DE3222789A1 - Magnetoresistive wandlervorrichtung zum auslesen von codierten informationen, die eine geringe dichte aufweisen - Google Patents
Magnetoresistive wandlervorrichtung zum auslesen von codierten informationen, die eine geringe dichte aufweisenInfo
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Description
PRINZ, BONKe &-ΡΑΒΧΝΈR
Patentanwälte · * European""Patent" Attorneys 3222789
München Stuttgart
18. Juni 1982
COMPAGNIE INTERNATIONALE POUR L1INFORMATIQUE
CII HONEYWELL BULL
94, avenue Gambetta
75020 PARIS / Frankreich
Unser Zeichen: C 3326
Magnetoresistive Wandlervorrichtung zum Auslesen von
codierten Informationen, die eine geringe Dichte aufweisen
Die Erfindung betrifft eine magnetoresistive Wandlervorrichtung zum Auslesen von codierten Informationen, die eine geringe
Dichte aufweisen. Die Wandlervorrichtung ist insbesondere für den Einsatz in Frankiermaschinen bestimmt, um zu
überprüfen, ob die von diesen Maschinen ausgedruckten Informationen
auf der zu frankierenden Post den eingegebenen Druckbefehlen entsprechen.
In allen größeren Betrieben, Verwaltungen und Geschäften,
in denen die anfallende Post sehr umfangreich ist, wäre es unwirtschaftlich, die anfallende Post mittels Briefmarken
zu frankieren. Statt dessen wird der Frankierwert direkt auf der Post aufgedruckt. Zum Frankieren mit einem Wert von
z.B. 3,00 DM werden z.B. nicht drei Briefmarken zu je einer Mark auf dem zu frankierenden Brief aufgeklebt,
HD/Gl
sondern es wird der Wert 3,00 auf diesem Brief aufgedruckt Dieses Aufdrucken geschieht mittels "Frankiermaschinen",
die wohlbekannt und weit verbreitet sind. Beispiele sind die Frankiermaschinen der Firma SECAP 21, Frankreich.
In solchen Frankiermaschinen können die aufgedruckten Frankierwerte bis zu vier Ziffern umfassen, wovon zwei
vor dem Komma und zwei hinter dem Komma stehen.
Das Funktionsprinzip von Frankiermaschinen ist relativ einfach. Diese Maschinen enthalten eine drehbare Welle,
in der eine Mehrzahl von Rillen angebracht sind, deren Symmetrieachse parallel zu den Mantellinien der Welle ist.
In diesen Rillen sind Stangen angeordnet, deren Länge größer ist als die Länge der Welle. Es gibt ebenso viele
Stangen wie Ziffern der Frankierwerte vorgesehen sind, d.h. vier.
An einem ihrer Enden ist jede Stange fest mit einem ersten
Rad verbunden, das an seinem Umfang eine Mehrzahl von Nocken trägt, deren Anzahl gleich der Anzahl von Drucktypen
ist und von denen jeder mit diesem Ende in Berührung kommen kann. Dieses Rad ist seinerseits fest verbunden
mit einem zweiten Rad, das an seinem Umfang zehn Drucktypen trägt, die den Ziffern 0 bis 9 entsprechen,
wobei jede Drucktype einem gegebenen Nocken des ersten Rades zugeordnet ist.
Jede der vier Stangen kann im Inneren der Rille gleiten, in der sie angeordnet ist. Zu diesem Zweck umfaßt sie an
ihrem zweiten Ende, das demjenigen gegenüberliegt, welches mit dem die Nocken tragenden Rad in Berührung ist,
eine Zahnstange. Jede Zahnstange ist einer Codiertrommel zugeordnet und wird von dieser gesteuert. Um eine der
vier Ziffern eines Frankierwertes aufzudrucken, wird die
entsprechende Codiertrommel gedreht, bis die Bewegung
-JS-
der zugeordneten Stange das die Drucktypen tragende Rad
um einen solchen Winkel verdreht hat, daß die der aufzudruckenden
Zahl entsprechende Drucktype in Berührung mit dem zu frankierenden Brief kommt und die gewünschte Ziffer
so aufgedruckt wird.
Es ist jedoch zweckmäßig, zu überprüfen, ob die tatsächlich
aufgedruckte Ziffer derjenigen Ziffer entspricht, die mittels der Codiertrommel eingestellt werden sollte.
Um diese überprüfung zu ermöglichen, ist jede Stange mit
einer Anzahl von Aussparungen versehen, die eine Gruppe von Löchern und Zähnen bilden. Vorzugsweise sind die vier
Stangen einander gleich, enthalten also dieselbe Kombination von Löchern und Zähnen. Die vier Stangen sind einer
feststehenden Wandlervorrichtung zugeordnet.
Beim Drucken der verschiedenen Ziffern nimmt die Stange im Inneren der Rille jeweils verschiedene Stellungen ein.
Da der Wandler sich in einer festen Stellung befindet, bietet sich für die Wandlervorrichtung, wenn sich eine
der vier Stangen vor ihr befindet, jeweils eine verschiedene Kombination von Löchern und Zähnen, je nach
der von der Stange eingenommenen Lage.
Je nach der von der Stange im Inneren der Rille eingenommenen Lage ergeben sich also für die davor angeordnete
Wandlervorriehtung zehn mögliche Kombinationen von Lö-.chern
und Zähnen, Vorzugsweise gibt die Wandlervorrichtung für jede Kombination von Löchern und Zähnen eine
Gruppe von fünf Signalen ab. Den zehn verschiedenen Kombinationen von Löchern und Zähnen entsprechen natürlich
zehn verschiedene Gruppen von fünf Signalen, die also einen Code bilden.
