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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-
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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.
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The invention relates to a magnetic field sensor for generating an output signal through
Sensing the proximity or approach of a body made of a material of high magnetic permeability, with at least one magnetic resistance arrangement, which consists of an insulating carrier and ferromagnetic strips arranged thereon.
For many purposes it is desirable to have a switching function rather than a mechanical one
Device, but without using mechanical contacts to produce the mechanical
Device must come into connection and which are thus closed by the mechanical device for itself. Such an action can generally be achieved by a contactless switch. That is, a switching function such. B. the actuation of an electronic switching element can be obtained depending on the position of the mechanical device in question. In general, various types of non-contact switches are known.
These include photoelectric, electrostatic and magnetically sensitive devices, and all devices can be used to achieve a switching function without actually physically connecting mechanical contacts.
A typical magnetically controlled switching element which has heretofore been used is the well-known magnetic head which is generally used as an electromagnetic transducer for recording and reproducing operations in tape recording technology. When used as a switch, an electrical output signal is generated as a function of a magnet which is adjacent to the
Magnetic head is arranged. As soon as the relative position of the magnetic head and a magnetic pole is changed, this change in position consequently generates an electrical output signal.
Therefore, depending on its use, the magnetic head can be used for
Generation of various switching functions can be used.
However, the use of the magnetic head as a switch is associated with various disadvantages.
One disadvantage is the relatively large construction that must be used. The magnetic head requires an electromagnetic coil element, a suitable support core, and a bias signal oscillator in order for the head to sense the presence and proximity of an outside magnetic field. Furthermore, for those uses in which the magnetic head is to be used as a non-contact limit switch, a highly sensitive output cannot be achieved unless the head is placed very close to the source of the magnetic field; H. very close to the magnet. Such a very close distance largely limits the use of this head for contactless switching arrangements.
Therefore, the magnetic head has not been widely used, nor has it been particularly successful in many commercial uses.
The aim of the invention is to create a magnetic field measuring sensor which does not have the disadvantages associated with the devices according to the prior art.
Starting from a magnetic sensor of the type mentioned, this is achieved according to the invention in that the ferromagnetic strips are arranged between a pair of power supply terminals to a first and second group of perpendicular strips, the groups are connected in series, with the connection point of these groups the starting material can be tapped, the magnetoresistance arrangement is assigned a bias device, the magnetic field of which passes through the magnetoresistance arrangement and wherein at least one magnetic field component runs parallel to the carrier and perpendicular to the strips of a group, the magnetic field through the body of high magnetic permeability producing a modified output signal in its Orientation is adjustable.
The invention is explained below with reference to the drawings, for example. It shows: FIG. 1 the view of a measuring sensor according to the invention, FIG. 2 an associated equivalent circuit, FIG. 3 a graphic representation of the output signal of the measuring sensor according to FIG. 1 as a function of the direction of the magnetic field applied to it, FIG. 4 an equivalent circuit diagram according to 2, 5 show an embodiment of a measuring sensor according to the invention in combination with a preload magnet,
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Representation of the relationship between the output signal of the measuring sensor and the magnetic field passing through, FIG. 8 a schematic view of an evaluation circuit for the output signal of the measuring sensor, FIG. 9A a measuring arrangement with a measuring sensor according to the invention, FIG.
9B associated output signals, FIG. 10A a further measuring arrangement, FIG. 10B the associated with this arrangement
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Output signals, in which an output signal is generated as a function of the proximity of a magnetically permeable material, FIGS. 11A and 11B block diagram or switching signal form of a contactless switch controlled by a sensor according to the invention, FIGS. 12 and 13 application of the sensor according to the invention to the movement and to the Movement related conditions, such as B.
Length, speed, direction of movement etc. the like of a body, FIGS. 14, 15 and 16
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for example a data card, FIG. 20 a further measuring sensor according to the invention and FIG. 21 an output circuit for evaluating the output signal of the measuring sensor according to FIG. 20.
