DE4115483A1

DE4115483A1 - Contactless converter of movements pref. into electric potentials - exploits motion of magnetic or electromagnetic pole pieces w.r.t. fixed sensor responsive to magnetic field variations

Info

Publication number: DE4115483A1
Application number: DE19914115483
Authority: DE
Inventors: Peter Geisel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-05-11
Filing date: 1991-05-11
Publication date: 1992-11-12

Abstract

The movement is transformed into a relative displacement between a Hall-effect or magnetoresistive sensor (1) and the two pole pieces (2,3) of a magnet (5). The centre of the sensor (1), which carries electric connection contacts (6), moves along the central line joining the pole pieces (2,3). The poles have mirror-image symmetry and may be circular with edges projecting axially to a variable extent. Several magnetoresistive elements may be combined in a bridge circuit. ADVANTAGE - Exactly reproducible and pref. linear relationship is secured between movement and electrical output.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Umsetzen von Bewegungen in elektrische Signale, vorzugsweise in elektrische Potentialwerte, mit einem bipolaren Feld und einem Feldsensor, der vorzugsweise ein elektrisches Signal abgibt.The present invention relates to a device for contactless implementation of movements in electrical signals, preferably in electrical potential values, with a bipolar field and a field sensor, which is preferably an electrical Emits signal.

Eine solche Vorrichtung ist z. B. eine induktive Sonde, mit welcher Änderungen eines Magnetfeldes aufgrund von Relativverschiebungen des Feldes zur Sonde gemessen werden.Such a device is e.g. B. an inductive probe with which changes a Magnetic field measured due to relative shifts in the field to the probe will.

Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Vorrichtungen zum berührungslosen Umsetzen von Bewegungen in elektrische Signale in Gestalt von Sensoren. Zum Beispiel stellen kapazitive oder induktive Sensoren entsprechende Vorrichtungen dar. Ein kapazitiver Sensor ist z. B. ein als Kondensator ausgebildeter Näherungsschalter, dessen Ladungszustand sich durch mechanische Verschiebung oder durch Annäherung eines Dielektrikum ändert und so ein elektrisches Signal hervorruft. Daneben gibt es auch noch andere Sensoren, wie z. B. Ultraschallsensoren oder Infrarotsensoren, welche die Störung eines Ultraschall- oder Infrarotfeldes aufgrund von Bewegungen in diesem Feld erfassen und ein entsprechendes elektrisches Signal abgeben und damit z. B. einen Alarm auslösen.There are also a variety of non-contact devices Converting movements into electrical signals in the form of sensors. To the Examples are capacitive or inductive sensors corresponding devices. A capacitive sensor is e.g. B. a proximity switch designed as a capacitor, whose state of charge changes due to mechanical displacement or Approach of a dielectric changes and so produces an electrical signal. There are also other sensors, such as. B. ultrasonic sensors or Infrared sensors that cause the interference of an ultrasound or infrared field of movements in this field and a corresponding electrical signal deliver and thus z. B. trigger an alarm.

In manchen Fällen ist es jedoch erwünscht, daß das ausgegebene elektrische Signal entweder proportional zu einer Bewegung ist oder daß zumindest zwischen der Bewegung und dem elektrischen Signal ein fester funktioneller Zusammenhang besteht. Diese Eigenschaft erfüllen beispielsweise Potentiometer, die z. B. eine lineare oder eine logarithmische Kennlinie haben. Durch Verstellen eines solchen Potentio meters ändert sich dann entsprechend auch die an dem Potentiometer abgreifbare Spannung proportional zu der Bewegung, die an der Betätigung des Potentiometers vorgenommen wird, oder aber logarithmisch. Selbstverständlich sind auch andere funktionelle Zusammenhänge zwischen Bewegung und Ausgangsspannung realisierbar. Potentiometer haben jedoch den Nachteil, daß sie keine berührungslosen Umsetzer von Bewegungen in Spannungen darstellen. Ihre Lebensdauer ist begrenzt auf eine bestimmte Anzahl von Betätigungszyklen und sie sind auch einem Verschleiß ausgesetzt, der die Genauigkeit der Einstellung beeinträchtigt. Weiterhin sind sie sowohl mechanisch als auch elektrisch empfindlich, bei längerem Nicht gebrauch können Oxidschichten erhebliche Störungen hervorrufen und sie sind auch nicht in jeder Umgebung, beispielsweise in Anwesenheiten von aggressiven chemischen oder von explosiven Medien verwendbar. Der Schleifer eines Potentio meters kann abheben und die Potentiometer sind deshalb empfindlich gegen mechanische Erschütterungen.In some cases, however, it is desirable that the electrical signal output is either proportional to a movement or that at least between the Movement and the electrical signal a fixed functional connection consists. Potentiometers, e.g. B. a linear or have a logarithmic characteristic. By adjusting such a potentio meters then also changes accordingly the one that can be tapped at the potentiometer Voltage proportional to the movement involved in operating the potentiometer is made, or logarithmic. Of course there are others too functional relationships between movement and output voltage realizable. However, potentiometers have the disadvantage that they are not non-contact Represent the translation of movements into tensions. Their lifespan is limited on a certain number of actuation cycles and they are also one Exposed to wear that affects the accuracy of the setting. Farther they are both mechanically and electrically sensitive, if not for a long time Use oxide layers can cause significant interference and they are too not in every environment, for example in presence of aggressive chemical or explosive media. The grinder of a potentio meters can take off and the potentiometers are therefore sensitive to mechanical shocks.

