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Die Erfindung betrifft einen Magnetfeld-Messfühler zur Erzeugung eines Ausgangssignals durch
Abfühlen der Nähe oder Annäherung eines Körpers aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität, mit wenigstens einer Magnetwiderstandsanordnung, die aus einem isolierenden Träger und darauf angeordneten ferromagnetischen Streifen besteht.
Für viele Verwendungszwecke ist erwünscht, eine Schaltfunktion als die Funktion einer mechanischen
Vorrichtung, jedoch ohne Verwendung mechanischer Kontakte zu erzeugen, mit welchem die mechanische
Vorrichtung in Verbindung kommen muss und welche somit durch die mechanische Vorrichtung für sich geschlossen werden. Ein solcher Vorgang kann im allgemeinen durch einen kontaktlosen Schalter erzielt werden. Das heisst, eine Schaltfunktion, wie z. B. die Betätigung eines elektronischen Schaltelements, kann in Abhängigkeit von der Stellung der hier in Frage stehenden mechanischen Vorrichtung erhalten werden. Im allgemeinen sind verschiedene Arten kontaktloser Schalter bekannt.
Darunter befinden sich lichtelektrische, elektrostatische und magnetisch empfindliche Vorrichtungen, wobei sämtliche Vorrichtun- gen verwendet werden können, um eine Schaltfunktion ohne tatsächliche physische Verbindung mechanischer Kontakte zu erreichen.
Ein typisches magnetisch gesteuertes Schaltelement, welches bisher verwendet worden ist, ist der allgemein bekannte Magnetkopf, welcher im allgemeinen als elektromagnetischer Wandler für Aufzeichnungs- und Wiedergabevorgänge in der Bandaufnahmetechnik verwendet wird. Wenn als Schalter verwendet, so wird ein elektrisches Ausgangssignal als eine Funktion eines Magneten erzeugt, welcher neben dem
Magnetkopf angeordnet ist. Sobald die Relativstellung des Magnetkopfes und eines magnetischen Poles verändert wird, erzeugt infolgedessen diese Veränderung der Stellung ein elektrisches Ausgangssignal.
Daher kann der Magnetkopf in Abhängigkeit von der entsprechenden Verwendung desselben zur
Erzeugung verschiedener Schaltfunktionen verwendet werden.
Die Verwendung des Magnetkopfes als Schalter ist jedoch mit verschiedenen Nachteilen verbunden.
Ein Nachteil besteht in der verhältnismässig grossen Konstruktion, die verwendet werden muss. Der Magnetkopf erfordert ein elektromagnetisches Spulenelement, einen geeigneten Tragkern und einen Vorspannungssignaloszillator, damit der Kopf die Gegenwart und Nähe eines aussenstehenden Magnetfeldes erfasst. Für jene Verwendungszwecke, bei welchen der Magnetkopf als kontaktloser Grenzschalter verwendet werden soll, kann ferner ein hochempfindlicher Ausgang nicht erreicht werden, es sei denn, dass der Kopf sehr nahe an der Quelle des Magnetfeldes angeordnet ist d. h. sehr nahe am Magnet. Ein derartig sehr enger Abstand begrenzt weitgehend die Verwendung dieses Kopfes für kontaktlose Schaltanordnungen.
Daher findet der Magnetkopf keine weite Verbreitung, wobei er auch nicht überragend erfolgreich bei vielen gewerblichen Verwendungszwecken gewesen ist.
Ziel der Erfindung ist es nun einen Magnetfeld-Messfühler zu schaffen, welcher die den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile nicht aufweist.
Ausgehend von einem Magnet-Messfühler der eingangs genannten Art wird dieser erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die ferromagnetischen Streifen zwischen einem Stromversorgungsklemmenpaar zu einer ersten und zweiten Gruppe senkrecht zueinander ausgerichteter Streifen angeordnet sind, die Gruppen in Reihe hintereinander geschaltet sind, wobei an dem Verbindungspunkt dieser Gruppen das Ausgangsmaterial abgreifbar ist, der Magnetwiderstandsanordnung eine Vormagnetisierungseinrichtung zugeordnet ist, deren Magnetfeld die Magnetwiderstandsanordnung durchsetzt und wobei wenigstens eine Magnetfeldkomponente parallel zum Träger und senkrecht zu den Streifen einer Gruppe verläuft, wobei das Magnetfeld durch den Körper hoher magnetischer Permeabilität unter Erzeugung eines abgeänderten Ausgangssignals in seiner Orientierung verstellbar ist.
Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise erläutert. Es zeigt : Fig. 1 die Ansicht eines erfindungsgemässen Messfühlers, Fig. 2 eine zugehörige Ersatzschaltung, Fig. 3 eine graphische Darstellung des Ausgangssignals des Messfühlers gemäss Fig. 1 in Abhängigkeit von der Richtung des daran angelegten Magnetfeldes, Fig. 4 ein äquivalentes Schaltbild gemäss Fig. 2, Fig. 5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Messfühlers in Kombination mit einem Vorspannungsmagnet,
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Darstellung des Zusammenhanges zwischen dem Ausgangssignal des Messfühlers und hindurchtretendem Magnetfeld, Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Auswertungsschaltung für das Ausgangssignal des Messfühlers, Fig. 9A eine Messanordnung mit einem erfindungsgemässen Messfühler, Fig.
9B zugehörige Ausgangssignale, Fig. 10A eine weitere Messanordnung, Fig. lOB die zu dieser Anordnung gehörigen
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Ausgangssignale, bei welcher ein Ausgangssignal als Funktion der Nähe eines magnetisch durchlässigen Materials erzeugt wird, Fig. 11A und 11B Blockschaltbild bzw. Schaltsignalform eines von einem erfindungsgemässen Messfühler gesteuerten kontaktlosen Schalters, Fig. 12 und 13 Anwendung erfindungsgemässer Messfühler um die Bewegung sowie die auf die Bewegung bezogenen Bedingungen, wie z. B.
Länge, Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung u. dgl. eines Körpers zu erfassen, Fig. 14, 15 und 16
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beispielsweise einer Datenkarte, Fig. 20 einen weiteren erfindungsgemässen Messfühler und Fig. 21 eine Ausgangsschaltung für die Auswertung des Ausgangssignals des Messfühlers gemäss Fig. 20.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, bei welchen für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind, ist mit --1-- ein erfindungsgemässer Messfühler bezeichnet. Dieser besteht aus einem isolierenden Trägersubstrat auf den ein dünner Film aus ferromagnetischem Material, z. B. durch herkömmliche Vakuumaufdampfungsmethoden mit einer Dicke von annähernd 600 bis 1000 Ä aufgetragen werden. Typische Trägermaterialien sind Durchziehglas, eine photographische Trockenplatte od. dgl. Dann wird der dünne Film geätzt, um ferromagnetische Streifen--A und B-- in Zick-Zack bzw. Serpentinenform, sowie Klemmen --5, 7A und 7B-zu bilden.
Die ferromagnetischen Streifen--A und B-enthalten eine Vielzahl von Hauptstromstrecken --2A und 2B--und zugeordnete Verbindungsabschnitte --3A bzw.
3B--. Die Streifen --2A und 2B--sind zueinander senkrecht ausgerichtet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, können die Streifen--A-Strom vorwiegend in vertikaler Richtung leiten, während die Streifen-B-- vorwiegend in horizontaler Richtung Strom leiten. Auch andere zueinander senkrechte Stromrichtungen sind möglich. Die letzte Strecke --4A-- der Hauptstrombahn --2A-- ist mit der ersten Strecke--4B--der Hauptstromleitbahn --2B-- in Reihe geschaltet. Der durch die letzte Strecke --4A-- und die erste Strecke - 4B-- gebildete Verbindungsübergang ist an die Klemme --5n angeschlossen.
Die Klemmen --7A und
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die ferromagnetischen Streifen --A und B-zu sättigen, um somit eine selbstbegrenzende Wirkung am Ausgangssignal zu erzielen, wodurch das Ausgangssignal in bezug auf Veränderungen der Feldstärke im wesentlichen unempfindlich ist.
Fig. 2 zeigt, dass die Streifen--A und B-elektrische miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Stromspeiseklemmen sind an die entgegengesetzten Enden der Streifen-A und B-angeschlossen, während die Ausgangsklemme --5-- mit dem Übergang oder der Verbindungsstelle verbunden ist, die
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--7AMagnetfeldern.
Es sei angenommen, dass ein Magnetfeld-H--mit einer Stärke, welche ausreicht, um die Streifen --A und B-- zu sättigen, an die Streifen in einem Winkel 6 in bezug auf die Längsrichtung des Streifens - angelegt ist. Im allgemeinen ist der Widerstand eines gesättigten ferromagnetischen Materials anisotrop. Das heisst, der Widerstand eines derartigen Materials ist grösser in der Richtung der Magnetisierung als in der dazu senkrechten Richtung. Demgemäss können die Widerstände pA und pB der
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worin pi der Widerstand der ferromagnetischen Streifen--A oder B-ist, wenn sie mit einem Magnetfeld gesättigt sind, welches senkrecht zur Längsrichtung der Streifen verläuft, während pli der Widerstand des ferromagnetischen Streifens ist, wenn er mit einem Magnetfeld parallel zur Längsrichtung des Streifens gesättigt wird.
Fig. 4 zeigt eine äquivalente Schaltung des in Fig. 2 gezeigten Magnetowiderstandselementes. Eine Spannung V (O) an der Ausgangsklemme --5-- wird durch Spannungsteilung abgeleitet und durch folgende Formel dargestellt
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von Ausdrücken
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worin Ap = pll-p-L ist.
Bei der Gleichung (4) stellt der erste Ausdruck eine Konstantspannung V 2 dar, welche die Funktion
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--H-- zurückzuführen ist.AV (G) als
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umgeschrieben werden.
Aus der Gleichung (5) ist ersichtlich, dass au(8) ein maximaler positiver oder negativer Wert ist, d. h., dass der absolute Wert der Veränderung der Ausgangsspannung maximal in Winkeln # von 0 , 90 , 1800 und 2700 ist, worin cos26 1 ist.
Die Gleichung (4) kann wie in Fig. 3 gezeigt, graphisch dargestellt werden. Wie ersichtlich ist der
Ausgang V (e) des Magnetowiderstandselementes gleich-, wenn das Magnetfeld --H-- an den Streifen in einem Winkel 6 = 45 angelegt ist. Das heisst AV (e) = 0 da bei # = 450, cos2e = 0. Auch die Ausgangs- spannung V (e) ist bei Winkeln 6=0 bzw. 90 Minimum bzw. Maximum.
