DE2943369A1

DE2943369A1 - Magnetwiderstand-verschiebungsfuehler sowie signalverarbeitungsschaltung

Info

Publication number: DE2943369A1
Application number: DE19792943369
Authority: DE
Inventors: Akihisa Narimatsu; Hiroyuki Ohkubo
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1978-10-27
Filing date: 1979-10-26
Publication date: 1980-05-08
Also published as: GB2034053A; NL190968B; DE2943369C2; IT1124694B; JPH0145008B2; NL190968C; GB2034053B; IT7926851A0; SE455732B; JPS5559314A; US4429276A; CH659323A5; NL7907932A; SE7908903L; CA1140234A

Description

Cr. :■*. ·ι■'■· W. ,.'iliEH

i.J.cv

c.;^ .10. EOW MACHEN 22

26. Oktober 1979

Sony Corporation

7-35 Kitashinagawa 6-chome

Shinagawa-ku

Tokyo/Japan

Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler sowie Signalverarbeitungsschaltung dafür

Die Erfindung betrifft einen Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler bzw. -wandler, der mit einem magnetischen Gitter zusammenarbeitet zur Erfassung einer relativen Linear- oder Rotationsverschiebung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Erfassen der relativen Verschiebung eines magnetischen Gitters unter Verwendung von Fühlerelementen, die aus anisotropen magnetischen Widerstandsstreifen, kurz Magnetwiderstandsstreifen, bestehen, sowie auf eine Signalverarbeitungsvorrichtung dafür.

Bei einem bekannten Magnetwiderstand-Fühler bzw. -Wandler (US-PS 3 9^9 3*»5) besteht ein Magnetwiderstand-Fühlerelement aus einer ersten und einer zweiten Gruppe paralleler Streifen aus anisotropem Magnet_widerstand5»erkstoff wie beispielsweise Nickel-Kobalt oder Nickel-Eisen, das auf einem Isoliersubstrat niedergeschlagen oder von einer Schicht auf dem Isoliersubstrat

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geätzt ist. Die Streifen und deren sie verbindende Leiter sind vorzugsweise mittels üblicher Dünnfilmtechnik auf einem geeigneten Substrat wie Glas niedergeschlagen. Alle Streifen in einem Fühlerelement sind zwischen den Anschlüssen einer Spannungsquelle reihengeschaltet und ein Ausgangsanschluß ist an der Verbindungsstelle der ersten und der zweiten Gruppe der Streifen vorgesehen.

Ein anisotroper magnetischer Widerstandswerkstoff, kurz Magnetwiderstandswerkstoff, besitzt einen spezifischen Widerstand, der sich abhängig von der Richtung des angelegten Magnetfeldes ändert. Wenn ein Magnetfeld senkrecht zum Strom in den Streifen ist, ist deren spezifischer Widerstand ein Minimum und wenn das Magnetfeld parallel zum Strom in den Streifen ist, ist deren spezifischer Widerstand ein Maximum. Der Widerstand eines Streifens gleichförmiger Dicke ist proportional seiner Länge und umgekehrt proportional seiner Breite.

Ein magnetisches Gitter, das neben dem Fühlerelement angeordnet ist, besitzt abwechselnd Nord- und Südpole in Richtung der relativen Verschiebung. Der Abstand zwischen entsprechenden Magnetpolen, d.h.,von einem Nordpol zum benachbarten Nordpol definiert die Schrittweite oder Wellenlänge λ. des magnetischen Gitters. Der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Gruppe der Streifen ist bezüglich der Wellenlänge des magnetischen Gitters so eingerichtet, daß dann, wenn die erste Gruppe der Streifen maximalen spezifischen Widerstand besitzt, die zweite Gruppe der Streifen minimalen spezifischen Widerstand besitzt und umgekehrt. Die erste und die zweite Gruppe der Streifen bilden einen Spannungsteiler mit einem über einer der Gruppe der Streifen abgenommenen Ausgangssignal. Da der spezifische Widerstand und der Widerstandswert der beiden Gruppen der Streifen sich entgegengesetzt ändert, wenn die Beziehung zwischen ihnen und den Magnetpolen in dem magnetischen Gitter sich ändert, ändert sich auch das Ausgangssignal proportional zu einer solchen Beziehung.

