeordnet sind, daß sie elektrische Widerstandssnderungen abgeben, die sich bzgl. des Magnetfeldes in der Phase voneinander unterscheiden; ferner einen Verstärkerkreis 10, der aus Verstärkern 10i, 1O2,..., 1On zum Verstärken des Ausganges des Fühlers 4 auf einen vorbestimmten Spannungspegel besteh:; eine Impulsformer-Einheit 11 mit Impulsformerkreisen 11:, 112,-.,Hnzum Umwandeln des Xusgangssignals vom Verstärkerkreis in ein Impulssignal; einen Entscheidungskreis 12 zum Bestimmen eier Drehrichtung des Magneten 2, was auf dem Ausgang der Impulsformer-Einheit 11 basiert, und zum Abgeben der abgetasteten Drehrichtücg als elektrisches Signal an isolierte Leiter 81, die das Kabel 8 (F i g. 1) bilden: einen Anzeigekreis 7 zum Anzeigen der Ergebnisse der Entscheidung, die durch den Entscheidungskreis 12 gefällt wurde; und einen Stromversorgungskreis 13. Der Ausgang des Entscheidungskreises 12 wird als Information bei der Systemsteuerung mit Hilfe eines Mikroprozessors, wie er z. B. in einem Fahrzeugsteuersystem verwendet wird, oder als Steuersignal zur Korrektur der Anzeige eines Wasserdurchflußmeßgerätes geliefert.
Gemäß Fig. 2 bildet der Stromversorgungskreis 13 zusammen mit den Verstärkerkreis 10. der Impulsformer-Einheit 11 und dem Entscheidungskreis 12 die Auswerteschaltung 5. Eine nicht dargestellte externe Energiequelle ist mit jedem Kreis der F i g. 2 über den isolierten Leiter 82 des Kabels 8 verbunden. Dsr Stromzuführungskreis 13 braucht dann nicht vorgesehen sein, wenn die Energiequelle eine stabile Betriebsweise erlaubt, jedoch ist in diesem Falle Her Kreis 13 zusätzlich vorhanden, um eine stabile Abgabe des Ai'Sgangssignals vom Fühler 4 zu erhalten.
Gemäß F i g. 3, die im Einzelnen die Schaltungseinhcit 9 gemäß Fig. Ib zeigt, besitzt der Fühler 4 Magnetfeldfühlerelemente 4t und 42. von denen jedes aus einem ferromagnetischen magnetoresistiven Element, wie noch zu beschreiben sein wird, hergestellt ist, und die auf einem Substrat 4o gebildet sind. An beiden Enden jedes der Elemente 4i und 4j sind Leiteranschlüsse 14 vorgesehen. Der Fühler 4 ist über Leiter 17 mit der Schaltung 5 verbunden, die Leiteranschlüsse 16 besitzt, die auf einem Silizium-EinkristaH-Substrat 15 geuüdet sind. Diese Anschlüsse oder Klemmen 14 und 16 sind ferner mit Anschlüssen 18 verdrahtet. Der Fühler 4 und die Schaltung 5 sind mit Hilfe von Harz zu einer inte-
to grierten Einheit 19 vergossen.
Der Fühler 4 und die Schaltung 5 gemäß F i g. ί a sind ar.f dem Substrat 4o und 15 der Fig.3 unter Verwendung von Kunstharz jeweils getrennt eingegossen.