Die Art und Weise, in welcher das Magnetfeld dem in Fig. 1 gezeigten Magnetowiderstandselement zugeführt wird und oben mathematisch beschrieben wird, ist in Fig. 5 gezeigt. Das Magnetowiderstands- element --1-- ist mit einem Magnetfeld --H1-- versehen, welches wie ersichtlich im wesentlichen senkrecht zur allgemeinen Stromstrecke ist, die sich von der Klemme --7A-- zur --7A-- zur Klemme --7B-- erstreckt. Das heisst, die Richtung des Feldes --1-- ist senkrecht zu einer der Hauptstromstrecken, z. B. der Streifen --B--. Vorzugsweise ist die Quelle dieses Magnetfeldes --H1-- ein Vorspannungsmagnet --12--, auf welchem das Magnetowiderstandselement --1-- angeordnet ist, wie beispielsweise durch herkömmliche
Verbindungsmaterialien.
Als Beispiel kann eine Siliziumverbindungsmasse oder ein Gummiblatt verwendet werden, um das Element --1-- mit dem Vorspannungsmagnet --12-- zu verbinden. Die dabei erzielte
Kombination wird nachfolgend mit dem Bezugszeichen --10-- bezeichnet.
Die Längsabmessung des Vorspannungsmagneten --12-- ist grösser als die entsprechende Bemessung des Elementes --1--, so dass sich der Magnet über die Grenzen hinaus erstreckt, die durch das Element gebildet sind, wie dargestellt. Um das Magnetfeld --H1-- in der dargestellten Richtung zu erhalten, wird der Vorspannungsmagnet in der Richtung seiner Längsdimension magnetisiert. Falls die Fusslinien angenommenerweise sich von dem Nordpol (N) zum Südpol (S) des Vorspannungsmagneten --12-- erstrecken, so erstrecken sich diese Linien (und somit das Magnetfeld H1) durch das Element --1-- hindurch, parallel zum besagten Träger.
Falls ein Material einer hohen magnetischen Permeabilität innerhalb der Umgebung der Kombination - vorgesehen ist, so dass der Fuss aus dem Vorspannungsmagnet durch das Material gestört bzw. aufgefangen wird, so wird der Fuss sich durch das Material hindurch erstrecken und die absolute Richtung des Magnetfeldes wesentlich beeinflussen, welches sich durch das Megnetowiderstandselement hindurch erstreckt. Diese Erscheinung ist in Fig. 6 dargestellt, worin ein Glied --13--, das aus einem Material mit einer verhältnismässig hohen magnetischen Permeabilität gebildet ist, wie z. B. aus Weicheisen, in der Nähe der Kombination --10-- liegt. Das durch den Vorspannungsmagneten --12-- erzeugte Magnetfeld induziert ein Magnetfeld --H2-- in das Glied --13--.
Somit wird eine Strecke für den Magnetfluss von dem Nordpol (N) des Vorspannungsmagneten durch zumindest einen Teil des Gliedes
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- und dann durch die Umgebungsatmosphäre (wie z. B. Luft) zum Südpol (S) des Vorspannungsmagneten hergestellt. Falls die Ebene des Gliedes-13-- im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Vorspannungsmagneten --12-- (und somit senkrecht zum Feld H1) verläuft, so verläuft dann das induzierte Feld-Hg-im wesentlichen senkrecht zum Feld nH1--. Infolgedessen hat das resultierende Feld-Ho-, welches sich nun durch das Magnetowiderstandselement hindurch erstreckt, eine Komponente - sowie eine Komponente-Hg-, welche mit der Resultierenden-Ho-vektorial kombiniert sind.
Das resultierende Feld-Ho-weist einen Winkel 6 in bezug auf die Hui-Komponente auf. Das heisst, die Richtung des erhaltenen Feldes ist von der Richtung des Vorspannungsfeldes winkelig verlegt oder versetzt, welches in der Abwesenheit des Gliedes --13-- vorhanden ist. Das resultierende Feld-Hound seine Richtung 6 durch das Magnetowiderstandselement ist eine Funktion der Nähe oder Annäherung und der Permeabilität des Gliedes --13--, sowie die Strecke --d-- zwischen dem Glied und dem Magnetowiderstandselement.
Angenommen, dass das Glied --13-- in der Richtung x beweglich ist, und dass die am weitesten links liegende Kante sowie die am weitesten rechts liegende Kante des Gliedes in diesem Fall die Vorder-bzw. die Hinterkante sind, so wird dann, wenn das Glied in der x-Richtung bewegt wird, das Magnetowiderstandselement ein Signal an der Ausgangsklemme --5-- erzeugen, welches eine Reaktion der Relativstellungen der Vorder- bzw. Hinterkanten des Gliedes --13-- in bezug auf das Magnetowiderstandselement ist. Dieses Ausgangssignal ist in Übereinstimmung mit den obigen Gleichungen (4) und (5).
Das Verhältnis zwischen dem AusgÅangssignal, das durch das Magnetowiderstandselement erzeugt ist, und dem Magnetfeld, das dabei erfasst wird, ist in Fig. 7 graphisch dargestellt. Der Punkt Hk ist die Intensität oder Stärke des Feldes, welche ausreicht, um die ferromagnetischen Streifen des Magnetowiderstandselementes zu sättigen. Bei einem Beispiel ist diese Feldstärke gleich 50 Oe. Die obere Kurve --a-- stellt die Veränderung des Lautstärkeumfanges des Ausgangssignales dar, wie ausschliesslich dem Feld - zurückzuführen ist, das zur allgemeinen Stromspeisestrecke parallel ist, die sich zwischen den
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--7Astrecke ist.
Falls zunächst angenommen wird, dass das Glied-13-- sich ziemlich weit von der Kombination - befindet, so wird das Feld --H2n im Vergleich zum senkrechten Feld --H1--, das durch den Vorspannungsmagneten erzeugt ist, unbeachtlich. Daher hat der Vektor-Ho-des zusammengesetzten Feldes einen Winkel von 6=0 . Falls das Feld --H1-- ausreicht, um das Magnetowiderstandselement zu sättigen, so wird die Ausgangsspannung Au hie wie gezeigt, an dem Punkt --P-- der Kurve in Fig. 7 liegen.