Einem Loch entspricht ein Signal eines ersten Typs (z.B.
ein positiver Impuls). Einem Zahn entspricht ein Signal
eines zweiten Typs (z.B. ein Impuls mit dem Wert Null). Es ist also ersichtlich, daß die Wandlervorrichtung eine
Gruppe von fünf Binärsignalen abgibt. Diese Gruppe von fünf Binärsignalen wird durch eine geeignete elektronisehe
Schaltung decodiert, die es dem Benutzer der Frankiermaschine ermöglicht, die zu druckende Ziffer zu überprüfen,
um festzustellen, ob diese Ziffer gedruckt werden soll.
Es wurden bereits für die Verwendung in solchen Frankiermaschinen Wandlervorrichtungen vorgeschlagen, bei denen
es sich um magnetoresisitive Wandler handelt. Ein magnetoresistives
Element bzw. ein Magnetwiderstand ist ein Bauteil, das aus einem Magnetmaterial gebildet ist, dessen
elektrischer Widerstand R sich in Abhängigkeit von dem darauf einwirkenden Magnetfeld ändert, wobei diese magnetoresistiven
Elemente auf einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material angeordnet sind.
Es wird ein magnetoresistives Element mit dem Widerstandswert
R betrachtet, das an die Anschlüsse eines Stromgenerators angeschlossen ist, der einen Strom I abgibt, der
in Längsrichtung des Elementes fließt. Wenn dieses magnetoresistive
Element einem Magnetfeld H ausgesetzt wird, erzeugt dieses eine Änderung AR seines Widerstandswertes,
und folglich ergibt sich eine Änderung AV = I χ AR an den Anschlüssen des Elementes, woraus sich ergibt:
Δν/V = AR/R. Darin wird AR/R als "Magnetwiderstandskoeffizient"
bezeichnet. Es ist also ersichtlich, daß die an den Anschlüssen des magnetoresistiven Elementes abgenommene
Spannungsänderung um so größer ist, je größer der Widerstandswert R ist.
Das an den Anschlüssen eines magnetoresistiven Elementes abgegriffene elektrische Signal hängt also nur vom Wert
des Magnetfeldes H ab, in dem es sich befindet.
Es wird daran erinnert, daß als "magnetische Anfangspermeabilität
eines Magnetmaterials" das Verhältnis zwischen B und H bezeichnet wird, d.h. der magnetischen Indutkion
und des Magnetfeldes, wenn B und H ungefähr gleich Null sind, wobei diese Betrachtungen für die jungfräuliche
Magnetisierungskurve gelten. Ferner wird daran erinnert, daß die jungfräuliche Magnetisierungskurve diejenige
Kurve ist, die die Veränderung der magnetischen Induktion B in Abhängigkeit von dem Magnetfeld H angibt, wenn das
magnetoresistive Element ausgehend von einem magnetischen Anfangszustand, in welchem B und H praktisch gleich Null
sind, einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Die magnetische Anfangspermeabilität des magnetischen Materials ist also
gleich der Steigung der jungfräulichen Magnetisierungskurve
in der Nähe des Punktes B=O und H=O.
Ferner wird daran erinnert, daß ein anisotropes magnetisches
Material, das in einer Ebene liegt, so daß also seine Dicke sehr viel geringer als seine Länge und seine
Breite ist, in dieser Ebene zwei bevorzugte Magnetisierung sr ich tungen aufweist, die allgemein aufeinander senkrecht
sind. Die eine Richtung ist die "günstige Magnetisierungsrichtung"/ während die andere Richtung die "ungünstige
Magnetisierungsrichtung" ist. Die Anfangspermeabilität des Materials in der ungünstigen Magnetisierungsrichtung ist also sehr viel größer als die Anfangspermeabilität
des Materials in der günstigen Magnetisierungsrichtung.
Die zur Verwendung bei Frankiermaschinen bereits vorgeschlagenen
magnetoresistiven Wandlervorrichtungen umfassen
fünf magnetoresistive Elemente, deren Länge sehr viel größer als ihre Breite ist und die zueinander ausgerichtet
sind, d.h. sie liegen in derselben Richtung und sind auf derselben Geraden angeordnet. Es handelt sich um sogenannte
magnetoresistive "Dickschichtelemente", d.h.
- ff - ■
ihre Abmessungen haben folgende Größenordnungen: Die Länge L beträgt ungefähr 10 nun, die Breite 1 und die
Dicke e betragen ungefähr 2 mm.
Diese fünf magnetoresistiven Elemente, die zueinander ausgerichtet sind, sind auf einem Substrat aus Plastikmaterial
im Inneren von kleinen Fenstern dieses Substrates angeordnet. Dieses Substrat ist seinerseits auf einer
Magentisierungsvorrichtung angeordnet, z.B. auf einem Permanentmagneten, der insbesondere quaderförmig ist.
Die Arbeitsweise einer solchen Wandlervorrichtung ist die folgende: Es wird ein einziges magnetoresistives Element
betrachtet, da die Funktionsweise bei allen Elementen dieselbe ist. Wenn das magnetoresistive Element sich vor
einem Zahn der davor angeordneten Stange befindet, so hat das darauf einwirkende Magnetfeld den Wert HL . Dieses
Magnetfeld wird als positiv angenommen. Der Widerstandswert des magnetoresistiven Elementes beträgt dann
R1. Wenn dieses selbe magnetoresistive Element sich vor
einem Loch befindet, wirkt das Magnetfeld H„ darauf ein, das weiterhin positiv ist, jedoch einen niedrigeren Wert
als H- hat. Es ist dann ersichtlich, daß beim Übergang
von einem Loch zu einem Zahn sich eine negative Magnetfeldschwankung
H = (H3-H1) ergibt, die zu einer positiven
Widerstandsänderung AR des magnetoresistiven Elementes führt, so daß dessen Wert der folgende ist: R_ = R-, +AR.
Es tritt also eine Spannungsschwankung AV = AR χ I an den Anschlüssen des magnetoresistiven Elementes auf. Es ist
ersichtlich, daß die Magnetfeldänderung H1-H,, im wesentlichen
auf der Deformierung der Magnetfeldlinien beruht, die durch die Magnetisierungsvorrichtung verursacht werden,
wenn von einem Loch zu einem Zahn übergegangen wird, wobei natürlich die Permeabilität des magnetischen Mi-
^ lieus, das den Zahn bildet, verschieden ist von der Permeabilität
der das Loch ausfüllenden Luft. Wenn also von
einem Zahn zu einem Loch übergegangen wird, gibt das
magnetoresistive' Element einen positiven Spannungspuls AV
ab. Umgekehrt ist ersichtlich, daß beim übergang von einem Loch zu einem Zahn das magnetoresistive Element einen negativen
Spannungspuls abgibt. Es ist also leicht, mittels geeigneter Elektronikschaltungen festzustellen, ob das
magnetoresistive Element sich vor einem Loch oder vor einem Zahn befindet.
Derartige magnetoresistive Wandlervorrichtungen sind relativ kostenaufwendig, da sie mehrere aufeinanderfolgende
Herstellungsprozesse erfordern,die jeweils dem Aufbringen
eines magnetoresistiven Elementes entsprechen. Ferner ist ein sehr präziser mechanischer Aufbau erforderlich, um
die magnetoresistiven Elemente jeweils in den zugeordneten Fenstern unterzubringen.
Bei magnetoresistiven Elementen geht die Tendenz zur Verwendung von sehr dünnen Schichtdicken in der Größenordnung
von einigen hundert Ängström bis einige Mikron. Es kann jedoch gezeigt werden, daß das von einem magnetoresistiven
Element abgegebene Signal, das durch das darauf einwirkende Magnetfeld entsteht, stark abnimmt, wenn
der Abstand zwischen dem Element und der Stange der Welle, gegenüber denen sich das Element befindet, zunimmt. Dieser
Abstand muß also relativ gering sein. Unter diesen Umständen, wenn also die Magnetisiervorrichtung des magnetoresistiven
Wandlers allen magnetoresistiven Elementen gemeinsam ist und der Abstand zwischen diesen und der Stange,
welche die Löcher und Zähne trägt, relativ gering ist, so treten Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen
Magnetfeldern auf, die auf diese magnetoresistiven Elemente einwirken. Die verschiedenen Magnetfelder, denen
die verschiedenen magnetoresistiven Elemente ausgesetzt sind, sind also nicht voneinander unabhängig, und es
tritt ein übersprechen zwischen den von den Elementen abgegebenen
Signalen auf.
-Sr-
Aufgabe der Erfindung ist die Behebung des Problems des Übersprechens zwischen den verschiedenen magnetoresistiven
Elementen. Zur Lösung des Problems wird vorgeschlagen, eine Mehrzahl von Magnetfeldern (insbesondere fünf) zu
erzeugen, die voneinander in hohem Maße unabhängig sind, die also keine Wechselwirkungen miteinander zeigen, und
zwar ausgehend von einer einzigen Magnetfeldquelle, bei der es sich insbesondere um einen Permanentmagneten handelt.
Dies wird erreicht, indem zwischen der Magnetisierungsvorrichtung und den magnetoresistiven Elementen ein aus
nichtremanentem Magnetmaterial gebildetes magnetisches Gitter angeordnet wird, das aus einer Mehrzahl von parallelen
Elementen besteht, deren Anzahl gleich der Anzahl von magnetoresistiven Elementen ist, und welches
das Magnetfeld an diesen Elementen fokussiert.
Es wird daran erinnert, daß ein nichtpermanentes Magnetmaterial ein solches ist, das an jedem seiner Punkte eine
bestimmte Magnetisierung annimmt, wenn es einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt wird, und diese Magnetisierung
verliert, wenn das äußere Magnetfeld nicht mehr vorhanden ist.
Die erfindungsgemäße magnetoresistive Wandlervorrichtung
zum Auslesen von codierten Informationen umfaßt eine Mehrzahl von Magnetwiderständen, die gegenüber diesen
Informationen in derselben Richtung angeordnet sind, wobei eine Magnetisierungsvorrichtung ein Magnetfeld erzeugt,
dessen Wert an jedem Magnetwiderstand abhängig ist von dem Wert der sich gegenüber diesem Magnetwiderstand
befindenden codierten Information; sie ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein aus nichtremanentem Magnetmaterial
gebildetes Gitter aus zueinander parallelen Elementen umfaßt, die zwischen der Magnetisierungsvorrichtung
und den Magnetwiderständen angeordnet ist, wobei
-sr- 1^
jedem Element ein Magnetwiderstand zugeordnet ist und wobei
diese Elemente jeweils an den Magnetwiderständen das von der Magnetisierungsvorrichtung erzeugte Magnetfeld
fokussieren, dergestalt, daß die Magnetfelder, denen die Magnetwiderstände ausgesetzt sind, voneinander unabhängig
sind.
Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, die eine ein Magnetfeld erzeugende
Magnetisierungsvorrichtung umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ein aus nichtremanentem Magnetmaterial
gebildetes Gitter mit einer Mehrzahl von zueinander parallelen Elementen aufweist, die das von der
Magnetisierungsvorrichtung erzeugte Magnetfeld fokussieren, wobei das Gitter der Magnetisierungsvorrichtung
so zugeordnet ist, daß in der unmittelbaren Nähe der Elemente eine Mehrzahl von Magnetfeldern erzeugt wird,
die voneinander unabhängig sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In
der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Dreiviertel-Perspektivansicht einer herkömmlichen
magnetoresistiven Wandlervorrichtung für
Frankiermaschinen, wovon nur die Welle gezeigt ist, welche die verschiedenen Spangen trägt, die
jeweils einer aufzudruckenden Ziffer entsprechen;
30
Fig. 2 eine Dreiviertel-Perspektivansicht einer der
Stangen T. der in Fig. 1 gezeigten Frankiermaschinenwelle;
Fig. 3 eine Dreiviertel-Perspektivansicht, welche die
relative Anordnung der Stange T. und der fünf Magnetwiderstände der magnetoresistiven Wandlervorrichtungen
gemäß dem Stand der Technik zeigt, wobei die Stange T. gegenüber diesen, fünf Magnetwiderständen
angeordnet ist;
Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Symmetrieebene der
Stange T., wobei die fünf Magnetwiderstände gejQ
zeigt sind, die gegenüber der Gruppe von Löchern
und Zähnen der Stange T. angeordnet sind;
Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips eines Magnetwiderstandes bzw. magnetoresistiven
Elementes aus anisotropem Magnetmate
rial;
Fig. 6 ein Diagramm, das die Veränderung des Widerstandswertes eines Magnetwiderstandes aus anisotropem
Magnetmaterial in Abhängigkeit von dem anliegen
den Magnetfeld in der günstigen Magnetisierungsrichtung zeigt;
Fig. 7 ein Diagramm, das die Änderung des in der ungünstigen Magnetisierungsrichtung der Magnetwiderstände
der magnetoresistiven Wandlervorrichtung nach dem Stand der Technik angelegten Magnetfeldes
zwischen zwei benachbarten Magnetwiderständen in Längsrichtung derselben zeigt, wobei die gezeigte
Kurve die Mängel der herkömmlichen magne
toresistiven Wandlervorrichtungen leichter verständlich macht;
Fig. 8 eine Dreiviertel-Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen
magnetoresistiven Wandlervorrichtung,
die gegenüber der Welle einer Frankiermaschine angeordnet ist;
-yr- «
Fig. 9 eine Dreiviertel-Perspektivansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes bei
der erfindungsgemäßen magnetoresistiven Wandlervörrichtung;
. ■ .
Fig. 10 eine Vorderansicht/ welche die Relativpositionierung der Magnetwiderstände und der verschiedenen
Fokussierelemente des magnetischen Gitters bei der Magnetfelderzeugungseinrichtung nach
Fig. 9 zeigt;
Fig. 11 eine schematische Darstellung, wie das Magnetfeld an zwei der fünf Magnetwiderstände der erfindungsgemäßen
Wandlervorrichtung angelegt ist; und
Fig. 12 ein Diagramm, das die Magnetfeldverteilung zwischen
zwei benachbarten Magnetwiderständen bei der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung in
Längsrichtung der beiden Magnetwiderstände zeigt.
Zum leichteren Verständnis des erfindungsgemäßen magnetoresistiven
Wandlers werden zunächst die Wirkungsweise von Frankiermaschinen unter Bezugnahme auf die Figuren 1
bis 4 und die Wirkungsweise von herkömmlichen, bei derartigen Maschinen verwendeten magnetoresistiven Wandlervorrichtungen
unter Bezugnahme auf die Figuren 5, 6 und 7 erläutert.
Zunächst werden die Figuren 1 bis 4 betrachtet, welche die Welle ARB einer Frankiermaschine zeigen, die sich
gegenüber einer herkömmlichen magnetoresistiven Wandlervorrichtung befindet. In den Figuren 1 bis 4 sind zur
Vereinfachung nur die Welle ARB der Frankiermaschine und die magnetoresistive Wandlervorrichtung gezeigt, die es
ermöglicht, zu überprüfen, ob die aufgedruckten Frankierwerte mit den eingestellten Werten übereinstimmen.
Die Welle ARB der Frankiermaschine ist in Richtung des Pfeiles F drehbar. Sie umfaßt vier Stangen T_ , T1, T_ und
T_, wovon nur die Stange T. in den Figuren 1 bis 4 gezeigt ist. Alle Stangen T_ bis T_ sind in Rillen verschiebbar,
die am Umfang der Welle ARB angebracht sind. Insbesondere ist die Stange T. in Längsrichtung verschiebbar,
also parallel zu den Mantellinien der Welle ARB und zur Symmetrieachse der Rille R.. Jede Stange T. steuert
an einem ihrer Enden EX1 ein Drucktypenträgerrad. Dieses
Rad trägt die zehn Drucktypen 0 bis 9. Es gelangt mit dem zu frankierenden Brief in Berührung, wenn die Stange T.
in Richtung des Pfeiles f gedrückt wird. Dies geschieht in üblicher Weise mittels eines ersten Rades, das dieselbe
Achse wie das Typenträgerrad aufweist und an seinem Umfang mit einer bestimmten Anzahl von Nocken versehen ist (wobei
die Anzahl der Nocken gleich der Anzahl von zu druckenden Drucktypen ist, also gleich 10 ist), die mit der Stange T.
in Berührung sind. Das Typenträgerrad und das zweite, die Nocken tragende Rad sind in den Figuren 1 bis 4 zur Vereinfachung
nicht dargestellt.
Die Stange T. wird in Richtung des Pfeiles f so gedrückt, daß sie gegen den Nocken des ersten Rades stößt, welcher
der Drucktype des Typenträgerrades entspricht, die mit dem zu frankierenden Brief in Berührung gebracht werden
soll, wobei dieser Vorgang über eine Zahnstange und ein Trommelrad erfolgt (diese Elemente sind in den Figuren
1 bis 4 zur Vereinfachung nicht dargestellt). Dieses Trommelrad befindet sich auf der Seite des Endes EX2 der
stange T±
Wenn eine gegebene Ziffer gedruckt werden soll, wird das Rad verdreht, das dann auf die Stange einwirkt, wenn sein
Umfang mit ihrer Zahnstange in Berührung gelangt, wobei die Stange dann in Richtung des Pfeiles f verschoben wird
und gegen den Nocken des ersten Rades stößt, der der aufzudruckenden Ziffer entspricht. Wenn der Nocken angestoßen
-Vf-
ns
wird, dreht sich das Typenträgerrad um einen solchen Winkel,
daß die der zu druckenden Ziffer entsprechende Drucktype gegen den zu frankierenden Brief angedrückt wird.