Die Messungsauflösung oder die erfassbare minimale Verschiebung

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bei Verwendung de.« Fühlerelements gemäß der genannten US-PS ist durch die kleinste verwendbare Wellenlänge λ des magnetischen Gitters bestimmt, die ihrerseits durch die endliche kleinste Größe der Gruppen der Streifen begrenzt ist. In der Praxis kann eine Auflösung von besser als 1 mm nicht erreicht werden ohne Verwendung relativ kostspieliger Phasenmodulationstechnik zur Interpolation.

Bei der Anordnung gemäß der US-PS ist es erwünscht, mehrere solche Fühlerelemente reihengeschaltet zu verwenden, die in der Richtung der Verschiebung angeordnet sind. Durch die Verwendung mehrerer Fühlerelemente in dieser Weise wird die Anordnung groß. Wenn die Wellenlänge A des magnetischen Gitters beispielsweise 2 mm beträgt und wenn die Anzahl der Fühlerelemente beispielsweise 10 beträgt, beträgt die Länge der Gruppe von 10 Fühlerelementen zumindest 'tO mm.

Diese inhärente schlechte Auflösung und die besondere Größe der Fühleranordnung gemäß der US-PS erhöht die Herstellkosten einer praktisch verwendbaren Fühler- oder Erfassungsanordnung·

Gemäß der JP-Patentanmeldung 114 699/I977 wird die Auflösung bei verringerter Größe durch Verwenden eines einzigen eines Satzes von parallelen Magnetwiderstandsstreifen anstelle jedes der mehreren Sätze von Streifen gemäß der US-PS verbessert. Die parallelen Streifen sind zickzackförmig reihengeschaltet. Jeder der Streifen hängt von dem magnetisehen Streufluß von einem einzigen Magnetpol ab zum Steuern bzw. Überwachen dessen spezifischen Widerstands. Wenn jedoch die Wellenlänge A· des tnagne ti sehen Gitters verringert wird, um die Auflösung der Anordnung zu verbessern, wird der magnetische Streufluß so drastisch reduziert, daß die in Beziehung dazu stehenden Streifen nicht gesättigt sind. Dies führt zu Problemen bezüglich der magnetischen Hysterese.

Eine teilweise Lösung, um eine Sättigung der Streifen bei relativ kurzen Wellenlängen A eines magnetischen Gitters zu erreichen, beinhaltet das Niederschlagen eines dünnen Filmes

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hoher magnetischer Permeabilität zur Bildung geschlossener Magnetwege um Paare von benachbarten Streifen. Die geschlossenen Magnetwege induzieren zunehmenden Streufluß von dem magnetischen Gitter, um so das Magnetfeld ausreichend zu erhöhen, dem die Streifen ausgesetzt sind, um eine Sättigung zu erreichen und um Hysterese-Effekte zu vermeiden.

Die sich aus der Verwendung der geschlossenen Dünnfilm-Magnetwege ergebenden Vorteile sind begrenzt durch den mittels eines Dünnfilms erreichbaren relativ niedrigen Wert der magnetischen Permeabilität.

Ein anderer Vorschlag zum Erreichen einer Sättigung der Magnetwiderstandsstreifen ist enthalten in "Non-Contact Switch Is Based on Magnetoresistance", Electronics Magazine (McGraw-Hill), (I.5.I975) S.3E. Ein "vorspannendes" Magnetfeld, kurz ein Vormagnetisierungsfeld in der Größenordnung von* 50 Oe ist an die Magnetwiderstandsstreifen angelegt, um sie in gesättigtem Zustand zu halten. Daher ist jede Änderung im Ausgangssignal aufgrund der Annäherung des magnetischen Gitters frei von Interferenzen aufgrund von Hysterese. In dem Artikel wird ausgeführt, daß das Anlegen des Vormagnetisierungsfeldes unter einem Winkel von 45 ° zu den Streifen den ursprünglich kleinen Temperaturkoeffizienten des magnetischen Widerstands, kurz Magnetwiderstands, auf Null verringert.

Ein weiterer Versuch zur Verbesserung der Auflösung eines Magnetoelektrischen Wandlers verwendet Streifen aus Magnetwiderstandswerkstoff in einem sich wiederholenden symmetrischen dreieckförmigen Wellenmuster mit einer Wellenlänge entsprechend der Wellenlänge λ des magnetischen Gitters, an die ein konstantes Vormagnetisierungsfeld , angelegt ist mit einer Richtung senkrecht zu den Magnetfeldern des magnetischen Gitters. Sich ergebende Magnetfeldvektoren werden durch die Wechselwirkungen der Nord- und Südpole des magnetischen Gitters mit dem Vormagnetisierungsfeld erzeugt. Die sich ergebenden Magnetfeldvektoren des magnetischen Gitters und des Vorspannungs-

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magnetfeldes sind parallel zu benachbarten Paaren von Streifen in einer Stellung, wodurch maximaler spezifischer Widerstand erreicht ist, und bilden einen Winkel mit den magnetischen Streifen in einer anderen Stellung, wodurch minimaler spezifischer Widerstand erreicht ist. Zwei dreieckförmige Wellenmuster werden simultan den Feldern des magnetischen Gitters ausgesetzt. Die beiden dreieckförmigen Wellenmuster sind so angeordnet, daß ein maximales Ausgangssignal von einem Muster mit einem minimalen Ausgangssignal von dem anderen Muster in Koinzidenz ist und umgekehrt.

Das dreieckförmige Wellenelement hat den Nachteil, daß sich ein verringernder Ausgangssignal-Wirkungsgrad ergibt aufgrund der Tatsache, daß die Streifen jedes benachbarten Paars über die Hälfte der Wellenlänge Λ- des magnetischen Gitters angeordnet sind. Dadurch dürfte eine zumindest teilweise Auslöschung des Magnetwiderstandseffekts verursacht werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler anzugeben, der unter Vermeidung der erwähnten Nachteile eine hohe Auflösung erreicht.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist ein Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler zur Verwendung mit zumindest einem länglichen magnetischen Gitter mit einer Wellenlänge A vorgesehen, der einen ersten Magnetwiderstandsfühler hat, der zum Erzeugen eines ersten Ausgangssignals abhängig von seiner Verschiebung gegenüber zumindest einem magnetischen Gitter betreibbar ist, und einen zweiten Magnetwiderstandsfühler besitzt, der zur Er zeugung eines zweiten Ausgangssignals abhängig von seiner Verschiebung gegenüber zumindest einem magnetischen Gitter betreibbar ist, wobei erster und zweiter Magnetwiderstandsfühler relativ zueinander angeordnet und einen wirksamen relativen Abstand zueinander besitzen, wodurch eine relative Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten'Ausgangssignal erzeugt wird, die im wesentlichen kleiner als l80 ist.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung enthalten der erste und der

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zweite Magnetwiderstandsfühler jeweils zumindest zwei parallele Streifen aus Magnetwiderstandswerkstoff mit einem relativen Abstand dazwischen, wodurch ein Magnetwiderstand erzeugt ist mit relativen Phasen von l80 ., wobei das Ausgangssignal an einem Verbindungspunkt der zumindest zwei parallelen Streifen abgenommen ist.

Die Erfindung gibt einen Magnetwiderstands-Verschiebungsfühler an, der zumindest zwei Magnetwiderstandsfühler verwendet, die jeweils ein Ausgangssignal erzeugen, wobei die beiden Magnetwiderstandsfühler um einen Abstand voneinander beabstandet sind, der·eine Phasendifferenz in deren Ausgangssignalen von weniger als l80 erzeugt.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch vereinfacht eine Ansicht eines herkömmlichen Magnetwiderstandsfühlers,

Fig. 2 vergrößert einen anderen herkömmlichen Magnetwiderstandsfühler mit Magnetwegen für verbesserten Streufluß,

Fig. 3 einen herkömmlichen Magnetwiderstand -Verschiebungsfühler oder -Wegfühler, der Magnetwiderstandsstreifen verwendet, die in einem sich wiederholenden dreieckförmigen Wellenmuster angeordnet sind, die einem Vormagnetisierungsfeld ausgesetzt sind,