Wenn nun das Glied --13-- in der +x-Richtung bewegt wird, wie in Fig. 6 gezeigt, bis die Vorderkante des Gliedes mit dem Magnetowiderstandselement fluchtet, so geht die Veränderung AVg in dem Ausgangssignal entlang der Kurve-C-in Richtung auf den Punkt--Q--vor. Die Kurve --C--, wie ersichtlich, ist eine Asymptote über den Punkt --Q-- hinaus, ähnlich und wie durch die gestrichelte Linie gezeigt, erstreckt sich theoretisch weiter, falls das Feld --H2-- das --H2-- das Feld --H1-- überschreiten könnte.
Dies passiert jedoch selbstverständlich nicht, weil das Feld --H2-- in das Glied --13-- durch das Feld - induziert ist.
Bezugnehmend nun auf Fig. 8 zeigt diese Figur ein schematisches Schaltbild, wobei ein Ausgangssignal eo erzeugt wird, wenn die Kombination --10-- als Detektor zum Erfassen der Linearbewegung des Gliedes --13-- verwendet wird. In Reihe geschaltete Widerstände-Ri und Ru-sino mit den Strom- speiseklemmen --7A und 7B-- des Magnetowiderstandselementes --1-- verbunden, um somit eine
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--5- angeschlossen, dessen Ausgangsklemme mit dem Schaltungsausgang --15--verbunden ist, von welchem das Ausgangssignal eo abgeleitet wird. Der Differentialverstärker ist herkömmlich und kann einen Arbeitsverstärker mit einer Positiveingangsklemme, die mit der Brückenausgangsklemme --5'-- verbunden ist, sowie eine Negativeingangsklemme aufweisen, welche mit der Brückenausgleichsklemme --5-- verbunden ist.
Falls gewünscht, können selbstverständlich diese Eingangsklemmenverbindungen mit dem Differentialverstärker umgekehrt vorgesehen werden.
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wenn das Element gesättigt ist. Wenn das Glied --13-- näher zum Detektor --10-- in der x-Richtung bewegt wird, wird ein Teil der durch den Vorspannungsmagneten erzeugte Fluss bald durch das Glied ab- gefangen bzw. geschnitten, womit die Feldkomponente --H2-- induziert wird.
Wenn das Glied --13-- noch näher zum Detektor --10-- bewegt wird, steigt oder vergrössert sich das induzierte Feld --H2--'wobei sich auch der Winkel e auf Grund der Vektoraddition des Vorspannungsfeldes --H-- und des induzierten Feldes-Hg-vergrössert. Dies bewirkt, dass das Ausgangssignal eo (das, wie angenommen, bei der in
Fig. 8 gezeigten Ausführungsform negative Polarität hat) in absoluter Grösse vergrössert wird.
Gemäss Fig. 9 stellt die Abszisse die Länge dar, während der Anfangspunkt oder Ursprung für den
Fall festgelegt ist, in welchem die Vorderkante --13b-- des Gliedes --13-- im Ort des Detektors --10-- ausgerichtet ist. Die weitere Bewegung des Gliedes in der x-Richtung bewirkt, dass das induzierte Feld - sich entsprechend vergrössert, bis ein Punkt erreicht wird, bei welchem kein weiterer Fluss durch das Glied aufgefangen wird, u. zw. ungeachtet sogar einer weiteren Bewegung desselben. Zu diesem
Zeitpunkt ist das induzierte Feld --H2-- im wesentlichen konstant, obwohl das Glied --13-- sich weiterhin in der x-Richtung bewegt. Das Ausgangssignal eo, welches erzeugt wurde, wenn das Feld-In- konstant ist, ist zwischen +200mV und -500mV, je nach der Distanz d zwischen dem Glied --13-- und dem
Detektor --10--.
Wie jedoch ersichtlich, sind die Formen der verschiedenen Kurven, die für die verschiedenen Distanzen d vorgesehen sind, im wesentlichen gleich oder ähnlich.
Wenn sich das Glied weiterhin in der x-Richtung bewegt, wird ein Teil des Flusses, der durch den
Vorspannungsmagnet erzeugt wurde und der zuvor durch das Glied aufgefangen worden ist, nicht mehr so aufgefangen. Dies reduziert die Grösse des induzierten Feldes-H-, was in einer Veränderung des
Ausgangssignales eo, wie gezeigt, resultiert. Der Einfluss des Ausgangssignales auf Grund der Feldkomponente --H2-- verringert sich weiterhin, sogar über den Punkt hinaus, bei welchem die Hinterkante --13a-- des Gliedes über den Ort des Detektors --10-- hinaus kommt. (Gezeigt bei der 40 mm-Marke der
Abszisse in Fig. 9B). Bis die induzierte Feldkomponente--H--im wesentlichen reduziert wird.
Das
Ausgangssignal eo ist dann für die Einstellung des Gliedes --13-- sehr weit nach links vom Detektor --10- im wesentlichen gleich, wie für die zunächst angenommene Einstellung des Gliedes sehr weit nach rechts vom Detektor.
Es ist ersichtlich, dass das Ausgangssignal eo mit den in Fig. 9B gezeigten Kurven als ein Zeichen oder eine Anzeige. für die Nähe oder Annäherung des Gliedes --13-- zum Detektor --10-- verwendet werden kann. Darüber hinaus können diese dargestellten charakteristischen Kurven oder Kennlinien als eine Schaltfunktion bei einem kontaktlosen Schalter verwendet werden.
Die graphischen Darstellungen gemäss Fig. 9B zeigen, dass der maximale Spitzenwert der Veränderung des Ausgangssignales eo eine verhältnismässig negative Polarität zeigt. Da dieses Ausgangssignal eo jedoch durch den in Fig. 8 gezeigten Differentialverstärker erzeugt ist, der wieder mit den Ausgangssignalen el und e gespeist wird, die durch die Brückenschaltung erzeugt werden, ist erkenntlich, dass der maximale Spitzenwert des Ausgangssignales eo die entgegengesetzte Polarität (z. B. eine verhältnismässig positive Polarität) aufweisen kann, falls die Differentialverstärkereingangsklemmen, welchen die Brückenschaltungsausgangssignale zugeführt werden, untereinander ausgewechselt werden.
Das heisst, in Bezug auf die Schaltung gemäss Fig. 8 wird dann, wenn das Brückenausgangssignal el der Differentialverstärkernegativeingangsklemme zugeführt wird und dann, wenn das Brückenausgangssignal e der Positiveingangsklemme zugeführt wird, das in Fig. 9B gezeigte Differentialverstärkerausgangssignal eo umgekehrt werden.
Ein weiteres Beispiel für die Verwendung des Detektors --10-- als Annäherungsdetektor ist in Fig. 10A gezeigt, wobei die charakteristischen Kurven oder Kennlinien für dieses Beispiel der in Fig. lOB gezeigten Art sind. Der Vorspannungsmagnet bei diesem Beispiel kann aus Bariumferrit bestehen. Die Dimensionsparameter des Detektors sind dieselben wie jene, die für das in Fig. 9A gezeigte Beispiel angenommen werden. Das Glied --13--, dessen Annäherung oder Nähe vom Detektor --10-- abgefühlt wird, ist hier zylinderförmig mit einem Durchmesser D und einer Länge L. Wie bei dem Beispiel gemäss Fig. 9A ist das Glied --13-- aus Weicheisen oder Flusseisen hergestellt, während seine Aussenoberfläche vom
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senkrecht zu seiner Längsachse bewegt.
Wenn das Glied --13-- bewegt wird, um vor den Detektor --10-- zu kommen, d. h., wenn es vor der Nordpolstirnfläche (N) des Vorspannungsmagneten und an dieser Oberfläche kommt, so ist das
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resultierende Ausgangssignal eo, das von dem Magnetowiderstandselement abgeleitet wird, auf die Nähe oder Annäherung des Gliedes bezogen, wie durch die Kennlinien der Fig. 10B für die Bedingungen gezeigt, bei welchen d gleich 0, 5 mm bzw. 0, 8 mm ist. Infolge der zylindrischen Form des Gliedes --13-ist kein Bereich eines Konstantfeldes --2-- vorhanden, das in das Glied induziert werden könnte, wie auch für die in den Fig. 9A bis 9B gezeigte rechteckige Form der Fall war.
Es ist in Fig. 10B dargestellt, welche zeigt, dass ein maximaler Spitzenwert der Ausgangsspannung erhalten wird, wenn das Glied in der Richtung x bewegt wird, bis ein Durchmesser mit dem Detektor --10-- fluchtet oder ausgerichtet ist. Es ist ersichtlich, dass der Ursprung oder Anfangspunkt der Kurven der Fig. 10B so ausgewählt ist, dass er dieser Ausrichtung entspricht, bei welcher das magnetisch durchlässige Material am nächsten zum Detektor liegt. Somit wird der durch den Vorspannungsmagneten erzeugte maximale Fluss durch den zylindrischen Teil gemäss Fig. 10A nur dann aufgefangen, wenn die Längsachse des Gliedes mit dem Detektor fluchtet, wogegen der maximale Fluss durch ein Glied mit einer Planaroberfläche (gemäss Fig. 9A) über eine wesentliche Länge des Gliedes aufgefangen wird.
Dies wird durch die Kurven der Fig. lOB bzw. 9B dargestellt.
Eine Besichtigung der Kurven der Fig. 9B und lOB zeigt, dass die Dimension oder Bemessung des Gliedes --13-- vorzugsweise parallel zur x-Richtung ist, d. h., die Richtung entlang welcher es sich bewegt, grösser als die Gesamtdicke des Detektors --10-- ist. Falls die Bemessung oder Dimension des Gliedes in derselben Grössenordnung wie die Dicke des Detektors liegt, so wird weniger Fluss durch das Glied aufgefangen und somit das Feld --H1-- infolge des Vorspannungsmagneten nicht bedeutsam
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klein ist, während die Empfindlichkeit des Detektors nicht voll ausgewertet ist. Falls die Ebene des
Magnetowiderstandselementes parallel zur Längsdimension des Gliedes --13-- ist, z.
B. dann, wenn die
Ebene des Elementes parallel zur Stirnfläche des Gliedes gemäss Fig. 9A ist, wird auch der Einfluss des
Feldes --H1-- das sich durch das Element hindurch erstreckt, durch das durchlässige Material des
Gliedes, nicht sehr gross sein. Dies reduziert ebenso die Empfindlichkeit des Detektors. Obwohl diese
Konfigurationen operativ sind, sind die demgemäss bei vielen Verwendungszwecken nicht bevorzugt.
Nun wird die Verwendung des Detektors --10-- in Kombination mit dem Glied --13-- zur entspre- chenden Durchführung der Funktion eines kontaktlosen Schalters unter Bezugnahme auf die Fig. 1lA und llB beschrieben. Wie in Fig. llA gezeigt, kann die Konfiguration zwischen dem Detektor und dem Glied, das aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität hergestellt ist, derart sein, wie zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben wurde. Der Ausgang des Magnetowiderstandselementes ist an einen Differentialverstärker --16-- angeschlossen, welcher beispielsweise auch die Brückenschaltungswiderstände - Ri und R2-- enthalten kann.
Der Ausgang des Differentialverstärkers wird durch eine Wellenformungsschaltung und einen zusätzlichen Verstärker --18-- einer Betätigungsvorrichtung --19-- zugeführt. Eine Stromquelle --8-- ist, wie gezeigt, mit sämtlichen Schaltungselementen zum Zwecke der Erregung derselben, verbunden.
Die Betätigungsvorrichtung --19-- weist vorzugsweise eine Anzeigeschaltung zum Zwecke der Anzeige der Stellungsbeziehung oder des Stellungsverhältnisses zwischen dem Glied --13-- und dem Detektor - auf. Als ein Beispiel dafür, kann die Anzeigeschaltung --19-- ein Relais aufweisen.
Im Arbeitszustand, wenn sich das Glied --13-- entlang einer Strecke am Detektor --10-- vorbei linear bewegt, wie z. B. in den Fig. 6, 8 oder 9A gezeigt, wird das durch das Magnetowiderstandselement erzeugte Signal dem Differentialverstärker --16-- zugeführt, wo das Ausgangssignal eo erzeugt wird.
Zweckmässigerweise ist das Ausgangssignal eo in Fig. 11B graphisch dargestellt. Das Ausgangssignal eo wird der Wellenformungsschaltung zugeführt, welche vorzugsweise einen Schwellenwertdetektor aufweist.
Jeder beliebige herkömmliche Schwellenwertdetektor kann verwendet werden, wie z. B. eine SchmittTriggerschaltung od. dgl. so dass dann, wenn der Pegel des Ausgangssignales eo den vorbestimmten Schwellenwertpegel überquert, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 11B gezeigt, ein Ausgangsimpuls erzeugt wird. Dieser Ausgangsimpuls p wird durch den Verstärker --18-- weiter verstärkt und dann an das Relais --19-- angelegt. Bei diesem Beispiel wird der positive Übergang des Ausgangsimpulses B verwendet, um das Relais --19-- einzuschalten, während der negative Übergang des Ausgangsimpulses verwendet wird, um das Relais auszuschalten.
Falls gewünscht, kann durchaus das Relais so gewählt werden, dass es dabei in Abhängigkeit von einem negativen Übergang erregt und in Abhängigkeit von
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verbunden werden, um diese Richtungsinformation auszuwerten.
Die in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform zum Erfassen einer linearen Bewegung und linearen
Geschwindigkeit kann abgewandelt werden, um eine Winkelbewegung und Winkelgeschwindigkeit zu erfassen. Dies ist in Fig. 14 dargestellt, worin eine Scheibe --23-- aus einem magnetisch durchlässigen
Material auf einer Welle --22-- vorgesehen und für eine Drehbewegung bestimmt ist. Bereiche aus nichtmagnetischem Werkstoff, wie z. B. die Öffnungen --21--, sind am Kreisumfang herum um die Scheibe vorgesehen und gleichmässig im Abstand voneinander angeordnet, um die Periode À zu bestimmen ; benachbarte Öffnungen sind dabei durch eine-Weite oder Breite m aus durchlässigem Material getrennt.
Falls ein (nicht gezeigter) Detektor --10-- oberhalb oder unterhalb der Scheibe --23-- neben der
Kreisumfangsbahn der Öffnungen --21-- vorgesehen wird, können Ausgangsimpulse von dem Detektor mit einer Frequenz abgeleitet werden, welche A und der Drehgeschwindigkeit der Scheibe proportional sind.
Somit wird ähnlich wie im Falle des Linearbewegungsdetektors nach Fig. 12 ein Winkelbewegungsdetektor erhalten. Dieser Winkelbewegungsdetektor kann als Wellenkodierer oder, wenn gewünscht, für andere
Zwecke verwendet werden.
Eine Abänderung des Winkelbewegungsdetektors gemäss Fig. 14 zur Bestimmung der Richtung der
Drehung ist in Fig. 15 gezeigt. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform sind zwei Spuren oder Reihen - Ti und T2-- aus versetzten Bereichen aus nichtmagnetischem Material oder aus Öffnungen vorgesehen.
Da diese Ausführungsform der zuvor beschriebenen Ausführungsform gemäss Fig. 13 ähnlich ist, ist keine nähere Beschreibung derselben erforderlich. Der Durchschnittsfachmann erkennt ohne weiteres, wie eine Richtungsinformation von dieser hier dargestellten Ausführungsform erhalten wird.
Eine weitere Ausführungsform eines Winkelbewegungsdetektors ist in Fig. 16 gezeigt, wobei er eine
Scheibe oder einen Ring --25-- aufweist, der auf einer Welle --22-- gelagert und drehbar angeordnet ist. Die Scheibe oder der Ring ist mit in Abstand voneinander angeordneten Zähnen --26-- versehen, welche eine Periode A bilden. Die Zähne bestehen aus einem hochdurchlässigen Material mit einer Weite oder Breite m. Es ist ersichtlich, dass die Scheibe oder der Ring aus durchlässigem Material gebildet werden kann, während die Zähne ausgestanzt sind. Wechselweise kann die Scheibe aus einem unterschiedlichen Material bestehen, während die Zähne dem Kreisumfang der Scheibe zusätzlich zugegeben werden können.
Bei jeder der Ausführungsformen wird die Winkelbewegung der Zähne durch die Vorsehung eines Detektors oberhalb (oder unterhalb) der Ebene der Scheibe neben der Kreisumfangsspur abgefühlt, die durch die Zähne begrenzt bzw. gebildet ist. Es ist ersichtlich, dass dies dem Winkelbewegungsdetektor ähnlich ist, welcher oben unter Bezugnahme auf Fig. 14 beschrieben wurde. Eine andere Ausführungsform ist der (nicht gezeigte) Detektor von der Kreisumfangsbegrenzung, die für die Zähne gebildet ist, in Abstand angeordnet und dieser Grenze zugewendet, ähnlich dem Fall des Bewegungsdetektors, der zuvor mit Bezug auf Fig. 12 beschrieben wurde.
Da der Winkelbewegungsdetektor, der von der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform sein kann, in seiner Arbeitsweise den zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Bewegungsdetektoren ähnlich ist, erfordert eine entsprechende Verständigung desselben keine weitere Beschreibung.
Eine weitere Verwendung der Erfindung ist in Fig. 17 dargestellt. Wie dort gezeigt, ist eine Matrixanordnung --10c-- aus Detektoren auf einer geeigneten Stütze --28--, vorzugsweise aus nichtmagnetischem Material, vorgesehen. Jeder Detektor, der in der Anordnung enthalten ist, besteht aus einem Magnetowiderstandselement --1--, das an einem Vorspannungsmagneten --12-- angeschlossen ist.
Diese Anordnung, die als eine Linearmatrix dargestellt ist, kann selektive Informationsbits ablesen, die durch eine Anordnung von Gliedern --13-- aus hochdurchlässigem Material dargestellt sind und auf einer geeigneten Stütze --27-- selektiv angeordnet sind. Als ein Beispiel dafür kann die Stütze --27-- eine Informationskarte aufweisen, während die Glieder --13-- in Säulen (oder Reihen)-Ti, Tg,.... Tg- selektiv angeordnet sein können, um die Information auf dieser Karte darzustellen. Die Stütze ist aus nichtmagnetischem Material gebildet.
Jeder in der Anordnung --10c-- enthaltene Detektor ist mit einer entsprechenden Säule-Ti....
T5-- ausgerichtet. Wenn die Stütze --27-- an den Detektoren vorbei in der Richtung des Pfeils bewegt
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wird, oder falls die Detektoren über die Stütze in einer entgegengesetzten Richtung bewegt werden, so wird der Fluss, der durch gewisse Magnete der Vorspannungsmagnete erzeugt ist, durch die durchlässigen
Glieder aufgefangen werden, die in entsprechenden Säulen vorgesehen sind, wodurch induzierte Felder mit den Vorspannungsfeldern vektoriell kombiniert werden, um somit die Richtung der Felder zu ändern, die sich durch entsprechende Magnetowiderstandselemente hindurch erstrecken, u. zw. auf die nun verstandene Art und Weise.
Die Ausgangssignale werden daher von gewählten Detektoren je nachdem, ob ein durchlässiges Glied während der Relativverschiebung der Stütze --27-- und der Detektoranordnung --10c-- abgefühlt wird, abgeleitet. Diese Ausgangssignale können verwendet werden, um die Information darzustellen, die auf der Stütze kodiert ist, wobei sie auch entsprechenden, geeigneten Verarbeitungs- geräten zugeführt werden können, wie z. B. einem Computer, einem Drucker, einem Zentralverarbeitungs- gerät od. dgl.
Eine Abwandlung der in Fig. 17 gezeigten Informationskarte ist in Fig. 18 dargestellt, worin die Stütze - aus hochdurchlässigem Material besteht und die darauf befindliche Information durch ausgewählte Öffnungen --30-- dargestellt ist. Somit sind die die Information darstellenden Bits und die Stütze dafür in
Fig. 17 im wesentlichen in Fig. 18 untereinander ausgewechselt. Nichtsdestoweniger ist die Anordnung der
Detektoren --10c-- im wesentlichen die gleiche, wobei auch eine gleiche Methode verwendet wird, um die
Information, die auf der Stütze --29-- kodiert ist, zu erhalten und zu verwenden, bzw. zu verwerten.
Daher ist der Kürze halber eine weitere Beschreibung der Anordnung bzw. der Ausführungsform gemäss
Fig. 18 überflüssig. Es ist ersichtlich, dass die ausgewählte Anwesenheit (oder Abwesenheit) einer Öffnung in einer Säule und einer Reihe der Informationskarte durch eine entsprechende Veränderung des
Ausgangssignales dargestellt wird, das von den Detektoren abgeleitet wird.
Während bei der obigen Beschreibung angenommen wurde, dass eine Relativverschiebung zwischen der Linearanordnung der Detektoren --10c-- und der Informationskarte besteht, weist eine Alternativausführungsform eine nxm-Anordnung von Detektoren auf, welche den mxn-Gliedern (oder Öffnungen) der Informationskarte entsprechen. Die Ausgänge sämtlicher Detektoren in einer Säule-Ti... Tg-sind gemeinsam beispielsweise mit einem Differentialverstärker oder einer andern Ausgangsvorrichtung verbunden, während die Stromspeiseklemmen --7A und 7B-- einer Reihe Detektoren mit einem zugeordneten Stromspeiseeingang verbunden sind.
Um die kodierte Information auf einer richtig eingestellten Datenkarte abzulesen, werden die entsprechenden Stromspeiseeingänge in einer bestimmten Reihenfolge betätigt, um zu ermöglichen, dass aufeinanderfolgende Reihen von Detektoren, die Anwesenheit (oder Abwesenheit) von Gliedern oder Öffnungen abfühlen. Auf diese Weise wird die kodierte Information auf einer Reihenbasis abgelesen.