Jede Stange T. umfaßt eine bestimmte Anzahl von Löchern und Zähnen. Wie in den Figuren 1 bis 4 und insbesondere
in den Figuren 2 und 4 gezeigt ist, umfaßt die Stange T.
fünf Aussparungen bzw. Löcher TR-, TR2, TR3, TR. und TR5
sowie fünf Zähne DE1, DE?, DE.,, DE. und DE1-. Es ist ersichtlich,
daß die Löcher und die Zähne jeweils voneinander verschiedene Abmessungen haben. Jedoch sind z.B.
die beiden Zähne DE2 und DE5 einander gleich und haben
dieselbe Breite in Richtung der Symmetrieachse der Stange. Ferner ist ersichtlich, daß die beiden Zähne DE- und DE.
einander gleich sind und dieselbe Breite in Richtung der Symmetrieachse der Stange T. aufweisen. Ferner ist ersichtlich,
daß die Abmessungen der Zähne DE., und DE3 im
wesentlichen doppelt so groß ist wie bei den Zähnen DE2
und DE5. Entsprechendes gilt für die Aussparungen bzw. Löcher; so ist z.B. ersichtlich, daß die Löcher TR^ und
TR. dieselben Abmessungen haben (jeweils gemessen parallel zur Symmetrieachse der Stange T.).
Die Stange T. ist vorzugsweise aus einem Metall, dessen
magnetische Permeabilität sehr viel größer als die der Luft ist.
Die vier Stangen TQ bis T3 sind vorzugsweise einander
gleich.
30
30
Wie weiter oben erläutert ist, wird in der Nähe der Welle
ARB eine Wandlervorriehtung DTMR mit Magnetwiderständen
angeordnet, um zu überprüfen, ob die auf dem zu frankierenden Brief aufgedruckte Ziffer auch derjenigen entspricht,
die mittels des Trommel-Zahnrades auf der Seite des Endes EX2 der Stante T^ eingestellt wurde.
Die Wandlervorrichtung DTMR umfaßt:
- eine Magnetisierungsvorrichtung DA, z.B. einen Permanentmagnet ;
- ein Substrat SUBS aus elektrisch isolierendem Material;
- fünf Magnetwiderstände MR1, MR2, MR3, MR4 und MR , die
auf dem Substrat SUBS angeordnet sind.
Die Abstände zwischen den Symmetrieachsen der Magnetwiderstände, die parallel zu den Achsen Oy sind (vgl.
Figuren 1, 3 und 4), sind für die Magnetwiderstände MR.
und MRr einerseits sowie MR3 und MR. andererseits jeweils
gleich λ und für die Magnetwiderstände MR_, MR3 gleich 2λ,
während sie für die Magnetwiderständer MR. und MR3
gleich 3 λ sind.
Um die Arbeitsweise des Wandlers DTMR leichter verständlieh
zu machen, folgen nun einige grundsätzliche Erläuterungen zu Magnetwiderständen unter Bezugnahme auf die
Figuren 5 und 6.
In Fig. 5 wird ein Magnetwiderstand MR betrachtet. Seine Länge L ist sehr viel größer als seine Höhe h und seine
Dicke e. Wenn der Magnetwiderstand aus Dünnschichten gebildet ist, so beträgt die Höhe h ungefähr 20 bis 50 Mikron.
An seinen beiden Enden umfaßt der Magnetwiderstand
MR Anschlußleiter, durch die er an elektronische Schalen
au tungen zum Auslesen der von ihm abgegebenen Informationen angeschlossen werden kann. Vorzugsweise ist der Magnetwiderstand MR aus einem anisotropem Magnetmaterial; seine günstige Magnetisierungsachse Axf ist parallel zu seiner Längsrichtung, während seine ungünstige Magnetisierungsrichtung Ax, senkrecht zu seiner größten Abmessung ist (Richtung der Höhe h des Magnetwiderstandes). In dem
au tungen zum Auslesen der von ihm abgegebenen Informationen angeschlossen werden kann. Vorzugsweise ist der Magnetwiderstand MR aus einem anisotropem Magnetmaterial; seine günstige Magnetisierungsachse Axf ist parallel zu seiner Längsrichtung, während seine ungünstige Magnetisierungsrichtung Ax, senkrecht zu seiner größten Abmessung ist (Richtung der Höhe h des Magnetwiderstandes). In dem
Magnetwiderstand fließt ein Strom I in Richtung der Länge L, also in Richtung der günstigen Magnetisierungsachse Ax ~.
Vorzugsweise wird der Magnetwiderstand MR einem Magnetfeld
H ausgesetzt, das parallel zur ungünstigen Magnetisierung sach se Ax, ist.
Die in Fig. 6 dargestellte Änderung AR des Magnetwider-Standes MR in Abhängigkeit von dem in der ungünstigen
Magnetisierungsrichtung angelegten Feld H erleichtert das Verständnis der Arbeitsweise eines Magnetwiderstandes.
Für einen Wert des Magnetfeldes H, der als "Anisotropiefeld des Materials" bzw. H, bezeichnet wird, bei dem das
Magnetmaterial, aus dem der Magnetwiderstand gebildet ist, in der ungünstigen Magnetisierungsrichtung gesättigt
ist, ändert sich der Widerstandwert R nicht mehr.
Es wird auf die Figuren 1 bis 4 Bezug genommen. Es wird
ein Achsensystem Ox, Oy definiert, das z.B. in der Ebene des Substrates SUBS liegt, das die Magnetwiderstände MR1
bis MR5 trägt. Die ungünstigen Magnetisierungsachsen Ax,.
Axd5 der Ma9netwiderstän<3e MRi bis MR5 sind parallel zur
Achse Oy, während die fünf günstigen Magnetisierungsachsen Ax,.1 bis ÄXrc parallel zur Achse Ox sind. Es ergibt
sich klar aus der Fig. 3, daß die Höhe der Magnetwiderstände die Richtung der Achse Oy hat, während die Hauptabmessung
(die Länge) der Magnetwiderstände parallel zur Achse Ox ist.
Auf den Magnetwiderstand MR1 wirkt ein Magnetfeld H- in
Richtung der ungünstigen Magnetisierungsachse Ax,. ein,
während auf den Magnetwiderstand MR2 ein Magnetfeld H^
in der Richtung der ungünstigen Magnetisierungsachse Ax,2
einwirkt, auf den Magnetwiderstand MR3 ein Magnetfeld
H 3 in der ungünstigen Magnetisierungsrichtung Ax,., einwirkt,
auf den Magnetwiderstand MR4 ein Magnetfeld H -
in der Richtung der ungünstigen Magnetisierungsachse Ax,. einwirkt und schließlich auf den Magnetwiderstand MR1. ein
Magnetfeld H ,- einwirkt, das die Richtung der ungünstigen
Magnetisierungsachse Ax,r hat.
Wenn sich der Magnetwiderstand MR1 gegenüber einem Loch
befindet, z.B. gegenüber dem Loch TR2, so ist das Magnetfeld
H1, dem es ausgesetzt wird, kleiner als das Magnetfeld
H 2/ das auf den Magnetwiderstand MR„ einwirkt, der
sich dann gegenüber dem Zahn DE., befindet. Es ist offensichtlich,
daß die Magnetfelder, denen die Magnetwiderstände MR1 bis MRc ausgesetzt werden, wenn sie Löchern
gegenüberliegen, beträchtlich schwächer sind als die Magnetfelder, denen sie ausgesetzt sind, wenn sie sich
gegenüber Zähnen befinden. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Kraftlinien des Magnetfeldes , das von der Magnetisierungsvorrichtung
DA erzeugt wird, in der Luft deformiert werden und das von der Magnetisierungsvorrichtung
DA erzeugte Magnetfeld in der Luft wesentlich schwächer ist als das Magnetfeld, das diese selbe Vorrichtung in
dem metallischen Material erzeugt, aus dem der Zahn DE1
gebildet ist.
Es wird nun auf Fig. 6 Bezug genommen. Wenn ein Magnetwiderstand MR , der sich gegenüber einem Loch befindet,
einem entsprechenden Magnetfeld H1 ausgesetzt wird,
so wird auf der Kurve AR/R = f(H) ein Arbeitspunkt PF, festgelegt, dem ein Wert AR = AR1 und eine Spannungsänderung AV1 entspricht, wenn der Magnetwiderstand anfangs
einem Magnetfeld ausgesetzt wird, mit AV = I x AR1.
Wenn sich der Magnetwiderstand MR» vor einem Zahn befindet und auf ihn ein Feld H2
> H- einwirkt, so wird auf der Kurve AR/R = f(H) ein Arbeitspunkt PFD definiert,
dem eine Widerstandsänderung AR2 des Magnetwiderstandes
und eine Spannungsänderung AV„ = I χ AR2 entspricht, wenn
angenommen wird, daß auf den Magnetwiderstand anfangs ein verschwindendes Magnetfeld einwirkt.
Während der Drehung der Welle ARB und bei der Längsbewegung einer der Stangen T. befinden sich gegenüber den
Magnetwiderständen nur die Zähne DE1 bis DEj. oder die
Löcher TR1 bis TR5, so daß sie nur den beiden unterschiedlichen
Magnetfeldern H 1 und H 2 ausgesetzt werden,
die in Fig. 6 gezeigt sind. Wenn von einem Zahn zu einem Loch übergegangen wird, so ist aus dieser Figur ersichtlich,
daß von einem Arbeitspunkt PFD zu einem Punkt PF.
übergegangen wird und eine Spannungsänderung
AV = AV2- AV1 = (AR2 AR1) χ I festgestellt wird.
Diese Spannungsänderung AV = AV2 - AV1 ist positiv. Wenn
man umgekehrt von einem Loch zu einem Zahn übergeht, so wird eine negative Spannungsänderung -AV festgestellt.
Wenn von einem Zahn zu einem anderen Zahn übergegangen wird, so wird keine Spannungsänderung festgestellt. Ebenfalls
wird keine Spannungsänderung ermittelt, wenn von einem Loch zu einem anderen übergegangen wird» Wenn man
also den Anfangszustand des Magnetwiderstandes definieren
kann (z.B. definiert durch H = 0), so kann man immer ermitteln,
ob das an den Anschlüssen des Magnetwiderstandes festgestellte Signal dem Vorhandensein eines Loches oder
eines Zahnes vor dem Magnetwiderstand entspricht.