Gemäß Fig.4A enthält der Magnetfeldfühler 4 ein Substrat 4o, wie bspw. eine Glasplatte oder ein Silizium-Einkristall-Substrat mit einer glatten Oberfläche und ferromagnetische Widerstandselemente bzw. Magnetoresisioren (im folgenden FMR-Elerr,ente genannt) 4i und 42, die auf dem Substrat 4o gebildet sind, wobei jedes FMR-Element an seinen beiden Enden Leiteranschlüsse 14 besitzt. Die Anschlüsse 14 sind '.-:-s einem dünnen Film aus Gold, Aluminium, Kupfer oder einem anderen Metal! hergestellt, das zum Liefern eines Richtungs- bzw. Abtaststromes zu den FMR-Elementen 4| und 42 geeignet ist. Jedes der FMR-Elemente 4Ί und 42 ibt aus einem dünnen Film aus einem Metall wie bspw. Nickel, Kobalt oder einer Verbindung, die hauptsächlich ein solches Metall enthält, hergestellt. Die beiden FMR-Elemente 4t und 4i sind so angeordnet, daß die Ströme, diean ihren Anschlüssen 14 erscheinen, einen Winkel bilden, der von 0°, 90°, 180° und 270° verschieden ist. In F i g. 4A ist der dargestellte Winkel im wesentlichen etwa 45°. Es ist bekannt, daß ein elektrischer Widerstand R solcher FMR-Elemente einen minimalen Wert einnimmt, wenn der Winkel Φ, der durch die Richtung ihrer Magnetisierung und durch die des darin erzeugten Abtaststromes gebildet ist (zum Messen des elektrischen Widerstandes) 90° oder 270° ist. Demgegenüber nimmt der Widerstand R einen maximalen Wert (Ro) ein. wenn der Winkel Φ 0° oder 180° ist, was durch folgende Beziehung ausgedrückt werden kann:
Die Richtung der Magnetisierung des FMR-Elementes ist parallel zu dem des äußeren Magnetfeldes, wenn die Stärke des Feldes einen bestimmten Wert H, über steigt. Bei vorliegender Erfindung ist der Permanentmagnet 2 so ausgebildet, daß er das Magnetfeld, das diesen Wert H, übersteigt, am Ort des Magnetfeldsensors erzeugt. Es wurde experimentell bestätigt, daß ein externes Magnetfeld von 30 Oersted benötigt wird, weil die Richtung der Magnetisierung des FMR-Elementes 4| o^r '1 parallel zu dem des externen Magnetfeldes wird, wenn die FMR-Elemente 4| und 42 aus einer Fe (18%)- und Ni (82%)-Legierung mit einer Breite von 20 μ, einer Dicke von 0,05 μ und einer Länge von 1 mm gebildet sind.
jedes der FMR-Elemente besitzt einen elektrischen
bo Widerstand (Ro) von etwa 250 Ohm und hat ein Widerstandsänderungsverhältnis AR/Ro von etwa 2,5%. Obwohl der Widerstand Ro und das Widerstandsänderungsverhältnis AR/Ro sich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung eines FMR-Elementes ändern, ist dieses Verhältnis in praktisch jedem Falle innerhalb eines Bereiches von etwa 1 bis 5% gegeben.
In der Anordnung nach F i g. 4A ist, da die Abtastströme, die die durch die FMR-Elemente 4, und 42 fließen,
zueinander um 45° geneigt sind, der elektrische Widerstand /?4| des FMR-Elementes 4i, gemessen an den Klemmen 14 beider Enden, um 45" außer Phase mit dem elektrischen Widerstand /?42 des FMR-Elemenles 42. 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.4B bis 4D zeigen andere Anordnungen der FMR-Elemente, die beim Magnetfeldfühler 4 verwendet werden können. In Fig.4B sind acht FMR-Elemente 4| bis 4g so angeordnet, daß jeweils zwischen zwei FMR-Elementen ein Winkel von 45° gebildet ist. In Fig.4C sind drei FMR-Elemente 4i bis 4i so angeordnet, daß ein Winkel von 120° zwischen zwei benachbarten FMR-Elementen gebildet ist. In Fig.4D sind zwölf FMR-Elemente 4| bis 4u so angeordnet, daß ein Winkel von 30° zwischen je zwei benachbarten FMR-Elementen gebildet ist. Beim Fühler 4 der F i g. 4B besteht zwischen den Widerstandsänderungen zweier benachbarter FMR-Elemente eine Phasendifferenz von 45°. wie in Fig. 7a dargestellt. Entsprechend ergeben sich in den Fig.4C und 4D Phasendifferenzen von 120" bzw. 30° zwischen den Widerstandsänderungen zweier benachbarter FMR-Elemente, wie in Fig.8a bzw. 9a dargestellt ist.