Dagegen haben die oben erwähnten berührungslosen Umsetzer den Nachteil, daß ein Zusammenhang zwischen der Bewegung und dem abgegebenen elektrischen Signal nur sehr grob besteht und vor allem der genaue funktionelle Zusammenhang im allgemeinen nicht bekannt ist. Es ist zwar auch möglich, mit einer Vielzahl von Sensoren eine ortsabhängige Bewegungsmeldung zu erhalten, entsprechende Vorrichtungen sind jedoch sehr aufwendig, da sie eine Vielzahl von Sensoren oder einen Sensor mit entsprechender Ortsauflösung verlangen. Außerdem ist dann noch eine entsprechende Elektronik erforderlich, die die endgültige Umsetzung in der Bewegung proportionale Spannungswerte umsetzt.In contrast, the contactless converters mentioned above have the disadvantage that a relationship between the movement and the delivered electrical Signal exists only very roughly and above all the exact functional connection is generally not known. While it is also possible to use a variety of Sensors to receive a location-dependent motion message, corresponding However, devices are very expensive because they have a variety of sensors or request a sensor with appropriate spatial resolution. Then there is still Appropriate electronics are required to ensure the final implementation in the Movement proportional voltage values.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum berührungslosen Umsetzen von Bewegungen in elektrische Signale zu schaffen, die in einfacher Weise eine genau reproduzierbare und vorzugsweise lineare Kennlinie für das Sensorsignal aufweist, also einen festen, vorzugsweise linearen Zusammenhang zwischen Bewegung und einem abgegebenen elektrischen Signal, vorzugsweise einem elektrischen Potentialwert, herstellt.In contrast, the present invention is based on the object Device for contactless conversion of movements into electrical signals to create the most easily reproducible and preferred has a linear characteristic curve for the sensor signal, ie a fixed, preferably linear relationship between motion and a given electrical Signal, preferably an electrical potential value.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zu erfassende Bewegung mechanisch in eine Relativbewegung zwischen Sensor und den beiden das Feld definierenden Polen umgesetzt wird, wobei sich das Zentrum des Sensors genau entlang der zentralen Verbindungslinie zwischen den Polen bewegt.This object is achieved in that the movement to be detected is mechanical in a relative movement between the sensor and the two defining the field Poland is implemented, with the center of the sensor exactly along the central connecting line between the poles moved.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei einer solchen Relativbewegung zwischen Sensor und den Polen eines Feldes, welches der Sensor erfaßt, ein zur Relativbewegung proportionales Signal von dem Sensor abgegeben wird. Dies ist anschaulich nicht ohne weiteres zu erklären, da herkömmliche Sensoren vorzugs weise senkrecht zu dieser Verbindungslinie bewegt werden, um bei einer gegebenen Bewegung eine möglichst große Änderung des zu messenden Feldes zu erfahren, um so die Empfindlichkeit des Sensors bzw. der Vorrichtung zu steigern. Dabei muß man jedoch den Nachteil in Kauf nehmen, daß der Zusammenhang zwischen Bewegung und dem abgegebenen elektrischen Signal nicht linear ist und auch keiner ohne weiteres herleitbaren, einfachen mathematischen Beziehung entspricht. Vielmehr erfordert eine solche Relativbewegung im allgemeinen eine präzise Ausmessung und Eichung, wobei beim späteren Gebrauch die Anordnung des Systems nicht verändert werden darf, will man Meßfehler vermeiden.Surprisingly, it has been shown that such a relative movement between the sensor and the poles of a field which the sensor detects, one for Relative movement proportional signal is emitted by the sensor. This is not easy to explain, since conventional sensors are preferred to be moved perpendicular to this connecting line to at a given Movement to experience the greatest possible change in the field to be measured in order to so to increase the sensitivity of the sensor or the device. It must However, one has to accept the disadvantage that the connection between Movement and the electrical signal emitted is not linear and also none easily derivable, simple mathematical relationship. Rather, such a relative movement generally requires a precise one Measurement and calibration, whereby the arrangement of the System must not be changed, you want to avoid measurement errors.

Bei der vorliegenden Erfindung hat sich jedoch gezeigt, daß die Signaländerung auch bei einer Bewegung des Sensors entlang der Verbindungslinie zwischen den beiden Polen, die das Feld erzeugen, hinreichend empfindlich ist und auch sehr kleine Bewegungen präzise erfaßt werden können.In the present invention, however, it has been shown that the signal change also when the sensor moves along the connecting line between the two Poles that generate the field are sufficiently sensitive and also very small Movements can be recorded precisely.

Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, ob der Sensor ortsfest gehalten und die beiden Pole relativ zum Sensor bewegt werden oder ob umgekehrt die beiden Pole ihre feste Position behalten und der Sensor bewegt wird. Es ist auch denkbar, den Sensor an einem festen Ort zwischen den beiden Polen anzuordnen, einen der beiden Pole zu fixieren und nur den zweiten Pol relativ zum Sensor und dem ersten Pol zu bewegen, wobei sich ebenfalls eine Veränderung der relativen Position des Sensors entlang der Verbindungslinie der beiden Pole ergibt. Die Funktionsfähigkeit einer derartigen Vorrichtung hängt möglicherweise damit zusammen, daß jeder denkbare Sensor eine gewisse Ausdehnung hat und daß nur der Mittelpunkt des Sensors exakt auf der Verbindungslinie zwischen den beiden Polen bewegt wird, während die übrigen Sensorbereiche parallel hierzu bewegt werden. Es haben sich jedoch auch bei der Verwendung von sehr kleinen Sensoren bisher keine prinzipiellen Ab weichungen von dem linearen Verlauf zwischen Bewegung und dem vom Sensor abgegebenen elektrischen Signal ergeben.It is basically irrelevant whether the sensor is held stationary and the two poles are moved relative to the sensor or, conversely, the two poles keep their fixed position and the sensor is moved. It is also conceivable that Place the sensor in a fixed location between the two poles, one of the two Fix poles and only the second pole relative to the sensor and the first pole move, which also changes the relative position of the sensor along the line connecting the two poles. The functionality of a Such device may be related to the fact that every conceivable Sensor has a certain extent and that only the center of the sensor is exact on the connecting line between the two poles while the other sensor areas are moved in parallel. However, there are also So far, no fundamental Ab when using very small sensors deviations from the linear course between movement and that from the sensor emitted electrical signal result.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Pole spiegelsym metrisch zueinander ausgebildete Dauermagnete, die auch spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Zweckmäßigerweise haben die Magnetpole die Form von Zylindern, deren Stirnflächen einander zugewandt sind. Diese kreisförmigen Pole können auch einen axial überstehenden, umlaufenden Rand haben.In the preferred embodiment of the invention, the poles are mirror-like metric permanent magnets that are also mirror symmetrical are arranged to each other. The magnetic poles expediently have the shape of cylinders, the end faces of which face each other. This circular Poles can also have an axially projecting peripheral edge.

Weiterhin können die Pole von einzelnen, getrennten Magneten gebildet werden oder aber über ein U-förmiges Joch miteinander verbunden sein.Furthermore, the poles can be formed by individual, separate magnets or connected to each other via a U-shaped yoke.

Der Sensor kann dabei eine Hall-Sonde sein, bevorzugt wird jedoch ein magnetfeld abhängiger Widerstand. Derartige Sensoren sind kommerziell erhältlich, wobei sie üblicherweise nach Art einer Brückenschaltung miteinander verbunden sind und die Widerstandsänderungen gegenüberliegender Widerstände bei gegebenen Feld änderungen sich zu dem zweiten Paar gegenüberliegender Widerstände der Brücke gerade umgekehrt verhalten.The sensor can be a Hall probe, but a magnetic field is preferred dependent resistance. Such sensors are commercially available are usually connected to one another in the manner of a bridge circuit and the Changes in resistance of opposing resistors for a given field changes to the second pair of opposing resistances of the bridge behave just the other way round.

Wahlweise können jedoch anstelle der Pole aus Dauermagneten auch elektrisch erzeugte Magnetpole für die Vorrichtung verwendet werden. Zweckmäßigerweise werden derartige Elektromagnete mit einem stabilisierten Strom betrieben, um Feldänderungen während des Betriebs der Vorrichtung möglichst auszuschließen.Alternatively, however, instead of the poles made of permanent magnets, they can also be electrical generated magnetic poles can be used for the device. Conveniently such electromagnets are operated with a stabilized current in order to To exclude field changes during the operation of the device if possible.

Im Falle der Verwendung von Dauermagneten ist die Gefahr von Feldänderungen relativ gering, insbesondere wenn das Material der Dauermagneten entsprechend gewählt wird.In the case of using permanent magnets there is a risk of field changes relatively low, especially if the material of the permanent magnets is appropriate is chosen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Magnetpole vorgesehen, die in der Draufsicht kreisförmig bzw. kreisringförmig sind und um eine gemeinsa me Achse durch die Kreismittelpunkte drehbar angeordnet sind. Diese Magnetpole haben einen axial vorspringenden Rand, wobei sich das Maß des axialen Vor springens in Umfangsrichtung der kreisförmigen Pole ändert, dabei jedoch der Abstand zwischen diesen Rändern gleich bleibt. Wird nun ein Magnetfeldsensor zwischen diesen Rändern angeordnet, so ändert sich aufgrund einer Drehung der Magnetpole um die gemeinsame Kreisachse die relative Lage des Sensors bezüglich der beiden gegenüberliegenden Ränder in der Weise, daß effektiv eine relative Verschiebung des Sensors von dem einen Pol zum anderen Pol hin und zwar im wesentlichen entlang der Verbindungslinie zwischen den beiden Polen erfolgt, wobei zusätzlich eine Querbewegung (aufgrund der Drehung überlagert ist.In a preferred embodiment of the invention, magnetic poles are provided which are circular or circular in plan view and around a common me axis are rotatably arranged through the center of the circle. These magnetic poles have an axially projecting edge, the dimension of the axial projection jumping in the circumferential direction of the circular poles changes, but the The distance between these edges remains the same. Now becomes a magnetic field sensor arranged between these edges, so changes due to a rotation of the Magnetic poles with respect to the relative position of the sensor about the common circular axis of the two opposite edges in such a way that effectively a relative Displacement of the sensor from one pole to the other pole in the essentially along the connecting line between the two poles, whereby additionally a transverse movement (due to the rotation is superimposed.

Die beiden Ränder der Magnetpole folgen also im wesentlichen zwei parallelen Schraubenlinien, und der Sensor ist zwischen diesen Schraubenlinien angeordnet, so daß sich beim Drehen der "Schraube" die relative Verschiebung zwischen Sensor und Magnetpolen in axialer Richtung ergibt. Eine solche Anordnung läßt sich mechanisch außerordentlich empfindlich und feinfühlig einstellen.The two edges of the magnetic poles essentially follow two parallel ones Screw lines, and the sensor is placed between these screw lines, so that when turning the "screw" the relative displacement between the sensor and Magnetic poles in the axial direction. Such an arrangement can be mechanical adjust extremely sensitive and sensitive.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich überall dort sinnvoll verwenden, wo bisher Potentiometer eingesetzt wurden, wobei das Einsatzgebiet auch Bereiche umfaßt, die Potentiometern bisher verwehrt waren, beispielsweise in aggressiver chemischer oder explosiver Umgebung oder bei extrem tiefen oder relativ hohen Temperaturen, was allerdings auch eine entsprechende Temperaturfestigkeit der Magnete voraussetzt. Gegebenenfalls kann man sich jedoch bei hohen Temperaturen mit elektrisch erzeugten Magnetfeldern behelfen.The device according to the invention can be used wherever sensible So far potentiometers have been used, the area of application also including areas encompassed, the potentiometers were previously denied, for example in aggressive chemical or explosive environment or at extremely low or relatively high Temperatures, which, however, also a corresponding temperature resistance of the Requires magnets. If necessary, however, one can look at high temperatures help with electrically generated magnetic fields.

Es versteht sich darüber hinaus, daß die lineare Bewegung zwischen Sensor und den Polen entlang der Verbindungslinie zwischen letzteren entweder direkt oder aber indirekt, z. B. durch Verwendung einer Schraubspindel erfolgen kann, so daß nicht nur lineare Bewegungen, sondern auch Drehbewegungen ohne weiteres erfaßt werden können. Hierbei ist das vom Sensor abgegebene Singal proportional zur Zahl der vorgenommenen Drehungen. Es versteht sich, daß hierdurch indirekt auch Drehmomente und Winkel gemessen werden können. Die Empfindlichkeit eines solchen mit Magneten und magnetfeldempfindlichen Sensoren betriebenen Systems liegt in der Größenordnung von 0,01 mm und darunter. Die Vorrichtung ist damit in hervorragender Weise geeignet zur Steuerung von Bewegungen in einem Regelsystem, in welchem die vom Sensor abgegebene elektrische Spannung als Regelgröße verwendet wird. Bei zusätzlicher Zeitmessung, kann man selbstver ständlich aus den Bewegungen auch Beschleunigungen errechnen, was in ent sprechenden Vorrichtungen automatisch durch integrierte Schaltungen oder Mikroprozessoren erfolgen kann.It is also understood that the linear movement between the sensor and the Poles along the line connecting the latter either directly or indirectly, e.g. B. can be done by using a screw, so that not only linear movements, but also rotary movements easily detected can be. The signal emitted by the sensor is proportional to the number of the rotations made. It is understood that this also indirectly Torques and angles can be measured. The sensitivity of a such a system operated with magnets and sensors sensitive to magnetic fields is on the order of 0.01 mm and below. The device is so excellently suited for controlling movements in one Control system in which the electrical voltage output by the sensor as Controlled variable is used. With additional time measurement, you can self ver Acceleratingly calculate from the movements what is in ent speaking devices automatically through integrated circuits or Microprocessors can be done.

Das System ist von äußeren Störungen, wie z. B. Erschütterungen, Änderungen des Luftdruckes, der Luftfeuchtigkeit, der Temperatur und dergleichen weitgehend unabhängig. Lediglich Störungen des bipolaren Feldes sind zu vermeiden.The system is affected by external disturbances, e.g. B. shocks, changes in Air pressure, humidity, temperature and the like largely independently. Only disturbances in the bipolar field can be avoided.

Man kann jedoch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch nicht lineare Zusammenhänge zwischen der Relativbewegung des Sensors zu den das Feld erzeugenden Polen erhalten, indem die Form der Pole entsprechend geändert wird. Das System ist selbstverständlich nicht auf Magnete und Magnetpole beschränkt. Beispielsweise können die Magnetpole auch durch elektrostatische Ladungsträger ersetzt werden, wobei der Sensor dann ein Kondensator sein kann, der auf Verschiebungen im elektrischen Feld reagiert.However, the device according to the invention can also be used in a non-linear manner Relationships between the relative movement of the sensor and the field generating poles by changing the shape of the poles accordingly. The system is of course not limited to magnets and magnetic poles. For example, the magnetic poles can also be caused by electrostatic charge carriers can be replaced, the sensor can then be a capacitor that is on Shifts in the electrical field responded.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren. Es zeigtFurther advantages, features and possible uses of the present Invention will become more preferred from the following description Embodiments and the associated figures. It shows

Fig. 1 schematisch einen Sensor 1 zwischen den Polschuhen 2, 3 eines Permanentmagneten 5, Fig. 1 schematically shows a sensor 1 between the pole pieces 2, 3 a permanent magnet 5,

Fig. 2 schematisch einen Sensor zwischen zwei spiegelsymmetrisch angeord neten Magnetpolen mit dem Sensorzentrum im wesentlichen genau auf der zentralen Verbindungslinie zwischen den beiden Polen, d. h. im homogenen Feldbereich, Fig. 2 shows schematically a sensor between two mirror-symmetrical angeord Neten magnetic poles with the sensor center substantially exactly on the central connecting line between the two poles, that is, in the homogeneous field region,

Fig. 3 schematisch die zu Fig. 2 gehörende vollständige Anordnung, und Fig. 3 shows schematically the complete arrangement belonging to Fig. 2, and

Fig. 4 eine Seitenansicht einer Ausführungsform mit L-förmig abgewinkelten Polschuhen, Fig. 4 is a side view of an embodiment with L-shaped angled pole shoes,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine Ausführungsform mit kreisförmigen Magnetpolen und axial vorspringenden Rändern der Pole. Fig. 5 shows an axial section through an embodiment with circular magnetic poles and axially projecting edges of the poles.

In Fig. 1 erkennt man einen schematisch dargestellten Sensor 1 mit Anschluß kontakten 6. Der Sensor befindet sich genau zwischen den Polschuhen 2, 3 eines Magneten 5. Durch die Positionen a, b, c ist angedeutet, wie die Polschuhe 2, 3 (zusammen mit dem Magneten 5) relativ zu dem Sensor 1 bewegbar sind, so daß im Ergebnis die Relativbewegung zwischen Sensor und Polschuhen 2, 3 genau entlang der zentralen Verbindungslinie der Polschuhe 2, 3 verläuft.In Fig. 1 a sensor schematically illustrated connection 1 with one recognizes contacts 6. The sensor is located exactly between the pole pieces 2 , 3 of a magnet 5 . The positions a, b, c indicate how the pole shoes 2, 3 (together with the magnet 5 ) can be moved relative to the sensor 1 , so that the result is the relative movement between the sensor and the pole shoes 2 , 3 exactly along the central connecting line the pole pieces 2 , 3 run.

In Fig. 2 ist der Sensor 1 nochmals vergrößert zwischen anders geformten Polschuhen 2, 3 dargestellt. In der vergrößerten Darstellung sieht man, daß der Sensor 1 aus einem Sensorgehäuse 1′ und einem kleineren Sensorelement 1′′ besteht, welches ziemlich genau entlang der zentralen Verbindungslinie zwischen den beiden Magnetpolen 2, 3 angeordnet ist.In Fig. 2 the sensor 1 is shown again enlarged between differently shaped pole pieces 2 , 3 . In the enlarged view you can see that the sensor 1 consists of a sensor housing 1 'and a smaller sensor element 1 '', which is arranged almost exactly along the central connecting line between the two magnetic poles 2 , 3 .

Die Art des Magnetfeldsensors ist nicht näher festgelegt, d. h. es kann sich sowohl um eine Hall-Sonde also auch um einen Widerstandssensor handeln, bei welchem der elektrische Widerstand sowohl von der Größe als auch von der Richtung des elektrischen Feldes relativ zur Stromrichtung im Widerstand abhängt. Bei den letztgenannten Widerstandselementen werden in der Regel vier einzelne Wider stände in einer Brückenschaltung miteinander verbunden, was die Meßempfindlichkeit erhöht.The type of magnetic field sensor is not specified, i. H. it can be both a Hall probe is also a resistance sensor, in which the electrical resistance of both the size and the direction of the electrical field depends on the direction of current in the resistor. Both the latter resistance elements are usually four individual resistors would be connected in a bridge circuit, which is the measurement sensitivity elevated.

Wie sich bei praktischen Versuchen herausgestellt hat, ist die mit derartigen Sensoren gemessene Spannung an den Sensorausgangsdrähten proportional zur Position des Sensors, gemessen entlang der Verbindungslinie zwischen den beiden Polen. Das heißt, es besteht ein exakt linearer Zusammenhang zwischen der Position und der Spannung, mit anderen Worten, bewegt man den Sensor entlang der Verbindungs linie zwischen den beiden Magnetpolen, so steigt (oder fällt) die Spannung proportional zu dem zurückgelegten Weg. As has been found in practical tests, it is with such sensors measured voltage at the sensor output wires proportional to the position of the Sensors measured along the connecting line between the two poles. The means that there is an exactly linear relationship between the position and the Voltage, in other words, moves the sensor along the connection line between the two magnetic poles, the voltage rises (or falls) proportional to the distance covered.

Diese Spannung kann man nun ihrerseits zur Steuerung der verschiedensten Vorgänge nutzen, insbesondere ersetzt eine solche Vorrichtung herkömmliche (lineare) Potentiometer, deren Aufgabe ja gerade darin besteht, eine zu einem Stellweg proportionale Spannung zu liefern. Dabei hat jedoch die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß diese Spannung völlig berührungsfrei bereitgestellt wird, so daß Kontaktprobleme von vornherein ausgeschlossen sind. Insbesondere sind jegliche Verschleiß- und Verschmutzungseffekte eliminiert, die zwischen Schleifer und Wicklung bzw. Widerstand eines Potentiometers auftreten können. Die Relativbewegung zwischen Sensor 1 und den Magnetpolen 2, 3 kann entweder über einen Schieber, nach Art eines Schiebewiderstandes, oder aber, falls eine größere Einstellgenauigkeit gefordert ist, über einen Spindelantrieb erfolgen. Dabei ist es lediglich eine Frage der zweckmäßigen Anbringung, ob man den Sensor festhält und die Magnetpole bewegt oder umgekehrt. Ein Festhalten des Sensors kann ins besondere dann zweckmäßig sein, wenn dieser mit seinen elektrischen Anschlüssen unmittelbar auf einer Platine oder dergleichen befestigt ist. Bevorzugt werden Permanentmagnete zur Erzeugung des magnetischen Feldes verwendet, da deren Feld von äußeren Einflüssen weitgehend unabhängig ist. Im Falle der Verwendung von Elektromagneten muß der Erregungsstrom stabilisiert werden, damit nicht Magnetfeldänderungen eine Relativverschiebung des Sensors 1 vortäuschen.This voltage can in turn be used to control a wide variety of processes, in particular such a device replaces conventional (linear) potentiometers, the task of which is precisely to supply a voltage proportional to an actuating path. However, the device according to the invention has the advantage that this voltage is provided completely without contact, so that contact problems are excluded from the outset. In particular, any wear and contamination effects that can occur between the slider and the winding or resistance of a potentiometer are eliminated. The relative movement between sensor 1 and the magnetic poles 2 , 3 can either take place via a slide, in the manner of a slide resistance, or, if greater adjustment accuracy is required, via a spindle drive. It is only a question of the appropriate attachment, whether you hold the sensor and move the magnetic poles or vice versa. Holding the sensor in place can be particularly expedient if it is attached directly to a circuit board or the like with its electrical connections. Permanent magnets are preferably used to generate the magnetic field, since their field is largely independent of external influences. If electromagnets are used, the excitation current must be stabilized so that changes in the magnetic field do not simulate a relative displacement of the sensor 1 .

Bei den in den Fig. 1 und 4 dargestellten Ausführungsformen ist jeweils ein einziger Jochmagnet vorgesehen, dessen Polschuhe sich quer zum Magneten von dessen Enden aus erstrecken, so daß in dem Freiraum zwischen den Polschuhen der Sensor aufgenommen werden kann. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungs form sind die Polschuhe zusätzlich L-förmig abgewinkelt, um so ein besonders starkes Feld in dem kleineren Zwischenraum zwischen den freien Enden der Polschuhe zu erzeugen.In the embodiments shown in FIGS . 1 and 4, a single yoke magnet is provided in each case, the pole shoes of which extend transversely to the magnet from the ends thereof, so that the sensor can be accommodated in the free space between the pole shoes. In the embodiment shown in Fig. 4, the pole pieces are additionally angled L-shaped, so as to generate a particularly strong field in the smaller space between the free ends of the pole pieces.

In der Ausführungsform der Fig. 2 und 3 wird das Feld von zwei getrennten Magneten gebildet, die beispielsweise rechteckige oder auch zylindrische Form haben können. Dabei ist der Nordpol des einen Magneten gegenüber dem Südpol des anderen Magneten angeordnet und die beiden Pole sind spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet, um einen möglichst gleichmäßigen Feldlinienverlauf zu erhalten. In analoger Weise können selbstverständlich auch andere bipolare Felder, z. B. elektrische Felder erzeugt werden, die mit passenden Sensoren abgefühlt werden. Generell ist die Querschnittfläche der Magnetpole bzw. Polschuhe größer als die Fläche des Sensorelementes 1′′.In the embodiment of FIGS. 2 and 3, the field is formed by two separate magnets, which can have a rectangular or cylindrical shape, for example. The north pole of one magnet is arranged opposite the south pole of the other magnet and the two poles are mirror-symmetrical to one another in order to obtain a field line that is as uniform as possible. In an analogous manner, other bipolar fields, e.g. B. electric fields are generated, which are sensed with suitable sensors. Generally, the cross-sectional area of the magnetic poles or pole pieces is larger than the area of the sensor element 1 ''.

Fig. 5 zeigt schematisch einen axialen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Magnetpole bzw. Polschuhe in Form von Kreisringen vorgesehen sind, die um eine gemeinsame Achse drehbar sind, welche durch die Kreismittelpunkte verläuft, wobei jedoch die Kreisringebenen gegenüber einer Ebene senkrecht zur Achse leicht geneigt und zueinander parallel verlaufen. Fig. 5 shows schematically an axial section through a further embodiment of the invention, in which magnetic poles or pole shoes are provided in the form of circular rings which are rotatable about a common axis which runs through the center of the circle, but the circular ring planes perpendicular to a plane slightly inclined to the axis and parallel to each other.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein Jochmagnet 5 vorgesehen und die entsprechenden Polschuhe sind als ebene innere Kreisscheiben 4 mit verkippt angesetzten Ringen 2, 3 ausgebildet, welche die eigentlichen Polschuhe bilden, zwischen denen der Sensor 1 ortsfest angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist es offensichtlich, daß sich der Abstand des Sensors 1 zu den Polschuhen 2, 3 bei einer Drehung dieser Polschuhe um die Achse 7 in der Weise ändert, daß der Abstand des Sensors 1 zu dem einen Pol kleiner und zu dem anderen größer wird, wobei sich der Polabstand selbst nicht verändert. Dies läuft im Endeffekt darauf hinaus, daß eine Relativbewegung zwischen dem Sensor 1 und den Polen 2, 3 entlang der (kürzesten) Verbindungslinie zwischen den Polen 2, 3 erfolgt, wobei zusätzlich eine Querbewe gung aufgrund der Drehung der Kreisringe überlagert ist, die jedoch im vor liegenden Fall keine Rolle spielt, da die Magnetpole die Form von Kreisringen haben und da auch der effektive Abstand von den Polen des Jochmagneten 5 zu den Enden der Polschuhe 2, 3 nicht geändert wird.In the embodiment shown, a yoke magnet 5 is provided and the corresponding pole shoes are designed as flat inner circular disks 4 with tilted rings 2 , 3 , which form the actual pole shoes, between which the sensor 1 is arranged in a stationary manner. In this embodiment, it is obvious that the distance of the sensor 1 to the pole pieces 2 , 3 changes when the pole pieces are rotated about the axis 7 in such a way that the distance of the sensor 1 to one pole becomes smaller and to the other larger the pole distance itself does not change. The bottom line is that there is a relative movement between the sensor 1 and the poles 2 , 3 along the (shortest) connecting line between the poles 2 , 3 , with a transverse movement additionally being superimposed due to the rotation of the circular rings, which, however, in the does not matter in the present case, since the magnetic poles have the shape of circular rings and since the effective distance from the poles of the yoke magnet 5 to the ends of the pole shoes 2 , 3 is not changed.

Die verschiedenen relativen Positionen des Sensors zu den Magnetpolen 2, 3 sind für diese Ausführungsform auch in der Fig. 1 angedeutet und mit a, b, c gekenn zeichnet. Man erkennt, daß bei einer Drehung um die zentrale Achse 7 die relative Lage des Sensors 6 zu den Polen 3, 2 variiert, wobei die schwarz ausgefüllte Position c eine Lage andeutet, bei welcher der Sensor 6 dem Nordpol 3 näher ist als dem Südpol 2, während in der nur umrahmt gezeichneten Position a der Sensor 1 dem Südpol 2 näher liegt als dem Nordpol 3. Die Position b deutet eine mittlere Zwischenposition an.The various relative positions of the sensor to the magnetic poles 2 , 3 are also indicated for this embodiment in FIG. 1 and marked with a, b, c. It can be seen that with a rotation about the central axis 7, the relative position of the sensor 6 to the poles 3 , 2 varies, the black position c indicating a position in which the sensor 6 is closer to the north pole 3 than the south pole 2 , while in position a, which is only shown in a frame, sensor 1 is closer to south pole 2 than north pole 3 . Position b indicates a middle intermediate position.

Will man die lineare Kennlinie des Ausgangssignals verändern, so können entweder die Pole asymmetrisch geformt werden oder aber die Relativbewegung zwischen Sensor und Feld findet nicht entlang der zentralen Verbindungslinie der Pole statt. Bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform kann man selbstverständlich auch das axiale Vorspringen der Polränder in Abhängigkeit von der Position in Umfangsrichtung beliebig variieren, so daß sich beispielsweise der Abstand des Sensors zu jeweils einem der Pole 2, 3 in Abhängigkeit vom Drehwinkel sinusförmig oder gemäß einer beliebigen anderen Funktion ändert, die sich selbstverständlich nach einer Drehung der gesamten Anordnung um 360° periodisch wiederholt. Darüber hinaus ist selbstverständlich auch eine elektronische Umformung der Kennlinie möglich.If you want to change the linear characteristic of the output signal, either the poles can be shaped asymmetrically or the relative movement between sensor and field does not take place along the central connecting line of the poles. In the last-described embodiment, one can of course vary the axial protrusion of the pole edges as a function of the position in the circumferential direction, so that, for example, the distance from the sensor to one of the poles 2 , 3 is sinusoidal or according to any other, depending on the angle of rotation Function changes, which of course repeats itself periodically after rotating the entire arrangement by 360 °. In addition, electronic reshaping of the characteristic curve is of course also possible.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit die ansonsten weit verbreiteten Potentiometer in nahezu sämtlichen Anwendungsbereichen ersetzen und erschließt darüber hinaus neue Anwendungsbereiche, in welchen Potentiometer bisher nicht eingesetzt werden konnten (beispielsweise in korrosiver Umgebung oder wenn Funkenbildung strikt zu vermeiden ist). Der besondere Vorteil der erfindungs gemäßen Vorrichtung liegt dabei sowohl in dem sehr einfachen Aufbau als auch in der völlig verschleißfreien Funktion. Verschleiß kann allenfalls noch bei dem Antrieb für die beweglichen Teile auftreten, wobei dieser Verschleiß im Prinzip jedoch keine Auswirkungen auf das abgegebene Signal hat, das in jedem Fall proportional zur eingestellten Position bleibt. The device according to the invention can thus be the otherwise widespread Replace and open potentiometers in almost all areas of application In addition, new areas of application in which potentiometers have not yet been used could be used (for example in a corrosive environment or if Sparking must be strictly avoided). The special advantage of the invention contemporary device is both in the very simple structure and in the completely wear-free function. At most, wear can still occur on the drive occur for the moving parts, but in principle this wear is none Has an effect on the signal that is in any case proportional to set position remains.

Bezugszeichenliste.Reference symbol list.

1 Sensor
1′ Sensorgehäuse
1′′ Sensorelement
2, 3 Polschuhe, Magnetpole, Ringe
4 Kreisscheibe
5 Jochmagnet
6 Anschlußkontakt, Sensor
7 Achse
a, b, c Positionen 1 sensor
1 ′ sensor housing
1 ′ ′ sensor element
2, 3 pole shoes, magnetic poles, rings
4 circular disc
5 yoke magnet
6 connection contact, sensor
7 axis
a, b, c positions

Claims

1. Device for contactless conversion of movements into electrical signals, preferably into electrical potential values, with a bipolar field and a field sensor, which preferably emits an electrical signal, characterized in that the movement to be detected mechanically in a relative movement between sensor ( 1 ) and the two poles ( 2 , 3 ) defining the field are implemented, the center of the sensor ( 1 ) moving along the central connecting line ( 4 ) between the poles ( 2 , 3 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the poles Magnetic poles are mirror-symmetrical, which are mirror-symmetrical to each other are arranged.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the sensor is a Hall probe is.

4. The device according to claim 2, characterized in that the sensor is magnetic field dependent electrical resistance.

5. The device according to claim 4, characterized in that several Magnetic field-dependent electrical resistances in a bridge circuit with each other are linked.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that two magnetic poles which are circular in plan view and rotatable about the circular axis each have an axially projecting edge, with a magnetic field sensor is arranged between the axially projecting edges, the dimension of the axial Projecting of the edges varies in the circumferential direction, and the distance of the the two edges to each other remains constant.

7. Device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the magnetic poles ( 2 , 3 ) are arranged to be movable relative to the fixed sensor ( 1 ).

8. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the magnetic poles are generated by electromagnets.

9. The device according to claim 1, characterized in that the poles of electrostatic charge carriers are formed and that the sensor capacitive sensor.