Wie aus-Fig. 4 ersichtlich ist, ist die Länge der Magnetwiderstände
etwas geringer als die minimale Abmessung, die die Zähne oder die Löcher haben können (wobei diese
minimale Abmessung parallel zur Symmetrieachse der Stange T. gemessen ist). Es ist also ersichtlich, daß die Länge
der Magnetwiderstände im wesentlichen die Größenordnung der Länge (parallel zur Symmetrieachse der Stange T. gemessen)
des Zahnes DE5 ist. Der Abstand zwischen zwei
benachbarten Magnetwiderständen (d.h. der Abstand zwischen ihren Symmetrieachsen) ist relativ gering, gleich
ober er λ, 2λ oder 3λ beträgt, wie aus Fig. 4 ersichtlich
ist. Im Ergebnis ist das Magnetfeld, dem die Magnetwiderstände jeweils ausgesetzt sind, verschieden von demjenigen
Magnetfeld, dem sie ausgesetzt wären, wenn sie von einander vollkommen isoliert wären (was darauf hinausläuft,
-IO
daß sie eine ausreichende Entfernung voneinander haben). Dies ist in Fig. 7 gezeigt/ wo die Änderung des Magnetfeldes
H zwischen den Enden der beiden benachbarten Magnetwiderstände MR1 und MR2 in Abhängigkeit von dem
Abstand d dargestellt ist/ wobei angenommen wird, daß der Magnetwiderstand MR.. sich gegenüber einem Loch und
der Magnetwiderstand MR2 sich gegenüber einem Zahn befindet.
Der Abstand d wird längs der Achse Ox gemessen.
Wenn die Magnetwiderstände MR bis MR1. sich jeweils nur
gegenüber Löchern befänden, so wäre das Magnetfeld, dem der Magnetwiderstand MR1 ausgesetzt wird, das Feld H .
Wenn sich vor den Magnetwiderständen MR1 bis MR1. nur
Zähne befänden (was einer Stange aus Vollmaterial entsprechen würde), so wäre das Magnetfeld, das auf sie
einwirken würde, gleich H a ?.
Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß das Magnetfeld, das auf die Magnetwiderstände MR1 und MR_ einwirkt, in Wirklichkeit
verschieden von den Werten H . . und H χ2 ist.
Über die gesamte Länge des Magnetwiderstandes MR1 hinweg
ändert sich das Magnetfeld zwischen dem Wert H . 1 und
einem Wert H „, wobei der Mittelwert in der Mitte des
ymaxl
Magnetwiderstandes gleich H 1 ist, der deutlich größer
ist als H , 1. Je nach der Länge des Magnetwiderstandes
2 ändert sich das Magnetfeld zwischen einem Wert H
MR
und einem Wert H vmaX2' νο^βϊ ^er Mittelwert dann im wesentlichen
gleich H o^~s*~' der wesentlicn kleiner ist
als H 2· Im Mittel ist der Arbeitspunkt des Magnetwiderstandes
MR1 (vgl. Fig. 6) durch den Wert H 1 gegeben,
während der Arbeitspunkt des Magnetwiderstandes MR2
durch das mittlere Magnetfeld H2 gegeben ist. Aus
Fig. 6 ist also ersichtlich, daß geschrieben werden kann: Hy2 ' Hymo2 und Hy1 = VoT Es iSt ersichtlich, daß
diese Arbeitspunkte sehr verschieden von denjenigen sind, wenn die Magnetfelder, denen die Magnetwiderstände MR1
und MR0 ausgesetzt sind, den Wert H . . bzw. H ~
' *■ ymin ι ymax/
hätten. Die Wechselwirkung zwischen den magnetischen Feldlinien, die auf die beiden benachbarten Magnetwiderstände
einwirken, vermindert also wesentlich die Empfindlichkeit der Magnetwiderstände.
Die erfindungsgemäße Wandlervorrichtung DTMRI ermöglicht die Behebung dieser Mängel.
Die erfindungsgemäße Wandlervorrichtung DTMRI enthält, wie aus den Figuren 8, 9 und 10 ersichtlich ist, die folgenden
Elemente:
- eine Vorrichtung DGCMI zur Erzeugung eines Magnetfeldes; 15
- die fünf Magnetwiderständer MRI1, MRI2, MRI3, MRI4 und
MRI5 aus anisotropem magnetischem Material.
Die Vorrichtung DGCMI zur Erzeugung eines Magnetfeldes umfaßt ihrerseits:
- eine Magnetisierungsvorrichtung, z.B. einen Permanentmagneten
DAI;
- ein magnetisches Gitter GMI aus nichtremanentem Magnetmaterial.
Wie aus den Figuren 9 und 10 ersichtlich ist, umfaßt das magnetische Gitter GMI eine Mehrzahl von Magnetfeld-Fokussierelementen
EFI1, EFI3, EFI3, EFI4 und EFI5. Alle
diese Elemente sind einander völlig gleich.
Sie sind mittels Magnetstäben BAR. und BAR- mit der Magnetisiervorrichtung
DAI verbunden. Der Abstand zwischen den zu Oy parallelen Symmetrieachsen der verschiedenen Fokussierelemente
EFI5 und EFI4 einerseits sowie EFI3 und EFI4
andererseits ist im wesentlichen gleich λ, während der
Abstand zwischen den Fokussierelementen EFI3 und EFI2
gleich 2 λ ist und der Abstand zwischen EFI. und EFI-gleich
3λ ist.
Die Magnetwiderständer MR- bis MR[- sind auf einem Substrat
SUBSI angeordnet, das seinerseits an den fünf Fokussierelementen EFI1 bis EFI5 befestigt ist. Wie aus Fig. 11
ersichtlich ist, sind die ungünstigen Magnetisierungsachsen ADI1 bis ADI1- der Magnetwiderständer MRI1 bis MRI1-
einander parallel und parallel zur Achse Oy. Die günstigen Magnetisierungsachsen AFI1 bis AFI5 dieser Magnetwiderstände
liegen in derselben Richtung der Achse Ox. Die Magnetwiderstände sind so angeordnet, daß sie in ihrer
Längsrichtung miteinander ausgerichtet sind.