Fig. k schematisch einen Magnetwiderstand -Verschiebungsfühler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 einen Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 schematisch eine Darstellung eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7 schematisch eine Darstellung eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

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Fig. 8 schematisch eine Darstellung eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9 schematisch eine Darstellung eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 10 schematisch eine Darstellung eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 11 schematisch eine Darstellung eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 12 einen Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bei besonderer Anpassung zur Erfassung von Drehung, Fig.l3A-13L Signalverläufe, auf die bei der Beschreibung der Weise Bezug genommen wird, in der die Auflösung unter Verwendung von Interpolation verbessert wird,

Fig. Ik ein Logik-Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung zur Verbesserung der Auflösung durch Interpolation,

Fig.l5A-15E Signalverläufe, auf die bei der Beschreibung eines vier Ausgänge aufweisenden Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers Bezug genommen wird,

Fig.l6A-l6S Signalverläufe, auf die bei der Beschreibung der Weise Bezug genommen wird, in der die Ausgangssignale eines vier Ausgänge aufweisenden Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers interpolierbar sind, um eine Auflösung von 22,5 zu erreichen,

Fig.l7A-17R Signalverläufe einiger der Signale bei einem Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler und der Signalverarbeitung sschaltung dafür, die acht Ausgangssignale zur Erzeugung einer Auflösung von 22,5 verwendet, Fig. l8 eine Signalverlaufsdarstellung einschließlich vier Ausgangssignalen eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers, auf die bei der Beschreibung eines anderen Weges Bezug genommen wird, mit dem eine Auflösung von 22,5 ° erreichbar ist,

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Fig. 19 schematisch eine Weise, gemäß der Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler in einer Schaltung angeschlossen werden können,

Fig. 20 schematisch eine Darstellung einer anderen Anordnung vom Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlern in einer Schaltung,

Fig. 21 schematisch eine Darstellung einer anderen Anordnung von Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlern in einer Schaltung,

Fig. 22 schematisch eine Darstellung einer anderen Anordnung sron Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlern in einer Schaltung.

Vor einer ausführlichen Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden herkömmliche Ausführungsformen der eingangs geschilderten Art kurz erläutert.

In Fig. 1 besitzt ein Magnetwiderstandsfühler 20 zwei Gruppen von Magnetwiderstandselementen 22,22' in enger Annäherung an ein magnetisches Gitter 2k_f in dem Nord- und Süd-Magnetpole sich wiederholend abwechseln. Der Abstand zwischen benachbarten Polen, beispielsweise benachbarten Nordpolen ist als Wellenlänge λ des magnetischen Gitters 2k definiert.

Jede Gruppe von Magnetwiderstandselementen, beispielsweise die Gruppe 22, besteht aus zumindest einem Magnetwiderstandselement, das zumindest einen und vorzugsweise mehrere parallele Streifen 28 aufweist. Wenn mehrere Streifen 28 verwendet werden, sind deren Enden schlangenartig bzw. mäanderartig verbunden mittels relativ breiter Verbindungsleiter 30. Die Magnetwiderstandselemente 26 in jeder Gruppe 22,22' sind um Xe voneinander beabstandet mit e = k/2 (k = 1,2,...). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gilt e = 1/2 (k = 1). Der Abstand zwischen den am weitesten rechts befindlichen Elemente der Gruppe 22 und dem am weitesten links befindlichen Element der Gruppe 22' entspricht η X e + Xe/2. Beim dargestellten Ausführungebeispiel gilt η = 0 und ist daher der Abstand: K/k (k = 1). Aufgrund des Abstands zwischen den Elementen 26 der gleichen Gruppe

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-Ik-

22 oder 22' sind alle Streifen 28 in einer Gruppe in ähnlicher Weise durch die Magnetfelder des magnetischen Gitters 2k beeinflußt. Beispielsweise ist jedes Magnetwiderstandselement 26 der Gruppe 22' nahe einem Pol des magnetischen Gitters 2k dargestellt. Zusätzlich ist aufgrund des Abstands zwischen den Gruppen jedes der Magnetwiderstandseleraente 26 der Gruppe 22 im wesentlichen zwischen benachbarten Nord- und Südpolen angeordnet und ist daher praktisch unbeeinflußt durch deren Magnetfelder. