DE1278121B

DE1278121B - Umlaufzaehler mit magnetfeldabhaengigen Halbleiterkoerpern

Info

Publication number: DE1278121B
Application number: DES93615A
Authority: DE
Inventors: Paul Hini
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-10-03
Filing date: 1964-10-03
Publication date: 1968-09-19
Also published as: CH441826A; BE670141A; US3456097A; GB1111277A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

GOId

Deutsche KL: 42 d-1/12

P 12 78 121.4-52 (S 93615)

3. Oktober 1964

19. September 1968

Magnetfeldabhängige Halbleiterkörper können Widerstände oder Hallspannungserzeuger sein (vgl. deutsche Patentschrift 973121). Es ist bekannt, magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände, sogenannte »Feldplatten«, im Luftspalt zwischen den Polschuhen von Magneten anzubringen und so, %, B. durch Veränderung des Magnetfeldes relativ zur Feldplatte, kontaktlos veränderliche Widerstände oder Potentiometer herzustellen (vgl. deutsche Patentschrift 1013 880). Der elektrische Widerstand einer Feldplatte erreicht ein Maximum, wenn sich die Feldplatte ganz im Magnetfeld befindet bzw. dieses seinen größten Wert hat, und kann durch Herausziehen der Feldplatte aus dem Magnetfeld bzw. durch Erniedrigung desselben bis zu einem Minimum verkleinert werden.

Es ist eine Fernmeßanlage bekannt (vgl. schweizerische Patentschrift 272720), bei der allerdings an Stelle von der magnetfeldabhängigen Widerstandsänderung vom Halleffekt Gebrauch gemacht so ist. Bei dieser für die Ausnutzung des Halleffekts typischen Einrichtung ist es erforderlich, daß die Hallplättchen auf den weichmagnetischen Teil des Magnetkreises aufgesetzt sind, denn nur so kann die Kennlinie der Hallplättchen durchlaufen werden. Da eine Schleifringübertragung unerwünscht ist, muß im Bekannten als weichmagnetischer Teil der Stator und als permanentmagnetischer Teil des Magnetkreises der Rotor vorgesehen sein. Wegen der trotzdem immer noch recht geringen Größe der Hallspannung hat die bekannte Einrichtung jedoch keinen Eingang in die Technik gefunden. Sie hat unter anderem den Nachteil, daß unbedingt ein sich bei Betrieb drehender, sich also relativ schnell entmagnetisierender Permanentmagnet erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umlaufzähler zu schaffen, bei dem keine Hallspannungserzeuger, sondern magnetfeldabhängige Widerstände verwendet sind. Der Umlaufzähler soll die spezifischen Eigenschaften, z. B. die Unabhängigkeit von der Richtung des Magnetfeldes, der Widerstände ausnutzen, derart, daß er optimal auf diese Bauelemente zugeschnitten ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umlaufzähler mit magnetfeldabhängigen Halbleiterkörpern, die im Luftspalt zwischen Stator und Rotor eines Permanentmagnetkreises angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Stator ein Permanentmagnet mit angesetzten Polschuhen ist, welche als Längsabschnitte eines Hohlzylinders ausgebildet sind, daß der Rotor aus mindestens einem weichmagnetischen Zahnrad be-Umlaufzähler mit magnetfeldabhängigen
Halbleiterkörpern

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Paul Hini, 8520 Erlangen

steht, welches in den hohlzylindrischen Raum zwischen den Polschuhen, um die Hohlzylinderachse (Drehachse) drehbar eingepaßt ist, und daß auf mindestens einen der Polschuhe pro Zahnrad je ein magnetfeldabhängiger Widerstand fest aufgesetzt ist, daß die (bezüglich der Hohlzylinderform azimutale Breite dieses Polschuhs, d. h. seine Ausdehnung längs des Zylinderumfangs, etwa ebenso groß ist wie die Breite des aufgesetzten magnetfeldabhängigen Widerstandes und daß dieser Widerstand in einen elektrischen Kreis mit einem Zählwerk eingeschaltet ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des die Widerstände — auch »Feldplatten« genannt — tragenden Polschuhs entsteht im Bereich der Feldplatten eine Magnetflußverdichtung. Statt eines einzigen solchen Polschuhs können auch zwei oder mehr getrennte und ähnlich ausgebildete Hohlzylinderlängsabschnitte mit aufgelegten Feldplatten verwendet werden. Der azimutale Abstand zweier solcher Feldplatten tragender Polschuharme kann z. B. 60, 90 oder 180° betragen. Die von Feldplatten auf verschiedenen Polschuharmen abgegriffenen Signale (in geeigneten Stromkreisen, in denen die Feldplatten eingeschaltet sind) haben dann entsprechende Phasenverschiebungen. Im einfachsten Fall befindet sich in dem die Polschuhe erregenden magnetischen Kreis ein Permanentmagnet.

