DE2458398C2

DE2458398C2 -

Info

Publication number: DE2458398C2
Application number: DE2458398A
Authority: DE
Inventors: Yoshimi Fujisawa Kanagawa Jp Makino
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1973-12-12
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1988-09-08
Also published as: DE2458398A1; FR2254818A1; US3993946A; NL7416226A; JPS5091348A; JPS5725766B2; FR2254818B1; GB1492980A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1) zur Messung der Phasendifferenz zwischen einem bewegten mechanischen Objekt und einem elektrischen Bezugssignal.

Eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist durch die US-PS 35 97 749 bekannt. Die beiden magnetfeldempfindlichen Elemente des ortsfesten Meßumformers werden hierbei durch zwei Magnetköpfe gebildet, die im Abstand von (n + 1/4) λ angeordnet sind und je zwei Spulen tragen (λ ist hierbei die Wellenlänge der Anordnung der an dem bewegten mechanischen Objekt vorgesehenen magnetischen Element).

Eine derartige Vorrichtung ist mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Der ortsfeste Meßumformer besitzt einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau. Die Meßvorrichtung ist ferner empfindlich gegenüber Temperaturänderungen sowie Störeinflüssen äußerer Magnetfelder. Da ferner die Frequenz des elektrischen Bezugssignales doppelt so groß wie die Speise spannung der Spulen des Meßumformers ist, muß eine Frequenzteilung vorgenommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß sich bei einfachem Aufbau der Vorrichtung und weitgehender Unabhängigkeit von äußeren Temperatureinflüssen und äußeren Magnetfeldänderungen eine hohe Meßgenauigkeit ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein bei der erfindungs gemäßen Meßvorrichtung verwendetes magnetoresistives Element,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung des Prinzips des magnetoresistiven Elementes gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen einer Änderung der Ausgangs spannung des magnetoresistiven Elementes gemäß Fig. 1 und der Richtung des auf das magnetoresistive Element wirkenden Magnetfeldes,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild zu Fig. 1,

Fig. 5 eine Schemadarstellung eines Ausführungsbeispieles der erfindungs gemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig. 7a, b und c Schemadarstellungen zur Erläuterung weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Das in Fig. 1 veranschaulichte magnetoresistive Element enthält auf einer aus Glas bestehenden Grundplatte 1 zwei miteinander in Reihe geschaltete Gruppen A, B von magnetoresistiven Streifen aus ferromagnetischem Material mit einem anisotropen magnetoresistiven Effekt, beispielsweise aus Nickel-Kobalt. Die Gruppen A, B der magneto resistiven Streifen sind im Vakuum-Aufdampfverfahren auf die Grundplatte 1 aufgebracht. Sie können stattdessen 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 magnetoresistiven Streifen enthalten Streifenabschnitte 2 A, 2 B und Verbindungsabschnitte 3 A, 3 B. Die Streifenabschnitte 2 A der Gruppe A laufen senkrecht zu den Streifenabschnitten 2 B der Gruppe B. Ein Endabschnitt 4 A der Gruppe A ist mit einem Endabschnitt 4 B der Gruppe B verbunden, so daß die beiden Gruppen A, B in Reihe geschaltet sind. Ein Ausgang 5 ist an die Verbindungsstelle der Gruppen A und B angeschlossen. Ein Stromzuführ anschluß 7 A ist mit einem Endabschnitt 6 A der Gruppe A verbunden; ein weiterer Stromzuführanschluß 7 B ist an einen Endabschnitt 6 B der Gruppe B angeschlossen.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Stromzuführanschlüsse 7 A, 7 B mit einer Stromquelle 8 verbunden. Der Anschluß 7 B liegt ferner an Masse. Auf diese Weise wird ein Meßkreis 9 zur Bestimmung der Richtung eines Magnetkreises zur Bestimmung der Richtung eines Magnetfeldes H gebildet.

Ein Magnetfeld H, das in seiner Stärke ausreicht, um die magnetoresistiven Streifen zu sättigen, wirkt auf die Streifen der Gruppen A, B unter einem Winkel R gegenüber der Längsrichtung der Streifenabschnitte 2 A gegenüber der Längsrichtung der Streifenabschnitte 2 A der Gruppe A. Die Wider stände ρ _A und ρ _B der Streifen der Gruppen A, B ergeben sich aus folgenden Gleichungen

ρ _A = ρ _⟂ sin²R + p _II cos² R (1)

ρ _B = ρ _⟂ cos²R+ p _II sin²R (2)

Hierbei ist ρ _⟂ der Widerstand der Streifengruppe A bzw. B bei Sättigung durch ein Magnetfeld, das senkrecht zur Stromflußrichtung der Streifengruppe A bzw. B verläuft; ρ _II ist der Widerstand der Streifengruppe bei Sättigung durch ein Magnetfeld, das parallel zur Stromflußrichtung der Streifengruppe A bzw. B verläuft.

