DE3587634T2

DE3587634T2 - Magnetwandler mit elektromagnetisch gesteuertem Abtasten.

Info

Publication number: DE3587634T2
Application number: DE85305327T
Authority: DE
Inventors: Beverley R Gooch
Original assignee: Ampex Corp
Current assignee: Ampex Corp
Priority date: 1984-08-16
Filing date: 1985-07-25
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2005-07-26
Also published as: KR920008411B1; BR8503735A; EP0171957A2; JPH028363B2; EP0171957B1; MX159588A; JPS6154010A; EP0395119A2; EP0395119A3; KR860002083A; EP0171957A3; DE3587634D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromagnetisch gesteuerte abtastende Magnetwandler, in denen die Lage einer Aufzeichnungs/Wiedergabezone im Wandler nicht durch mechanische Mittel sondern elektromagnetisch gesteuert wird.

Hintergrund der Erfindung

Bei der breitbandigen magnetischen Signalaufzeichnung wird großer Wert auf die Realisierung einer großen Relativgeschwindigkeit zwischen Wandler und Aufzeichnungsmedium gelegt. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Aufzeichnungsmediums am stationären Wandlerkopf vorbei ist durch den dadurch bedingten großen Mediumverbrauch sowie durch mit der großen Geschwindigkeit des Transports verbundene mechanische Beschränkungen begrenzt.
In Magnetband-Aufzeichnungsgeräten verwendete rotierende Wandlerköpfe tragen wesentlich zur Erhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen Kopf und Band bei. Dabei rotiert der mit einem sich relativ langsam weiterbewegenden Magnetband in Kontakt stehende Wandler mit großer Drehzahl. In Abhängigkeit vom Winkel, mit dem der Wandler das Band überläuft, ergeben sich zwei grundlegende Typen von Aufzeichnungsgeräten mit rotierender Abtastung, welche generell als Aufzeichnungsgeräte mit Querabtastung bzw. schraubenförmiger Abtastung bezeichnet werden. Mit der Realisierung einer gewünschten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des durch Aufzeichnungsgeräte mit rotierendem Kopf aufgezeichneten Signals sind viele Probleme verbunden. Beispielsweise ist es notwendig, sehr kleine mechanische Toleranzen der rotierenden Trommel, der Wandlerstruktur und der Lage des Wandlers in der Trommel aufrechtzuerhalten. Gleichzeitig ist es notwendig, die Drehzahl der Trommel in Bezug auf die Bandlängsgeschwindigkeit genau aufrechtzuerhalten.
In magnetischen Aufzeichnungsgeräten mit elektromagnetisch gesteuerten abtastenden Wandlern sind die mit mechanisch in Drehung versetzten Wandlern verbundenen Nachteile eliminiert. Die Wandler sind dabei stationär, wobei die hohe Abtastgeschwindigkeit durch elektromagnetische Abtastung des über der Breite des Wandlers und damit über dem Aufzeichnungsmedium zu wandelnden Signals erreicht wird.
Beispielsweise besitzt ein bekannter abtastender Magnetwandler gestapelte magnetische Lamellen, welche durch nicht magnetische Abstandshalter voneinander getrennt sind. Jede Lamelle repräsentiert einen einen Wandlerspalt umfassenden geschlossenen magnetischen Kreis. Die gestapelten Lamellen besitzen Schenkelteile mit gesteuerter Breite, welche graduell in entgegengesetzten Richtungen auf entgegengesetzten Seiten des Wandlers zunimmt, wobei Schenkelteile durch Steuerwicklungen miteinander verbunden sind. Der Abtastbetrieb wird durch graduelle Sättigung der Schenkelteile auf entgegengesetzten Seiten des Wandlers so erreicht, daß lediglich jeweils nur eine Lamelle im Wandlerbetrieb verbleibt. Die Lage der wirksamen Lamelle wird durch in die Steuerwicklung eingespeiste Ströme gesteuert.
Bei diesem bekannten Wandlertyp erfolgt die Abtastung durch sequentielle Unterbrechung des magnetischen Kreises jeder Lamelle, wodurch der Wandlerflußweg unterbrochen wird. Da Schenkelteile mit sich ändernder Breite verwendet werden müssen, müssen die gesteuerten Breitenteile und die resultierende Unterbrechungszone an vom Wandlerspalt und der Wandlerfläche weit beabstandeten Stellen liegen. Die einem Aufzeichnungsmedium zugewandten ungesättigten Teile sind daher anfällig für die Aufnahme von Nebensprechen aus den benachbarten aktiven Lamellen oder von Streufluß von benachbarten aufgezeichneten Signalspuren auf dem Medium. Diese aufgenommenen Signale können dann auf dem Medium aufgezeichnet werden oder bei Wiedergabe in den magnetischen Kreis eines benachbarten aktiven Elementes gelangen und eine nachteilige Beeinflussung des dadurch gelieferten wiedergegebenen Signals bewirken. Ersichtlich werden die vorstehend genannten Nachteile mit zunehmender Frequenz und Dichte der Aufzeichnung bedeutsamer.
Es ist ein weiterer gewichtiger Nachteil dieser bekannten Wandler, daß jede magnetische Lamelle des Stapels zur Reduzierung von Nebensprechen zwischen den Lamellen körperlich und magnetisch von benachbarten Lamellen getrennt sein muß. Daher ist lediglich eine inkrementelle Abtastbewegung über das Medium möglich, was durch sequentielles Ein- und Ausschalten der magnetischen Kreise benachbarter Lamellen, d. h. diskret schrittweise und nicht kontinuierlich erreicht wird. Auch darf die Spurbreite nicht kleiner als die Breite einer einzigen Lamelle sein und ist nur in ganzzahligen Vielfachen dieser Breite einstellbar.
Der vorgenannte Sachverhalt ist ein Nachteil insbesondere bei hochfrequenter Breitbandaufzeichnung/Wiedergabe auf schmalen Spuren, wobei eine kontinuierliche Abtastung sowie eine genaue Lokalisierung des Wanderelementes auf einer schmalen Spur wesentliche Anforderungen für eine Funktion hoher Qualität sind.
Die US-A-3 845 503 beschreibt einen Magnetwandler, in dem die Lage einer Wandlerzone längs der Breite des Wandlerspaltes bewegbar ist. Das Kernmaterial ist anisotrop, wobei die relativ harte Achse längs der Breite des Wandlerspaltes liegt. Ein Paar von parallel zur Richtung der harten Achse ausgerichtete Spulen werden so erregt, daß ein Bereich minimalen magnetischen Flusses längs der Breite des Wandlers verschoben wird.
Die US-A-3 555 204 beschreibt einen Magnetwandler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. In dem in diesem Dokument beschriebenen Wandler laufen Steuerwicklungen durch Öffnungen in Seitenschenkeln der Lamellen der Kernteile zwecks Erzeugung einer lokalen Sättigung der Seitenschenkel, welche in der Breite fortschreitend zunimmt.
Die Erfindung schafft einen Magnetwandler mit einem Magnetkern, der sich gegenüberstehende Kernteile mit an eine Wandlerspaltebene anstoßenden Polen zur Bildung eines Wandlerspaltes zwischen sich besitzt, und den Kernteilen zugeordneten Steuermitteln zur Erzeugung eines Steuerflusses in diesen zwecks Realisierung einer permeablen Wandlerzone durch selektive Sättigung der Kernteile, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel und die Kernteile so angeordnet sind, daß der Steuerfluß einen dem Wandlerspalt benachbarten Flächenteil selektiv sättigt, derart, daß jeder gesättigte Flächenteil einen benachbarten nicht gesättigten permeablen Flächenteil in einer jeweiligen Richtung von zwei entgegengesetzten Richtungen begrenzt und daß sich die permeablen Flächenteile zur Definition der permeablen Wandlerzone über dem Wandlerspalt überlappen.
Die Steuermittel können so angeordnet sein, daß einem der Kernteile ein Steuerfluß aufgeprägt wird, um einen Bereich des zugehörigen Flächenteils nahe einem Ende des Wandlers magnetisch zu sättigen und den verbleibenden Bereich des Flächenteils ungesättigt zu lassen, und daß dem anderen Flächenteil ein Steuerfluß aufgeprägt wird, um einen Bereich des dem anderen Flächenteil zugeordneten Flächenteils nahe dem entgegengesetzten Ende des Wandlers magnetisch zu sättigen und den verbleibenden Bereich dieses Flächenteils ungesättigt zu lassen, derart, daß Teile der ungesättigten Bereich der zwei Flächenteile in einer Richtung quer zur Breite des Spaltes benachbart zueinander liegen, um die permeable Wandlerzone zu definieren, durch die der Wandlerfluß in die Flächenteile eintritt und aus diesen austritt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung besitzen die Kernteile in entgegengesetzten Richtungen längs der Wandlerbreite zunehmende magnetische Widerstände. Insbesondere kann jeder Kernteil einen Gradienten des magnetischen Widerstandes von einem Ende zum anderen in einer Richtung längs der Breite des Spaltes besitzen, wobei die Gradienten des magnetischen Widerstandes der Kernteile in entgegengesetzten Richtungen orientiert sind und jeder Flächenteil magnetisch an seinem Ende gesättigt wird, das dem Ende des zugeordneten Kernteils mit dem kleineren magnetischen Widerstand benachbart ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besitzt jeder Kernteil eine Vielzahl von durch nicht magnetische leitende Lamellen getrennte gestapelte magnetische Lamellen, wobei die Steuermittel eine leitende Treiberleitung umfassen, die über die Breite des entsprechenden Kernteils innerhalb und in einem ausgewählten Abstand von der Wandlerspaltebene und dem entsprechenden Flächenteil verlaufen, die Treiberleitungen leitend mit den leitenden Lamellen des entsprechenden Kernteils verbunden sind; und die leitenden Lamellen jedes Kernteils gekoppelt sind, um zur selektiven Sättigung der Flächenteile selektiv Steuerströme in die leitenden Treiberleitungen einzuspeisen.
Weiterhin ist bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung die Verwendung von diskret arbeitenden getrennten magnetischen Lamellen nicht erforderlich. Daher kann die Lage der hochpermeablen Wandlerzone durch die elektromagnetischen Steuermittel längs der Breite des Wandlers kontinuierlich gesteuert werden. Jede gewünschte Breite der Wandlerzone kann durch Wahl entsprechender Steuerstromgrößen realisiert werden. Die Wandlerzonenbreite ist daher nicht auf die Breite einer oder mehrerer gestapelter Wandlerlamellen begrenzt, wie dies bei bekannten Wandlern der Fall ist. In den nicht laminierten Ausführungsformen der Erfindung kann daher die Wandlerzone durch elektromagnetische Mittel in kontinuierlicher Weise verschmälert, verbreitert oder in anderer Weise modifiziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die obengenannte gewünschte steile Abhängigkeit des Permeabilitätsgradienten von der Flußdichte über der Wandlerspaltbreite durch Anordnung einer Steuerwicklung in jedem sich gegenüberstehenden Kern erreicht, welche winkelmäßig in Bezug sowohl auf die Wandlerfläche als auch die Wandlerspaltebene verschoben ist. Dadurch wird ein sättigbarer Kernteil in Form eines Keilabschnittes gebildet, welcher einen Bereich zwischen der Wandlerfläche und der Wandlerspaltebene enthält. Die Keilabschnitte in den sich gegenüberstehenden Kernen sind entgegengesetzt derart orientiert, daß ihre Querschnittsflächen in entgegengesetzten Richtungen auf den Seiten des Wandlerspaltes zunehmen. Die die Fläche jedes Kerns enthaltenden Querschnittsflächen werden durch Einspeisung entsprechender Steuerströme in die Steuerwicklungen selektiv gesättigt. Die gesättigten Querschnittsflächen jedes Kerns definieren zwischen sich eine nicht-gesättigte hochpermeable Wandlerzone, welche an der Wandlerfläche über den Wandlerspalt läuft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der gewünschte steile Gradient an der Wandlerfläche durch Realisierung von Steuerflußwegen mit im wesentlichen konstantem Querschnitt und graduell zunehmenden Längen in entgegengesetzten Richtungen über die Breite jedes Kerns realisiert.
Abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung enthalten eine laminierte Kernstruktur, welche eine Vielzahl von durch leitende Lamellen voneinander getrennte magnetische Lamellen umfaßt. Eine leitende Treiberleitung verläuft durch jeden Kern in einem ausgewählten Abstand von der Wandlerfläche und der Wandlerspaltebene. Teile der Treiberleitung sind mit den leitenden Lamellen verbunden. Zur Sättigung von Teilen ausgewählter magnetischer Lamellen an der an den Wandlerspalt anstoßenden Wandlerfläche werden Steuerströme differentiell in diese Teile der Treiberleitung geschaltet. Obwohl diese abgewandelten Ausführungsformen laminierte Kernstrukturen besitzen, eliminieren sie die Aufnahme von Nebensprechen an der Wandlerfläche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A zeigt eine schematische perspektivische Ansicht zur Erläuterung der Wirkungsweise eines bekannten Magnetwandlers ohne den elektromagnetisch gesteuerten Abtastvorgang.
Fig. 1B zeigt die Orientierung von magnetischen Partikeln auf einem durch den Wandler nach Fig. 1A bespielten Band.
Fig. 1C zeigt eine schematische perspektivische Ansicht zur Erläuterung des Wirkungsprinzips eines elektromagnetisch gesteuerten abtastenden Magnetwandlers gemäß der Erfindung.
Fig. 1D zeigt eine Vorderansicht des Wandlers nach Fig. 1C.
Fig. 1E und 1F zeigen verschiedene Betriebsarten des Wandlers nach Fig. 1C.
Fig. 2A zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines elektromagnetisch gesteuerten abtastenden Magnetwandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2B bis 2D zeigen verschiedene Aufzeichnungsformen, welche bei Verwendung des erfindungsgemäßen Wandlers realisierbar sind.
Fig. 3A zeigt ein Schaltbild einer zur Ansteuerung des erfindungsgemäßen Wandlers verwendeten Steuerschaltung.
Fig. 3B zeigt eine Charakteristik der Abhängigkeit des Steuerstroms von der Steuerspannung der Schaltung nach Fig. 3A.
Fig. 4 zeigt eine detailliertere Darstellung des Wandlers nach Fig. 2A.
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines sättigbaren Keilabschnittes des Wandlers nach Fig. 4.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel der Charakteristik der Abhängigkeit der Permeabilität von der Flußdichte eines bekannten magnetischen Materials.
Fig. 7A zeigt eine Vorderansicht von entgegengesetzt orientierten sättigbaren Keilabschnitten des Wandlers nach Fig. 4 bei Drehung um 90º.
Fig. 7B zeigt zwei überlagerte Charakteristiken der Abhängigkeit der Permeabilität von der Flußdichte nach Fig. 6, die jeweils einem sättigbaren Keilabschnitt nach Fig. 7A entsprechen.
Fig. 8 bis 11 zeigen ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Wandlers nach den Fig. 2A und 4.
Fig. 12 bis 16 zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 17 bis 20 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 21 bis 25 zeigen jeweils Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform nach den Fig. 17 bis 20.

Detaillierte Beschreibung

In der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gleichartiger Elemente und Schaltungsteile braucht im Hinblick auf nachfolgende sich auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beziehende Figuren der Zeichnung nicht wiederholt zu werden.
Um die Beschreibung des Funktionsprinzips des elektromagnetisch gesteuerten abtastenden Wandlers gemäß der Erfindung zu erleichtern, wird zunächst anhand der Fig. 1A und 1B ohne Berücksichtigung der elektromagnetisch gesteuerten Abtastfunktion ein grundsätzlicher Wandlungsvorgang eines bekannten Magnetwandlers beschrieben. Danach wird anhand der Fig. 1C und 1D der Abtastvorgang beschrieben.
Fig. 1A zeigt schematisch einen konventionell ausgebildeten magnetischen Wandler 20 mit sich gegenüberstehenden Kernteilen, die auch als Kerne 21, 22 mit einen Wandlerspalt 26 zwischen sich definierenden Polen 27, 28 bezeichnet werden. Ein Wandlerwicklungsfenster 24 dient zur Aufnahme von Wandlerwicklungen 25. Der Wandlerspalt 26 umfaßt in an sich bekannter Weise ein nichtmagnetisches Material, beispielsweise Siliziumdioxid oder Glas. Wird ein Wandlersignalstrom beispielsweise von einer Signalquelle 7 zur Aufzeichnung auf einem magnetischen Medium, beispielsweise einem Band 42 in die Wandlerwicklung 25 eingespeist, so wird im Wandler ein durch Flußlinien 16 repräsentiertes magnetisches Feld ausgebildet. Das magnetische Feld wird vom Wandlerspalt 26 in Form eines Streufeldes ausgesandt und tritt mit dem Band 42 in Wirkverbindung. Das Band ist in Fig. 1A durchsichtig dargestellt, um einen Teil 41 des Wandlers 20 freizulegen, der dem Band zugekehrt ist und nachfolgend als Fläche 41 bezeichnet wird.
Der Streufluß prägt dem Band 42 ein dem Signal in der Wicklung 25 entsprechendes magnetisches Muster auf. Durch Vorschub des Magnetbandes über den Wandlerspalt 26 beispielsweise in Richtung eines Pfeiles 43 wird längs des Bandes ein sich änderndes magnetisches Signalmuster aufgezeichnet, das in Fig. 1B durch Pfeile 5 angegeben ist.
Wird der Wandler 20 als Wiedergabekopf zur Wiedergabe eines beispielsweise bei 5 auf dem Band 42 vorher aufgezeichneten Signal verwendet, so tritt der vom sich in Längsrichtung bewegenden Band 42 ausgehende Fluß mit dem Spalt 26 in Wirkverbindung und wird von diesem aufgenommen. Der Wandler 20 überführt den die Wandlerwicklungen 25 schneidenden magnetischen Fluß 16 in ein zum aufgezeichneten Fluß proportionales elektrisches Signal.
Erfindungsgemäß kann die Wandlerfläche 41 auf entgegengesetzten Seiten des Wandlerspaltes 26 selektiv gesättigt werden, wie dies in den Fig. 1C und 1D schematisch durch schräg schraffierte gesättigte Bereiche 57, 58 dargestellt ist. Die Sättigung der Bereiche 57, 58 wird durch gestrichelt dargestellte Steuermittel 8, 9 erreicht, welche dem jeweiligen Wandlerkern 21, 22 zugeordnet sind. Die Steuermittel 8, 9 umfassen jeweilige (nicht dargestellte) Steuerwicklungen, welche jeweils mit einem Kern 21, 22 verbunden sind, wie dies nachfolgend noch genauer beschrieben wird. Die Steuermittel 8, 9 liefern einen Steuerstrom I1, I2 zur Induzierung eines Steuerflusses 47, 48 in den Kernen 21, 22. Die Größen der Steuerströme I1, I2 werden so gewählt, daß der durch sie induzierte Fluß einen Bereich 57, 58 mit ausgewählter Breite W1, W2 in jeder Kernhälfte sättigt, wie dies oben ausgeführt wurde und durch schräg schraffierte Bereiche in den Fig. 1C und 1D dargestellt ist. Die gesättigten Bereiche 57, 58 definieren entsprechende benachbarte hochpermeable nichtgesättigte Teile bzw. Bereiche 40, 46, welche sich über dem Wandlerspalt 26 überlappen. Die sich überlappenden Teile 40, 46 definieren eine hochpermeable Wandlerzone 56 mit einer Breite W3, die sich über den Spalt 26 erstreckt. Aus Fig. 1C ist ersichtlich, daß die gesamte Wandlerspaltbreite W=W1+W2+W3=konstant ist.
Durch Erhöhung der Größe eines Steuerstroms, beispielsweise I1 bei proportionaler Verringerung der Größe des anderen Steuerstroms I2 ändern sich die jeweiligen Breiten W1, W2 proportional, wodurch die Wandlerzone 56 selektiv längs der Breite W des Wandlerspaltes 26 bewegt werden kann. Ist es beispielsweise erwünscht, die Wandlerzone 56 mit hoher Geschwindigkeit längs der Wandlerbreite W periodisch ab zutasten, so kann eine Steuerschaltung verwendet werden, welche die Größen der beiden Ströme I1, I2 invers linear ändert, wodurch die Breiten W1, W2 der gesättigten Teile 57, 58 proportional geändert werden. Um eine konstante Breite W3 der Wandlerzone 56 bei der Abtastung aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, eine konstante Summe der sich ändernden Steuerströme aufrechtzuerhalten, d. h. es muß I1+I2=konstant sein.
Ersichtlich ist es in der bevorzugten Ausführung der Erfindung möglich, die Breite W3 der Wandlerzone 56 im Bedarfsfall durch Änderung der kombinierten Breiten W1+W2 der gesättigten Teile 57, 58 kontinuierlich zu ändern. Die Wandlerzonenbreite W3 kann daher kontinuierlich verschmälert, verbreitert oder anderweitig modifiziert werden.
Gemäß Fig. 1C verläuft der Wandlerflußweg 16 um das Wicklungsfenster 24 und schneidet die Wandlerwicklung 25. Während die Steuerflußlinien 47, 48 in parallelen Ebenen in Bezug auf den Wandlerfluß 16 verlaufen, werden die entsprechenden Größen der Steuerströme so gewählt, daß der Steuerfluß 47, 48 die Wandlerwicklung 25 nicht erfaßt, um eine Interferenz mit dem Signalfluß zu vermeiden.
Fig. 1E zeigt ein Beispiel einer Betriebsart, in welcher der elektromagnetisch gesteuerte abtastende Magnetwandler 20 nach Fig. 1C zur Aufzeichnung und/oder Wiedergabe verwendet wird. Wie dargestellt, ist der Wandlerspaltbereich 26 des Wandlers 20 ausreichend vergrößert, um ein Magnetisierungsmuster entsprechend dem Wandlerfluß 16 zeigen zu können. In Fig. 1E wird ein magnetisches Medium, beispielsweise das Band 42 in Längsrichtung, d. h. in Richtung des Pfeiles 43 nahe benachbart zum Wandlerspalt 26 und im wesentlichen senkrecht zur Wandlerbreite W transportiert. In dieser Betriebsart dienen die elektromagnetischen Steuermittel 8, 9 zur periodischen differentiellen Sättigung der Bereiche 57, 58, wodurch die Lage der Wandlerzone 56 längs der Breite W des Wandlers periodisch geändert wird. Durch differentielle Sättigung der Zonen 57, 58 sättigen ersichtlich die Steuermittel 8, 9 jeweils eine ausgewählte Breite W1, W2 des Kerns 21 bzw. 22 auf der entgegengesetzten Seite des Wandlerspaltes. Die Differenz zwischen den kombinierten Breiten W1 + W2 und der Kernbreite W legt die resultierende Breite W der Wandlerzone 56 fest (W3=W-(W1+W2)). Durch Änderung der vorgenannten kombinierten Breiten W1 + W2 im oben beschriebenen Sinne kann die Wandlerzonenbreite W3 geändert werden.
Der Abtastvorgang längs Aufzeichnungsspuren, beispielsweise 35 in Fig. 1E erfolgt, wenn sich die Lage der Wandlerzone 56 längs der Breite W, d. h. in Richtung eines Pfeiles 10 bewegt, während sich die Breiten W1, W2 invers linear in Bezug aufeinander ändern, um eine konstante Breite W3 der Wandlerzone 56 aufrechtzuerhalten. Bei dem oben beschriebenen Abtastvorgang, welcher generell als Queraufzeichnung/Wiedergabe bezeichnet wird, entspricht die Weite W der Länge der Abtastung des Magnetbandes 42. Dieser Aufzeichnungstyp ist durch ein Magnetisierungsmuster 14 gekennzeichnet, das im wesentlichen senkrecht zu der durch den Pfeil 10 angegebenen Abtastrichtung verläuft und längs paralleler Spuren 35 aufgezeichnet wird, die ihrerseits im wesentlichen senkrecht über die Breite des Bandes 42 verlaufen. Die Länge L des Wandlerspaltes 26 entspricht der aufgezeichneten "Spurbreite" TW. Im Aufzeichnungsbetrieb wird der magnetische Zustand des Bandes durch die Richtung des Aufzeichnungsflusses etwa am "hinterem Rand" der Wandlerzone 56 festgelegt, welche durch den Abtastvorgang längs der Spur 35 vorverschoben wird. Aus den vorstehenden Ausführungen folgt, daß die Breite W3 der Wandlerzone 56 mit der Spaltlänge eines zur Queraufzeichnung verwendeten konventionellen rotierenden Magnetwandlers vergleichbar ist. Daher muß die Zonenbreite W3 kleiner als die kürzeste aufzuzeichnende Wellenlänge sein, um die notwendige hohe Auflösung zu gewährleisten.
Fig. 1F zeigt ein Beispiel einer anderen Betriebsart des abtastenden Magnetwandlers 20 nach Fig. 1C bei Verwendung zur Aufzeichnung/Wiedergabe längs einer Longitudinalspur 13 eines in Bezug auf den Wandler 20 entsprechend Fig. 1E transportierten Magnetbandes 42. Bei Verwendung des Wandlers 20 zur Aufzeichnung werden die Breiten W1, W2 der gesättigten Bereiche 57, 58 im Unterschied zur Fig. 1E durch die Steuermittel 8, 9 jedoch konstant gehalten, wodurch eine feste Lage und eine konstante Breite W3 der Wandlerzone 56 beibehalten wird. Dies wird durch Aufrechterhaltung ausgewählter konstanter Größen der in die Mittel 8, 9 eingespeisten Steuerströme I1, I2 erhalten. Das auf der aufgezeichneten Spur 13 erhaltene resultierende Magnetisierungsmuster wird generell als Längsaufzeichnung bezeichnet.
Bei Verwendung des Wandlers nach Fig. 1F zur Wiedergabe eines Signals, das beispielsweise auf der Spur 13 aufgezeichnet ist, können die entsprechenden Breiten W1, W2 durch die Steuermittel differentiell geändert werden, um die Wandlerzone 56 in durch Pfeile 10, 11 angegebenen Richtungen, d. h. über die Breite W3 der Spur 13 neu einzustellen. Die vorgenannte Betriebsart ist speziell zur Aufrechterhaltung einer optimalen Lage der Wandlerzone 56 über einer aufgezeichneten Spur zur Optimierung der Aufzeichnungs/Wiedergabefunktion zweckmäßig. Die letztgenannte Betriebsart ist anwendbar, wenn ein Signal wiedergegeben wird, das beispielsweise auf Quer-, Schrauben- oder Längsspuren eines magnetischen Mediums aufgezeichnet ist.
Es ist auch möglich, eine gewünschte Spurbreite W3 für die Aufzeichnung und eine weitere beispielsweise schmalere Spurbreite für die Wiedergabe zu wählen, in dem in einfacher Weise die Breiten W1, W2 der gesättigten Bereiche jedes Kerns im oben beschriebenen Sinne geändert werden.
In einer weiteren Betriebsart kann die Lage der Wandlerzone 56 mit hoher Genauigkeit auf vorgegebene diskrete Lagen auf einem magnetischen Medium neu eingestellt werden, was in Verbindung mit einem speziellen Aufzeichnungsschema erforderlich sein kann. Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß in allen vorgenannten Betriebsarten der erfindungsgemäße Wandler an seiner Fläche und in der Nähe des Wandlerspaltes gesättigt wird. Daher wird die Möglichkeit der Aufnahme von Nebensprechen oder Streufluß durch einen unwirksamen elektromagnetisch blockierten Kernteil eliminiert.
Um eine qualitativ hochwertige Funktion durch den abtastenden Wandler nach der Erfindung zu realisieren, ist eine wohl definierte Grenze zwischen benachbarten gesättigten und ungesättigten Bereichen der Kerne 21, 22 wünschenswert. Dies wird durch derartige Anordnung der sich gegenüber stehenden Magnetkerne und der Steuerwicklungen in den Kernen erreicht, daß eine maximale Änderungsrate der Permeabilität zwischen benachbarten Querschnittsbereichen jedes Wandlerkerns über der Wandlerbreite W erreicht wird. Dies wird dadurch sichergestellt, daß bei einer solchen Sättigung eines ausgewählten Bereichs der Fläche jedes Kerns durch einen Steuerstrom, daß ihn kein merkbarer Fluß durchsetzt, ein unmittelbar benachbarter angrenzender Bereich ausreichend permeabel bleibt, wie dies für die Wandlung von Informationssignalen erforderlich ist. Die Funktion des Wandlers 20 hängt daher von der Steilheit des Permeabilitätsgradienten in Abhängigkeit von der Flußdichte zwischen benachbarten gesättigten und ungesättigten Bereichen in den Kernen ab.
Als Beispiel zeigt Fig. 6 in an sich bekannter Weise die Abhängigkeit der Permeabilität m von der Flußdichte B eines geeigneten magnetischen Kernmaterials, beispielsweise des durch die Ampex Corporation hergestellten Ferrits PSS2B. Wie die Kurve zeigt, wird bei einer Flußdichte B unterhalb B1=4000 Gauss eine relativ große Permeabilität m von größer als 400 erreicht, welche für einen gewünschten Wandlungsvorgang ausreicht. Die Sättigungsflußdichte dieses Materials beträgt etwa B2=6000 Gauss entsprechend einer Permeabilität unterhalb 100, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Zum Erreichen eines gewünschten schnellen Übergangs zwischen einem hochpermeablen Bereich und einem benachbarten gesättigten Bereich im Wandlerkern muß sich daher die Permeabilität schnell von unter 100 auf über 400 in beiden Richtungen ändern, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist.
Im folgenden wird anhand von Fig. 2A eine bevorzugte Ausführungsform des elektromagnetisch gesteuerten abtastenden Magnetwandlers gemäß der Erfindung beschrieben. Ein Magnetwandler 20 besitzt zwei sich entsprechende Magnetkerne 21, 22 mit sich gegenüberstehenden Polen 27, 28, welche an eine glatt geläppte und polierte Wandlerspaltebene 23 anstoßen. In einem oder in beiden Kernen 21, 22 ist ein Wicklungsfenster 24 zur Aufnahme von Wandlerwicklungen 25 vorgesehen. Zwischen den Polflächen 27, 28 ist zur Realisierung eines Wandlerspaltes 26 unter Verwendung konventioneller Techniken zur Herstellung von Wandlerspalten ein geeignetes nichtmagnetisches Material vorgesehen. Eine einem magnetischem Medium, beispielsweise dem Band 42 zugekehrte Wandlerfläche 41 verläuft gemäß den Fig. 2B bis 2D in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zur Spaltebene 23. Der Wandler kann im Bedarfsfall unter Verwendung bekannter Formungstechniken geformt werden, wie dies durch unterbrochene Linien 18 dargestellt ist, um eine gewünschte Kontur bzw. eine gewünschte Wandlerspalttiefe zu realisieren.
Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Ausführungsform nach Fig. 2A ist in jedem entsprechenden Kern 21, 22 eine Öffnung 31 bzw. 32 vorgesehen. Diese Öffnungen verlaufen über die gesamte Breite W des Wandlers 20 unter jeweiligen ausgewählten Winkeln sowohl zur Wandlerspaltebene 23 als auch zur Fläche 41 des Wandlers. Um jeden Kern 21, 22 ist jeweils eine Steuerwicklung 38, 39 in der Weise gewickelt, daß sich jeweils ein Teil 51 bzw. 52 davon durch die Öffnung 31 bzw. 32 erstreckt.
In der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2A werden die Kerne 21, 22 als zwei identische Kernhälften beispielsweise aus einem Block aus magnetischem Ferritmaterial, wie beispielsweise dem Ferrit PS52B oder einem Einkristallferrit hergestellt. Die Öffnungen 31, 32 können durch Bohrung mittels eines Diamantbohrers durch die Breite jeder Kernhälfte, d. h. von oberen Querflächen 33, 34 zu entgegengesetzten unteren Flächen 36, 37 hergestellt werden. Die Kernhälften 21, 22 werden an der Spaltebene 23 glatt geläppt und poliert. Ein geeignetes nichtmagnetisches einen Wandlerspalt bildendes Material, beispielsweise Glas ist auf einer Ebene 23 eines oder beider Kerne beispielsweise durch Sputtern im Vakuum aufgebracht. Die so hergestellten Kernhälften 21, 22 werden durch Drehung einer Kernhälfte in Bezug auf die andere um 180 so zusammengesetzt, daß ihre oberen und unteren Flächen umgekehrt sind, um sich gegenüberstehende Kerne mit invers symmetrischer Ausbildung der Öffnungen 31, 32 in Bezug auf die Ebenen 23 und 41 zu erhalten. In den zusammengesetzten sich gegenüberstehenden Wandlerkernen 21, 22 verlaufen daher die Steuerwicklungsöffnungen 31, 32 in entgegengesetzt orientierter Winkelbeziehung in Bezug sowohl auf die Wandlerspaltebene 23 als auch die Fläche 41. Die zusammengesetzten Kernhälften werden unter Verwendung bekannter Verbindungstechniken zur Realisierung des Wandlerspaltes an der Wandlerspaltebene 23 mittels Glas miteinander verbunden.
Andererseits können die sich gegenüberstehenden Kernhälften 21, 22 im Bedarfsfall auch als gemeinsamer Festkörperblock aus magnetischem Material hergestellt werden. In diesem Fall wird beispielsweise durch Schleifen in der Fläche 41 ein Schlitz mit einer gewünschten der Wandlerspaltlänge entsprechenden Breite ausgebildet. Der Schlitz wird danach zur Realisierung eines Wandlerspaltes 26 mit einem geeigneten nichtmagnetischen Material gefüllt. Das Wicklungsfenster 24 wird sodann unter Verwendung bekannter Bohrtechniken durch Bohren über die Wandlerbreite hergestellt.
Wie sich aus der folgenden Beschreibung noch ergibt, dienen die Steuerwicklungen 38, 39 zur Führung von Steuerströmen I1, I2 zur differentiellen Sättigung ausgewählter Teile der Kerne 21, 22 an der Wandlerfläche 41 zwecks Realisierung einer sich über den Wandlerspalt 26 erstreckenden ungesättigten hochpermeablen Wandlerzone 56, wie dies oben anhand der Fig. 1C und 1D bereits beschrieben wurde.
Zur Realisierung ausgewählter gesättigter Bereiche an der Fläche 41 der Kerne 21, 22 im oben beschriebenen Sinne wird eine beispielsweise in Fig. 3A dargestellte Steuerschaltung verwendet, um in im folgenden noch zu beschreibender Weise jeweilige Steuerströme I1, I2 in die Steuerwicklungen 38, 39 einzuspeisen.
In der bevorzugten Ausführungsform werden die Steuerströme I1, I2 differentiell geändert, um eine Wandlerzone mit konstanter Breite über der Breite W des Wandlers periodisch abzutasten. Dadurch wird ein Informationssignal längs Querspuren 35 eines sich in Längsrichtung bewegenden Bandes 42 aufgezeichnet oder wiedergegeben, wie dies in Fig. 2B dargestellt ist. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß andererseits auch andere Aufzeichnungs/Wiedergabeanwendungen realisierbar sind.
Werden beispielsweise die Stromwerte I1, I2 konstant gehalten, so nimmt die Wandlerzone eine feste Lage ein. Diese letztgenannte Anwendung kann zweckmäßig sein, um eine Aufzeichnung auf Longitudinalspuren zu realisieren, wie dies etwa bei 13 in Fig. 2D dargestellt ist. Bei Aufzeichnung/Wiedergabe auf Längs- bzw. Schraubenspuren, kann die Lage der Wandlerzone von Spur zu Spur fortgeschaltet werden. In anderen Anwendungsfällen können aufgezeichnete Schraubenspuren gemäß Fig. 2C durch den fest in einer Wandlertrommel montierten erfindungsgemäßen Wandler wiedergegeben werden, wobei die Lage der Wandlerzone für eine optimale Wiedergabewirkung über die aufgezeichnete Spurbreite bewegt werden kann.
Fig. 3A zeigt ein Beispiel eines Schaltbildes einer Steuerschaltung 54, welche zur Ansteuerung der Steuerwicklungen 38, 39 des Wandlers 20 nach Fig. 2A dient, um die Lage einer Wandlerzone an der Fläche 41 längs der Breite W des Wandlers 20 zu steuern. Bei der in Rede stehenden bevorzugten Ausführungsform wird die Wandlerzone 56 periodisch längs Querspuren 35 auf dem Magnetband 42 gemäß den Fig. 1E und 2B abgetastet. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Steuerschaltung 54 auch zur Realisierung anderer Betriebszustände des Wandlers 20 bei Verwendungen in anderen Aufzeichnungs/Wiedergabeanwendungen im oben beschriebenen Sinne dienen kann. In der Schaltung 54 nach Fig. 3A wird eine eine sich periodisch ändernde Steuerspannung Vc erzeugende Steuerspannungsquelle 61 verwendet. Die Spannung Vc wird durch die Schaltung nach Fig. 3A wie folgt in sich differentiell ändernde Steuerströme I1, I2 umgesetzt.
Die Spannung Vc wird über einen Widerstand 62 in einen invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers 63 eingespeist, welcher einen Rückkopplungswiderstand 64 aufweist und einen Spannungsfolger bildet. Der Ausgang des Verstärkers 63 ist über einen weiteren Widerstand 65 an einen invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 66 mit einem Rückkopplungswiderstand 67 angeschaltet. Der Verstärker 66 invertiert das Ausgangssignal des Verstärkers 63. Der Ausgang des ersten Verstärkers 63 ist weiterhin über einen Widerstand 68 an einen invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärkers 69 mit einem Rückkopplungswiderstand 70 angeschaltet. Der Ausgang des zweiten Verstärkers 66 ist über einen Widerstand 71 mit einem invertierenden Eingang eines vierten Verstärkers 72 mit einem Rückkopplungswiderstand 73 verbunden. Ein einstellbares Potentiometer 74 liegt zwischen einer Quelle für eine negative Gleichspannung und Masse, um einen Steuerstromversatz 10 zu realisieren. Der Ausgang des Potentiometers 74 ist über einen Widerstand 75 mit dem invertierenden Eingang des dritten Verstärkers 69 und über einen Widerstand 76 mit dem invertierenden Eingang eines vierten Verstärkers 72 verbunden.
Der Ausgang des dritten Verstärkers 69 ist an die oben beschriebene erste Steuerwicklung 38 des Wandlers 20 angeschaltet, welche ihrerseits über den Rückkopplungswiderstand 70 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 69 verbunden ist. Entsprechend ist der Ausgang des vierten Verstärkers 72 mit der oben beschriebenen zweiten Steuerwicklung 39 verbunden, deren zweiter Anschluß über einen Rückkopplungswiderstand 73 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 72 verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Wicklung 38 und dem Widerstand 70 ist über einen Widerstand 77 geerdet. Entsprechend ist die Verbindung zwischen der Wicklung 39 und dem Widerstand 73 über einen Widerstand 78 geerdet. Der jeweilige nicht-invertierende Eingang aller vier Operationsverstärker 63, 66, 69 und 72 ist geerdet. Die Verstärker 69, 72 und die jeweiligen Widerstände 70, 77 sowie 73, 78 bilden eine erste bzw. eine zweite Stromquelle.
Im Betrieb wird die Spannung Vc von der Quelle 61 über den Spannungsfolger 63, 64 in eine erste Stromquelle 69, 70, 77 eingespeist, welche einen Steuerstrom I1 in die erste Steuerwicklung 38 einspeist, welcher der Eingangsspannung Vc direkt proportional ist. Die am Ausgang des Verstärkers 63 erzeugte und durch den Inverter 66, 67 invertierte Spannung wird weiterhin in die zweite Stromquelle 72, 73, 78 eingespeist, welche einen der Eingangsspannung Vc umgekehrt proportionalen Steuerstrom I2 für die zweite Steuerwicklung 39 liefert. Das mit einer negativen Gleichspannung verbundene Potentiometer 74 stellt einen gewünschten Steuerstromversatz 10 ein, welcher bei der in Rede stehenden Ausführungsform in der Hälfte zwischen dem minimalen und maximalen Steuerstromwert liegt, d. h. es ist I0=(Imax-Imin)/2, wie dies im folgenden anhand von Fig. 3B noch genauer beschrieben wird.
Aus der obigen Beschreibung folgt, daß bei sich periodisch ändernder Amplitude zwischen Vcmin und Vcmax der Spannung Vc gemäß den Diagramm nach Fig. 3B die Schaltung 54 die sich so ändernde Steuerspannung in sich im wesentlichen linear ändernde Steuerströme I1, I2 umsetzt, welche am Ausgang der ersten bzw. zweiten Stromquelle abnehmbar sind. Die Steuerströme I1, I2 ändern sich somit differentiell, d. h. im entgegengesetzten Sinn in Bezug aufeinander, während sie sich im wesentlichen linear proportional zur Eingangsspannung Vc ändern, wie dies in Fig. 3B dargestellt und durch die folgenden Gleichungen definiert ist:
I1 = KVc + Io (1)
I2 = -KVc + Io
worin K und Io Konstanten sind, die von den Parametern der Schaltung nach Fig. 3A abhängen und von diesen abgeleitet werden können.
Bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2A induzieren die Ströme I1, I2 einen magnetischen Fluß in den Magnetkernen, welche die durch sie verlaufenden Steuerwicklungsteile 51, 52 umgeben. Die Steuerströme I1, I2 dienen zur Sättigung ausgewählter Bereiche der Magnetkerne 21, 22 an der Fläche 41, um zwischen den gesättigten Bereichen erfindungsgemäß eine ungesättigte hochpermeable Spurzone zu erzeugen, wie dies nachfolgend beschreiben wird.
Zur Erleichterung der weiteren Beschreibung zeigt Fig. 4 eine detailliertere schematische Darstellung des Wandlers 20. Zwei Paare von imaginären Ebenen 44, 45 und 59, 60 sind jeweils der Längsachse der Öffnungen 31, 32 überlagert. Die Ebenen 44, 45 sind parallel und schneiden untere bzw. obere Querflächen 33, 34 bzw. 36, 37 in Linien parallel zur Wandlerspaltebene 32. Die Ebenen 59, 60 schneiden diese Querflächen in zur Wandlerspaltebene 23 senkrechten Linien.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die imaginären Ebenen 44, 45, 59. 60, die Querflächen 33, 34, 36, 37, die Spaltebene 23 und die Fläche 41 zwei entgegengesetzt orientierte Keilabschnitte 49, 50 definieren, welche auf entgegengesetzten Seiten der Wandlerspaltebene 23 liegen. Diese Keilabschnitte repräsentieren Teile der Magnetkerne 21, 22, welche durch die Steuerströme I1, I2 selektiv differentiell gesättigt werden sollen, um eine gewünschte Wandlerzone 56 zu definieren.
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Keilabschnittes 50. Da beide entgegengesetzt orientierten Keilabschnitte im wesentlichen identisch sind, trifft die folgende auf den Keilabschnitt 50 bezogene Beschreibung auch generell auf den Keilabschnitt 49 zu. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Kante 30 des Keilabschnittes 50 nach Fig. 5 als Schnittlinie der imaginären Flächen 45, 60 definiert ist.
Für eine gegebene Breite W des Wandlerspaltes 26 kann man sich den Keilabschnitt 50 als in parallele Querschnittsbereiche L1 bis Ln unterteilt vorstellen, welche senkrecht sowohl auf der Spaltebene 23 als auch der Wandlerfläche 41 stehen und längs der Spaltbreite graduell zunehmende Flächenbereiche besitzen. Es ist darauf hinzuweisen, daß der entgegengesetzt orientierte Keilabschnitt 49 des Wandlers 20 entsprechende Querschnittsbereiche besitzt, welche in der entgegengesetzten Richtung graduell zunehmen (nicht dargestellt).
Wird gemäß den Fig. 4 und 5 der Strom I2 in die Steuerwicklung 39 eingespeist, so induziert er im Kern 22 einen entsprechenden magnetischen Fluß, der durch um den Wicklungsteil 52 verlaufende Flußlinien 48 repräsentiert ist. Die Flußlinien 48 verlaufen weder über den Wandlerspalt 26 noch sind sie mit den Wandlerwicklungen 25 gekoppelt, um Interferenzen zwischen dem Steuerfluß und dem Wandlersignalfluß im Wandler minimal zu halten,
Um einen richtigen Abtastvorgang längs der Breite des Wandlers für eine Queraufzeichnung oder -Wiedergabe sicherzustellen, werden die Werte der sich entgegengesetzt ändernden Ströme I1, I2 so gewählt, daß die durch sie erzeugten Steuerflüsse 47, 48 in Folge die kontinuierlich zunehmenden Querschnittsbereiche L1 bis Ln der jeweiligen entgegengesetzt orientierten Keilabschnitte 49, 50 in den Magnetkernhälften 21, 22 sättigen. Wird beispielsweise ein graduell zunehmender Strom I2 in die Steuerwicklung 39 eingespeist, wie dies in Fig. 3B dargestellt ist, so werden die Querschnittsbereiche L1 bis Ln nach Fig. 5 vom kleinsten zum größten Bereich direkt proportional zur zunehmenden Amplitude des Steuerstrom I2 graduell gesättigt. Durch periodische Vergrößerung des Steuerstroms in einer Steuerwicklung bei periodischer proportionaler Verringerung des Steuerstroms in der anderen Steuerwicklung werden die entsprechenden Teile L1 bis Ln der entgegengesetzt orientierten Keilabschnitte 49, 50 periodisch differentiell gesättigt. In der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 4 wird die Summe der sich differentiell ändernden Ströme I1 + I2 konstant gehalten, um eine konstante Breite W3 der Wandlerzone 56 an der Wandlerfläche 41 zu erhalten, wie dies oben bereits beschrieben wurde. Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Permeabilität der gesättigten Bereiche etwa gleich der von Luft ist, während die sich überlappenden ungesättigten Teile eine relativ hohe Permeabilität besitzen, wie dies für die Signalaufzeichnung/Wiedergabe erforderlich ist.
Aus der Charakteristik nach Fig. 3B ist ersichtlich, daß sich durch Änderung der Steuerspannung von -Vcmin bis +Vcmax der Steuerstrom I1 von Imin bis Imax ändert, wobei Imax als unter dem Sättigungsstromwert Isat liegend gewählt wird.
Isat entspricht einem Stromwert, welcher zur Sättigung aller Querschnittsbereich L1 bis Ln, d. h. des gesamten Keilabschnittes ohne Verbleiben eines ungesättigten Bereichs in ihm ausreicht. Da sichergestellt werden muß, daß zur Realisierung einer sich überlappenden Wandlerzone ein ungesättigter Bereich in den Keilabschnitten 49, 50 verbleibt, muß der maximale Steuerstrom Imax als unter dem Sättigungsstromwert Isat liegend gewählt werden.
Wie oben bereits ausgeführt, sind die Keilabschnitte 49, 50 imaginär und lediglich zur Erleichterung der Beschreibung der Wirkungsweise der bevorzugten Ausführungsform des Wandlers gemäß der Erfindung dargestellt.
Die Öffnungen 31, 32 in den Kernhälften 21, 22 sind vorzugsweise so angeordnet, daß im wesentlichen quadratische Querschnittsbereiche L1 bis Ln erhalten werden. Dadurch wird sichergestellt, daß die die Fläche 41 enthaltenden Keilabschnitte 49, 50 vor der Sättigung anderer vom Flächenteil entfernt liegender Kernteile gesättigt werden. Gleichzeitig werden die zur Realisierung der Sättigung notwendigen Steuerstromwerte minimal gehalten.
Fig. 7B zeigt ein Beispiel zweier überlagerter Kurven 53, 53a der Abhängigkeit der Permeabilität von der Flußdichte, die jeweils der Charakteristik nach Fig. 6 entsprechen und zu den entgegengesetzt orientierten Keilabschnitten 49, 50 gehören. Fig. 7A zeigt eine schematische Vorderansicht der Keilabschnitte 49, 50 nach Fig. 4 bei Drehung um 90º. Die schräg schraffierten Bereiche 57, 58 repräsentieren die gesättigten Bereiche, d. h. Kernteile mit einer Permeabilität von kleiner 100. Die anderen Kernteile nach Fig. 7A repräsentieren nichtgesättigte hochpermeable Bereiche 40, 46 mit einer Permeabilität oberhalb 400. Die Wandlerzone 56, welche sich über den Wandlerspalt 26 erstreckt und durch die sich überlappenden ungesättigten hochpermeablen Bereiche 40, 46 gebildet wird, entspricht den sich überlappenden Teilen der überlagerten Kurven 53, 53a, welche eine Permeabilität zwischen 100 und 400 anzeigen. Aus den Fig. 7a und 7B ist ersichtlich, daß für eine genau definierte Wandlerzone 56 eine Abhängigkeit der Permeabilität von der Flußdichte erforderlich ist, welche so scharf wie möglich ist. Diese Forderung kann durch Wahl eines Wandlerkernmaterials mit einer steilen Charakteristikkurve und durch eine derartige Ausbildung des Keilabschnittes erfüllt werden, daß zwischen benachbarten Querschnittsbereichen über der gesamten Abtastlänge große Flußdichteänderungen stattfinden. Um den Permeabilitätsgradienten weiter zu erhöhen, wird vorzugsweise ein Kopfkernmaterial mit einer magnetischen Anisotropie verwendet, dessen leichte Magnetisierungsachse senkrecht auf der Wandlerspaltebene steht.
Um den Flußdichtegradienten zwischen zwei benachbarten Querschnittsbereichen zwecks Realisierung eines maximalen Permeabilitätsgradienten in Abhängigkeit von der Flußdichte weiter zu maximieren, wird vorzugsweise die Form der Keilabschnitte an die Charakteristik nach Fig. 6 angenähert, um exponentiell zunehmende Querschnittsbereiche L1 bis Ln der Keilabschnitte 49, 50 zu realisieren. Dies kann durch eine exponentielle Form der sich durch die Kerne 21, 22 erstreckenden Öffnungen 31, 32 erreicht werden. Aus Gestaltungsgesichtspunkten kann es jedoch schwierig sein, eine derartige Öffnung in einem Festkörperkern aus magnetischem Material zu realisieren.
Die Herstellung des Wandlers nach den Fig. 2A und 4 wird speziell hinsichtlich der Realisierung einer exponentiellen Keilform durch die nachfolgend beschriebene Ausführungsform nach den Fig. 8 bis 11 erleichtert. Fig. 8 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer geschichteten Magnetkernstruktur 81 mit einer Vielzahl von dünnen magnetischen Lamellen 82 mit einer Dicke von beispielsweise 0,001 inch, von denen aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich vier Lamellen dargestellt sind. Die Lamellen 82 können beispielsweise aus einer Platte aus geeignetem magnetischem Material, beispielsweise Permalloy oder Mumetal HiMu80 geätzt werden. In Fig. 8 ist die Gesamtform und Größe aller Lamellen mit Ausnahme der Öffnungen 32 identisch, welche von Lamelle zu Lamelle derart versetzt sind, daß bei Stapelung aller Lamellen gemäß Fig. 9 die resultierende Öffnung der oben beschriebenen Öffnung 32 zur Aufnahme der Steuerwicklungen 39 nach Fig. 4 entspricht.
Die gestapelten Lamellen nach Fig. 9 werden beispielsweise mittels Epoxiharz unter Verwendung bekannter Verbindungstechniken miteinander verbunden, um eine der oben beschriebenen Kernhälfte 22 nach Fig. 4 entsprechende geschichtete Kopfkernhälfte 81 zu bilden. Zwei entsprechende geschichtete Halbkerne 80, 81 werden an ihren entsprechenden Spaltebenen 23 geläppt und es wird nichtmagnetisches einen Wandlerspalt bildendes Material, beispielsweise Siliziumdioxid unter Verwendung bekannter Sputtertechniken im Vakuum aufgesputtert. Die entsprechenden Kernhälften 80, 81 werden derart zusammengesetzt, daß eine Kernhälfte in Bezug auf die andere Kernhälfte um 180 gedreht ist, wie dies in Fig. 10 durch einen Pfeil 15 gezeigt ist, so daß die entsprechenden Steuerwicklungsöffnungen 31, 32 invers symmetrisch zur Spaltebene 32 und zur Fläche 41 verlaufen, wie dies anhand von Fig. 4 beschrieben wurde.
Die zusammengesetzten Kernhälften 80, 81 werden unter Verwendung bekannter Verbindungstechniken mittels Epoxiharzes miteinander verbunden. Die resultierende geschichtete Kernstruktur 80, 81 wird vorzugsweise an der Wandlerfläche 41 so geformt, daß eine gewünschte Kontur 41a gemäß Fig. 11 und eine gewünschte Wandlerspalttiefe erhalten wird. Danach werden die Steuerwicklungen 38, 39 um die Kernhälften 80, 81 geführt, wobei ihre jeweiligen Teile 51, 52 in gleichartiger Weise durch die Öffnungen 31, 32 verlaufen, wie dies anhand der Fig. 2A und 4 beschrieben wurde. Die Wandlerwicklung 52 wird um den hinteren Teil der Kerne 80, 81 generell symmetrisch zu diesen durch ein Wicklungsfenster 24 gewickelt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die relative Lage der Wandlerwicklung 25 in Bezug auf die Steuerwicklungen 38, 39 bei der Ausführungsform nach Fig. 4 bzw. Fig. 11 so lange nicht kritisch ist, als die Wandlerwicklung nicht mit dem Steuerflußweg verbunden ist.
Während die Ausführungsform nach den Fig. 8 bis 11 zu einer derjenigen nach Fig. 4 grundsätzlich gleichartigen resultierenden Kernstruktur führt, besitzt sie den Vorteil, daß zur Realisierung von Steuerwicklungsfenstern kein Bohren durch den Kern erforderlich ist. Ersichtlich kann durch Schaffung von Lamellen 82 mit jeweils einem darin richtig angeordneten Steuerwicklungsfenster jede gewünschte Fensterform, beispielsweise eine exponentielle Form leicht realisiert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des elektromagnetisch gesteuerten Abtastwandlers gemäß der Erfindung ist in den Fig. 12 bis 16 dargestellt. Wie die folgende Beschreibung zeigt besitzt diese Ausführungsform gegenüber den oben beschriebenen Ausführungsformen den Vorteil einer Realisierung einer gleichförmigeren Sättigung von Querschnittsbereichen in Richtung senkrecht zur Spaltebene. Darüber hinaus kann jede gewünschte Magnetkernform, beispielsweise mit exponentiell zunehmenden Querschnittsbereichen in einfacher Weise realisiert werden. Gleichzeitig wird zwischen den gesättigten und ungesättigten Bereichen an der Wandlerfläche jeder gewünschte Permeabilitätsgradient in Abhängigkeit von der Flußdichte erreicht, wodurch die Definition der Wandlerzone verbessert wird.
Gemäß Fig. 12 ist eine Vielzahl von magnetischen Lamellen 301 zur Bildung eines lamellierten Kernstapels 305 gestapelt. Die Lamellen besitzen jeweils eine als Steuerwicklungsfenster dienende zentrale Öffnung 314. In der Ebene 303 der jeweiligen Lamelle wird ein geschlossener Steuerflußweg 304 um das Steuerwicklungsfenster 314 gebildet. Benachbarte Lamellen im Stapel 305 besitzen graduell zunehmende Längen der Steuerflußwege 304. Die vorstehend genannte Gestaltung wird gemäß Fig. 12 dadurch erreicht, daß die Tiefe benachbarter Lamellen in Richtung eines Pfeiles 312 graduell zunimmt, wodurch die magnetischen Widerstände des Flußweges vergrößert werden. Vorzugsweise besitzen die Lamellen gleiche Dicke und eine im wesentlichen konstante Breite 302 in Richtung senkrecht zum Steuerflußweg 304. Die Lamellen 301 können beispielsweise aus Mumetall HiMu80, Permalloy oder amorphem Metall mit einer Dicke von 0,0001 bis 0,001 inch hergestellt werden.
Innerhalb einer Wandlerspaltebene 308 ist eine Nut 315 zur Aufnahme von Wandlerwicklungen vorgesehen. Die Tiefen der Lamellen 301 können linear, exponentiell oder in jedem anderen gewünschten Zusammenhang zunehmen, um die obengenannte gewünschte Zunahme der Flußweglängen zu realisieren. In dieser Ausführungsform ist zur Realisierung eines gewünschten steilen Permeabilitätsgradienten in Abhängigkeit von der Flußdichte zwischen benachbarten Querschnittsbereichen 303 über der Wandlerbreite W aus anhand der vorhergehenden Wandlerausführungsform beschriebenen Gründen eine exponentielle Zunahme vorgesehen.
Die gestapelten Lamellen 301 werden entsprechend der oben beschriebenen Ausführungsform nach den Fig. 8 bis 11 miteinander verbunden. Fig. 13 zeigt einen resultierenden Halbkernstapel 305. Zwei entsprechende Stapel 305, 305a werden gemäß Fig. 14 zusammengesetzt und miteinander verbunden, wobei ihre entsprechenden Wandlerspaltebenen 308 aneinander anstoßen und ein nichtmagnetisches, einen Wandlerspalt bildendes Material unter Verwendung von Techniken eingebracht wird, welche den oben anhand der Ausführungsform nach den Fig. 8 bis 11 beschriebenen Techniken gleichartig sind. Aus Fig. 14 ist ersichtlich, daß die entsprechenden Kernstapel auf den Seiten des Wandlerspaltes wie folgt entgegengesetzt zueinander orientiert sind. Diese Kernstapel werden so zusammengesetzt, daß die Steuerflußweg- Längen 304, 304a in den Kernen 305, 305a in entgegengesetzten Richtungen über der Breite W des Wandlers zunehmen. Diese graduell zunehmenden Flußweglängen dienen zur Realisierung einer differentiellen Sättigung an der Fläche 306 auf entgegengesetzten Seiten des Wandlerspaltes 307, wie dies beispielsweise durch kreuzschraffierte Bereiche 353 und 354 in Fig. 14 dargestellt ist. Jeweilige Breiten W1, W2 der gesättigten Bereiche 353, 354 sind so gewählt, daß an der Fläche 306 durch Überlappen ungesättigter Bereiche entsprechend den obigen Ausführungen zu Fig. 4 eine gewünschte ungesättigte hochpermeable Wandlerzone 333 mit einer gewünschten Breite W3 realisiert wird.
Gemäß Fig. 14 sind vorzugsweise in der Nähe der Wandlerfläche 306, 306a jeweilige Steuerwicklungen 331, 332 durch Steuerwicklungsfenster 314, 314a um die Kernhälften 305, 305a gewickelt. Um die zusammengesetzten Kerne 305, 305a ist durch das Wandlerwicklungsfenster 315 eine Wandlersignalwicklung 334 gewickelt. Die Wandlerzone 333 kann über der Breite W des Wandlers beispielsweise unter Verwendung einer Steuerschaltung, welche der oben anhand von Fig. 3A beschriebenen gleichartig ist, abgetastet werden.
Eine Abwandlung der Ausgestaltung der Wandlerstruktur nach den Fig. 12 bis 14 wird nachfolgend anhand der Fig. 15 und 16 beschrieben.
Fig. 15 zeigt eine Hälfte eines zusammengesetzten Kopfkerns 318, welche sich von dem oben anhand von Fig. 13 beschriebenen Kern 305 dadurch unterscheidet, daß er einen monolithischen Vorderkern 320 und einen lamellierten Hinterkern 321 besitzt, welche beispielsweise durch Verbindung mittels Epoxiharz an sich gegenüberstehenden Flächen 325, 327 zum Ausschluß von Luftspalten einstückig miteinander verbunden sind. Der Vorderkern 320 kann beispielsweise als Block aus magnetischem Ferritmaterial, beispielsweise PSS2B hergestellt werden. Im Vorderkern 320 ist innerhalb einer Wandlerspaltebene 323 zur Realisierung eines Wandlerwicklungsfensters eine Nut 322 vorgesehen.
Der lamellierte Hinterkern 321 wird durch eine Vielzahl von einzelnen U-förmigen Lamellen 326 in gleichartiger Weise, wie sie oben anhand der Fig. 12 bis 14 beschrieben wurde, mit der Ausnahme gebildet, daß sich von einer Vorderfläche 325 ein offenes Steuerwicklungsfenster 324 nach innen erstreckt. Die jeweiligen Lamellen besitzen eine im wesentlichen konstante Breite 329 in Richtung senkrecht zu einem Steuerflußweg 335, welche in der Lamellenebene so verläuft, wie dies oben anhand von Fig. 12 beschrieben wurde und in Fig. 16 dargestellt ist. In gleichartiger Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 14 besitzen benachbarte Lamellen graduell zunehmende Tiefen in der Richtung 328, um entgegengesetzt zunehmende Steuerflußweg-Längen und damit entgegengesetzt zunehmende magnetische Widerstände in den Kernen 318, 319 über der Wandlerbreite W zu realisieren. Während die Zunahme linear sein kann, ist sie vorzugsweise exponentiell, um den Permeabilitätsgradienten in Abhängigkeit von der Flußdichte in anhand der vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung beschriebenem Sinne zu maximieren.
Der Vorderkern 320 und der Hinterkern 321, welcher einstückig miteinander verbunden sind, bilden einen geschlossenen Steuerflußweg mit kleinem magnetischen Widerstand, wie dies bei 335 in Fig. 16 dargestellt ist. Jeweiligen Hinterkernlamellen im Stapel 321 stehen zur Reduzierung magnetischer Verluste in engem körperlichem Kontakt. Der weitere Zusammenbau der entgegengesetzt orientierten entsprechenden Kerne 318, 319 sowie das Einbringen von Wandler- und Steuerwicklungen entspricht der Ausführungsform nach den Fig. 12 bis 14, so daß die Beschreibung dazu nicht wiederholt wird.
Aus der vorstehenden Beschreibung folgt, daß in der Ausführungsform nach den Fig. 12 bis 16 ein im wesentlichen konstanter Querschnittsbereich der Lamellen in Richtung senkrecht zum Steuerflußweg erhalten bleibt, während die Längen der Steuerflußwege in entgegengesetzten Richtungen in den sich gegenüberstehenden Kernen 318, 318a graduell differentiell zunehmen. Um sicherzustellen, daß die Fläche 306, 306a des Wandlers gesättigt wird, bevor die anderen Magnetkernteile gesättigt werden, ist in den Ausführungsformen nach den Fig. 12 bis 16 die Breite 329 des Flußweges 304 längs der Fläche 306, 306a vorzugsweise geringfügig kleiner als die Breite längs des Restes des Flußweges.
Es ist ein zusätzlicher Vorteil der Ausführungsformen nach den Fig. 15, 16, daß der monolithische Vorderkern 320 aus einem vom Material des Hinterkerns 321 verschiedenen Material hergestellt werden kann. Beispielsweise kann das Material des Vorderkerns zur weiteren Verbesserung der Wandlerzonendefinition eine magnetische Anisotropie mit senkrecht zur Wandlerspaltebene orientierter leichter Magnetisierungsachse besitzen.
Ein Vergleich mit der Ausführungsform nach Fig. 4 zeigt, daß die fortschreitende Sättigung der entgegengesetzt orientierten sich gegenüberstehenden Kerne 305, 305a mit graduell zunehmenden Steuerflußweg-Längen in entgegengesetzten Richtungen der Sättigung der entgegengesetzt orientierten Keilabschnitte der Ausführungsform nach Fig. 4 entspricht. Die Wirkungsweise der Ausführungsformen nach den Fig. 12 bis 16 sowie nach Fig. 4 entsprechen sich daher insofern, als die Wandlerfläche auf entgegengesetzten Seiten des Wandlerspaltes differentiell gesättigt wird und daß eine hochpermeable Wandlerzone gebildet wird, welche kontinuierlich längs der Wandlerbreite bewegt bzw. abgetastet werden kann. Allerdings sind die Ausführungsformen nach den Fig. 12 bis 16 insofern unterschiedlich, als die vollständigen Lamellenebenen einschließlich der Fläche 306, 306a und nicht nur ein Teil von diesen wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen gesättigt werden.
Ersichtlich sind die lamellierten Kerne in den oben beschriebenen Ausführungsformen aus Zweckmäßigkeitsgründen bei der Herstellung vorgesehen, insbesondere um die Realisierung einer gewünschten Kernform, etwa mit exponentiell zunehmenden Querschnittsbereichen zu erleichtern. Diese magnetischen Lamellen stehen daher in körperlichem Kontakt miteinander, wobei zwischen ihnen kein magnetische oder elektrische Isolation erforderlich ist.
Eine abgewandelte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der Fig. 17 bis 25 beschrieben, bei der die Sättigung des Flächenteils durch eine Steuerwicklung in Form einer leitenden Treiberleitung 368, 368a realisiert wird, welche eng benachbart sowohl zur Wandlerfläche als auch zum Wandlerspalt durch die sich gegenüberstehenden Kerne verlaufen.
In dieser Ausführungsform besitzt der abtastende Wandlerhalbkern 360 diskrete magnetische Lamellen 361, deren magnetische Kreise durch nichtmagnetische elektrisch leitende Lamellen 363 voneinander getrennt sind. Die Lamellen 363 sind elektrisch mit der Treiberleitung 368 verbunden, wobei jeweils zwei leitende Lamellen und ein Teil der Treiberleitung zwischen diesen einen Stromlauf um eine magnetische Lamelle 361 repräsentieren. Die magnetischen Lamellen werden durch Einspeisen eines Steuerstroms in die umgebenden leitenden Lamellen und damit in einen entsprechenden Teil der durch sie verlaufenden Treiberleitung gesättigt. Eine Wandlerzone wird durch eine oder mehrere nicht-gesättigte Lamellen gebildet und kann durch Ein/Ausschalten von Stromläufe repräsentierenden leitenden Lamellen längs der Wandlerbreite abgetastet bzw. bewegt werden, wie dies nachfolgend noch genauer beschrieben wird.
Zusätzlich zur Sättigung der Wandlerfläche besitzt die in Rede stehende Ausführungsform gegenüber bekannten Wandlern den weiteren Vorteil, daß ein scharfer schrittförmiger Permeabilitäsgradient als Funktion der Flußdichte über der Wandlerfläche erreicht wird. Diese Charakteristik ist virtuell unabhängig von der Abhängigkeit der Permeabilität von der Flußdichte der Materialien für die magnetischen Lamellen, wie die folgende Beschreibung noch zeigt.
Fig. 17 zeigt eine Explosionsansicht einer Wandlerkernhälfte 360, in der magnetisch permeable Lamellen 361 gestapelt sind und zwischen leitenden Lamellen 363 liegen. Auf die jeweiligen ebenen Flächen der magnetischen Lamellen 361 ist zu deren elektrischer Isolation von den leitenden Lamellen 363 vorzugsweise jeweils eine Schicht 362 aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Siliziumdioxid mit einer Dicke von 0,0001 inch aufgesputtert. An die leitenden Lamellen 363 ist an ihrem hinteren Teil entgegengesetzt zu einer Wandlerfläche 365 ein Leitungsdraht 364 beispielsweise durch Löten befestigt. Die magnetischen Lamellen können beispielsweise aus Mumetall HiMu80 oder amorphem Metall mit einer Dicke von 0,001 inch und die leitenden Lamellen aus Kupfer mit einer Dicke von 0,0005 inch hergestellt werden. Die jeweiligen Lamellen 361, 363 enthalten zur Aufnahme einer leitenden Treiberleitung 368 sich überlappende Öffnungen 366, 367, wobei die Treiberleitung beispielsweise durch Löten mit den Lamellen 363 leitend verbunden aber von den magnetischen Lamellen elektrisch isoliert ist.
Fig. 18 zeigt eine ebene Ansicht des zusammengesetzten lamellierten Halbkernstapels 360 nach Fig. 17. Fig. 19 zeigt eine Querschnittsansicht des Lamellenstapels 360 in einer Ebene A-A in Fig. 18 sowie ein Blockschaltbild einer mit dem Stapel verbundenen Lamellenumschaltschaltung 371. Zwar werden gemäß Fig. 20 vorzugsweise zwei identische Umschaltschaltungen 371, 371a für die leitenden Lamellen verwendet, wobei jedoch in Fig. 19 im einzelnen nur eine nachfolgend beschriebene Schaltung 371 dargestellt ist.
Gemäß Fig. 19 ist ein Ende der leitenden Treiberleitung 368 über eine Leitung 373 mit einem Pol einer Steuerstromquelle 372 verbunden, deren anderer Pol geerdet ist. Die Leitungsdrähte 364 sind jeweils mit einem Ausgang einer Vielzahl von Ausgängen 399 der Umschalterschaltung 371 für die leitenden Lamellen verbunden.
Die Umschalterschaltung 371 für die leitenden Lamellen umfaßt einen Aufwärts/Abwärtszähler 430, einen programmierbaren Festwertspeicher (PROM) 433 und ein Transistorschaltfeld 429. Das Schaltfeld 429 umfaßt eine Vielzahl von Transistorschaltern mit jeweils einem Transistor 434, einem stromeinstell-Kollektorwiderstand 435 und einem Basiswiderstand 436. Der Aufwärts/Abwärtszähler 430 besitzt einen Taktsignaleingang 437, einen Richtungssignaleingang 438, Vorsetzeingänge P1 bis Pn 428, einen Ladeeingang 439 und eine Vielzahl von Ausgängen Q1 bis Qn 431. Die Ausgänge 431 sind jeweils mit einem Eingang 432 des PROM 433 verbunden. Das PROM 433 besitzt eine Vielzahl von Ausgängen D1 bis Dn 440, die jeweils mit einem Basiswiderstand 436 eines Schalters 434 des Feldes 429 verbunden sind. Die Kollektorwiderstände 435 sind jeweils über einen Leitungsdraht 364 mit einer leitenden Lamelle 363 verbunden. Die Emitter der Transistoren 434 sind geerdet.
Fig. 20 zeigt einen elektromagnetisch gesteuerten abtastenden Magnetwandler 378, der durch Verbinden zweier entsprechender Kernhälften 360, 360a gebildet wird. Ein Wandlerspalt 381 aus geeignetem nicht-magnetischem Material, beispielsweise Siliziumdioxid, ist auf der Wandlerspaltebene 380 eines oder beider Kernhälften 360, 360a mittels bekannter Techniken zur Spaltherstellung vorgesehen. Die jeweiligen Kernhälften 360, 360a werden wie folgt invers symmetrisch zusammengesetzt. Die Kernhälften werden durch Drehung einer Kernhälfte um 180 in Bezug auf die Kernhälfte umgekehrt, wie dies durch einen Pfeil 357 angegeben ist, so daß die entsprechenden Enden von mit Stromquellen 372, 372a verbundenen leitenden Stäbe 368, 368a in Bezug aufeinander umgekehrt werden, d. h. sie sind auf entgegengesetzten Seiten über der Wandlerspaltbreite W angeordnet. Eine Wandlersignalwicklung 382, 382a ist zur Verwendung als Aufzeichnungs/Wiedergabesignalwicklung durch ein Wicklungsfenster 383 auf die Kernhälften gewickelt. Die jeweiligen leitenden Lamellen 363, 363a der Kernhälften 360, 360a sind über jeweilige Lamellenumschalterschaltungen 371, 371a mit den Stromquellen 372, 372a verbunden, um die Fläche ausgewählter Lamellen in jeder Kernhälfte sequentiell magnetisch zu sättigen, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
Ein Beispiel für die Wirkungsweise des abtastenden Wandlers nach Fig. 20 wird nachfolgend anhand der Fig. 21 bis 25 beschrieben.
Gemäß den Fig. 20 und 21 nehmen die Zähler 430, 430a an ihren Takteingängen ein Taktsignal A mit einer Frequenz auf, welche einer gewünschten Lamellenschaltfrequenz entspricht. Ein Zähler, beispielsweise der Zähler 430 nimmt am Eingang 438 ein Richtungssignal B auf, während der andere Zähler, beispielsweise der Zähler 430a ein Richtungssignal D mit in Bezug auf das Signal B entgegengesetzter Polarität aufnimmt. Einer der Zähler wird am Eingang 428 auf einen Anfangswert vorgesetzt, welcher sich von dem Vorsetzzählwert des anderen Zählers so unterscheidet, daß ein einem Zeilenintervall Z entsprechender Versatzzählwert erhalten wird, wie dies in Fig. 21 dargestellt ist. Zählt ein Zähler, beispielsweise der Zähler 430 aufwärts, wie dies bei C in Fig. 21 dargestellt ist, so zählt der andere Zähler 430a gleichzeitig gemäß E abwärts. Die PROM's 433, 433a sind so programmiert, daß der an den Ausgängen 431, 431a der Zähler 430, 430a erzeugte sequentielle Binärzählwert an den Ausgängen 440, 440a in ein sequentielles Ausgangssignal umgesetzt wird, wie dies beispielsweise in der folgenden Tabelle 1 dargestellt ist. Tabelle 1 Binäres Signal am Ausgang 431: P1 bis Pn Signal am Ausgang 440
Aus Fig. 19 ist ersichtlich, daß bei Aktivierung der Ausgänge D1 bis Dn 440 der damit verbundene jeweilige spezielle Transistorschalter 434 durchgeschaltet wird und die spezielle leitende Lamelle 363 über einen Teil des Leitungsdrahtes 364 und Masse mit der Stromquelle verbindet.
Aus Fig. 19 ist weiterhin ersichtlich, daß bei Verbindung der obersten leitenden Lamelle 363 an der Oberseite des Stapels 360 mit der Stromquelle 372 die erste magnetische Lamelle 361 von dem Steuerstromweg umfaßt wird. Wird der nächste Transistorschalter in Richtung des Pfeiles 351 aktiviert, so werden sowohl die erste als auch die zweite magnetische Lamelle 361 vom Stromweg umfaßt, was sich weiter fortsetzt, bis die unterste Lamelle des Stapels in die Schaltung eingeschaltet wird, wenn alle magnetischen Lamellen 361 des Stapels durch den Stromweg umfaßt werden.
In den von einem einen Steuerstrom führenden Weg umfaßten magnetischen Lamellen wird jeweils um die Treiberleitung 368 ein magnetischer Fluß induziert, wie dies durch Flußlinien 376 in Fig. 18 dargestellt ist. Die Größe des Steuerstroms in der Treiberleitung 368 wird groß genug gewählt, um einen Teil der jeweiligen umgebenden Lamelle zu sättigen. Der gesättigte Teil verläuft in einem durch die Fläche 365, die Wandlerspaltebene 380 und die Treiberleitung 368 definierten Bereich, wie dies durch einen kreuzschraffierten Bereich 377 in den Fig. 18 und 20 dargestellt ist.
Ein Vergleich mit der oben beschriebenen Ausführungsform gemäß den Fig. 2A und 4 zeigt, daß die relativ enge Lage der Treiberleitung 368 sowohl zur Fläche 365 als auch zur Wandlerspaltebene 380 gemäß Fig. 19 der Lage des Wicklungsteils 51 im Kern 21 nach den Fig. 2A und 4 entspricht. In der vorher beschriebenen Ausführungsform wird jedoch die graduelle Sättigung der Fläche in den Kernen durch einen ausgewählten Winkelzusammenhang des Steuerwicklungsteils 51 zur Fläche und Spaltebene sowie durch selektive Änderung der Größe des in die Steuerwicklung eingespeisten Steuerstroms erreicht. Die in Rede stehende Ausführungsform unterscheidet sich davon dadurch, daß der gesättigte Bereich des Wandlers durch selektive Einspeisung eines Steuerstroms in einen Teil der leitenden Treiberleitung erreicht wird, welche ihrerseits den Flächenteil lediglich derjenigen magnetischen Lamellen sättigt, welche durch den Stromweg umfaßt werden. Der gesättigte Bereich wird durch Schaltung des Steuerstroms in unterschiedliche Teile der Treiberleitung über den Wandler bewegt bzw. abgetastet.
Um eine Sättigung der Fläche 365 der jeweiligen Lamelle 361 vor der Sättigung anderer weiter entfernt liegender Teile zu erreichen, ist die Treibeleitung 368 vorzugsweise relativ nahe an der Fläche 365 und der Spaltebene 380 sowie im wesentlichen in gleichen Abständen zu diesen angeordnet.
Gemäß Fig. 20 wird zur Realisierung einer Abtastung der Wandlerzone 386 über die Wandlerbreite W eine Umschalterschaltung, beispielsweise die Schaltung 371, in eine Richtung, beispielsweise in die durch den Pfeil 351 angegebene Richtung geschaltet, während die andere Umschalterschaltung 371a synchron damit in die entgegengesetzte Richtung 352 geschaltet wird. Dadurch wird der Steuerstrom I1 von der Stromquelle 372 sequentiell in leitende Lamellen 363 einer Kernhälfte 360 eingespeist, wie dies bereits anhand von Fig. 19 beschrieben wurde. Die andere Umschalterschaltung 371a liefert einen Strom I2 von der Quelle 372a sequentiell in leitende Lamellen 363a der anderen Kernhälfte 360a. Die so entgegengesetzt geschalteten Steuerströme I1, I2 sättigen graduell die Flächenteile der sich gegenüberstehenden Kernhälften in entgegengesetzten Richtungen über der Wandlerbreite, während die Anzahl aktiver leitender Lamellen der Kernhälften sich invers linear ändert, um eine konstante Wandlerzonenbreite aufrechtzuerhalten. Der oben erwähnte, durch Vorsetzen eines der Zählers in Bezug auf den anderen Zähler realisierte Zählwertversatz Z stellt sicher, daß eine oder mehrere Lamellen in den Stapeln immer ungesättigt bleiben, um eine sich überlappende Wandlerzone 386 über dem Spalt 381 mit einer konstanten Breite W3 zu realisieren.
Die Wirkungsweise des abtastenden Wandlers nach den Fig. 17 bis 20 wird anhand der Fig. 22 bis 25 weiter erläutert. Fig. 22 zeigt eine schematische Vorderansicht des Flächenteils 365 einer Kernhälfte 360 nach Fig. 20 bei Drehung um 90º. Ein gesättigter Teil 377 ist als kreuzschraffierter Bereich dargestellt. Für einen besseren Vergleich mit der oben beschriebenen Charakteristik nach den Fig. 6 bis 7B wird beispielsweise ein gleichartiges magnetisches Material für die Lamellen 361, vorzugsweise Mumetall HiMu80 gewählt. Fig. 23 zeigt eine Charakteristik 387 des Wandlerflächenteils 365 nach Fig. 22 in Form der Abhängigkeit der Permeabilität (m) von der Flußdichte (B).
Aus Fig. 23 ist ersichtlich, daß die in Rede stehende Ausführungsform der Erfindung den Vorteil besitzt, daß über der Wandlerbreite W ein scharfer stufenförmiger Permeabilitätsgradient als Funktion der Flußdichte erreicht wird. Das letztgenannte Merkmal ergibt sich durch das getrennte "Umfädeln" der jeweiligen Lamelle durch einen entsprechenden Steuerstromweg. Daher wird bei Einspeisung eines Steuerstroms in eine eine magnetische Lamelle zur Sättigung ihres Flächenteils umgebende spezielle Stromwindung in einer benachbarten magnetischen Lamelle, deren Steuerstrom abgeschaltet ist, kein Steuerstrom induziert. Daraus ergibt sich eine scharfe Änderung der Permeabilität in Abhängigkeit von der Flußdichte zwischen benachbarten nicht-gesättigten und gesättigten Bereichen des Flächenteils, wobei die Änderung virtuell unabhängig von der Charakteristik der Permeabilität in Abhängigkeit von der Flußdichte des Materials für die magnetischen Lamellen ist.
Fig. 24 zeigt eine schematische Vorderansicht der Flächenteile 365, 365a der entgegengesetzt orientierten zusammengesetzten Kernhälften 360, 360a gemäß Fig. 20 bei Drehung um 90º. Durch entgegengesetzte Orientierung ergibt sich, daß die entsprechenden Steuerströme für die Kernhälften in entgegengesetzten Richtungen über die Breite des Wandlers geschaltet werden, um eine differentielle Sättigung der Wandlerfläche auf entgegengesetzten Seiten des Wandlerspaltes 381 zu erzielen, wie dies anhand von Fig. 20 beschrieben wurde.
Fig. 25 zeigt zwei überlagerte entgegengesetzt orientierte Charakteristiken 387, 387a nach Fig. 23, welche jeweils die Charakteristik einer Kernhälfte 360, 360a nach Fig. 24 repräsentieren. Durch einen Bereich zwischen den überlagerten Charakteristiken wird wie dargestellt, eine resultierende gut definierte hochpermeable Wandlerzone 386 erreicht.
Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß die Abtastung bzw. Bewegung der Wandlerzone 386 längs der Breite W des Wandlers in dieser Ausführungsform in diskreten Schritten über die Wandlerbreite erfolgt, wobei die Schritte jeweils den kombinierten Dicken einer magnetischen Lamelle, einer leitenden Lamelle sowie der Isolationsschichten entsprechen.
Es ist weiterhin darauf hinzuweisen, daß andere Realisierungen der Umschalterschaltungen 371, 371a möglich sind. Beispielsweise kann an Stelle der Verwendung der Schaltungen 429, 430 und 433 nach Fig. 19 die Umschaltung der Lamellen durch Verwendung einer Vielzahl von (nicht dargestellten) Widerständen durchgeführt werden, die jeweils mit einem Anschluß an eine leitende Lamelle angeschlossen sind. Die Werte der mit benachbarten Lamellen verbundenen Widerstände der jeweiligen Kernhälfte nehmen in entgegengesetzten Richtungen über der Wandlerbreite zu. Die anderen Anschlüsse der Widerstände der jeweiligen Kernhälfte sind mit einem Pol einer eine variable Spannung liefernden Quelle verbunden, während der andere entgegengesetzte Pol der Spannungsquelle mit einem Ende der leitenden Treiberleitung verbunden ist. Durch Änderung der Spannung in der jeweiligen Kernhälfte in entgegengesetzten Richtungen werden die nachfolgenden Lamellen der entgegengesetzten Stapel sequentiell differentiell in gleichartiger Weise gesättigt, wie dies anhand der Ausführungsform nach den Fig. 17 bis 25 beschrieben wurde.
Als weitere Alternative ist es an Stelle einer Abtastung der Wandlerzone symmetrisch in beiden Richtungen gemäß C und E in Fig. 21 mit gleichen jeweiligen Zeitintervallen T1, T2 möglich, eines der Intervalle in Bezug auf das andere zu verkürzen. Dadurch kann durch entsprechendes Einstellen des Zeittaktes der Umschalterschaltungen 371, 371a ein relativ langes Abtastintervall in einer Richtung und ein kurzer Rücklauf der Abtastzone in der anderen Richtung realisiert werden.