Fig. 11a bis c zeigen spezifische Ausführungen der Auswerteschaltung 5 zum Umwandeln der Widerstandsänderung eines FMR-Elementes in eine Spannungsänderung. Gemäß Fig. Ua werden die Widerstandsänderungen (R 4| und /?4j)der FMR-Elemente 4| und 42 der F i g. 4A durch Eingeben eines konstanten Stromes in die FMR-Elemente 4i und 42 vom Stromversorgungskreis 13 (F i g. 2) in Spannungsänderungen V4i und V42 umgewandelt, wie in Fig.6b gezeigt. Die Spannungsänderungen V4| und V42 werden durch die Verstärker 10i und 10j verstärkt und durch Vergleicher 111 und lh, deren Schwellwertspannung V, in der Mitte der Spannungsänderung V4i und V42 liegt in Impulssignale Vp4i und VpA-! umgewandelt. Als Ergebnis werden Impulszüge Vp4i und VpA? mit einer Phasendifferenz von 45°, wie in F i g. 6c dargestellt, erzeugt.
Beim Magnetfeldfühler gemäß Fig.4C können die Widerstandsänderungen der FMR-Elemente 4i bis 4j durch Hinzufügen eines Verstärkers desselben Typs wie der Verstärker 10i der Fi g. 11a und eines !«Comparators desselben Typs wie der Komparator der Fig. lla zum Schaltkreis der Fig. lla in Spannungsänderungen umgewandelt werden.
In diesem Fall sind die Ausgänge V4| bis V4j der Verstärker und d's Ausgänge Vp4ibis Vp4jder Komparatoren in den F i g. 8b und 8c dargestellt.
Ferner ist eine Brückenschaltung, wie sie in F i g. Hb dargestellt ist. bei der Anordnung nach den Fig.4B oder 4D verwendet, die eine Anzahl von FMR-Elementen aufweist und Ausgangssignale mit gleicher Phase und solche mit Gegenphase, wie sie als Widerstandsänderungen Λ4, bis R4g in Fig. 7a dargestellt sind, schafft
Wenn der Fühler des in Fig.4B dargestellten Typs verwendet wird, werden die Spannung der Brückenschaltung aus den FMR-Elemenien 4i. 4j, 4? und 4? und die der Brückenschaliung aus den FMR-Elementen 4i. 44. 4ü und 4b durch Differenzverstärker 10j und 1O4 verstärkt so daß die Ausga.igsspannung Vl und V 2 verdoppelt wird, was die Phasenverzerrung verringert. Mit der in der Mitte der Ausgänge Vl und V 2 der Differenzverstärker lOj und 1O4 gesetzten Schwellwertspannung V1 werden gemäß der Darstellung der F i g. 7c Impulszüge Vp 1 und Vp2 erzeugt. In ähnlicher Weise werden, wenn der Fühler des in Fig. 4D gezeigten Typs verwendet wird, die Ausgänge V1, Vj und V.< der Brükkenschaltungen (FMR-Elemente 4|, 44, 4io und 4?), (FMR-Elemente 4i. 4s, 4n und 4„) und (KMR-Elemente 4i, 4ft, 4,2 und 4«) durch entsprechende Differenzverstärker verstärkt (Fig.9b) und die Ausgänge der Verstärker werden in Impulssignale umgewandelt und die Impulszüge Vpx, Vp1 und Vp1 gemäß F i g. 9c erzeugt.