Referring to the drawings, in which the same reference numerals have been used for the same parts, a measurement sensor according to the invention is designated by --1--. This consists of an insulating carrier substrate on which a thin film of ferromagnetic material, e.g. B. be applied by conventional vacuum evaporation methods to a thickness of approximately 600 to 1000 Å. Typical support materials are pull-through glass, a photographic drying plate or the like. The thin film is then etched to form ferromagnetic strips - A and B - in zigzag or serpentine form, as well as clamps --5, 7A and 7B.
The ferromagnetic strips - A and B - contain a large number of main current paths --2A and 2B - and associated connection sections --3A and
3B--. The strips - 2A and 2B - are aligned perpendicular to each other. As can be seen from Fig. 1, the strips - A-conduct predominantly in the vertical direction, while the strips-B-- conduct predominantly in the horizontal direction. Other current directions perpendicular to one another are also possible. The last section --4A-- of the main current path --2A-- is connected in series with the first section - 4B - of the main current conductor path --2B--. The connection transition formed by the last section --4A-- and the first section - 4B-- is connected to terminal --5n.
Terminals --7A and
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to saturate the ferromagnetic strips -A and B-, so as to achieve a self-limiting effect on the output signal, whereby the output signal is essentially insensitive to changes in the field strength.
Fig. 2 shows that the strips - A and B - electrical are connected in series with each other. The power supply terminals are connected to the opposite ends of strips-A and B-, while the output terminal --5-- is connected to the junction or junction that
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--7A magnetic fields.
Assume that a magnetic field-H - with a strength sufficient to saturate the strips --A and B-- is applied to the strips at an angle 6 with respect to the longitudinal direction of the strip. In general, the resistance of a saturated ferromagnetic material is anisotropic. This means that the resistance of such a material is greater in the direction of magnetization than in the direction perpendicular to it. Accordingly, the resistances pA and pB can der
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where pi is the resistance of the ferromagnetic strip - A or B - when saturated with a magnetic field perpendicular to the longitudinal direction of the strip, while pi is the resistance of the ferromagnetic strip when exposed to a magnetic field parallel to the longitudinal direction of the strip becomes saturated.
FIG. 4 shows an equivalent circuit of the magnetoresistance element shown in FIG. A voltage V (O) at the output terminal --5-- is derived by voltage division and represented by the following formula
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of expressions
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where Ap = pll-p-L.
In equation (4), the first term represents a constant voltage V 2 which is the function
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--H-- AV (G) as
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be rewritten.
From equation (5) it can be seen that au (8) is a maximum positive or negative value, i.e. that is, the absolute value of the change in output voltage is maximum in angles # of 0, 90, 1800 and 2700, where cos26 is 1.
The equation (4) can be graphed as shown in FIG. 3. As can be seen the
Output V (e) of the magnetoresistance element is the same when the magnetic field --H-- is applied to the strip at an angle 6 = 45. That means AV (e) = 0 because at # = 450, cos2e = 0. The output voltage V (e) is also minimum or maximum at angles 6 = 0 or 90.
The manner in which the magnetic field is supplied to the magnetoresistive element shown in FIG. 1 and is described mathematically above is shown in FIG. The magnetoresistance element --1-- is provided with a magnetic field --H1-- which, as can be seen, is essentially perpendicular to the general current path that extends from terminal --7A-- to --7A-- to terminal - -7B-- extends. This means that the direction of the field --1-- is perpendicular to one of the main stream routes, e.g. B. the strip --B--. Preferably, the source of this magnetic field --H1-- is a bias magnet --12-- on which the magnetoresistance element --1-- is arranged, such as by conventional means
Connecting materials.
As an example, a silicon bonding compound or rubber sheet can be used to bond the element --1-- to the bias magnet --12--. The achieved thereby
The combination is referred to below with the reference symbol --10--.
The longitudinal dimension of the bias magnet --12-- is larger than the corresponding dimension of the element --1-- so that the magnet extends beyond the limits formed by the element, as shown. In order to maintain the magnetic field --H1-- in the direction shown, the preload magnet is magnetized in the direction of its longitudinal dimension. If the root lines are assumed to extend from the north pole (N) to the south pole (S) of the bias magnet --12--, then these lines (and thus the magnetic field H1) extend through the element --1--, parallel to said element Carrier.
If a material of high magnetic permeability is provided within the vicinity of the combination, so that the foot from the bias magnet is disturbed or caught by the material, the foot will extend through the material and significantly influence the absolute direction of the magnetic field , which extends through the mega-resistor element. This phenomenon is shown in Fig. 6, wherein a member --13 -, which is formed from a material with a relatively high magnetic permeability, such as e.g. B. made of soft iron, near the combination --10--. The magnetic field generated by the bias magnet --12-- induces a magnetic field --H2-- in the link --13--.
Thus, there is a distance for the magnetic flux from the north pole (N) of the bias magnet through at least a portion of the limb
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- and then made by the surrounding atmosphere (such as air) to the south pole (S) of the bias magnet. If the plane of the link -13-- is essentially perpendicular to the plane of the bias magnet --12-- (and thus perpendicular to the field H1), then the induced field-Hg- is essentially perpendicular to the field nH1--. As a result, the resulting field-Ho-, which now extends through the magnetoresistive element, has a component - and a component -Hg-, which are vectorially combined with the resultant-Ho.
The resulting field-Ho- has an angle 6 with respect to the Hui component. That is, the direction of the obtained field is angularly displaced or offset from the direction of the prestress field, which is present in the absence of the limb -13-. The resulting field hound its direction 6 through the magnetoresistive element is a function of the proximity or approach and the permeability of the limb -13-, as well as the distance -d- between the limb and the magnetoresistive element.
Assume that the link --13-- is movable in the direction x, and that the leftmost edge and the rightmost edge of the link in this case are the front and back edges. are the trailing edge, then when the link is moved in the x-direction, the magnetoresistance element will generate a signal at the output terminal --5-- which is a reaction of the relative positions of the leading and trailing edges of the link --13- - with respect to the magnetoresistive element. This output is in accordance with equations (4) and (5) above.
The relationship between the output signal which is generated by the magnetoresistive element and the magnetic field which is thereby detected is shown graphically in FIG. The point Hk is the intensity or strength of the field which is sufficient to saturate the ferromagnetic strips of the magnetoresistance element. In one example, this field strength is equal to 50 Oe. The upper curve --a-- represents the change in the volume range of the output signal, as can only be traced back to the field - which is parallel to the general power supply path that extends between the
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--7A line is.
If it is initially assumed that the link -13-- is located quite far from the combination - then the field --H2n is insignificant compared to the perpendicular field --H1-- generated by the bias magnet. Therefore the vector Ho of the composite field has an angle of 6 = 0. If the field --H1-- is sufficient to saturate the magnetoresistive element, the output voltage Au will be at the point --P-- of the curve in Fig. 7 as shown.
If now the link --13-- is moved in the + x direction, as shown in Fig. 6, until the leading edge of the link is aligned with the magnetoresistive element, the change AVg in the output signal goes along the curve-C-in Direction to the point - Q - forward. The curve --C--, as can be seen, is an asymptote beyond the point --Q--, and as shown by the dashed line, theoretically extends further if the field --H2-- the --H2 - could exceed the --H1-- field.
Of course, this does not happen because the --H2-- field is - induced in the --13-- link by the field.
Referring now to Fig. 8, this figure shows a schematic circuit diagram, an output signal eo being generated when the combination --10-- is used as a detector for detecting the linear movement of the member --13--. Series-connected resistors-Ri and Ru-sino are connected to the power supply terminals --7A and 7B-- of the magnetoresistance element --1-- to create a
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--5-, whose output terminal is connected to the circuit output --15 - from which the output signal eo is derived. The differential amplifier is conventional and may have a working amplifier with a positive input terminal connected to the bridge output terminal -5 'and a negative input terminal connected to the bridge equalization terminal -5'.
Of course, if desired, these input terminal connections to the differential amplifier can be reversed.
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when the element is saturated. When the link --13-- is moved closer to the detector --10-- in the x-direction, part of the flux generated by the bias magnet is soon intercepted or cut by the link, with the result that the field component --H2 - is induced.
If the link --13-- is moved even closer to the detector --10--, the induced field --H2 - 'increases or increases, with the angle e also increasing due to the vector addition of the bias field --H-- and the induced field-Hg-increased. This causes the output signal eo (which, as assumed, for the in
8 has negative polarity) is increased in absolute size.
According to FIG. 9, the abscissa represents the length, while the starting point or origin for the
Case is established in which the front edge --13b-- of the link --13-- is aligned in the location of the detector --10--. The further movement of the limb in the x-direction causes the induced field - to increase accordingly, until a point is reached at which no further flow is absorbed by the limb, and the like. between regardless of even a further movement of the same. To this
At the time, the induced field --H2-- is essentially constant, although the element --13-- continues to move in the x-direction. The output signal eo, which was generated when the field-In- is constant, is between + 200mV and -500mV, depending on the distance d between the element -13- and the
Detector --10--.
However, as can be seen, the shapes of the various curves provided for the various distances d are substantially the same or similar.
If the limb continues to move in the x direction, part of the flow that passes through the
Bias magnet was generated and which has previously been caught by the link, is no longer caught. This reduces the size of the induced field-H-, resulting in a change in the
Output eo as shown results. The influence of the output signal due to the field component --H2-- continues to decrease, even beyond the point at which the trailing edge --13a-- of the link comes beyond the location of the detector --10--. (Shown at the 40 mm mark of the
Abscissa in Fig. 9B). Until the induced field component - H - is substantially reduced.
The
Output signal eo is then essentially the same for the setting of the element --13-- very far to the left of the detector -10-, as for the initially assumed setting of the element very far to the right of the detector.
It can be seen that the output signal eo having the curves shown in Fig. 9B as a sign or an indication. for the proximity or approach of the limb --13-- to the detector --10-- can be used. In addition, these illustrated characteristic curves or curves can be used as a switching function in a contactless switch.
The graphs according to FIG. 9B show that the maximum peak value of the change in the output signal eo shows a relatively negative polarity. However, since this output signal eo is generated by the differential amplifier shown in Fig. 8, which is again fed with the output signals el and e generated by the bridge circuit, it can be seen that the maximum peak value of the output signal eo has the opposite polarity (e.g. B. a relatively positive polarity), if the differential amplifier input terminals to which the bridge circuit output signals are fed are interchanged.
That is, with respect to the circuit of Fig. 8, when the bridge output signal el is supplied to the differential amplifier negative input terminal and when the bridge output signal e is supplied to the positive input terminal, the differential amplifier output signal eo shown in Fig. 9B is reversed.
Another example of the use of the --10-- detector as a proximity detector is shown in Fig. 10A, the characteristic curves or curves for this example being of the type shown in Fig. 10B. The bias magnet in this example can be made of barium ferrite. The dimensional parameters of the detector are the same as those assumed for the example shown in Fig. 9A. The link --13--, the approach or proximity of which is sensed by the detector --10--, is here cylindrical with a diameter D and a length L. As in the example according to FIG. 9A, the link --13-- made of soft iron or river iron, while its outer surface is from
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moves perpendicular to its longitudinal axis.
When the link --13-- is moved to get in front of the detector --10--, i.e. i.e., if it comes in front of the north pole face (N) of the bias magnet and at that surface, it is
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resulting output signal eo derived from the magnetoresistive element related to the proximity or approach of the member, as shown by the characteristics of Fig. 10B for the conditions in which d is 0.5 mm and 0.8 mm, respectively. Due to the cylindrical shape of the limb --13 - there is no area of constant field --2-- which could be induced in the limb, as was also the case for the rectangular shape shown in FIGS. 9A to 9B.
It is shown in Fig. 10B, which shows that a maximum peak value of the output voltage is obtained when the member is moved in the direction x until a diameter is aligned or aligned with the detector -10. It can be seen that the origin or starting point of the curves of FIG. 10B is selected to correspond to this orientation in which the magnetically permeable material is closest to the detector. Thus, the maximum flux generated by the bias magnet through the cylindrical part according to FIG. 10A is only collected when the longitudinal axis of the link is in alignment with the detector, whereas the maximum flux through a link with a planar surface (according to FIG. 9A) over a substantial one Length of the limb is caught.
This is illustrated by the curves in FIGS. 10B and 9B, respectively.
Inspection of the curves in FIGS. 9B and 10B shows that the dimension or dimensioning of the link -13- is preferably parallel to the x-direction, i.e. i.e. the direction in which it is moving is greater than the total thickness of the detector --10--. If the dimension of the link is in the same order of magnitude as the thickness of the detector, less flux will be captured by the link and the --H1-- field due to the bias magnet will not be significant
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is small, while the sensitivity of the detector is not fully evaluated. If the level of the
Magnetoresistance element is parallel to the longitudinal dimension of the link --13--, e.g.
B. when the
The plane of the element is parallel to the end face of the link according to FIG. 9A, the influence of the
Field --H1-- that extends through the element, through the permeable material of the
Limb, not be very large. This also reduces the sensitivity of the detector. Although these
Configurations are operational, they are accordingly not preferred in many uses.
The use of the detector --10-- in combination with the element --13-- for the corresponding implementation of the function of a contactless switch will now be described with reference to FIGS. 11A and 11B. As shown in FIG. 11A, the configuration between the detector and the member made of a high magnetic permeability material may be as previously described with reference to FIG. The output of the magnetoresistance element is connected to a differential amplifier --16-- which, for example, can also contain the bridge circuit resistors - Ri and R2--.
The output of the differential amplifier is fed through a wave shaping circuit and an additional amplifier --18-- to an actuator --19--. As shown, a current source --8 - is connected to all of the circuit elements for the purpose of energizing them.
The actuating device -19- preferably has a display circuit for the purpose of displaying the positional relationship or the positional relationship between the member -13- and the detector. As an example of this, the indicator circuit -19- can comprise a relay.
In the working state, when the link --13-- moves linearly along a path past the detector --10--, e.g. As shown in Fig. 6, 8 or 9A, the signal generated by the magnetoresistive element is fed to the differential amplifier -16- where the output signal eo is generated.
The output signal eo is expediently shown graphically in FIG. 11B. The output signal eo is fed to the wave-shaping circuit, which preferably has a threshold value detector.
Any conventional threshold detector can be used, e.g. A Schmitt trigger circuit or the like, so that when the level of the output signal eo crosses the predetermined threshold level as shown by the broken lines in Fig. 11B, an output pulse is generated. This output pulse p is further amplified by the amplifier --18-- and then applied to the relay --19--. In this example, the positive transition of the output pulse B is used to turn on the relay --19-- while the negative transition of the output pulse is used to turn the relay off.
If desired, the relay can be chosen so that it is excited depending on a negative transition and depending on
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connected to evaluate this directional information.
The embodiment shown in FIG. 12 for detecting linear motion and linear
Velocity can be modified to detect angular motion and angular velocity. This is shown in Fig. 14, in which a disk --23-- made of a magnetically permeable
Material is provided on a shaft --22 - and intended for a rotary movement. Areas made of non-magnetic material, such as. B. the openings --21--, are provided on the circumference around the disk and are evenly spaced from each other to determine the period À; Adjacent openings are separated by a width or width m made of permeable material.
If a detector (not shown) --10-- above or below the disk --23-- next to the
Circumferential path of the openings --21-- is provided, output pulses can be derived from the detector with a frequency which is proportional to A and the speed of rotation of the disk.
Thus, similar to the case of the linear motion detector of Fig. 12, an angular motion detector is obtained. This angular motion detector can be used as a shaft encoder or, if desired, for others
Purposes.
A modification of the angular movement detector according to FIG. 14 for determining the direction of the
Rotation is shown in FIG. In this modified embodiment, two tracks or rows - Ti and T2 - of offset areas of non-magnetic material or of openings are provided.
Since this embodiment is similar to the embodiment according to FIG. 13 described above, no further description thereof is required. Those of ordinary skill in the art will readily recognize how directional information is obtained from this embodiment shown here.
Another embodiment of an angular motion detector is shown in FIG. 16, having a
Disc or a ring --25-- which is mounted and rotatably arranged on a shaft --22--. The disk or ring is provided with teeth --26 - which are arranged at a distance from one another and which form a period A. The teeth consist of a highly permeable material with a width or width m. It can be seen that the disc or ring can be formed from permeable material while the teeth are stamped out. Alternatively, the disk can consist of a different material, while the teeth can also be added to the circumference of the disk.
In each of the embodiments, the angular movement of the teeth is sensed by the provision of a detector above (or below) the plane of the disc adjacent to the circumferential track defined by the teeth. It can be seen that this is similar to the angular motion detector described above with reference to FIG. Another embodiment is the detector (not shown) spaced from the circumference boundary formed for the teeth and facing this boundary, similar to the case of the motion detector previously described with reference to FIG.
Since the angular motion detector, which may be of the embodiment shown in Fig. 16, is similar in operation to the previously described embodiments of motion detectors, its understanding does not require further description.
Another use of the invention is shown in FIG. As shown there, a matrix arrangement --10c-- of detectors on a suitable support --28--, preferably made of non-magnetic material, is provided. Each detector, which is included in the arrangement, consists of a magnetoresistance element --1--, which is connected to a bias magnet --12--.
This arrangement, which is shown as a linear matrix, can read selective information bits, which are represented by an arrangement of members --13-- made of highly permeable material and selectively arranged on a suitable support --27--. As an example of this, the support --27-- can have an information card, while the links --13-- can be arranged in columns (or rows) -Ti, Tg, .... Tg- selectively to display the information this map. The support is made of non-magnetic material.
Each detector contained in the arrangement --10c-- is equipped with a corresponding column-Ti ...
T5-- aligned. When the prop --27 - moves past the detectors in the direction of the arrow
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or if the detectors are moved across the support in an opposite direction, the flux generated by certain of the bias magnets will be permeable through them
Limbs are captured, which are provided in corresponding columns, whereby induced fields are vectorially combined with the bias fields so as to change the direction of the fields which extend through corresponding magnetoresistive elements, u. zw. in the way now understood.
The output signals are therefore derived from selected detectors depending on whether a permeable member is sensed during the relative displacement of the support --27-- and the detector arrangement --10c--. These output signals can be used to represent the information that is encoded on the support, whereby they can also be fed to appropriate, suitable processing devices, such as e.g. B. a computer, a printer, a central processing device or the like.
A modification of the information card shown in Fig. 17 is shown in Fig. 18, in which the support - consists of highly permeable material and the information on it is shown through selected openings --30--. Thus, the bits representing the information and the support for it are in
FIG. 17 essentially interchanged with one another in FIG. Nonetheless, the arrangement is the
Detectors --10c - essentially the same, with a similar method used to detect the
Information that is coded on the support --29-- is to be preserved and used or exploited.
Therefore, for the sake of brevity, a further description of the arrangement and the embodiment is shown in FIG
Fig. 18 superfluous. It can be seen that the selected presence (or absence) of an opening in a column and a row of the information card by a corresponding change in the
Output signal is represented, which is derived from the detectors.
While the above description has assumed that there is a relative displacement between the linear array of detectors --10c - and the information card, an alternative embodiment has an nxm array of detectors which correspond to the mxn members (or openings) of the information card. The outputs of all detectors in a column - Ti ... Tg - are commonly connected, for example, to a differential amplifier or other output device, while the power supply terminals --7A and 7B-- of a row of detectors are connected to an associated power supply input.
In order to read the encoded information on a properly set data card, the corresponding power supply inputs are actuated in a specific order to enable successive rows of detectors to sense the presence (or absence) of limbs or openings. In this way, the encoded information is read on a row basis.
An embodiment of a suitable information card according to the examples in FIGS. 17 and 18 is shown in FIG. This information card can be used as an identification card, a credit card or the like. The data-carrying support --27 or 29-- is squeezed between the non-magnetic members - 31a and 31b--, which can also be used to protect and shield the data support.
Another embodiment of a detector --10-- is shown in Fig. 20 and consists of a magnetoresistive element --1-- which is provided on a bias magnet --12-- which is magnetized in its longitudinal direction and next to the permeable member - -13- is arranged. This bias magnet --12-- is in magnetic connection with a yoke or bracket --33-- with arms --33b and 33c-- in connection with a leg --33a--. The bracket is made of a material with a relatively high magnetic permeability, such as. B. from Permalloy, and results in a good flow route.
The bias field-H- created by the magnet --12-- induces a field component --H2-- in the limb --13--. Thus, a magnetic circuit is formed between the north pole (N) and the south pole (S) of the magnet through the path which the link --13--, the arm - -33b-- and the leg --33a-- of the bracket having. A parallel segment contains the limb --13--, the arm --33c-- and the limb --33a--. It can be seen that due to the provision of the highly permeable bracket --33-- in the flow path, there is less flow leakage and thus a stronger induced field.
This in turn increases the sensitivity of the detector, since the angle 0, which is formed by the vector combination of the bias field and the induced field --H2--, can have a larger range.
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Figure 21 is a schematic circuit diagram illustrating the manner in which the detector of Figure 20 can be used to generate an output signal eo from an indication of the movement of the member -13-. Since this circuit is similar to the circuit shown in FIG. 8 described above, further description of the same is unnecessary in order to understand its construction and operation.
While the invention has been particularly described and illustrated with reference to certain preferred embodiments, it will be apparent that various modifications and changes in form and details are possible. As an example, it should be emphasized that if the ferromagnetic film strips -A and B- having the magnetoresistive element-1- do not have identical characteristics, suitable compensation can nevertheless be obtained. That is, when the ferromagnetic strips --A and B-- are provided on the carrier. so the magnetic particles in the film should first be magnetically aligned or oriented in the correct direction.
This magnetic orientation during application to the carrier ensures essentially identical characteristics in the strips - A and B--.
As a further example, temperature compensation of the magnetoresistive element can be provided. One embodiment of such a temperature compensation arrangement uses two magnetoresistive elements connected in a bridge circuit configuration.
It is therefore to be understood that the claims are to be construed as including all changes and modifications and as relating to various other types of uses for which the invention is particularly well suited.
PATENT CLAIMS:
1. Magnetic field sensor for generating an output signal by sensing the proximity or approach of a body made of a material of high magnetic permeability, with at least one magnetoresistance arrangement, which consists of an insulating carrier and ferromagnetic
EMI11.1
that (2) between a pair of power supply terminals (7A, 7B) to a first and second group (A or
B) perpendicularly aligned strips (2A, 2B) are arranged, the groups are connected in series one behind the other, the output signal being tapped at the connection point (5) of this group, the magnetoresistance arrangement is assigned a biasing device (12) whose magnetic field the magnetoresistance arrangement interspersed, and wherein at least one magnetic field component runs parallel to the carrier and perpendicular to the strips (2B) of a group, the orientation of the magnetic field being adjustable through the body (13) of high magnetic permeability while generating a modified output signal.