Claims

1. Magnetwandler mit einem Magnetkern, der sich gegenüberstehende Kernteile (20, 21) mit an eine Wandlerspaltebene anstoßenden Polen zur Bildung eines Wandlerspaltes zwischen sich besitzt, und den Kernteilen zugeordneten Steuermitteln zur Erzeugung eines Steuerflusses in diesen zwecks Realisierung einer permeablen Wandlerzone durch selektive Sättigung der Kernteile, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel und die Kernteile so angeordnet sind, daß der Steuerfluß einen dem Wandlerspalt benachbarten Flächenteil (57, 58) selektiv sättigt, derart, daß jeder gesättigte Flächenteil einen benachbarten nicht-gesättigten permeablen Flächenteil in einer jeweiligen Richtung von zwei entgegengesetzten Richtungen begrenzt und daß sich die permeablen Flächenteile zur Definition der permeablen Wandlerzone (56) über dem Wandlerspalt überlappen.

2. Magnetwandler nach Anspruch 1, in dem die Kernteile in entgegengesetzten Richtungen längs der Wandlerbreite zunehmende magnetische Widerstände besitzen.

3. Magnetwandler nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend eine mit dem Magnetkern in Wirkverbindung stehende Wandlerwicklung (25, 334, usw.).

4. Magnetwandler nach den vorhergehenden Ansprüchen, in dem die Steuermittel jeweils eine über eine Breite eines Kernteils verlaufende und einen Steuerstrom zur selektiven Sättigung des Flächenteils aufnehmende Steuerwicklung (38, 39; 331, 332; 368, 368a) umfassen.

5. Magnetwandler nach Anspruch 4, in dem jede Steuerwicklung (38, 39) in entgegengesetzt orientiertem Winkelzusammenhang in Bezug auf die Wandlerspaltebene bzw. die Wandlerfläche über den entsprechenden Kernteil verläuft, um selektiv differentiell gesättigte Kernteile in Form von entgegengesetzt orientierten Keilabschnitten mit Querschnittsbereichen zu realisieren, welche in entgegengesetzten Richtungen auf beiden Seiten des Wandlerspaltes und längs der Breite graduell zunehmen.

6. Magnetwandler nach Anspruch 5, in dem jeder Magnetkernteil eine in ihm vorgesehene Öffnung (31, 32) zur Aufnahme einer der Steuerwicklungen besitzt.

7. Magnetwandler nach Anspruch 6, in dem die Öffnungen (31, 32) in einem im wesentlichen gradlinigen Weg über die Wandlerbreite verlaufen.

8. Magnetwandler nach Anspruch 6, in dem die Öffnungen in einem im wesentlichen exponentiellen Weg über die Wandlerbreite verlaufen.

9. Magnetwandler nach Anspruch 5, in dem die graduell zunehmenden Querschnittsbereiche im wesentlichen quadratförmig sind und senkrecht sowohl zur Wandlerebene als auch zur Wandlerfläche verlaufen.

10. Magnetwandler nach Anspruch 5, in dem jeder Magnetkernteil eine Vielzahl von gestapelten magnetischen Lamellen (72) umfaßt, von denen jede eine Öffnung (32) zur Aufnahme der entsprechenden Steuerwicklung besitzt und die in entgegengesetzten Richtungen in benachbarten Lamellen jedes Stapels zur Realisierung des entgegengesetzt orientierten Winkelzusammenhangs fortschreitend versetzt sind.

11. Magnetwandler nach Anspruch 10, in dem die magnetischen Lamellen (72) jedes Kerns in körperlichem Kontakt mit benachbarten Lamellen stehen.

12. Magnetwandler nach Anspruch 11, in dem die Öffnungen (32) zur Bildung eines im wesentlichen linearen Weges versetzt sind.

13. Magnetwandler nach Anspruch 11, in dem die Öffnungen (32) zur Bildung eines im wesentlichen exponentiellen Weges versetzt sind.

14. Magnetwandler nach Anspruch 4, in dem jeder Magnetkernteil (305) einen im wesentlichen senkrecht sowohl zur Wandlerspaltebene als auch zur Wandlerfläche verlaufenden Steuerflußweg bildet.

15. Magnetwandler nach Anspruch 14, in dem jeder Kernteil ein zentrales Steuerwicklungsfenster (314) zur Aufnahme der Steuerwicklung besitzt, die Steuerflußwege eine durch die zentralen Steuerwicklungsfenster definierte im wesentlichen konstante Breite besitzen und die zunehmenden magnetischen Widerstände durch eine graduelle Längenzunahme der entsprechenden Flußwege realisiert sind.

16. Magnetwandler nach Anspruch 15, in dem jeder Magnetkernteil (305) eine graduell zunehmende Tiefe in Richtung einer Wandlerspalttiefe besitzt und die Tiefen in jedem Kern in entgegengesetzten Richtungen längs der Breite des Wandlers zur Realisierung der graduell zunehmenden Flußweglängen zunehmen.

17. Magnetwandler nach Anspruch 14, in dem jeder Magnetkernteil eine Vielzahl von gestapelten magnetischen Lamellen (301) umfaßt, von denen jede eine den zentralen Steuerwicklungsfenster entsprechende geschlossene zentrale Öffnung (314) besitzt, und aufeinanderfolgende Lamellen in jedem Kern graduell zunehmende Tiefen in Richtung einer Wandlerspalttiefe besitzen.

18. Magnetwandler nach Anspruch 14, in dem jeder Magnetkernteil ein monolithisches Vorderkernteil (320) und ein lamelliertes Hinterkernteil mit einer Vielzahl von gestapelten magnetischen Lamellen (326) umfaßt, die jeweils eine dem zentralen Steuerwicklungsfenster entsprechende im wesentlichen U-förmige zentrale Öffnung (324) besitzen, und in dem die graduell zunehmenden magnetischen Widerstände durch eine graduelle Zunahme der Tiefe der Lamellen jedes Kerns realisiert sind.

19. Magnetwandler nach Anspruch 18, in dem das monolithische Vorderkernteil (320) aus einem magnetischen Material mit einer leichten Magnetisierungsachse in Richtung senkrecht zur Wandlerspaltebene hergestellt ist.

20. Magnetwandler nach Anspruch 14, in dem die Steuerflußwege längs der Wandlerfläche in Bezug auf die anderen Teile des Kerns eine relativ kleinere Breite besitzen.

21. Magnetwandler nach Anspruch 2, in dem jeder Magnetkernteil einen Steuerflußweg in einer im wesentlichen senkrecht sowohl zur Wandlerspaltebene als auch zur Wandlerfläche verlaufenden Ebene bildet und die Ebenen Keilabschnitte enthalten, die in entgegengesetzten Richtungen auf beiden Seiten der Wandlerspaltebene und längs deren Breite graduell zunehmende Querschnittsbereiche besitzen, welche die graduell zunehmenden magnetischen Widerstände realisieren.

22. Magnetwandler nach Anspruch 2, in dem jeder Magnetkernteil einen im wesentlichen senkrecht sowohl zur Wandlerspaltebene als auch zur Wandlerfläche verlaufenden Steuerflußweg mit im wesentlichen konstanter Breite bildet und die Steuerflußwege in entgegengesetzten Richtungen auf beiden Seiten der Wandlerspaltebene und längs deren Breite graduell zunehmende Längen besitzen, wodurch die graduell zunehmenden magnetischen Widerstände gebildet werden.

23. Magnetwandler nach Anspruch 22, in dem jeder Magnetkernteil eine graduell zunehmende Tiefe in Richtung einer Wandlerspalttiefe besitzt und die Tiefen in jedem Kern in entgegengesetzten Richtungen längs der Breite des Wandlers zur Realisierung der graduell zunehmenden Flußweglängen zunehmen.

24. Magnetwandler nach Anspruch 22, in dem jeder Magnetkernteil eine Vielzahl von gestapelten magnetischen Lamellen umfaßt, die in jedem Kern in Richtung einer Wandlerspalttiefe längs der Wandlerbreite graduell zunehmende Tiefen besitzen.

25. Magnetwandler nach Anspruch 21, in dem die sich gegenüberstehenden Magnetkernteile aus einem monolithischen magnetischen Material hergestellt sind und in dem jeder Kern eine Öffnung (31, 32) zur Aufnahme jeweils einer der Steuerwicklungen besitzt.

26. Magnetwandler nach Anspruch 21, in dem jeder Magnetkernteil aus einer Vielzahl von gestapelten magnetischen Lamellen (72) hergestellt ist, die jeweils eine Öffnung zur Aufnahme der jeweiligen Steuerkupplung besitzen, und in dem die Öffnungen in aufeinanderfolgenden Lamellen jedes Stapels zur Realisierung des Winkelzusammenhangs fortschreitend versetzt sind.

27. Magnetwandler nach Anspruch 24, in dem jede Lamelle einen Steuerflußweg mit im wesentlichen konstanter Breite bildet.

28. Magnetwandler nach Anspruch 1, in dem die Steuermittel (38; 368, 39 : 368a) dazu dienen, einen Steuerfluß in einen der Kernteile einzuspeisen, um einen Bereich (57) des zugehörigen Flächenteils nahe einem Ende des Wandlers magnetisch zu sättigen und den verbleibenden Bereich des Flächenteils ungesättigt zu lassen, und weiterhin dazu dient, einen Steuerfluß in den anderen Kernteil einzuspeisen, um einen Bereich des dem anderen Kernteil nahe dem entgegengesetzten Ende des Wandlers zugeordneten Flächenteil (58) magnetisch zu sättigen und den verbleibenden Bereich dieses Flächenteils (58) in der Weise ungesättigt zu lassen, daß Teile der ungesättigten Bereiche der beiden Flächenteile (57, 58) in einer Richtung quer zur Breite des Spaltes benachbart zueinander liegen, um die permeable Wandlerzone (56) zu definieren, durch die der Wandlerfluß in die Flächenteile eintritt und aus diesen austritt.

29. Wandler nach Anspruch 1 oder 28, in dem jeder Kernteil (20, 21) einen Gradienten des magnetischen Widerstandes von einem Ende zum anderen in einer Richtung längs der Breite des Spaltes besitzt die Gradienten des magnetischen Widerstandes der Kernteile in entgegengesetzten Richtungen orientiert sind und jeder Flächenteil an dem Ende, das dem Ende des zugehörigen Kernteils mit kleinerem magnetischen Widerstand benachbart ist, magnetisch gesättigt wird.

30. Magnetwandler nach Anspruch 1 oder 28, in dem jeder Kernteil eine Vielzahl von durch nicht-magnetische leitende Lamellen (363) getrennte gestapelte magnetische Lamellen (361) besitzt, die Steuermittel jeweils eine über die Breite des entsprechenden Kernteils innerhalb der Wandlerspaltebene und dem entsprechenden Flächenteil in einem ausgewählten Abstand von diesen verlaufende leitende Treiberleitung (368) umfassen, die Treiberleitungen mit den leitenden Lamellen des entsprechenden Kernteils leitend verbunden sind; und in dem die leitenden Lamellen jedes Kernteils gekoppelt sind, um zur selektiven Sättigung der Flächenteile Steuerströme selektiv in die jeweiligen leitenden Treiberleitung einzuspeisen.

31. Magnetwandler nach Anspruch 30, in dem die Steuermittel zur graduellen Sättigung der Lamellen an den entsprechenden Flächenteilen in jeweils entgegengesetztem Sinn zwecks Bewegung der Wandlerzone ausgebildet sind.

32. Magnetwandler nach Anspruch 30, in dem die Steuermittel für jeden Kernteil jeweils eine Stromquelle (372), von der ein Pol mit einem Ende der entsprechenden leitenden Treiberleitung gekoppelt ist, sowie Umschaltmittel (429) zur selektiven Verbindung jeder leitenden Lamelle mit einem weiteren entgegengesetzten Pol der Stromquelle umfassen.

33. Magnetwandler nach Anspruch 32, in dem die Umschaltmittel (429) zur sequentiellen Verbindung benachbarter leitender Lamellen eines Kernteils in einer Richtung mit ihrer Stromquelle geschaltet sind, während benachbarte leitende Lamellen des Kernteils in dieser Richtung von ihrer Stromquelle abgeschaltet werden.

34. Magnetwandler nach Anspruch 30, in dem die Steuermittel (372, 429) zur selektiven Einspeisung jeweiliger Steuerströme in die leitenden Lamellen der Kernteile in entgegengesetzter Aufeinanderfolge ausgebildet sind, um in Folge eine Sättigung von Teilen ausgewählter magnetischer Lamellen zu realisieren, derart, daß zur Realisierung der permeablen Wandlerzone (386) wenigstens eine gegenüberstehende magnetische Lamelle jedes Kernteils nicht gesättigt ist.