Eine Ausführungsform einer geeigneten Informationskarte gemäss den Beispielen der Fig. 17 und 18 ist in Fig. 19 gezeigt. Diese Informationskarte kann als eine Identifikationskarte, eine Kreditkarte od. dgl. verwendet werden. Die datentragende Stütze --27 oder 29-- ist zwischen den nichtmagnetischen Gliedern - 31a und 31b-- hineingequetscht, welche zusätzlich zum Schützen und Abschirmen der Datenstütze dienen können.
Eine weitere Ausführungsform eines Detektors --10-- ist in Fig. 20 dargestellt und besteht aus einem Magnetowiderstandselement --1--, das auf einem Vorspannungsmagnet --12-- vorgesehen ist, der in seiner Längsrichtung magnetisiert und neben dem durchlässigen Glied --13-- angeordnet ist. Dieser Vorspannungsmagnet --12-- steht in magnetischer Verbindung mit einem Joch oder Bügel --33-- mit Armen --33b und 33c-- in Verbindung durch einen Schenkel --33a--. Der Bügel besteht aus einem Material einer verhältnismässig hohen magnetischen Permeabilität, wie z. B. aus Permalloy, und ergibt eine gute Fluss strecke.
Das Vorspannungsfeld-H-, das durch den Magneten --12-- erzeugt ist, induziert eine Feldkomponente --H2-- in das Glied --13--. Somit wird zwischen dem Nordpol (N) und dem Südpol (S) des Magneten eine magnetische Schaltung durch die Strecke gebildet, welche das Glied --13--, den Arm - -33b-- und den Schenkel --33a-- des Bügels aufweist. Eine Parallelstrecke enthält das Glied --13--, den Arm --33c-- und den Schenkel --33a--. Es ist ersichtlich, dass durch die Vorsehung des hochdurchlässigen Bügels --33-- in der Flussbahn, weniger Flussleck und somit ein stärkeres induziertes Feld - vorhanden ist.
Dies wieder erhöht die Empfindlichkeit des Detektors, da der Winkel 0, der durch die Vektorkombination des Vorspannungsfeldes und des induzierten Feldes --H2-- gebildet ist, einen grösseren Bereich aufweisen kann.
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Fig. 21 ist ein schematisches Schaltbild, zur Veranschaulichung der Art und Weise, in welcher der Detektor nach Fig. 20 verwendet werden kann, um ein Ausgangssignal eo aus einer Anzeige der Bewegung des Gliedes --13-- zu erzeugen. Da diese Schaltung der zuvor beschriebenen Schaltung gemäss Fig. 8 ähnlich ist, ist eine weitere Beschreibung derselben zum Verständnis ihrer Konstruktion und Arbeitsweise nicht erforderlich.
Obwohl die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen beschrieben und dargestellt worden ist, ist ersichtlich, dass verschiedene Abwandlungen und Veränderungen in bezug auf Form und Einzelheiten möglich sind. Als Beispiel soll hervorgehoben werden, dass dann, wenn die ferromagnetischen Filmstreifen --A und B--, welche das Magnetowiderstandselement-l- aufweisen, keine identischen Charakteristiken haben, eine geeignete Kompensation kann nichtsdestoweniger erhalten werden. Das heisst, dann, wenn die ferromagnetischen Streifen --A und B-- auf dem Träger vorgesehen sind,. so sollen die magnetischen Teilchen in dem Film zunächst in der richtigen Richtung magnetisch ausgerichtet oder orientiert werden.
Diese magnetische Orientierung während des Auftragens auf den Träger gewährleistet im wesentlichen identische Charakteristik in den Streifen--A und B--.
Als weiteres Beispiel kann ein Temperaturausgleich des Magnetowiderstandselementes vorgesehen werden. Eine Ausführungsform einer derartigen Temperaturausgleichsanordnung verwendet zwei Magnetowiderstandselemente, die in Brückenschaltungskonfiguration verbunden sind.
Es ist daher zu verstehen, dass die Patentansprüche als sämtliche Veränderungen und Abwandlungen enthaltend sowie als verschiedene andere Arten von Verwendungszwecken betreffend, ausgelegt werden sollen, für welche die Erfindung besonders gut geeignet ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Magnetfeld-Messfühler zur Erzeugung eines Ausgangssignales durch Abfühlen der Nähe oder Annäherung eines Körpers aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität, mit wenigstens einer Magnetwiderstandsanordnung, die aus einem isolierenden Träger und darauf angeordneten ferromagneti-
EMI11.1
dass(2) zwischen einem Stromversorgungsklemmenpaar (7A, 7B) zu einer ersten und zweiten Gruppe (A bzw.
B) senkrecht zueinander ausgerichteter Streifen (2A, 2B) angeordnet sind, die Gruppen in Reihe hintereinander geschaltet sind, wobei an dem Verbindungspunkt (5) dieser Gruppe das Ausgangssignal abgreifbar ist, der Magnetwiderstandsanordnung eine Vormagnetisierungseinrichtung (12) zugeordnet ist, deren Magnetfeld die Magnetwiderstandsanordnung durchsetzt, und wobei wenigstens eine Magnetfeldkomponente parallel zum Träger und senkrecht zu den Streifen (2B) einer Gruppe verläuft, wobei das Magnetfeld durch den Körper (13) hoher magnetischer Permeabilität unter Erzeugung eines abgeänderten Ausgangssignales in seiner Orientierung verstellbar ist.