Die Spannung V _R am Ausgang 5 ergibt sich wie folgt:

wobei V₀ die Spannung der Stromquelle 8 ist. Setzt man die Gleichungen 1 und 2 in Gleichung 3 ein, so erhält man

wobei Δ ρ = ρ _II - ρ _⟂.

In der Gleichung 4 gibt der erste Ausdruck eine Standardspannung V _s wieder (V _s = V₀/2), während der zweite Ausdruck einer Änderung Δ V _R der Ausgangs spannung entspricht.

Dieser zweite Ausdruck läßt sich umformen in

wobei 2ρ₀ = ρ _II + ρ _⟂ bedeutet und ρ₀ der Widerstand der Streifengruppe A bzw. B ist, wenn kein Magnetfeld auf das magnetoresistive Element wirkt.

Wie Fig. 4 zeigt, ist die Änderung der Ausgangs spannung ein Minimum, wenn das Magnetfeld H eine Richtung von 0° bzw. 180° aufweist, dagegen ein Maximum bei der Richtung 90° und 270°. Die Änderung der Ausgangsspannung verläuft sinusförmig.

Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild zu Fig. 1. Da sich die Widerstände der Streifengruppen A und B mit der Richtung des Magnetfeldes H ändern, können die Streifengruppen A und B als veränderliche Wider stände betrachtet werden.

Anhand der Fig. 5 sei nun ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung veranschau licht.

Es enthält zwei magnetoresistive Elemente 40 A, 40 B, die aus je zwei miteinander in Reihe geschalteten Gruppen A, B von magnetoresistiven Streifen bestehen, deren Stromleitfähigkeitsrichtungen (wie anhand von Fig. 1 erläutert) senkrecht zueinander liegen. Die magnetoresistiven Elemente 40 A, 40 B weisen Ausgänge 41 A, 41 B auf und sind mit parallel geschalteten Widerständen 42 A, 42 B mit beweglichen Kontakten 43 A, 43 B verbunden. Die Widerstände 42 A, 42 B bilden zusammen mit den magnetoresistiven Elementen 40 A, 40 B je eine Brücke. Eine Wechselstromquelle 44 A mit einer Spannung V sin ω t ist an das magnetoresistive Element 40 A angeschlossen, während eine Wechselstromquelle 44 B mit einer Spannung V cos ω t (die somit gegenüber der Spannung V sin ω t um 90° phasenverschoben ist) mit dem magnetoresistiven Element 40 B verbunden ist.

Die beiden magnetoresistiven Elemente 40 A, 40 B sind um einen Abstand d = (1/2 m + 1/8) λ _m voneinander getrennt, wobei m = 0, 1, 2, 3, . . . . Der Abstand d wird hierbei zwischen dem letzten magnetoresistiven Streifen der Gruppe B des Elementes 40 A und dem ersten Streifen der Gruppe A des Elementes 40 B gemessen (vgl. Fig. 5).

Die Ausgangsspannungen V _A und V _B an den Ausgängen 41 A, 41 B lassen sich wie folgt ermitteln: Es werden die Richtungen der zusammengesetzten magnetischen Flüsse gegenüber den Streifengruppen A und B ermittelt. Man erhält dann für die Streifen gruppen A und B die Gesamtwiderstände ρ _A0 und ρ _B0, die sich mit den Richtungen der zusammengesetzten Magnetflüsse ändern. Die Ausgangsspannung V _A und V _B ergibt sich aus folgenden Gleichungen

Hierbei bedeutet 1 die Breite der Streifengruppe A bzw. B und D eine Konstante für die magnetoresistiven Elemente 40 A bzw. 40 B.

Der erste Ausdruck in den Gleichungen 6 und 7 entspricht Bezugsspannungen, die jedoch durch die Brücken mit den Widerständen 42 A, 42 B ausgelöscht werden. Demgemäß ergeben sich zwischen dem Ausgang 41 A und dem beweglichen Kontakt 43 A bzw. zwischen dem Ausgang 41 B und dem beweglichen Kontakt 43 B Spannungen Δ V _A bzw. Δ V _B gemäß folgenden Beziehungen

Subtrahiert man Δ V _B von Δ V _A, so erhält man die zwischen den Ausgängenn 41 A, 41 B auftretende Ausgangs spannung Δ V _A-B. In den Gleichungen 6 bis 9 bedeutet dabei x die Relativbewegung zwischen dem mit den magnetischen Elementen versehenen bewegten mechanischen Objekt 11 und dem ortsfesten Meßumformer mit den magnetoresistiven Elementen 40 A, 40 B.

Eine nicht veranschaulichte Meßschaltung, die das Signal Δ V _A-B verarbeitet, wertet die Phasen differenz

aus.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten weiteren Ausführungs beispiel der Erfindung bilden magnetoresistive Elemente 40 A, 40 A′ und 40 B, 40 B′ zwei Brücken.