Die Feldplatten können sowohl zweipolig (je ein elektrischer Anschluß an den Enden) als auch dreipolig (außer den Endanschlüssen eine Mittelanzapfung) ausgebildet sein. Im ersteren Fall wird die Feldplatte als Widerstand und im anderen als Potentiometer geschaltet. Da die Feldplatten auf einer massiven, gut wärmeleitenden Unterlage (Polschuh) aufgebracht sind, können sie relativ stark elektrisch belastet werden.

809 617/241

3 4

Die Zahnräder können aus massivem oder schuhe eine wesentlich größere azimutale Breite lamellenfönnigem, weichmagnetischem Material oder haben als bei den ersten beiden Ausführungsformen, Ferrit hergestellt sein. Beim Drehen eines Zahn- damit es in den (dünneren) Zähnen keine Flußrades (um seine Achse) ändert sich der Widerstand Verdichtungen gibt und damit der magnetische Fluß der zugehörigen Feldplatte je nach Ausbildung des 5 zwischen den Polschuhen und dem Zahnrad nicht Zahnrades in bestimmter Weise, d. h., ein Meßinstru- abreißt.

ment, welches in einem Stromkreis mit der Feld- Haben die Zähne (in Drehachsrichtung) alle die

platte liegt, zeigt ein der Zahnradausbildung spezi- gleiche Breite, so werden die Feldplatten im allgefisches Signal an. meinen ebenso lang wie diese Breite gemacht. Mit

In einer Ausführungsform haben die Zahnräder io einem in geeigneter Ebene zur Feldplatte drehbaren ebene Seitenflächen und auf Abstand gesetzte gleich- Zahnrad mit Wendeltreppen- bzw. wendelleiterartig, geformte rechteckige Zähne. Beim Drehen des Zahn- insgesamt um eine Zahnbreite versetzten Zähnen rades bewegen sich dessen Zähne nacheinander über kann dann erreicht werden, daß sich bei Drehung die zwischen Zahnrad und Polschuh liegende Feld- des Zahnrades der am weitesten aus der einen Seitenplatte hinweg. Sind die Zähne äquidistant, so er- 15 fläche des Zahnrades herausragende Zahn gerade geben sich dabei regelmäßig wiederkehrende Wider- über einen Rand der Feldplatte hinwegbewegt und Standsanstiege und -abfalle (Signale gleicher Größe die folgenden Zähne nacheinander stufenweise die und in gleichen zeitlichen Abständen). Eine solche Feldplatte zunehmend überdecken, bis der letzte am Vorrichtung, bei der ein oder mehrere, insbesondere weitesten aus der anderen Seitenfläche des Zahnstarr verbundene und um eine gemeinsame Achse 20 rades herausragende Zahn die ganze Feldplattendrehbare Zahnräder verwendet werden, kann z. B. fläche bedeckt. Der erstgenannte Zahn erzeugt also zum Messen und Zählen eines Umdrehungswinkels eine sehr kleine und der letztere eine große WiderAnwendung finden. Standsänderung der Feldplatte, d. h. entsprechend

Durch Verwendung mehrerer gleicher oder ver- kleine bzw. große Signale.

