DE2458398A1

DE2458398A1 - Phasen-messvorrichtung fuer ein bewegtes element

Info

Publication number: DE2458398A1
Application number: DE19742458398
Authority: DE
Inventors: Yoshimi Makino
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1973-12-12
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1975-06-19
Also published as: JPS5091348A; JPS5725766B2; DE2458398C2; FR2254818B1; NL7416226A; FR2254818A1; GB1492980A; US3993946A

Description

Tsu 3097

Sony Corporation, Tokyo / Japan

Phasen-Meßvorrichtung für ein bewegtes Element

Die Erfindung betrifft eine Phasen-Meßvorrichtung für ein bewegliches Element mit einer Reihe darauf angebrachter Magnete, insbesondere auf eine Phasen-Meßvorrichtung für ein magnetisch gesteuertes Signal, dessen Phasendifferenz mit hoher Genauigkeit ermittelt wird.

. Zur Bestimmung der Phasendifferenz eines magnetisch gesteuerten Signales finden bisher mit einer Vielzahl von Spalten versehene Magnetköpfe gemäß Fig. 1 Verwendung. Wie Fig. 1 zeigt, besitzen zwei Vielspalt-Magnetköpfe 20A, 20B eine Anzahl von Spalten g mit der Selektivität einer Wellenlänge. Die Vielspalt-Magnetköpfe 20A, 20B enthalten eine Anzahl von in Reihe miteinander geschalteten und in regelmäßigen Abständen angeordneten Magnetköpfen 20. Der Magnetkopf 20 trägt einen Kern 21, auf den eine Spule 22 aufgebracht ist,

"Selektivität einer Wellenlänge" bedeutet die Funktion, aus einem zusammengesetzten Signal verschiedener Frequenzkomponenten selektiv Signale mit bestimmten Frequenzen herauszufinden. Stellen die Vielspalt-Magnetköpfe wiederholte magnetische Flußänderungen (erzeugt durch die Reihe der Magnete) fest, so bedeutet der Ausdruck "Wellenlängen-Selektivität" die Funktion, selektiv Flußänderungen fest-

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zustellen, deren Wellenlängen den zweifachen, vierfachen, sechsfachen usw. Wert des Abstandes zwischen benachbarten Spalten des Vielspalt-Magnetkopfes betragen.

Läuft ein normaler Magnetkopf parallel zur Reihe der Magnete, so ändert sich die Frequenz und Amplitude des festgestellten sinusförmigen Ausgangssignales mit der Laufgeschwindigkeit des Magnetkopfes. Bleibt der Magnetkopf stehen, so liefert er kein Ausgangssignal.

Bei einer bekannten Meßvorrichtung wird dem in Fig. 2

dargestellten Magnetkopf 20 eine Wechselspannung mit

f
der Frequenz ■* zugeführt. Diese Wechselspannung reicht aus, um den Magnetkopf beinahe zu sättigen. Am Ausgangsanschluß 23 erhält man stets ein Ausgangssignal mit der Frequenz f. Bleibt der Magnetkopf 20 stehen, so liefert er ein Ausgangssignal entsprechend dem an der Stoppstelle vorhandenen Magnetfluß.

Die Vielspalt-Magnetköpfe 20A, 20B entsprechen sich hinsichtlich des Magnetflusses. Der Abstand zwischen den Vielspalt-Magnetköpfen 20A und 20B beträgt (n + -π-) Tvm, wobei η = 0, 1, 2 und 7\,m eine Wellenlänge darstellt (vgl. Fig. 1). Eine Wechselspannung V sin —^ t wird dem einen Vielspalt-Magnetkopf 20A zugeführt. Der andere Vielspalt-Magnetkopf 20B wird mit einer Wechselspannung V cos —~- t gespeist, die gegenüber der Spannung V sin -4j- t um 90° in der Phase verschoben ist. Werden die Vielspalt-Magnetköpfe 20A, 20B um χ aus der in Fig. 1 dargestellten Lage versetzt, unter Einhaltung des Abstandes zwischen diesen Magnetköpfen 20A, 20B, so ergeben sich an denJAusgangsanschlüssen 23, 23' folgende Ausgangsspannungen V. und V_ß:

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V. = .-h-.y sin tot* cos 4^- ^x .,.....,(1)

A Tllll

_. = h*V cos ißt ' sin ·=τ-^ χ .,.......(2)

χ? fv m

In den obigen Gleichungen ist h eine Konstante, die von der Form der Vielspalt-Magnetköpfe 20A₃ 2OB, von dem Spaltverlust, der Wellenlängen-Selektivität und von weiteren Einzelgrößen abhängt. Die Konstante wird durch den Abstand 7Ve zwischen benachbarten Spalten bestimmt, durch den Abstand (n + jr) %τα zwischen den Viel spalt-Magnetköpfen 2OA, 2OB, durch die Wellenlänge der aufgezeichneten Signale usw. Die Ausdrücke

2 /T¹"¹ 27f
cos τς— χ und sin s—— χ in den obigen Gleichungen stellen die Amplitudenänderungen der Ausgangsspannungen V. und V_R

2 If

dar. Die Trägerwelle V sin tut ist mit cos ,s-~- χ amplitudenmoduliert gegenüber der.Äusgangsspannung V.. Die Trägerwelle V cos 40t ist gegenüber der Aus gangs spannung V_n um

2 Ψ

sin —u* χ amplitudenmoduliert. Durch Addition der Aus-Tb¹¹¹

gangsspannung V. zur Ausgangsspannung V„ ergibt sich ein magnetisch gesteuertes Signal V_p:

V_p = V_{A +} V_B = h-Vsin (^t ₊|^x) (3)

Ist die Verschiebung χ ein geradzahliges Vielfaches der Wellenlänge Mn, so kann sie durch die Wellenlängen-Selektivität der Vielspalt-Magnetköpfe 2OA, 2OB ausgewertet werden. Ist dagegen die Verschiebung χ kein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge % m oder bleiben die Vielspalt-Magnetköpfe 2OA, 2OB an einer Stelle stehen, an der die Spalte g von der entsprechenden Grenzlinie zwischen benachbarten Magneten abweichen, so kann diese Abweichung nicht durch die Wellenlängen-Selektivität ausgewertet werden.

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Eine Phasendifferenz entsprechend einer Länge der Verschiebung, die kürzer als eine Wellenlänge "7V^m ist, kann mittels einer Meßmethode bestimmt werden, die eine Schaltung gemäß Fig. 3 benutzt.

Gemäß Fig. 3 wird ein Bezugssignal R einer Schmidt-Schaltung 25 zugeführt. Als Bezugssignal R wird ein Signal V sin tct verwendet, das in Fig. 4a dargestellt ist. Die Schmidt-Schaltung 25 erzeugt ein Rechtecksignal gemäß Fig. 4c. Fig. 4b veranschaulicht die Spannung V_p gemäß Gleichung 3. Die Spannung V_p ist

2 TT

gegenüber dem Bezugssignal R in der Phase um —— χ

A/m

verschoben. Sie wird einer weiteren Schmidt-Schaltung zugeführt, die das Rechtecksignal gemäß Fig. 4d liefert. Es ist gegenüber der Rechteckwelle der Fig. 4d in der

Phase um -=r-^· χ verschoben. Die Rechteckwellen der Fig. 4c /vm

und ¹Jd werden einer UND-Schaltung 27 zugeführt, die Impulse (gemäß Fig. 4e) mit der Breite ■—- χ liefert. Diese Impulse gelangen als Torsignale zu einer Torschaltung 28. Solange diese Impulse zugeführt werden, können Zählimpulse eines Zählimpulsgenerators 29 durch die Torschaltung 28 zum Ausgangsanschluß 30 gelangen. Fig. 4f zeigt das Ausgangssignal an diesem Ausgangsanschluß 30. Der Abstand zwischen benachbarten Zählimpulsen ist eine meßbare Einheit der Phasendifferenz, die als bestimmter Bruchteil der Wellenlänge 7\, m dargestellt wird. Die der

2 Tb
Phasendifferenz -~- χ entsprechende Länge kann somit durch Auszählen der Zählimpulse während eines Torintervalles gemessen werden.

In der Schaltung gemäß Fig. 3 bestimmt ein Integrator 31 die Richtung der Bewegung der Vielspalt-Magnetköpfe 20A, 20B. Werden,diese Magnetköpfe in Fig. 1 nach rechts

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bewegt, so liefert der Integrator 31 an seinem Ausgangsanschluß 32 ein Sägezahnsignal gemäß Fig. 4g. Bewegen sich die Magnetköpfe 2OA, 20B dagegen nach links (gemäß Fig. 1), so erhält man am Ausgangsanschluß 32 des Integrators das Sägezahnsignal gemäß Fig. 4h. Fig. 4g zeigt ein aufsteigendes und Fig. 4h ein absteigendes Sägezahnsignal. Durch Differentiation dieser Sägezahnsignale gemäß Fig. 4g bzw. 4h erhält man positive bzw. negative Impulse. Die Bewegungsrichtung der Vielspalt-Magnetköpfe 20A, 20B und damit die Richtung der Phasenänderung kann auf diese Weise festgestellt werden.

. Die oben beschriebene Meßmethode unter Verwendung von Vielspalt-Magnetköpfen ist mit zahlreichen Nachteilen behaftet. Die Magnetköpfe 20 benötigen Spulen und bedingen damit einen komplizierten Aufbau. Die Meßvorrichtung ist ferner empfindlich gegenüber Temperaturänderungen sowie Störeinflüssen äußerer Magnetfelder. Da ferner die Frequenz der Bezugsspannung doppelt so groß wie die der Spulenspeisespannung ist, wird eine Frequenz-Vervielfachung oder Teilung notwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Phasen-Meßvorrichtung für ein bewegtes Element mit darauf angebrachten Magneten zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Ausführungen vermeidet, bei der insbesondere die Ausgangssignale der Meßvorrichtungweniger verzerrt sind, die eine größere Genauigkeit besitzt, bei der die Frequenz des Bezugssignales gleich der Frequenz der Speisespannung ist, die sich weiterhin durch einen einfachen Aufbau, eine Unabhängigkeit von äußeren Temperatureinflüssen und von äußeren-Magnetfeldänderungen auszeichnet.

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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Schemadarstellung einer bekannten Meßvorrichtung für ein magnetisch gesteuertes Signal, unter Verwendung von Vielspalt-Magnetköpfen;

Fig. 2 eine schematische Stirnansicht eines einzelnen Magnetkopfes, der zu dem Vielspalt-Magnetkopf der Fig. 1 gehört;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer in der bekannten Meßvorrichtung verwendeten Phasendifferenzschaltung;

Fig. Ha bis Hh Diagramme zur Erläuterung der Funktion der bekannten Meßvorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 3;

Fig. 5 eine Aufsicht auf ein bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung verwendetes magnetoresistives Element;

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung des Prinzips des magnetoresistiven Elementes gemäß Fig. 5;

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung

zwischen einer Änderung der Ausgangsspannung des magnetoresistiven Elementes und der Richtung des auf das magnetoresistive Element wirkenden Magnetfeldes;

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Pig. 8 ein Ersatz-Schaltbild zu Pig. 5;

Pig. 9 'eine Schemadarstellung eines magnetoresistiven Vielfach-Elementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Pig. 10 bis 12 schematische Darstellungen anderer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer magnetoresistiver Vielfach-Elemente;

Fig. 13 eine Schemadarstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen den von einer Reihe von Magneten ausgehenden Signal-Magnetflüssen und einem magnetoresistiven Vielfach-Element;

Fig. m eine vergrößerte Aufsicht auf einen Teil eines magnetoresistiven Vielfach-Elementes;

Fig. 15 eine Aufsicht auf ein magnetoresistives Vielfach-Element ;

Fig. 16 eine Schemadarstellung zur Erläuterung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung für ein magnetisch gesteuertes Signal;

Fig. 17 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 18a, b und c Schemadarstellungen zur Erläuterung weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung;

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Fig. 19 eine perspektivische Ansicht einer rotierenden Magnet-Skala, bei der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzt ist.

Gegenstand der älteren Anmeldung P 24 33 645.6 (vom 12.7.1974) der Anmelderin ist ein neuartiges magnetoresistives Element. Gegenstand der weiteren Anmeldung P 24 53 540.8 ist ein magnetoresistives Vielfach-Element mit einer Wellenlängen-Selektivität unter Verwendung des magnetoresistiven Elementes der erstgenannten Anmeldung.

Im folgenden seien zunächst die Grundzüge des Gegenstandes der beiden erwähnten älteren Anmeldungen erläutert.

Das in Fig. 5 veranschaulichte magnetoresistive Element enthält auf einer aus Glas bestehenden Grundplatte 1 Filmstreifen A und B aus ferromagnetischem Material mit einem anisotropen magnetoresistiven Effekt, beispielsweise aus Nickel-Kobalt. Die Filmstreifen A und B sind im Vakuum-Auf dampf -Verfahr en auf die Grundplatte 1 aufgebracht. Sie können statt dessen auch auf der Grundplatte 1 in einem Ätzverfahren hergestellt werden, nachdem zuvor ein Film aus ferromagnetischem Material auf die ganze Oberfläche der Grundplatte 1 aufgebracht wurde. Die Streifen A und B enthalten eine Anzahl von Hauptstromwegteilen 2A, 2B und eine Anzahl von Verbindungsteilen 3A, 3B. Die Hauptstromwegteile 2A laufen senkrecht zu den Hauptstromwegteilen 2B. Ein Ende 4A des letzten Hauptstromwegteiles 2A ist mit dem einen Ende 4B des ersten Hauptstromwegteiles 2B verbunden. Demgemäß sind die Streifen A und B in Reihe miteinander geschaltet. Ein Ausgangsanschluß ist mit dem Verbindungspunkt der Streifen A und B verbunden

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Ein Stromzuführanschluß 7A ist mit dem Ende 6k des ersten Hauptstromwegteiles 2A verbunden; ein weiterer Stromzuführaischluß 7B ist an das eine Ende 6B des letzten Hauptstromwegteiles 2B angeschlossen.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, sind die Stromzuführanschlüsse 7A und 7B mit einer Stromquelle 8 verbunden·. Der Anschluß 7B liegt ferner an Masse. Auf diese Weise wird ein Meßkreis 9 zur Bestimmung der Richtung des Magnetfeldes H geschaffen.

Ein Magnetfeld H, das in seiner Stärke ausreicht, um die aus ferromagnetisehern Material bestehenden Streifen A und B zu sättigen, wirkt auf die Streifen A und B unter einem Winkel θ gegenüber der Längsrichtung der Hauptstromwegteile 2A des Streifens A. Die Widerstände ? _A und §_ß der Streifen A und B ergeben sich aus folgenden Gleichungen:

2 Q 2
" θ + >,, cos θ (H)

^B ⁼ ^l ^{cos29 +} %/ sin²e ....(5)

Hierbei ist Sj_- der Widerstand des ferromagnetisehen Streifens A bzw. B bei Sättigung durch ein Magnetfeld, das senkrecht zur Stromflußrichtung des ferromagnetisehen Streifens A oder B verläuft; 5// ist der Widerstand des ferromagnetischen Streifens bei Sättigung durch ein Magnetfeld, das parallel zur Stromflußrichtung des ferromagnetischen Streifens A bzw. B verlauft.

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Die Spannung Vg am Ausgangsanschluß 5 ergibt sich wie folgt: ' .

V = —

^Θ 9

wobei V_Q die Spannung der Stromlinie 8 ist. Setzt man die Gleichungen 4 und 5 in Gleichung 6 ein, so erhält man

V λ ^ cos 2Θ

ν = ° - 3-4 r-' V ■ (7)

θ . 2 2( C? , , + Q .) ^Vo ^Kl)i

wobeii-j- '.j

In der Gleichung 7 gibfr der erste Ausdruck eine Standard-Spannung V_o wieder (V = —%— ), während der zweite Ausdruck

S Si.

einer Änderung Δ Vq der Ausgangsspannung entspricht. Dieser zweite Ausdruck läßt sich umformen in

• cos 2Θ »V (8)

wobei 2 § = %, . +S_x bedeutet und $* der Widerstand des ferromagnetischen Streifens A oder B ist, wenn kein Magnetfeld auf den ferromagnetischen Streifen wirkt.

Wie Pig. 7 zeigt, ist die Änderung der Ausgangsspannung ein Minimum bei Richtungen 0° und l80° der Magnetfelder H und ein Maximum bei den Richtungen 90° und 270° der Magnetfelder H. Die Änderung der Ausgangsspannung verläuft sinusförmig.

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Pig. 8 zeigt ein Ersatz-Schaltbild zu Fig. 5. Da sich die Widerstände der ferromagnetischen Streifen A und B mit der Richtung des Magnetfeldes H ändern, können die ferromagnetischen Streifen A und B als veränderliche Widerstände betrachtet werden.

Im folgenden sei nun ein magnetoresistives Vielfach-Element erläutert, das die oben erwähnte Wellenlängen-Selektivität besitzt und eine Form aufweist, wie sie bei einem später erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet wird.

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines magnetoresistiven 'Vielfachelementes 10 und wiederholten Magnetpaaren 11 einer Reihe von Magneten. Die wiederholten Magnetpaare werden durch zahlreiche kleine Magnete gebildet. Die Länge von zwei benachbarten Magneten, d.h. die Wellenlänge der sich wiederholenden, magnetischen Flußänderungen, beträgt Twm. Bei dem magnetoresistiven Vielfach-Element ist eine magnetoresistive Streifengruppe A in Reihe zu einer anderen magnetoresistiven Streifengruppe B geschaltet. In der Gruppe A sind die beiden ferromagnetischen Streifen A gemäß Fig. 5 elektrisch miteinander in Reihe geschaltet. Der Abstand zwischen den beiden ferromagnetischen Streifen A beträgt 7^e (= ^p ). In entsprechender Weise sind in der Gruppe B die beiden ferromagnetischen Streifen B gemäß Fig. 5 elastisch miteinander in Reihe geschaltet. Der Abstand zwischen den beiden ferromagnetischen Streifen B beträgt Tu . Auch der Abstand zwischen dem rechten ferromagnetischen Streifen b der Gruppe A und dem linken ferromagnetischen Streifen c der Gruppe B beträgt 7v»_e. Ein Ausgangsanschluß 12 ist an einen Ver-

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bindungspunkt der Gruppen A und B angeschlossen. Die Stromquelle 8 ist mit dem linken ferromagnetischen Streifen a der Gruppe A verbunden. Der rechte ferromagnetische Streifen d der Gruppe B ist an Masse angeschlossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind für die Gruppen A und B jeweils zwei ferromagnetische Streifen A und B verwendet. Es können jedoch für die Gruppen A und B ganz allgemein n-ferromagnetische Streifen A und B benutzt werden, wobei η = 2, 3, M ....

Werden die magnetoresistiven Streifen a, b, c und d nahe den Mittelteilen der Magnete angeordnet, die die Magnetpaare 11 bilden, so wirken die Magnetfelder H auf die magnetoresistiven Streifen a, b, c und d unter Winkeln von 90°, 270°, 90° und 270°; man erhält daher am Ausgangsanschluß 12 des magnetoresistiven Vielfach-Elementes 10 eine maximale Ausgangsspannung (vgl. Fig. 7)·

Sind die Abstände zwischen den magnetoresistiven Streifen a' und b¹, b» und c', c» und d' nicht gleich -^ , wie in Pig. 9 gestrichät angedeutet, so verringert sich die Ausgangsspannung. Demgemäß kann das magnetoresistive Vielfach-Element eine Wellenlängenselektivität besitzen und kann genau die Länge von drei Wellen ausmessen, wenn

\» = -^r ist. Wenn K = -^ k (wobei k = 1, 2, 3 .·.), so wc e <~

wirken, allgemein ausgedrückt, die Magnetfelder H auf die magnetoresistiven Streifen a, b, c und d unter demselben Winkel oder unter Winkeln, die gegeneinander um l80° verschoben sind; das magnetoresistive Vielfach-Element besitzt daher Wellenlängen-Selektivität. Die Komponenten der Wellenlängen, die durch das magnetoresistive Vielfach-Element ausgewertet werden können, vergrößer sich mit der Zahl der magnetoresistiven Streifen. Die Meßgenauigkeit kann daher durch die Anzahl der magnetoresistiven Streifen verbessert werden.

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Pig. 10 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel für die Formgebung des magnetoresistiven Vielfach-Elementes. Die Gruppen A und B liegen durch eine Isolierschicht oder eine Grundplatte getrennt über—einander.

Fig. 11 und 12 zeigen weitere Formen des magnetoresistiven Vielfach-Elementes. '

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 11 werden nur ferromagnetische Streifen des Typs A verwendet. Die Gruppen A und A-¹- sind elektrisch in Reihe miteinander geschaltet. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. B sind nur ferromagnetische Streifen des Typs B verwendet. Die Gruppen B und B' sind auch hier elektrisch in Reihe miteinander geschaltet. Der Abstand % · zwischen den Gruppen A und A¹ oder zwischen den Gruppen B und B' ist gleich (| k + }■■)"^m (vgl. Fig. 11 und 12). Wirkt das Magnetfeld H auf den magnetoresistiven Streifen b der Gruppe A unter " einem Winkel von 90°, so wirkt es auf den magnetoresistiven Streifen c der Gruppe A¹ unter dem Winkel 0° (vgl. Fig.13) Das Magnetfeld H wirkt auf den magnetoresistiven Streifen c des ferromagnetisehen Streifens d unter dem Winkel 90° bzw. 270°. Demgemäß wirkt das Magnetfeld H auf das ganze magnetoresistive Vielfach-Element 10 der Fig. 9 unter dem Winkel 90° bzw. 270°. Ein Ausgangsanschluß 12 nimmt

daher eine maximale Ausgangsspannung ab; das magnetoresistive Vielfach-Element 10 besitzt demzufolge Wellenlängen-Selektivität.

Fig. 14 zeigt eine vergrößerte Aufsicht auf einen Teil des magnetoresistiven Vielfach-Elementes 10 gemäß Fig. ll. Verbindungsteile 45 der magnetoresistiven Streifen A sind aus ferromagnetisehen Filmen hergestellt. Die

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Breite W der Verbindungsteile 45 ist so groß, daß sich der Widerstand des Verbindungsteiles 45 mit dem äußeren Magnetfeld nicht ändert. Die Breite W ist praktisch etwa, zehnmal so groß wie die Breite w des Hauptstromteiles 2A.

Fig. 15 zeigt eine Aufsicht auf die Gesamtanordnung des magnetoresistiven Vielfach-Elementes 10, wie es bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Auf der Grundplatte 1 sind zwei Gruppen A oder B und A' oder B' vorgesehen. Die Gruppen A oder B und.A¹ oder B' enthalten jeweils 10 magnetoresistive Streifen, die durch die Verbindungsteile 45 miteinander verbunden sind. Auf der Grundplatte 1 sind außerdem noch die Stromzuführanschlüsse 7A, 7B und der Ausgangsanschluß 12 ausgebildet.

Erfindungsgemäß werden zwei der oben erläuterten magnetoresistiven Vielfach-Elemente benutzt. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher erläutert.

Gemäß Fig. 16 sind Ausgangsanschlüsse 4lA, 4lB mit magnetoresistiven Vielfach-Elementen 4OA, 40B verbunden. Parallel-Widerstände 42A, 42B mit beweglichen Kontakten 43A, 43B bilden zusammen mit den magnetoresistiven Vielfach-Elementen 40A, 40B Brücken. Eine Wechselspannungsquelle 44a mit einer Spannung ν sin ύύ t ist an das magnetoresistive Vielfach-Element 40A angeschlossen, während eine Wechselstromquelle 44B mit einer Spannung ν cosoit (diese mit gegenüber der Spannung V sinWt um 90° phasenverschoben ist), ist an das magnetoresistive Vielfach-Element 40B angeschaltet. Die beiden Elemente 4OA und 40B sind um einen

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Abstand d = (-^m + 7τ)7γ,ΐη voneinander getrennt, wobei m = 0, 1, 2, 3 ··.· Der Abstand d ist zwischen dem letzten magnetoresistiven Streifen des magnetoresistiven Vielfach-

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Elementes 40A und dem ersten magnetoresistiven Streifen des magnetoresistiven Vielfach-Elementes 40B gemessen (vgl. Fig. 16).

Die Ausgangsspannungen V. und V„ an den Ausgangsanschlüssen 41A und 4lB lassen sich wie folgt ermitteln: Es werden die Richtungen der zusammengesetzten magnetischen Flüsse gegenüber den ferromagnetischen Streifen A und B ermittelt. Demgemäß erhält man bezüglich der ferromagnetischen Streifen A und B die Gesamtwiderstände §_A0 und §_ß0 die sich mit den Richtungen der zusammengesetzten Magnetflüsse ändern. Die Aus gangs spannung v\. und V_ß ergibt sich aus folgenden Gleichungen:

_{V =} . V sin^t = 3AO + >

B0

sin wfcos (— 1 + ^- x ) (9)

m Am

cosiüt =

sin (H 1 ₊ OLx) (10)

Hierbei bedeutet 1 die Breite der ferromagnetischen Streifen A oder B und D eine Konstante für das ferromagnetische Vielfach-Element 40A bzw. 40B, entsprechend der Konstanten h in den Gleichungen 6 und 7.

Der erste Ausdruck in den Gleichungen 9 und 10 entspricht Bezugsspannungen, die jedoch ausgelöscht werden durch die Differentialfunktion der Brücken, die die Parallel-Widerstände 42A und 42B enthalten. Demgemäß ergeben sich zwischen

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den Ausgangsanschlüssen 4lA und 43A bzw. zwischen den Ausgangsanschlüssen 4lB und 43B Ausgangsspannungen ^V. und ΔV_n gemäß folgenden Beziehungen:

AV_A = D'V slnO)t · cos (|-^ 1 + ~A _x) (n)

t »sin (^l ₊ ij|x) .........(12)

Diese Gleichungen 11 und 12 entsprechen den Gleichungen 1 bzw. 2. Die Trägerwellen V sin^üt und V cos£*>t sind bezüglich der Ausgangsspannungen AV und Δν amplitudenmoduliert. Die Ausgangsspannung AVgWird von der Ausgangsspannung ÄV. subtrahiert:

kit Verglichen mit Gleichung 3 ist die Phasendifferenz ^— χ

doppelt so groß wie -^- x. Da ^— 1 eine Konstante ist,

7um /um ij ß-

wird die Messung bezüglich der Phasendifferenz =-— χ ausgeführt.

Bei der Messung wird das magnetisch gesteuerte Signal Δν_{Λ n} der Schmidt-Schaltung 26 zugeführt.; die Spannunp V sin£üt gelangt als Bezugssignal R zur Schmidt-Schaltung 25 (vgl. die Meßschaltung gemäß Fig. 3). Torimpulse mit

2 7Γ 4 I^
der Breite (^rt ^β1 + —— x) werden dann von der UND-Schaltung 27 geliefert.

Fig. 17 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Magnetoresistive Vielfach-Elemente 4OA' und 40B· bilden zusammen mit den magnetoresistiven Vielfach-Elementen 40A und 40B (anstelle der Parallel-Widerstände 42A und 4 2B gemäß Fig. 16) Brücken. In den Gleichungen 9 und 10 können

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dann wie beim ersten Ausführungsbeispiel der Pig. 16 die ersten Ausdrücke gestrichen werden.

Die Fig. l8a, b und c zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Hierbei können die magnetoresistiven Vielfach-Elemente 40A und 40B von Pig. Il oder 12 verwendet werden. Ein magnetoresistives Vielfach-Element ist teilweise über den anderen magnetoresistiven Element angeordnet.

Gemäß Fig. 18a bilden die nicht dargestellten Parallel-Widerstände 42A und 42B zusammennit den magnetoresistiven Elementen 4OA und ¹IOB Brücken, wie bei der Ausführung gemäß Fig. 16. Bei den Anordnungen der Fig. 18b und l8c bilden die magnetoresistiven Vielfach-Elemente 4üA' und ¹IOB¹ Brücken zusammen mit den magnetoresistiven Vielfach-Elementen ¹IOA und ¹IOB (wie im Falle der Fig. 17). Bei den Fig. 18a, b und c ist d=(-|· m + -g·) 7Lm und d¹ = (λ' = |- k + ^) Ttm, wobei m und k = 0, 1, 2, 3 ··. Die Verbindungen sind dieselben wie bei den Ausführungsbe.ispielen der Fig. 16 und 17.

Fig. 19 veranschaulicht ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel der Erfindung. Hierbei ist eine rotierende Trommel, die an ihrem Umfang eine Reihe von Magneten trägt, mit einem magnetoresistiven Vielfach-Element kombiniert.

Gemäß Fig. 19 ist eine rotierende Trommel 47 auf einer Welle 46 befestigt. Eine stationäre, ringförmige Grundplatte 1 ist konzentrisch zur rotierenden Trommel 47 angeordnet. Am Umfang der rotierenden Trommel 47 ist eine Reihe von Magneten 11 ausgebildet bzw. angeordnet. Auf der Oberseite der ringförmigen Grundplatte 1 sind eine Anzahl von magnetoresistiven Vielfach-Elementen

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und 4OA₂ vorgesehen, und zwar sehr nahe an der Reihe der Magnete 11. Diese magnetoresistiven Vielfach-Elemente ¹IOA. und ¹JOAp sind miteinander in der Art des Ausführungsbeispieles der Fig. 17 verbunden. Auf diese Weise kann der Phasenwinkel der Drehbewegung der Trommel ¹17 festgestellt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird im Gegensatz zu der üblichen Ausführung mit Vielspalt-Magnetköpfen keine Erregerspule benötigt, und es. ergibt sich eine sehr einfache Konstruktion. Da bei den bekannten Ausführungen mit Vielspalt-Magnetköpfen die Frequenz der Ausgangsspannung doppelt so groß wie die Frequenz der der Erregerspule zugeführten Eingangsspannung ist, muß das Bezugssignal R gesondert bereitgestellt werden. Demgegenüber kann bei der erfindungsgemäßen Lösung die Spannung der Wechselstromquelle gleich als Bezugssignal R benutzt werden. Da ferner die Spannung der Trägerwelle einem einfachen Widerstand und nicht einer Erregerspule zugeführt wird, ergibt sich im Ausgangssignal eine geringere Verzerrung. Nachdem die Frequenz nicht begrenzt ist, bereitet die Dimensionierung der Schaltung keine Schwierigkeiten. Eine Erhöhung der Meßgenauigkeit ergibt sich schließlich aus der Tatsache, daß die Phasendifferenz für die Messung vom Wert (-^j- χ > »r-™-· χ).

Das magnetoresistive Element wird in einem Sättigungs-Magnetfeld verwendet. Es wird infolgedessen durch ein äußeres Magnetfeld oder durch ein nicht gleichmäßiges Magnetfeld der Reihe der Magnete nicht beeinträchtigt. Wenngleich sich der Widerstand des magnetoresistiven Elementes mit der Temperatur ändert, sind die Änderungen

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von Δ % und $ sehr klein, da sich S. . und >_x in der Gleichung-4 gleichzeitig mit der Temperatur ändern. Die Ausgangsspannung wird demgemäß durch Temperaturänderungen kaum beeinflußt.

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Claims

- 20 Patentansprüche

1.) Meßvorrichtung zur Bestimmung eines Synchronismus zwischen einem bewegten Element mit davon getragenen magnetischen Elementen und einem Bezugssignal, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Stromquelle magnetoresistive Elemente angeschlossen sind, die nahe, den magnetischen Elementen angeordnet sind, und daß ferner Vergleichselemente vorgesehen sind, die eine Phasendifferenz zwischen dem Bezugssignal und einem magnetisch gesteuerten Signal ermitteln, das von der Stromquelle zusammen mit den magnetoresistiven Elementen und den magnetischen Elementen erzeugt wird.

