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Drehwinke lfühler
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehwinkelfühler, der Drehwinkel
in entsprechende elektrische Signale umsetzt.
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Ein bekannter Drehwinkelfühler dieser Art hat mindestens einen bewegbaren
Körper, der an einer Drehachse hinsichtlich seines Winkels verstellbar ist, und
ein Potentiometer mit einem Schleifer, der mit dem bewegbaren Körper verbunden ist.
Bei dem Fühler mit diesem Aufbau gibt das Potentiometer eine dem Ausmaß der Winkelverstellung
des bewegbaren Körpers entsprechende analoge Ausgangsspannung ab. Bei einem Fühler
dieser Art sollte das Potentiometer eine dünne Widerstandsschicht mit hohem Abriebwiderstand
haben und ferner einen den von dem Schlefifer eingenommenen Stellungen entsprechend
beständigen Ausgangsspannungspegel liefern. Ferner ist anzustreben, daß ein den
bewegbaren Körper mit dem Schleifer verbin-
dendes Glied mit zuverlässiger
Gleichmäßigkeit betätigbar ist, ohne daß lose Verbindung bzw. Spiel hervorgerufen
wird. Zusätzlich wird bei dem Fühler gefordert, daß der Kontakt zwischen dem Schleifer
und der Widerstandsschicht mit einer ausreichenden Festigkeit herbeigeführt wird,
damit die beiden Kontaktteile irgendwelchen Vibrationen oder Stößen widerstehen
können.
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Bei dem bekannten Fühler wird jedoch der Kontakt zwischen dem Schleifer
und der Widerstandsschicht in dem Potentiometer unter Andruck herbeigeführt, so
daß mit der Zeit an einem der beiden Kontaktelemente oder an beiden Kontaktelementen
eine Abnutzung erfolgt; wenn Vibrationen oder Stöße auftreten, gibt das Potentiometer
im Ansprechen auf Än-derungen hinsichtlich der Winkelstellung des bewegbaren Körpers
unter Umständen falsche oder ungeeignete Ausgangsspannungen ab.-Im Hinblick auf
die vorstehend beschriebenen Probleme bei dem bekannten Fühler liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkelfühler zu schaffen, der bei dem mechanisch/elektrischen
Wandlersystem zur Umsetzung mechanischer Änderungen in entsprechende elektrische
Signale eine berührungsfreie Umsetzvorrichtung aufweist, Dr. ctie die Notwendigkeit
einer mv er Koi't vorrichtung aufgehoben ist.
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Ferner soll der erfindungsgemäße Drehwinkelfühler stabil aufgebaut
sein, um ihn damit gegenüber Vibrationen und Stößen widerstandsfähig zu machen.
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Weiterhin soll der erfindungsgemäße Drehwinkelfühler eine verhältnismäßig
einfache elektrische Verarbeitung von erfaßten Drehwinkelsignalen ermöglichen.
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Mit der Erfindung soll ferner ein Drehwinkelfühler geschaffen werden,
der zur Auswertung und Verarbeitung -erfaßter Drehwinkeldaten die Anwendung einer
integrierten Schaltung hohen Integrationsgrads (LSI) der bei fortentwickelten Mikrocomputern
verwendeten Ausführung erlaubt, die eine verhältnismäßig einfache programmierte
logische Schaltung enthält.
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Erfindungsgemäß hat der Drehwinkelfühler ein Gehäuse aus Kunstharz,
ein in dem Gehäuse drehbar gelagertes Drehwellenteil, mindestens ein weichmagnetisches
Teil, an dem eine elektrische Spule angebracht ist, und einen dem weichmagnetischen
Teil in Abstand gegenübergesetzten Permanentmagneten. Das Drehwellenteil trägt ein
daran befestigtes, aus ferromagnetischem Material bestehendes Teil, das zu einer
mit dem Drehwellenteil gemeinsamen Winkelverstellung ohne Berührung mit dem Permanentmagneten
und dem weichmagnetischen Teil ausgebildet ist. Das ferromagnetische Teil steuert
den von dem Permanentmagneten hervorgerufenen magnetischen Fluß, der an dem weichmagnetischen
Teil wirkt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehwinkelfühlers
sind zwei weichmagnetische Teile in Abstand einander diametral gegenübergesetzt
und in Radialrichtung bezüglich des mittigen iprehwellenteils angeordnet. An dem
von den beiden weichmagnetischen Teilen gebildeten Umkreis ist ein Permanentmagnet
in der Mittelstellung zwischen den beiden Teilen angeordnet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Drehwinkelfühlers werden ein Permanentmagnet und ein weichmagnetisches Teil in gegenseitigem
Abstand an einem dadurch gebildeten Umkreis angeordnet. Das weichmagnetische Teil
hat eine kleine Querschnittsfläche,
die ein leichtes Erreichen der
magnetischen Sättigung des Teils erlaubt. Die elektrische Spule hat eine große Windungsanzahl,
die ausreicht, das weichmagnetische Teil magnetisch zu sättigen, wenn an die Spule
eine verhältnismäßig niedrige Spannung angelegt wird und daher in der Spule ein
schwacher Erregungsstrom fließt. Die Abmessungen des Permanentmagneten können in
Abhängigkeit von dem Ausmaß der Versetzung des ferromagnetischen Teils innerhalb
des vorbestimmten Bewegungsbereichs desselben so weit verringert werden, daß der
Permanentmagnet ein Magnetfeld ausreichender Stärke liefert.
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Ein Zeitintervall T vom Beginn des.Anlegens einer Spannung an die
auf das weichmagnetische Teil gewickelte Spule bis- zu dem Erreichen der magnetischen
Sättigung des weichmagnetischen Teils kann mit der folgenden Näherungsgleichung
angegeben werden: T = N x (>6m - ßx) (1) E wobei E die an die Spule angelegte
Spannung ist, N die Windungsanzahl der Spule ist, m der maximale Fluß(SätX tigungsfluß)
ist und Xx der Fluß des äußeren Magnetfelds ist.
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Wie aus der vorstehenden Gleichung leicht ersichtlich ist, bewirkt
ein Bewegen des ferromagnetische,n£,, Teils eine Änderung des Flusses x, so daß
sich daher das Zeitintervall T ändert. Im einzelnen bewirkt ein Bewegen des ferromagnetischen
Teils in Übereinstimmung mit der Winkelversetzung des Drehwellenteils entsprechende
Änderungen des dem weichmagnetischen Teil aufgeprägten äußeren magnetischen Flusses
x, wodurch entsprechende Änderungen des Zeitintervalls T vom Anlegen einer Spannung
an die Spule an bis zum Erreichen eines vorgegebenen
Spulenerregungsstrom-Pegels
hervorgerufen werden. Aufgrund dieser Betrachtung erhält der erfindungsgemäße Drehwinkelfühler
eine elektrische Schaltung oder elektronische Halbleitereinrichtung, die das Zeitintervall
T erfaßt und ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, das einen Spannungspegel oder
einen digitalen Code darstellt, der dem erfaßten Zeitintervall T entspricht.
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Bei den Ausführungsbeispielen des Drehwinkelfühlers wird zur Bildung
eines weichmagnetischen Teils vorzugsweise a-rphes magnetisches Material verwendet.
Da übliciierweise das amorphe magnetische Material durch Ab -schrecken aus Flüssigphasen-Metall
gewonnen werden muß, wird es zu dünnen Blättern geformt. Hinsichtlich der magnetischen
Eigenschaften ist das Material ferromagnetisch mit hoher Permeabilität (marx :>103)
und hoher magnetischer Sättigung. Ferner hat das Material geringe Koerzitivkraft
( -< 1,0 Oe), während es mechanisch fest und schwer zerreißbar bzw. brechbar
ist. Weitere Eigenschaften sind seine Elastizität -und Reproduzierbarkeit bzw. Formbeständigkeit.
Diese Eigenschaften des amorphen magnetischen Materials erfüllen die mechanischen
und elektrischen Erfordernisse bei dem erfindungsgemäßen Drehwinkelfühler. Daher
wird mit der Verwendung dieses Materials die elektrische Signalverarbeitung erleichtert,
und die Genauigkeit hinsichtlich der Bestimmung der Größe des Zeitintervalls T verbessert.
Fernerverlaubt die Verwendung des Materials einen verhältnismäßig einfachen Herstellungsvorgang
und eine Steigerung der Widerstandsfähigkeit des weichmagnetischen Teils gegenüber
Körperschwingungen und Stößen. Derartige weichmagnetische Materialien sind in dem
Artikel "Soft Magnetic Properties of Metallic Glasses- Recent Developments" , J.Appl.
Phys.
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50(3), März 1979, Seiten 1551 - 1556 von Hasegawa u.a.
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beschrieben. Weichmagnetische Materialien werden unter der Handelsbezeichnung
METGLAS (TM) von der Allied Chemical Corp. vertrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines Drehwinkelfühlers gemäß
einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Fig. 2 ist eine Ansicht eines Schnitts längs der Linie II-II in Fig.
1.
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Fig. 3 ist eine Ansicht eines Schnitts längs der Linie 111-111 in
Fig. 2.
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Fig. 4 a ist ein Schaltbild einer an den in Fig. 1 gezeigten Drehwinkelfühler
anzuschließenden elektrischen Verarbeitungsschaltung, die eine Analogausgangsspannung
mit einem Pegel abgibt, der einem ermittelten Drehwinkel entspricht.
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Fig. 4 b ist ein Schaltbild einer weiteren, an den in Fig. 1 gezeigten
Drehwinkelfühler anzuschließenden elektrischen Verarbeitungsschaltung, die ein digitales
Codeausgangssignal abgibt, das einem ermittelten Drehwinkel entspricht.
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Fig. 4 c ist ein Schaltbild einer an den in Fig. 1 gezeigten Drehwinkelfühler
anzuschließenden elektronischen logischen Verarbeitungsschaltung, die ein digitales
Codeausgangssignai abgibt, das einem ermittelten Drehwinkel entspricht.
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Fig. 5 a ist eine Draufsicht, die Relativstellungen zeigt, welche
weichmagnetische Teile, ein Perma-
neritmagnet und ein ferromagnetisches
Teil in Bezug aufeinander bei dem in Fig. 1 gezeigten Drehwinkelfühler einnehmen.
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Fig. 5 b ist, eine Vorderansicht der in Fig. 5a gezeigten Anordnung.
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Fig. 6 a ist eine graphische Darstellung, die unter Verwendung der
in den Fig. 5a und 5b gezeigten Anordnung in Verbindung mit der in Fig. 4a ge-@gten
elektrischen Verarbeitungsschaltung zielte Ausgangs spannungen als Funktion von
Winkelverstellungen des ferromagnetischen Teils zeigt.
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Fig. 6 b ist eine graphische Darstellung von Daten, die bei Verwendung
der in den Fig. 5a und 5b gezeigten Anordnung in Verbindung mit der in Fig. 4b gezeigten
elektrischen Verarbeitungsschaltung durch Messen einer Zeitdifferenz td zwischen
Eingangs- und Ausgangs impulsen als Funktion einer Winkelverstellung des ferromagnetischen
Teils erzielt werden.
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Fig. 7 ist eine Längsschnittansicht eines Drehwinkelfühlers gemäß
einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Fig. 8 ist eine Ansicht eines Schnitts längs der Linie VIII-VIII in
Fig. 7.
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Fig. 9 ist eine Ansicht eines Schnitts ,längs der Linie IX-IX in Fig.
8.
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Fig. 10 a ist ein Schaltbild einer an den in Fig. 7 gezeigten Drehwinkelfühler
anzuschließenden elektrischen Verarbeitungsschaltung, die eine analoge Ausgangsspannung
mit einem Pegel abgibt, der einem ermittelten Drehwinkel entspricht.
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Fig. 10 b zeigt Kurvenformen des Eingangs- und des Ausgangssignals
der in Fig. 10a gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung.
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Fig. 11 a ist ein Schaltbild einer an den in Fig. 7 gezeigten Drehwinkelfühler
anzuschließenden weiteren elektrischen Schaltung, die als Ausgangssignal Impulse
mit Zeitdifferenzen abgibt, welche den ermittelten Drehwinkeln entsprechen.
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Fig. 11 b zeigt Kurvenformen des Eingangs- und Ausgangssignals der
in Fig. lla gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung.
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Fig. 12 ist ein Blockschaltbild einer Zählerschaltung, die eine Zeitdifferenz
td zwischen Eingangs- und -Ausgangsimpulsen der in Fig. lla gezeigten elektrischen
Verarbeitungsschaltung in ein entsprechendes digitales Codesignal uaiC-" Fig. 13
ist ein Blockschaltbild einer an- den in Fig.
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7 gezeigten Drehwinkelfühler anzuschließenden elektronischen logischen
Verarbeitungseinheit 160.
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In der Zeichnung sind durchgehend bei den verschiedenen Darstellungen
identische oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet;
im ein-
zelnen ist in den Fig. 1.bis 3 ein erstes Ausführungsbeispiel
des Drehwinkelfühlers dargestellt. Nach Fig. 1 hat ein' allgemein mit 1 bezeichneter
Drehwinkelfühler einen ersten Gehäuseteil 3 aus Kunstharzmaterial mit einer Mittelöffnung
2 und einen zweiten Gehäuseteil 5 aus Kunstharzmaterial mit einer exzentrischen
Öffnung 4. Die Gehäuseteile 3 und 5 sind unter Zwischensetzung eines O-bzw. Dichtungsrings
7 mit Hilfe eines Metallrings 6 miteinander verbunden. In die Mittelöffnung 2 ist
eine Drehwelle 8. aus Kunstharzmaterial eingesetzt. Ein Ende 9 der Drehwelle 8 ist
mit einer (nicht gezeigten) Drehantriebseinrichtung verbunden, während das andere
Ende 10 drehbar in einer Ausnehmung 11 in der Bodenwand des zweiten Gehäuseteils
5 gelagert ist. Die Drehwelle 8 hat einen mittigen Gewindebereich 12, an den ein
sektorförmiges Teil 14 (siehe Fig.2) aus ferromagnetischem Material mit Hilfe einer
Mutter 13 festgelegt ist, die an dem Gewindebereich 12 so' angreift, daß das Sektor-Teil
14 fest eingestellt-wird. Demzufolge dreht das Sektor-Teil 14 mit einer Drehung
der Drehwelle 8. Die Boden -wand des zweiten Gehäuseteils 5 trägt einen im wesentlichen
sektorförmigen Metallsockel 15 (Fig.2), der an dew Gehäuseteil mit Hilfe einer Schraube
16 angebracht ist.
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Der Metallsockel 15 trägt einen Permanentmagneten 18, der von einem
Halter 17 aus Kunstharzmaterial gehalten ist und in einer im wesentlichen zu der
Drehwelle 8 parallelen Lage angeordnet ist. Wie aus der Fig. 2 deutlich ersichtlich
ist, sind ein erstes Teil l9Lund ein zweites Teil 20, die beide aus weichmagnetischem
Material bestehen, einander in Radialrichtung zu der Drehwelle 8 gegenübergesetzt,
die diametral zwischen den einander gegenüberliegenden Teilen 19 und 20 liegt. Das,erste
weichmagnetische Teil 19 durchragt einen Spulenkörper 21, der eine elektrische Spule
22 trägt (Fig.3). Der Spulenkörper 21 ragt durch den Metall sockel 15 hindurch und
wird in
einer Ausnehmung im Boden des Gehäuseteils 5 festgehalten,
so daß damit das in dem Spulenkörper aufgenommene weichmagnetische Teil 19 festgelegt
ist. Die einander entgegengesetzten Windungsenden der Spule 22 sind über jeweilige
Anschlüsse mit einem Paar jeweiliger Zuleitungsdrähte 23 und 24 verbunden. Das zweite
weichmagnetische Teil 20 ist gleichermaßen von einem Spulenkörper umgeben, auf den
eine (nicht gezeigte) Spule 31 gewickelt ist. Die Spule 31 ist mit einem zweiten
Paar jeweiliger Zuleitungsdrähte 25 und 26 verbunden. Die Zuleitungsdrähte 23 bis
26 sind in einem Rohr 27 aufgenommen, das in die exzentrische Öffnung 4 in dem Gehäuseteil
S eingesetzt ist und aus dem Fühlergehäuse herausragt. Das Rohr 27 ist in seiner
Lage mit Hilfe eines Gummistopfenhalters 28 festgelegt, der in der Öffnung 4 mittels
eines Metalldeckels 30 festgehalten ist, welcher mit Schrauben 29 an dem Gehäuseteil
5 angebracht ist.
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Eine in Fig. 4a elektrische Verarbeitungsschaltung 180 gibt eine analoge
Ausgangsspannung V# ab, die der Winkelstellung des Sektor-Teils 14 in dem in den
Fig. 1 bis 3 gezeigten Drehwinkelfühler entspricht. In der Schaltung 180. ist ein
NPN-Transistor 103 während der Dauer positiven Pegels einer Eingangsimpulsspannung
IN an einem Eingangsanschluß 102 durchgeschaltet und während der Dauer es Massepegels
der Aufgangsimpulsspannung gesperrt.
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Die Kollektorspannung des Transistors 103 ist einem Paar invertierender
Verstärker IN3 und IN4 zugeführt, das eine verstärkte und geformte Ausgangskurvenform
abgibt, die an der Basis eines NPN-Transistors 121 anliegt. Auf diese Weise ist
während des Anlegens der tingangsimpulsspannung IN mit positivem Pegel der Transistor
103 durchgeschaltet, wodurch der Transistor 121 gesperrt ist, so daß damit ein PNP-Transistor
104 gesperrt ist. Durch das Anlegen einer Eingangsimpulsspannung IN mit Masse-
pegel
wird der Transistor 103 gesperrt, wodurch die Transistoren 121 und 104 durchgeschaltet
werden. D.h., es wird eine Impulsspannung an die Spule 22 angelegt; dadurch tritt
an einem Widerstand 105 ein Spannungsimpuls auf, der mit einer Verzögerungszeit
tdlnach dem Abfallen der Eingangsmpulsspannung IN anzusteigen beginnt; der Spannungsimpuls
bzw. die Zeitverzögerung entspricht einem Abstand x1 = f (#) des Sektor-Teils 14
von dem weichmagnetischen Teil 19. An die andere Spule 31 wird eine Konstantspannung
über einen PNP-Transistor 181 angelegt.
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Dieser Transistor 181 wird dadurch durchgeschaltet, daß bei positivem
Pegel der Eingangsimpulsspannung IN der Transistor 103 durchgeschaltet wird, dadurch
das Ausgangssignal eines invertierenden Verstärkers IN5 positiven Pegel annimmt
und durch diesen ein NPN-Transistor 182 durchgeschaltet wird. Während der Dauer
des Massepegels der Eingangsimpulsspannung IN ist der Transistor 181 gesperrt. Demzufolge
wird eine konstante Spannung an die zweite Spule 31 angelegt, solange keine Spannung
an die erste Spule 22 angelegt wird. Im Gegensatz dazu wird an die zweite Spule
31 keine Spannung angelegt, solange eine konstante Spannung an die erste Spule 22
angelegt wird. D.h., das Anlegen der konstanten Spannung wechselt in Abhängigkeit
von dem Zustand der angelegten Eingangsimpulsspannung IN zwischen der ersten und
der zweiten Spule. Die zweite Spule 31 ist mit einem Widerstand 183 verbunden, an
dem eine Spannung auftritt, die.
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nach dem Anstieg der Eingangsimpulsspannung IN mit einer Verzögerungszeit
td2, anzusteigen beginnt, welche einem Abstand x2 = f (e) des Sektor-Teils 14 von
dem weichmagnetischen Teil 20 entspricht. Eine an dem Widerstand 105 auftretende
Spannung Vx1 wird an einen Anschluß eines Kondensators 187 angelegt, an dessen anderen
Anschluß über einen Widerstand 185 eine an dem Widerstand 183
auftretende
Spannung Vx2 angelegt wird. Die Abstände des sektorförmigen Teils 14 von dem ersten
bzw. dem zweiten weichmagnetischen Teil 19 bzw. 20 sind mit x1 bzw.
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X2 bezeichnet, wobei x1 + x2 = K (Konstante) gilt und wobei Vx1 zu
x1 proportional ist und Vx2 zu x2 proportional ist. Demzufolge entspricht die Potentialdifferenz
zwischen den beiden Anschlüssen des Kondensators 184 der Größe (x1 - x2). Der Kondensator
184 und der Widerstand 185 bilden eine Integratorschaltung. Daher entspricht die
an dem Kondensator 184 gespeicherte Spannung der Größe (x1 - x2). Da x2 = K - x1
und damit x1 - x2 = 2x1 - K gilt, entspricht die an- dem Kondensator 184 gespeicherte
Spannung der Größe 2x1. Damit wird eine Analogspannung erzielt, die gleich dem doppelten
der Winkelversetzung x1 des Sektor-Teils 14 in Bezug auf das erste weichmagnetische
Teil 19 ist, das als Bezugspunkt dient. Die beiden Anschlüsse des Kondensators 184
sind jeweils mit Eingängen eines Rechenverstärkers 186 verbunden, der als Differenzverstärker
arbeitet. Daher entspricht eine analoge Ausgangsspannung Ve des Verstärkers 186
der Größe 2x1.
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Bei einer in Fig. 4b gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung
200 geben zwei Schaltungen 120 jeweils Impulse ab, die in Bezug auf die Anstiegsflanke
eines an einen Eingangsanschluß 102 angelegten Eingangsimpulses um Zeitintervalle
td1 bzw. td2 verzögert sind und die jeweils einer Zählerschaltung 140 zugeführt
werden. Im Ansprechen auf die zugeführten Impulse bilden die Zählerschaltungen 140
jeweils Signale S19 bzw. S20, die die Größen der Zeitintervalle td1 bzw. td2 darstellen,
wobei die Code-Signale weiter in eine Subtrahierschaltung bzw.
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einen Subtrahierer 201 eingegeben werden. Der Subtrahierer 201 benutzt
die Code-Signale S19 und S20 für einen
Subtraktionsvorgang (td1
- td2) und gibt ein digitales Code-Ausgangssignal Sx = S19 - S20 ab, das die Größe
(td1 - td2) bzw. 2x1 darstellt. Die Schaltungen 120 und 140 sind in den Fig. lla
bzw. 12 dargestellt, und werden später in Einzelheiten erläutert.
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Bei einer in Fig. 4c gezeigten elektronischen logischen Verarbeitungseinheit
220 gibt ein Einzelbaustein-Mikrocomputer 221 einen Anfangsimpuls an eine mit der
elektrischen Spule 22 verbundene Schaltung 120 ab, und beginnt zugleich mit der
Anstiegsflanke dieses Impulses eine Zeitzählung, wobei er einen td1-Zählungs-Datenwert
S19 erzeugt und speichert. Danach gibt der Mikrocomputer einen weiteren Anfangsimpuls
an eine mit der elektrischen Spule 31 verbundene Schaltung 120 ab und beginnt mit
der Anstiegsflanke dieses Impulses eine Zeitzählung zur Erzeugung eines td2-Zählungs-Datenwerts
S20. Danach führt der Mikrocomputer einen Subtraktionsvorgang (td1 - td2) aus und
bildet ein sich ergebendes Code-Signal Sx = S19 - S20 ab, wobei der Mikrocomputer
diese Betriebsablauffolge fortsetzt, solange ein Meßbefehl-Steuersignal vorliegt.
Die Schaltung 120 wird im folgenden anhand der Fig. lla erläutert.
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Zur Bestimmung der Werte von Ausgangsspannungen V als Funktion von
Winkelstellungen m einer sektorförmigen Weicheisenplatte 14 wurde der in den Fig.
5a und 5b gezeigte Aufbau unter den folgenden Voraussetzungen verwendet: die Messungen
wurden dadurch vorgenommen, daß weichmagnetische Teile 19 und 20 parallel zueinander
angeordnet wurden und zwischen den Teilen ein Permanentmagnet 18 zu den Teilen parallel
angeordnet wurde. Die Weicheisenplatte 14 wurde oberhalb der weichmagnetichen Teile
19 und 20 sowie des Permanentmagneten 18 geschwenkt.
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Es wurde vorausgesetzt, daß die Laqe dertlitte der Weicheisenplatte
14 direkt oberhalb des Permanentmagneten 18 bzw. in der Mitte zwischen den beiden
weichmagnetischen Teilen 19 und 20 einem Drehwinkel α = 0 entspricht.
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Die Tabelle 1 gibt die Zusammenhänge zwischen den Parametern wie der
Form, den Abmessungen und den Arten des Materials der weichmagnetischen Teile und
den sich ergebenden Versuchsdaten an.
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Tabelle 1
| Spulen |
| Fall Weichmagnetische Teile 19 und 20 22 und 31 |
| Nr. |
| Material Länge Breite Dicke Blatt- R ß Windungs- |
| Atom Gew.-% mm mm mm anzahl mm ° anzahl |
| 1 Fe40Ni40P14B6 30 1.8 1.8 5 40 60 1000 |
| amorph |
| 2 " " " " " " " " |
| Fall Meßvorrichtung Span- |
| Permanentmagnet 18 Weicheisen- |
| Nr. und Eingangs- nungs- |
| platte 14 |
| polung Daten |
| Impulsfrequenz |
| Länge Breite Dicke l # t q |
| mm mm mm mm ° mm mm |
| 1 30 5 5 45 40 2 2 Schaltung 180 |
| 5 kHz N-N Fig. 6a |
| 2 " " " " " " " Schaltung 200 " Fig. 6b |
| 5 kHz |
Wie aus den Daten in der Fig. 6a deutlich ersichtlich ist, hat
die α -V-Kennlinie gute Linearität, wenn der Drehwinkel > der Weicheisenplatte
14 in dem Bereich von -15° # α # + 15° liegt. Wie gleichermaßen deutlich aus
der Fig. 6b ersichtlich ist, hat die « -td- bzw.
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Dc -Zeitdifferenz-Kennlinie gute Linearität, wenn der Drehwinkel
α in dem Bereich von -150 c « < +150 liegt.
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Dies beweist, daß durch Winkelverschwenkung der Mitte der Weicheisenplatte
14 innerhalb eines Bereichs von # 150 aus der in der Zeichnung gezeigten Stellung
eine gute Linearität erzielbar ist. Es ist ferner festzustellen, daß eine Winkelverstellung
der Weicheisenplatte 14 innerhalb des vorstehend genannten Bereichs den Permanentmagneten
dahingehend unterstützt, den an dem weichmagnetischen Teil wirkenden Fluß zu steigern,
wogegen bei einer Winkelverstellung der Weicheisenplatte 14 außerhalb des genannten
Bereichs der Fluß verringert wird. Da aus dem Vorstehenden offensichtlich ist, daß
die alpha;-V-Kennlinie nicht nur durch den Winkelabstand ß zwischen den weichmagnetischen
Teilen 19 und 20, sondern auch durch die Form des Permanentmagneten 18 und der von
ihm abgegebenen Magnetfeldstärke abhängt, ist es verhältnismäßig einfach, irgendeine
z -V-Kennlinie nach Wunsch zu wählen.
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Die Figuren 7 bis 9 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des Drehwinkelfühlers,
das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel im Einzelnen dadurch unterscheidet,
daß bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 7 bis 9 anstelle zweier weichmagnetischer
Teile nur ein weichmagnetisches Teil vorgesehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
hat der allgemein mit 50 bezeichnete Drehwinkelfühler einen ersten Gehäuseteil 51
und einen zweiten Gehäuseteil 52, die beide aus Kunstharz hergestellt sind und durch
Ultraschall-Schweißen miteinander verbunden
sind. Der erste Gehäuseteil
51 hat eine Mittelöffnung 53, in der eine Drehwelle 54 aufgenommen ist. Die Drehwelle
54 ist mit einem Ende an ein sektorförmiges Teil 55 aus ferromagnetischem Material
befestigt. Der zweite Gehäuseteil 52 hat einen ersten Vorsprung 56 und einen zweiten
Vorsprung 57, die an dem-Umfang des zweiten Gehäuseteils 52 in Abstand zueinander
angeordnet sind.
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Der erste Vorsprung nimmt in seinem Inneren ein weichmagnetisches
Teil 59 auf, das eine elektrische Spule 58 trägt. Die entgegengesetzten Windungsenden
der Spule 58 sind an Zuleitungsdrähte 60 bzw. 61 angeschlossen, die aus dem Gehäuse
des Fühlers 50 heraus führen. Der zweite Vorsprung 57 nimmt einen darin fest angebrachten
Permanentmagneten'62 auf. Auf'diese Weise bewirkt irgendeine Winkelverstellung des
sektorförmigen Teils 55 eine entsprechende Änderung des an dem weichmagnetischen
Teil 59 wirkenden magnetischen Flusses aus dem Permanentmagneten 62. Die Änderung
kann dann mittels einer elektrischen Verarbeitungsschaltung oder einer elektronischen
logischen Verarbeitungseinheit erfaßt werden, die nach stehend in Einzelheiten beschrieben
werden.
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Die Fig. lOa ist ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Verarbeitungsschaltung
100 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Schaltung 100 hat einen mit einer (nicht
gezeigten) stabilisierten Stromversorgungsquelle verbundenen Anschluß 101, an dem
aus der Stromversorgungsquelle eine Gleichspannung mit konstantem Pegel (von beispielsweise
+5V) anliegt. Ferner ist ein Eingangsanschluß 102 vorgesehen. Durch Anlegen einer
Eingangsimpulsspannung IN mit einer Frequenz von 5 bis 25 kHz an den Eingangsanschluß
102 wird ein NPN-Transistor 103 während des positiven Pegels der Impulsspannung
durchgeschaltet, während er bei Massepegel der Impulsspannung
gesperrt
wird. Ein an den Transistor 103 angeschlossener PNP-Transistor 104 bleibt während
der Dauer des Durchschaltens des Transistors 103 durchgeschaltet und während der
Dauer des Sperrens des Transistors 103 gesperrt.
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Demnach wird während des Anlegens einer Impulsspannung positiven Pegels
an den Eingangsanschluß 102 eine an dem Anschluß 101 anliegende konstante Versorgungsspannung
Vcc an die Spule 58 angelegt, während bei Massepegel der Eingangsimpulsspannung
keine Spannung an die Spule angelegt wird. An einem Widerstand 105 entsteht eine
zu einem durch die Spule 58 fließenden Strom proportionale Spannung, die an eine
Integratorschaltung aus einem Widerstand 106 und einem Kondensator 107 angelegt
wird.
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Die Integratorschaltung gibt eine integrierte Ausgangsspannung ab,
die an einem Ausgangsanschluß 108 auftritt.
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Die Fig. lOb zeigt die Kurvenformen der Eingangs- und der Ausgangsspannung
der in Fig. lOa gezeigten Schaltung.
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Ein Zeitintervall td von dem Ansteigen der Eingangsimpulsspannung
IN zu Beginn des positiven Pegels bis zu dem Ansteigen der Spannung an dem Widerstand
105 über einen vorgegebenen Pegel sowie die aus der Spannung an dem Widerstand 105
integrierte Spannung Vx entsprechen einer Winkelstellung des sektorförmigen Teils
55.
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Die Fig. lla ist ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Verarbeitungsschaltung
120 gemäß einer weiteren Ausführungsform. In der Schaltung 120 ist ein NPN-Transistor
103 während des Massepegels einer Eingangsspannung IN gesperrt, wodurch ein PNP-Transistor
104 gesperrt ist. Daher wird keine Spannung an die Spule 58 angelegt.
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Andererseits ist während des Massepegels der Eingangsspannung IN der
Transistor 103 durchgeschaltet, wodurch der Transistor 104 durchgeschaltet ist.
Ein Spulenstrom
fließt über ein Paar von N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren
FET1 und FET2, die, einen Strom mit konstanter Stärke liefern. Die Stärke des über
den Feldeffekttransistor FET2 fließenden Stroms wird mittels eines veränderbaren
Widerstands 122 bestimmt. Eine Spannung an dem mit aen Feldeffekttransistoren FET1
und FET2 verbundenen Spulenanschluß wird an ein Paar von in Kaskade geschalteten
invertierenden Verstärkern IN1 und IN2 angelegt, die eine verstärkte und geformte
Ausgangsspannung abgeben.
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Die Fig. llb zeigt die Kurvenformen der Eingangs- und der Ausgangsspannung
der in Fig. lla gezeigten Schaltung.
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Wie aus diesen Kurvenformen ersichtlich ist, stellt das Ausgangssignal
OUT der Schaltung 120 Spannungsimpulse dar, die jeweils mit einem Verzögerungszeitintervall
td in Bezug auf einen Eingangsimpuls IN ansteigen. Das Zeitintervall td entspricht
der von dem ferromagnetischen Sektor-Teil 55. eingenommenen Winkelstellung. Das
Zeitintervall bzw. die Verzögerungszeit td wird mittels einer in Fig. 12 gezeigten
Zählerschaltung 140 verarbeitet, die ein digitales Codesignal abgibt, das die eingegebene
Zeitintervall-Information darstellt. In der Zählerschaltung 140 wird von der Anstiegsflanke
der Eingangsimpuls.-spannung IN ein Flip-Flop F1 gesetzt, wodurch dessen Q-Ausgangssignai
hohen Pegel "1" annimmt, durch den ein UND-Glied Al durchgeschaltet wird, so daß
von einem Taktimpulsgenerator 141 abgegebene Impulse an einen Zählimpulseingang
CK eines Zählers 142 angelegt werden können.
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Ein Ausgangsimpuls OUT und das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops F1
werden an ein UND-Glied A2 angelegt. Bei der Anstiegsflanke des Ausgangsimpulses
OUT wird das UND-Glied A2 auf einen Zustand hohen Pegels "1" geschaltet.
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Durch den Anstieg des Ausgangssignals des UND-Glieds
A2
wird das FLip-Flop F1 rückgesetzt, so daß dessen W-Ausgangssignal den Zustand niedrigen
Pegels "O" einnimt.
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Dadurch wird das UND-Glied Al gesperrt, so daß die Taktimpulse nicht
länger dem Zähler 145 zugeführt werden.
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Wenn das Ausgangssignal des UND-Glieds A2 auf "1" wechselt, wird ein
Zählstand-Codeausgangssignal des Zählers 142 in einen Zwischenspeicher 143 eingespeichert.
Das Rücksetzen des Flip-Flops F1 und das Einspeichern des Zählstand-Codeausgangssignals
in dem Zwischenspeicher 143 bewirken, daß ein UND-Glied A3 ein Taktimpuls-Ausgangssignal
abgibt , das den Zähler 142 löscht. Das Code-Ausgangssignal des Zwischenspeichers
143 stellt die Anzahl der während des Zeitintervalls td aufgetretenen Taktimpulse
und dementsprechend das Zeitintervall td dar.
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Eine in Fig. 13 gezeigte elektronische logische Verarbeitungseinheit
160 hat einen Einzelbaustein-Mikrocomputer 161 (integrierte Halbleitervorrichtung
hohen Integrationsgrads LSI), einen Verstärker 162, einen N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor
FET1, der als Konstantstromquelle wirkt, einen Widerstand 163, einen Kondensator
164, einen Verstärker 165 und einen Taktimpulsgenerator 166. Der Widerstand 163
und der Kondensator 164 bilden eine Filterschaltung die Spannungen mit Frequenzen
oberhalb der Eingangs- und Ausgangsimpuls-Frequenz unterdrückt. Der Mikrocomputer
161 arbeitet auf den Taktimpulsen beruhend und bildet Impulse mit einer konstanten
Frequenz in dem Frequenzbereich zwischen 5 kHz und 30 kHz, die auch an den Verstärker
162 angelegt werden.
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Der Mikrocomputer 161 überwacht (übe?r' die Ausgangsspannung des Verstärkers
165) die an dem Verbindungspunkt zwischen dem N-Kanal-Feldeffekttransistor FET1
und einem Windungsende der Spule 58 auftretende Spannung und zählt die Anzahl der
Taktimpulse während eines Zeitintervalls
td von dem Anstieg des
abgegebenen Impulses bis zu dem Anstieg der Ausgangsspannung des Verstärkers 165;
dadurch bildet der Mikrocomputer ein Zählungs-Codeausgangssignal, das den Datenwert
des Zeitintervalls td darstellt.
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Gemäß den vorstehenden Ausführungen wird der in Fig.
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7 gezeigte Drehwinkelfühler 50 an verschiedenartige elektrische Verarbeitungsschaltungen
oder elektronische logische Verarbeitungseinheiten angeschlossen, um ein elektrisches
Signal zu bilden, das eine von dem sektorförmigen Teil 55 in dem Fühler 50 eingenommene
Winkelstellung darstellt.
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Aus der vorstehenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den
bei den Ausführungsbeispielen erzielten Versuchsdaten ist ersichtlich, daß der Drehwinkelfühler
keine mechanischen Schleifkontaktteile hat und auf eine Winkelverstellung eines
bewegbaren Teils anspricht. In dem Drehwinkelfühler wird die Winkelstellung des
bewegbaren Teils in eine Zeitdifferenz td zwischen einem an die elektrische Spule
angelegten Eingangsimpuls und einem Spulenerregungs-Stromimpuls umgesetzt, wobei
die Zeitdifferenz td elektrisch so verarbeitet werden kann, daß ein l«linkelstellungs-Meßsignal
in Form einer Analogspannung oder eines Zeitzählungs-Datenwerts gebildet wird.
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Damit ist der Fühleraufbau aufgrund seiner hohen Widerstandsfähigkeit
gegenüber mechanischen Schwingungen und Abrieb bzw. Abnutzung besonders vorteilhaft.
Der Umstand, daß zwischen dem bewegbaren Teil und dem zugeordneten Wandler kein
mechanisches Verbindungsglied notwendig ist, ergibt eine gleichmäßige Drehwinkelmessung,
die nicht von irgendeinem mechanischen Spiel beeinträchtigt ist, das sonst hervorgerufen
werden könnte. Besonders hervorzuhebende Vorteile sind ferner der einfache Aufbau
der an den Drehwinkelfühler anzuschließenden elektrischen
Verarbeitungsschaltungen
und insbesondere die Möglichkeit der Verwendung einer integrierten Halbleitervorrichtung
mit hohem Integrationsgrad (LSI) wie eines Einzelbaustein-Mikrocomputers, der Drehwinkel-Meßimpulse
bildet und eine einfache Einrichtung zum Umsetzen einer Zeitdifferenz zwischen diesen
Impulsen und entsprechenden Spulenerregungs-Stromimpulsen in einen geeigneten digitalen
Code bietet.
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Es wird ein Drehwinkelfühler angegeben, der ein Gehäuse, eine drehbar
vom Gehäuse gelagerte mittige Drehwelle, einen an dem Gehäuse befestigten Permanentmagneten
und mindestens ein fest in dem Gehäuse angebrachtes weichmagnetisches Teil aufweist,
das eine elektrische Spule trägt. An der Drehwelle ist ein ferromagnetisches Teil
angebracht, das oberhalb der oberen Enden des Permanentmagneten und des weichmagnetischen
Teils ohne Berührung mit diesen hinsichtlich des Winkels verstellbar ist.
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Die Winkelstellung des ferromagnetischen Teils bewirkt hinsichtlich
des von dem Permanentmagneten abgegebenen und an dem weichmagnetischen Teil wirkenden
magnetischen Flusses Änderungen, die gemessen werden. Das weichmagnettische Teil
wird vorzugsweise aus eine amorphen magnetischen Material gebildet. Es werden verschiedene
Ausführungsbeispiele des Drehwinkelfühlers beschrieben.