Die von der Magnetisierungsvorrichtung DAI erzeugten Magnetfeldlinien werden durch die verschiedenen Fokussierelemente
EFI1 bis EFI5 kanalisiert; wenn die Permeabilität
des nichtremanenten Magnetmaterials, aus dem sie gebildet
sind, ausreichend groß ist, so besteht praktisch keinerlei Wechselwirkung (gegenseitige Störung) zwischen
den Magnetfeldlinien, die auf die Magnetwiderständer MRI.
bis MRI5 einwirken.
Die von der Magnetisierungsvorrichtung DAI an einem Zahn (und folglich an einem in geringem Abstand davor angeordneten
Magnetwiderstand) erzeugten Magnetfeldlinien stören folglich nicht die Magnetfeldlinien, die von dieser selben
Magnetisierungsvorrichtung erzeugt werden und ein Loch (und folglich den gegenüberliegenden Magnetwiderstand)
durchqueren. Aufgrund des Vorhandenseins des magnetischen Gitters aus nichtremanentem magnetischen Material
und aus getrennten, zueinander parallelen Fokussierelementen EFI1 bis EFI5 kann die erfindungsgemäße magnetore-
°° sistive Wandlervorrichtung DTRMI eine Mehrzahl von Magnetfeldern
erzeugen, die voneinander völlig unabhängig sind, und zwar ausgehend von nur einer Magnetfeldquelle (d.h.
der Magnetisierungsvorrichtung). Jedes der Fokussierelemente
EFI* bis EFI5 fokussiert die Magnetfeldlinien jeweils
an einem der Magnetwiderstände MRI1 bis MRIg.
Fig. 12, die das Änderungsgesetz des Magnetfeldes, dem benachbarte Magnetwiderstände MRI und MRI2 ausgesetzt
sind, in Abhängigkeit von der Entfernung längs der Achse Ox zeigt, läßt erkennen, daß die Verteilung der Magnetfelder H1 entlang einem Magnetwiderstand praktisch über
seine gesamte Länge hinweg gleichförmig ist. Z.B. gilt für den Magnetwiderstand MRI- praktisch: H1 . - = H1 1
= H1 -. Es wird analog der Fig. 7 wiederum angenommen,
daß der Magnetwiderstand MRI1 sich vor einem Loch und der
Magnetwiderstand MRI2 sich vor einem Zahn befindet.
Der Wert H1 . in der Mitte des Magnetwiderstandes ist
also praktisch gleich dem Wert des Magnetfeldes an seinen beiden Enden. Das gleiche wird am Magnetwiderstand MRI2
beobachtet, wo der Wert des Magnetfeldes in der Mitte des Magnetwiderstandes, nämlich der Wert H'vmO2' praktisch
gleich dem Wert des Magnetfeldes an den beiden Enden ist, also gleich H-* . 2 bzw. H' max2 · Bei ^em Magnetwiderstand
MRI1 ist also das Magnetfeld, das den Arbeitspunkt bestimmt,
das Magnetfeld H1 vmol/ während es für den Magnetwiderstand
MRI3 das Magnetfeld H1 'o2 ist. Ein Vergleich
der Figuren 12 und 7 zeigt klar die durch die Erfindung erreichten Vorteile, die zu einer wesentlich höheren
Empfindlichkeit als bei den herkömmlichen magnetoresistiven Wandlern führen.
Claims (5)
- PRINZ, BÜftKE & PARTNERPatentanwälte · European Patent Attorneys O 2 22789München Stuttgart18. Juni 1982COMPAGNIE INTERNATIONALE POUR L'INFORMATIQüE CII HONEYWELL BULL94, avenue Gambetta75020 PARI S /FrankreichUnser Zeichen: C-3326Patentansprüchej 1.. Magnetoresistive Wandlervorrichtung zum Auslesen von codierten Informationen, mit einer Mehrzahl von Magnetwiderständen (MRI- bis MRIc), die gegenüber diesen Informationen angeordnet sind und dieselbe Richtung aufweisen, wobei eine Magnetisiervorrichtung (DAX) ein Magnetfeld erzeugt, dessen Wert an jedem Magnetwiderstand (MRI1 bis MRI5) vom Wert der codierten Information abhängt, die sich ihm gegenüber befindet, gekennzeichnet durch ein Gitter (GMI) aus nichtremanentem Magnetmaterial und aus parallelen Elementen (EFI1 bis EFI5), die zwischen der Magnetisiervorrichtung (DAI) und den Magnetwiderständen (MRI1 bis MRI5) angeordnet sind, wobei jedes Element einem einzigen Magnetwiderstand zugeordnet ist und an diesem das Magnetfeld fokussiert, das durch die Magnetisiervorrichtung (DAX) erzeugt wird, dergestalt, daß die Magnetfelder, denen die Magnetwiderstände (MRI1 bis MRI5) ausgesetzt sind, voneinander unabhängig sind.
- 2. Vorrichtung (DGCMI) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, mit einer Magnetisiervorrichtung (DAI), die ein Magnetfeld erzeugt, gekennzeichnet durch ein Gitter (GMI) aus nichtremanentem Magnetmaterial, das eine Mehrzahl von η parallelen Elementen (EFI- bis EFI5) enthält, die das von der Magnetisiervorrichtung (DAI) erzeugte Magnetfeld fokussieren, wobei das Gitter der Magnetisiervorrichtung derart zugeordnet ist, daß es in der unmittelbaren Nähe der Elemente (EFI- bis EFI5) eine Mehrzahl η Magnetfelder erzeugt, die voneinander unabhängig sind.
- 3. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisiervorrichtung (DAI) ein Permanentmagnet ist.
- 4. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwiderstände (MRI.. bis MRI5) aus anisotropem Magnetmaterial sind.
- 5. Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, gekennzeichnet durch ihre Anwendung in einer Frankiermaschine.
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