Die Fig. 7a, b und c zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die magnetoresistiven Elemente sind hierbei teilweise übereinander angeordnet.

Gemäß Fig. 7a bilden die nicht dargestellten parallel geschalteten Widerstände 42 A, 42 B zusammen mit den magnetoresistiven Elementen 40 A, 40 B Brücken wie bei der Ausführung gemäß Fig. 5. Bei den Anordnungen der Fig. 7b und 7c bilden die magnetoresistiven Elemente 40 A′, 40 B′ Brücken zusammen mit den magnetoresistiven Elementen 40 A, 40 B (wie beim Ausführungs beispiel der Fig. 6). Für die Ausführungen gemäß den Fig. 7a, b und c gilt: d = (1/2m + 1/8) g _m und d′ = (1/2k + 1/4) λ _m, wobei m und k = 0, 1, 2, 3, . . . . Die Verbindungen sind dieselben wie bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 und 6.

Bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung werden im Unterschied zu der eingangs genannten bekannten Ausführung keine mit Erregerspulen versehene Magnet köpfe benötigt, und es ergibt sich eine sehr einfache Konstruktion. Während bei der bekannten Ausführung die Frequenz der Ausgangsspannung doppelt so groß wie die Frequenz der der Erregerspule zugeführten Eingangsspannung ist, so daß das Bezugssignal gesondert bereitgestellt werden muß, kann bei der erfindungsgemäßen Lösung die Spannung der Wechselstromquelle gleich als Bezugssignal benutzt werden. Da ferner die Spannung der Trägerwelle einem einfachen Widerstand und nicht einer Erregerspule zugeführt wird, ergibt sich im Ausgangssignal eine geringe Verzerrung. Nachdem die Frequenz nicht begrenzt ist, bereitet die Dimensionierung der Schaltung keine Schwierigkeiten. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zeichnet sich schließlich durch eine hohe Meßgenauigkeit aus.

Da das magnetoresistive Element in einem Sättigungs- Magnetfeld verwendet wird, ergibt sich keine Beeinträchtigung durch ein äußeres Magnetfeld oder durch mangelnde Gleichmäßigkeit der vom bewegten mechanischen Objekt getragenen magnetischen Elemente. Wenngleich sich der Widerstand des magnetoresistiven Elementes mit der Temperatur ändert, wird die Ausgangsspannung durch Temperaturänderungen kaum beeinflußt.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Phasendifferenz zwischen einem bewegten mechanischen Objekt und einem elektrischen Bezugssignal, wobei das bewegte mechanische Objekt eine Anzahl von magnetischen Elementen trägt, die in einem ortsfesten Meßumformer ein bewegungs abhängiges Signal erzeugen und wobei der Meß umformer zwei längs der Bewegungsbahn des bewegten mechanischen Objektes in einem vor bestimmten Abstand voneinander angeordnete, magnetfeldempfindliche Elemente enthält, von denen das erste Element mit einer ersten Wechselstromquelle und das zweite Element mit einer zweiten Wechselstromquelle verbunden ist, die gegenüber der ersten eine phasen verschobene Spannung besitzt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Abstand der als magnetoresistive Elemente (40 A, 40 B) ausgebildeten magnetfeld empfindlichen Elemente des Meßumformers beträgt (1/2 m + 1/8) λ _m, wobei λ _m die Wellen länge der Anordnung der magnetischen Elemente bedeutet und m = 0,1, 2..;
b) jedes der beiden magnetoresistiven Elemente (40 A, 40 B) besteht aus zwei miteinander in Reihe geschalteten Gruppen (A, B) von magneto resistiven Streifen, deren Stromleitfähigkeits richtungen senkrecht zueinander liegen, wobei die beiden Enden der magnetoresistiven Elemente (40 A, 40 B) mit der ersten bzw. zweiten Wechselstromquelle (44 A bzw. 44 B) verbunden sind;
c) Ausgänge (41 A, 41 B) sind an die Verbindungs punkte der Streifengruppen (A, B) beider magnetoresistiven Elemente (40 A, 40 B) angeschlossen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente (40 A, 40 B) zusammen mit je einem Widerstand (42 A, 42 B) zwei Brücken bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der einen Brücke (40 A, 42 A) vom Ausgangssignal der anderen Brücke (40 B, 42 B) subrahiert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenz-Ausgangssignal und ein Bezugssignal einer Phasenvergleichsschaltung zur Bestimmung der Phasendifferenz zugeführt werden, wobei das Bezugssignal dieselbe Frequenz wie die beiden Wechselstromquellen (44 A, 44 B) besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei magnetoresistive Elemente (40 A, 40 A′, 40 B, 40 B′) zu je einer Brücke zusammengeschaltet sind.