Anstelle der FMR-Elemente können auch Halbleiter-Magnetorcsistoren bzw. magnetische Halbleiter-Widerstandselemente (im folgenden als SMR-Elemente bezeichnet), derselben Form wie in Fig.4A bis 4D, als Magnetfcld-Abtastelemcntc für die 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 dem Sub· strat gebildet ist und eine Dicke von wenigen μ und eine Breite von einigen 10 μ und Ohmsche Elektroden, die als den Abtaststrom ableitende Anschlüsse verwendet werden, aufweisen. Das SMR-Element ist aus hochreinem n-Halblciter aus Germanium. Indium-Antimonid, Indium-Arsenid. Gallium-Arsenid oder anderen Verbindungen hergestellt. Das SMR-Eiemeni hat eine solche Charakteristik, daß sein elektrischer Widerstand proportional zum Quadrat (H2) der Größe des externen Magnetfeldes afiwächst, 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 F i g. 5a bis 5c zeigen einen Magnetfeldfühler 4. der Hall-Effekt-Vorrichtungen 21 und 22 verwendet, von denen jede eine Dicke von wenigen bis einigen iO μ und eine Breite von einigen 10 bis einigen 1000 μ aufweist und aus einem η-Halbleiter aus Silizium, Germanium. Indium-Antimonid. lndium-Arsenid, Gallium-Arsenid oder dgl. hergestellt ist. Die Vorrichtungen sind ebenfalls so angeordnet, daß die Ebene der einen Vorrichtung um einen Winkel Φ (von etwa 90°) zur Ebene der anderen Vorrichtung geneigt ist. Die Hall-Spannungen werden zwischen den Leitern 25 und 27 und zwischen den Leitern 27 und 28, die mit den Hall-Elektroden verbunden sind, aufgrund von Strömen erzeugt, die durch die Leiter 23 und 24 fließen, die mit Ohmschen Elektroden verbunden sind, die auf den betreffenden Vorrichtungen 21 und 22 angeordnet sind. Dir Hall-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 27 und 28 phasenverschoben. Da die Ebene der Hall-Effekt-Vorrichtung 21 um den Winkel Φ (90°) zu der der Vorrichtung 22 geneigt ist. erzeugen die Leiter 25 bis 28 ihre betreffenden Spannungen V25 bis V-s,, die um 90° gegeneinander phasen-
bc verschoben sind, wie dies in F i g. 10a dargestellt ist Die Ausgänge, die zwischen den Leitern 25 und 26 und auch zwischen den Leitern 27 und 28 erscheinen, werden durch Differenzverstärker 1O4 und IO3. die im Detektorkreis der Fig. Uc dargestellt sind, verstärkt um Spannungen V, und V» ^cmäß Fig. 10b zu erzeugen. Diese Ausgangsspannungen V1 und V2 werden dann durch Komparatoren 111 und II2 in Impulssigr>ale umgewandelt, so daß Impulszüge Vp, und Vp2, wie sie in F i g. 10c
dargestellt sind, erzeugt werden können. Der Ausgang der Impulsformer-Einheit 11 der Fig. 2 wird in Form von Impulszügen geliefert, die eine ausgewählte Phasendifferenz, wie sie oben beschrieben worden ist, aufweisen. Die Impulszjge werden dann an den F.ntscheidungskreis 12 angelegt, um die so erzeugte Phasendifferenz in den Impulszügen abzutasten, wodurch die Drehrichtung des Permanentmagneten 2 bestimmt wird. Das Wirkung prinzip des Entscheidungskreises 12 wird nun anhand der Impulszüge der Fig. 12a bis d und anhand der F i g. 4B und D beschrieben.
Fig. 12azeigt Impulszüge Vp1 und Vp1 die unter Verwendung des Fühlers 4 der Fig. 4B erzeugt werden, wenn sich der Permanentmagnet 2 in Vorwärtsrichtung mit der Zeit / 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\ bcsii/.ί dci impüiS/.üg uci Vp1 der Fig. i2ü ΟΊΓικΓι iti iiCuiUng ücS hohen Pegel, während der Impulszug Vp1 der F ig. 12b einen niedrigen Pegel besitzt. Umgekehrt bedeutet dies, daß der am Niedrig-zu-Hoch-Umkehrpunkt des Impulszuges Vp\ der Impulszug Vp1 der F i g. 12a einen niedrigen Pegel und der Impulszug Vp1 der Fig. 12b einen hohen Pegel besitzt.
Die Fig. 12c und i2d zeigen Impulszüge Vpu Vp1, Vpz, die unter Verwendung des Fühlers 4 der Fig.4D erzeugt werden, wenn sich der Magnet 2 in Vorwärtsbzw. Rückwärtsrichtung dreht. Im einzelnen gilt, daß an den abfallenden Punkten (ansteigenden Punkten) des ImpulSiüges Vp\ die Impulszüge Vp1 und Vpj hohe (niedrige) bzw. niedrige (hohe) Niveaus bei der Drehung in Vorwärtsrichtung besitzen, während die Impulszüge Vp1 und Vpi bei der Drehung in Rückwärtsrichtung niedrige (hohe) bzw. hohe (niedrige) Pegel besitzen. In ähnlicher Weise können die in F i g. 6c. 8c und 10c dargestellten Wsüsnformen auch dazu verwende! werden, die Drehrichtung des Permanentmagneten abzutasten. Deshalb kann die Drehrichtung des Pcrmanentmagncten 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 Zweck 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 Phascndif- · ferenz zueinander besitzen, in der die abfallende oder ansteigende Flanke des einen Impulszuges mit der ansteigenden oder abfallenden Flanke des anderen zusammenfällt Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, müssen wenigstens zwei der FMR- oder SMR-Elemente so angeordnet werden, daß die Abtastströme, die durch sie fließen, einen Winkel miteinander bilden, der von 0°, 90°, 180° und 270° verschieden ist oder wenigstens zwei Hall-Effekt-Vorrichtungen 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 Vereinfachungsgründen im Hinblick auf die Beschreibung und Zeichnung sind zwar die Abtastströme so dargestellt, daß sie durch jeweils zwei benachbarte FM R-Elemente in demselben Winke! zueinander fließen (siehe F i g. 4B, 4C und 4D) und auch die beiden HaIl-Effekt-Vorrichtungen so dargestellt, daß säe miteinander denselben Winkel in ihren betreffenden Ebenen bilden. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Anordnungen von FMR-, SMR-Elementen und Hall-Effekt-Vorrichtungen angewendet werden können, so lange sie die oben genannten Forderungen erfüllen.
Gemäß Fig. 13 enthält der Enischeidungskreis 12 der zum Bestimmen der Pegel der Impulszüge der Fig. 12a und 12b geeignet ist, NAND-Gatter 12i bis 12q. Bei Anlegen des Impulszuges Vp1 an die Klemme A und des Impulszuges Vp1 an die Klemme B verbleiben die Klemmen C und D, wenn ein Hoch-zu-Niedrig-Übergang im
ίο Impulszug Vp\ erfolgt dann, wenn der Impulszug Vp1 auf einem hohen Pegel ist, auf niedrigem bzw. hohen Pegel, bis der Hoch-zu-Niedrig-Übergang im Impulszug Vp1 auftritt. Wenn demgegenüber ein Hoch-zu-Niedrig-Übergang im Impulszug Vp\ dann erfolgt, wenn der Impulszug Vp1 auf einem niedrigen Pegel ist, verbleiben die Klemmen Cund D auf hohem bzw. niedrigem Pegel,
bis der Niedrig-zu-Hoch-Übergang im Impulszug Vp2
auftritt.
Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, daß die Dreh-
dürcn CinC rtuuCrüng CiHCT
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 Flanken (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,
ω 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 drehenden Gegenständen ermöglicht, einschließlich solcher Vorgänge bei sehr niedrigen und außerordentlich hohen Geschwindigkeiten.
Hierzu 14 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Drehrichtungs-Meßeinrichtung mit einer mit der Welle eines drehbaren Gegenstandes drehfest verbundenen Permanentmagnet-Anordnung, mit einem Magnetfeldfühler mit auf das sich drehende Magnetfeld ansprechenden Magnetfeld-Fühlerelementen und mit einer mit den Magnetfeld-Fühlerelementen verbundenen, die Drehrichtung der Welle bestimmenden Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Permanentmagnet (2) in einer im wesentlichen senkrecht zur Welle (1) angeordneten ersten Ebene vorgesehen ist, und daß die Fühlerelemente (4n; 21,22) des Magnetfeldfühlers (4) in einer zweiten Ebene, die parallel zur ersten Ebene und dieser benachbart verläuft, in einem Abstand von der Welle angeordnet sind, wobei mindestens zwei der Magnetfeld-Fühlerelemente im Falle von magnetischen Widerstandselementen (4„) einen von 0°, 90°, 180° und 270° verschiedenen Winkel and im Falle von Hall-Effekt-Elementen (21,22) einen vonO° und 180° verschiedenen Winkel zwischen sich bilden.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verstärker (10·,—1On) zum Verstärken der Ausgangssignale der magnetischen Widerstandselemente (4i— 4„), durch Impulsformer (Hi-Iln) zum Umwandeln der Ausgangssignale von den Verstärkern (1Oi — 1On) und durch einen Enischeidungskreis (12) zum Bestimmen der Drehrichtung der Welle (1) (F ig. 2).
DE2915461A 1978-04-18 1979-04-17 Drehrichtungs-Meßeinrichtung Expired DE2915461C2 (de)

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