2. Meßvorrichtung zur Bestimmung eines Synchronismus zwischen einem bewegten Element mit davon getragenen magnetischen Elementen und einem Bezugssignal, gekennzeichnet durch:

a) magnetische Elemente;

b) erste und zweite magnetoresistive Elemente, die voneinander um einen vorbestimmten Abstand entfernte und nahe den magnetischen Elementen angeordnet sind, wobei jedes dieser magnetoresistiven Elemente erste und zweite magnetoresistive Streifengruppen aus ferromagnetische!!! Material enthält, wobei die erste und zweite Gruppe elektrisch in Reihe miteinander geschaltet und voneinander urn einen vorbestimmten Abstand entfernt· sind und wobei ferner die magnetoresistiven Streifengruppen mit den magnetoresistiven Streifen elektrisch miteinandei in Reihe geschaltet

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und voneinander um einen vorbestimmten Abstand entfernt sind;

c) einen Ausgangsanschluß, der mit einem Verbindungspunkt zwischen den ersten und zweiten magnetoresistiven Streifengruppen jedes magnetoresistiven Elementes verbunden ist;

d) Stromzuführanschlüsse, die mit den beiden Enden jedes der magnetoresistiven Elemente verbunden sind;

e) eine erste Wechselstromquelle, die zwischen die Stromzuführanschlüsse des ersten magnetoresistiven Elementes geschaltet ist;

f) sowie eine zweite Wechselstromquelle, deren Spannung gegenüber der Spannung der ersten" Wechselstromquelle um 90 in der Phase verschoben ist und die zwischen die Stromzuführanschlüsse des zweiten magnetoresistiven Elementes geschaltet ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand zwischen den ersten und zweiten magnetoresistiven Elementen

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gleich ( Tj m + £ ) "Km ist, wobei m = 0, 1, 2 ... und A^

der Wellenlänge einer Kombination von zwei benachbarten Magneten unter den magnetischen Elementen entspricht.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstände zusammen mit den ersten und zweiten magnetoresistiven Elementen zwei Brücken bilden.

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5. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch weitere Widerstände zusammen mit weiteren magnetoresistiven Elementen weitere Brückenpaare gebildet werden.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal einer Brücke vom Ausgangssignal der anderen Brücke zur Bildung eines Differenz-Ausgangssignales subtrahiert wird.

7. Meßvorrichtung zur Messung einer Phasen-Differenz zwischen einem bewegten Element mit davon getragenen magnetischen Elementen sowie einem.Bezugssignal, gekennzeichnet durch:

a) erste und zweite magnetoresistive Elemente, die voneinander um einen vorbestimmten Abstand entfernt und nahe an magnetischen Elementen angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Elemente aus ersten und zweiten Streifengruppen aus ferromagnetschem Material bestehen, wobei ferner die ersten und zweiten Gruppen in Reihe miteinander geschaltet und voneinander um einen vorbestimmten Abstand entfernt sind und zwischen sich einen Ausgangsanschluß bilden, und wobei weiterhin die Streifengruppen in Reihe miteinander geschaltete und voneinander um einen vorgegebenen Abstand entfernte magnetoresistive Streifen enthalten;

b) eine erste Stromquelle, die zwischen die äußeren Enden des ersten Elementes geschaltet ist;

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c) eine- zweite Stromquelle, die zwischen die äußeren Enden des zweiten Elementes geschaltet ist und gegenüber der ersten Stromquelle eine Phasenverschiebung von 90° aufweist. .

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- ' zeichnet, daß die magnetischen'Elemente eine Reihe von Magneten bilden. ■''-·■

9. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstände zusammen mit den ersten und zweiten Elementen ein Paar Brücken bilden.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignalder einen Brücke zwecks Bildung eines Differeriz-Ausgangssignales vom Ausgangssignal der einen Brücke zwecks Bildung eines Differenz-Ausgangssignales vom Ausgangssignäl der anderen Brücke subtrahiert wird.

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenz-Ausgangssignal und das Bezugssignal einer Phasenvergleichsschaltung zur Bestimmung der Phasendifferenz zugeführt werden, wobei das Bezugssignal dieselbe Frequenz wie die erste und zweite Stromquelle besitzt.

12. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Paare anderer magnetoresistiver Elemente gleichfalls nahe den magnetischen Elementen angeordnet sind. '

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13. Verfahren zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen einem bewegten Element und hiervon getragenen magnetische Elementen und einer Bezugsfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß

a) erste und zweite magnetoresistive Elemente nahe den magnetischen Elementen angeordnet werden,

b) daß das erste Element von einer ersten Wechselstromquelle und das zweite Element von einer zweiten Wechselstromquelle gespeist wird, die um gegenüber der ersten Stromquelle phasenverschoben ist,

c) daß die Ausgangssignale der ersten und zweiten Elemente zur Bildung eines magnetisch gesteuerten Signales kombiniert werden,

d) daß dieses magnetisch gesteuerte Signal mit der Bezugsfrequenz verglichen wird, wobei die Frequenz der Wechselstromquellen dieselbe ist wie die Bezugsfrequenz und daß

e) die Phasendifferenz durch den Vergleich des magnetisch gesteuerten Signales mit der Bezugsfrequenz bestimmt w ird.

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