schiedener auf der Drehachse starr verbundener 25 Ebenso erhält man verschieden große Signale, Zahnräder können an den Feldplatten entstehende wenn sich die Zähne längs des Zahnradumfangs in Signale in beliebiger vorgegebener Weise abgegriffen Achsrichtung verjüngen oder verbreitern. In diesem und eventuell kombiniert werden. Beispielsweise er- Fall erhält die Feldplatte eine Länge, die etwa ebenso geben sich bei gleichen Zahnrädern synchrone und groß ist wie die Breite des breitesten Zahns, voneinander unabhängige Signale. 30 Der erfindungsgemäße Umlaufzähler kann mehrere

Haben die Zähne in dieser Ausführungsform ver- um eine gemeinsame Achse drehbare Zahnräder entschiedene Abstände, so ergeben sich beim Drehen halten. Diese können starr verbunden oder z.B. wie des Zahnrades, wenn dieses mit gleichmäßiger Ge- in einem Zählwerk einzeln drehbar gekoppelt sein, schwindigkeit gedreht wird, Signale mit entsprechend Allgemein entspricht bei einem Zählwerk mit gleiverschiedenen zeitlichen Abständen. 35 chen Zahnrädern eine Umdrehung eines folgenden

In einer zweiten Ausführungsform sind die recht- Rades einer Zahl von Umdrehungen des vorhereckigen Zähne jedes Zahnrades in Drehachsrichtung gehenden Rades, welche durch die Zahl der Zähne treppenförmig gegeneinander versetzt. Diese Ver- eines Zahnrades gegeben ist.

setzung (am ganzen Umfang des Zahnrades) kann Beispielsweise bei einem dekadischen Zählwerk

linear in z. B. gleichen Stufen oder auch nichtlinear 40 entspricht eine Umdrehung eines folgenden Rades in Achsrichtung ansteigen, dann ist also die Ver- zehn Umdrehungen des vorhergehenden Rades. Dabei bindungslinie der Schwerpunkte der periferen Flächen kann ein Zahnrad zehn gleichgeformte und äquider Zähne etwa eine Zylinderspirale mit einer Win- distante weichmagnetische Zähne besitzen. In einer dung. Beispielsweise kann die Gesamtversetzung fast Abwandlung kann ein Zahn aus nichtmagnetischem die Breite eines Zahns betragen. Die Versetzung der 45 Material, insbesondere Messing, bestehen. An Stelle Zähne kann andererseits auch erst in einer Achs- des nichtmagnetischen Zahns kann das Zahnrad auch richtung ansteigen und dann z. B. nach 180° wieder eine Lücke aufweisen.

abfallen. In diesem Fall können die Zähne längs des Der erfindungsgemäße Umlaufzähler kann auch

Zahnradumfangs etwa auf einer Sinus-Linie verteilt Zahnräder mit sehr vielen Zähnen, z. B. 5000, haben, werden. 50 dann ist er insbesondere als Winkelschrittgeber für

Die treppenförmig versetzten Zähne können un- Linearbewegungen von numerischen Steuerungen mittelbar aneinanderliegen oder auf Abstand gesetzt (beispielsweise für Werkzeugmaschinen) geeignet, sein. In einem Ausführungsbeispiel haben benach- Der Vorteil des Erfindungsgegenstandes für derartige barte treppenförmig versetzte Zähne azimutale Ab- Anwendungen ergibt sich aus dem großen Aufstände in der Größenordnung einer Zahnbreite. 55 lösungsvermÖgen und den relativ hohen Signal-Liegen die genannten treppenförmig versetzten spannungen des Umlaufzählers. Zähne unmittelbar aneinander, so befinden sich die An Hand einer schematischen Zeichnung wird die Zähne des Zahnrades also an dessen Seitenfläche. Erfindung näher erläutert; es zeigt Letztere hat dann etwa die Form einer Wendeltreppe F i g. 1 eine Ausfuhrungsform eines erfindungsmit einer Windung, die entweder ansteigt und 60 gemäßen Umlaufzählers mit mehreren Zahnrädern, unstetig wieder abfällt oder deren Auf- und Abstieg Fig. 2a, 3a, 4a Kurven, die die Abhängigkeit des stetig ist. Im anderen Fall mit räumlich getrennten Feldplattenwiderstandes vom Drehwinkel dreier, verZähnen handelt es sich um eine (analog zur Wendel- schieden geformter Zahnräder zeigen, treppe) Wendelleiter. F i g. 2b, 3 b, 4 b Abwicklungen der den Kurven in

In einer dritten Ausführungsform, die mit der 65 Fig. 2a bis 4a entsprechenden Zahnräder, zweiten kombinierbar ist, verjüngen oder verbreitern F i g. 5 eine Schaltung für eine Feldplatte,

sich die Zähne, ohne daß deren Schwerpunkt aus der In F i g. 1 ist ein erfindungsgemäßer Umlaufzähler

Zahnradebene versetzt ist. Hierbei sollen die Pol- mit mehreren um die Achse 6 drehbaren Zahnrädern 5

schematisch gezeichnet. Die Zahnräder sind im Raum zwischen den Polschuhen 2 und 3 drehbar. Letztere sind Hohlzylinderlängsabschnitte, wobei die Zylinderachse mit der Drehachse 6 der Zahnräder identisch ist. Der aus den Zahnrädern und den Polschuhen gebildete magnetische Kreis wird im Beispiel von einem Permanentmagneten 1 erregt. Die Zahnräder können wie in den obengenannten Ausführungsformen ausgebildet sein, sie können starr verbunden oder so gekoppelt sein, daß eine Umdrehung eines folgenden Rades einer bestimmten Anzahl > 1 Umdrehungen des vorhergehenden Rades entspricht.

Die Kurven 8 bis 10 in den F i g. 2 a, 3 a und 4 a geben die Widerstandsänderung einer Feldplatte in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ eines an der Feldplatte vorbeilaufenden Zahnrades wieder. Auf der Abszisse ist der Drehwinkel (von 0 bis 360°) und auf der Ordinate der Widerstand der Feldplatte R aufgetragen. R₀ ist der Grundwiderstand der Feldplatte und R_B der im erfindungsgemäßen Umlaufzähler maximal erreichte (magnetfeldabhängige) Widerstand der Feldplatte.

Fig. 2b, 3b und 4b zeigen Abwicklungen von verschiedenen Zahnrädern auf die Zeichenebene. Die Zahnräder haben neun Zähne und eine einem Zahn entsprechende Lücke. Mit 5 ist jeweils die Lage der Feldplatte bezüglich der Zahnradebene und mit 17 diese Ebene — senkrecht zur Drehachse gesehen — bezeichnet.

Das Zahnrad in der Fig. 2b erzeugt, wie die Kurve 8 in F i g. 2 a zeigt, beim Vorbeilauf an der Feldplatte regelmäßige Widerstandsanstiege und -abfalle der Feldplatte. Das Zahnrad nach Fig. 2b hat rechteckige, gleichgeformte, in einer Ebene liegende und auf gleichen Abstand gesetzte Zähne 11.

Die Zähne des Zahnrades nach Fig. 3b sind gleichgeformt rechteckig, aber unmittelbar zusammenliegend und gegeneinander in gleich großen Stufen in Achsrichtung versetzt. Der erste Zahn 13 liegt nur unbedeutend über der Feldplatte, und der letzte Zahn 14 bedeckt sie ganz, wenn sich der Zahn beim Drehen über die Feldplatte hinwegbewegt. Beim Vorbeilauf dieses Zahnrades an der Feldplatte steigt der Widerstand der Feldplatte in gleich hohen und gleich langen Stufen bis zu etwa 324° Drehwinkel an und fällt dann unstetig auf den Grundwiderstand zurück. Am Ende der Kurven 9 befindet sich, ebenso wie in den Kurven 8 und 10, ein Plateau 12, das der obengenannten Lücke des Zahnrades entspricht und auf der Höhe des Feldplattengrundwiderstandes liegt. Dieses Plateau würde auch entstehen, wenn statt der Lücke im Zahnrad ein nichtmagnetischer Zahn eingesetzt wäre. Befände sich ein Zahnrad statt der Lücke bzw. statt des nichtmagnetischen Zahns ein Zahn aus weichmagnetischem Material, z. B. dem Material, aus dem die übrigen Zähne bestehen, so stiege beispielsweise die Kurve 9 bis zu 360° an.

Die Fig. 4a und 4b stellen eine Kombination der F i g. 2 und 3 dar. Die Zähne sind, wie die Abwicklung in Fig. 4a zeigt, gleichgeformt, rechteckig, gegeneinander in gleichen Stufen versetzt und haben gleiche Abstände in der Größenordnung einer Zahnbreite. Der erste Zahn 15 hat nur geringen Einfluß auf die Feldplatte 5, und der letzte Zahn 16 bedeckt sie ganz. In Fig. 4a ist die drehwinkelabhängige Widerstandsänderung der Feldplatte in Form der Kurve 10 gezeichnet. Es ergeben sich kurze Widerstandsanstiege und -abfalle in gleichen Abständen, wobei die Amplitude der Widerstandsmaxima bis zum letzten Zahn 16 ansteigt und dann auf den Grundwiderstand R₀ zurückfällt.

F i g. 5 zeigt ein Beispiel einer Schaltung für eine Feldplatte 18 des erfindungsgemäßen Umlaufzählers. Die Feldplatte 18 ist in einem elektrischen Kreis mit einer Spannungsquelle 19 und einem, z. B. in ein Schaltpult gesetztes, elektronisches Zählwerk 20 eingeschaltet. Der auf die Feldplatte 18 wirkende magnetische Kreis ist durch den schematisch gezeichneten Polschuh 21 und das Zahnrad 22 angedeutet.

Die Halbleiterkörper der verwendeten Feldplatten sollen möglichst stark magnetfeldabhängigen Widerstand haben. Als Halbleitersubstanzen eignen sich unter anderem die bekannten AⁱⁿB^v-Materialien, wie Indiumantimonid oder Indiumarsenid, aus der III. und V. Gruppe des Periodensystems der Elemente. Man erhält eine besondere starke Magnetfeldabhängigkeit, wenn im Halbleitermaterial parallel zueinander ausgerichtete, nadeiförmige Einschlüsse eingebettet sind, beispielsweise Nadeln aus Nickelantimonid in Indiumantimonid.

Claims

Patentansprüche:

1. Umlauf zähler mit magnetfeldabhängigen Halbleiterkörpern, die im Luftspalt zwischen Stator und Rotor eines Permanentmagnetkreises angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator ein Permanentmagnet (1) mit angesetzten Polschuhen (2, 3) ist, welche als Längsabschnitte eines Hohlzylinders ausgebildet sind, daß der Rotor aus mindestens einem weichmagnetischen Zahnrad (4) besteht, welches in den hohlzylindrischen Raum zwischen den Polschuhen (2, 3) um die Hohlzylinderachse (6) drehbar eingepaßt ist, und daß auf mindestens einen der Polschuhe (3) pro Zahnrad je ein magnetfeldabhängiger Widerstand (5) fest aufgesetzt ist, daß die (bezüglich der Hohlzylinderform) azimutale Breite dieses Polschuhs (3) etwa ebenso groß ist wie die Breite des aufgesetzten magnetfeldabhängigen Widerstandes (5) und daß dieser Widerstand in einen elektrischen Kreis mit einem Zählwerk (20) eingeschaltet ist.

2. Umlaufzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnräder ebene Seitenflächen und auf Abstand gesetzte gleichgeformte rechteckige Zähne haben.

3. Umlaufzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckigen Zähne jedes Zahnrades treppenförmig in Drehachsrichtung gegeneinander versetzt sind.

4. Umlaufzähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne unmittelbar aneinanderliegen.

5. Umlauf zähler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Zahnradzähne aus nichtmagnetischem Material, insbesondere Messing, besteht.

6. Umlaufzähler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Zahnrad eine Zahnlücke vorgesehen ist.

7. Umlaufzähler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Zählwerk mit zwei oder mehr auf einer Achse drehbar angeordneten Zahn-

i 278 121

rädern mit gleich vielen Zähnen ausgebildet ist, wobei eine Umdrehung eines Rades einer Zahl von Umdrehungen des vorhergehenden Rades entspricht, die durch die Zahl der Zähne eines Zahnrades gegeben ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 973121,1013 880; schweizerische Patentschrift Nr. 272 720; Elektro-Post (1955), Nr. 7, S. 113/114.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen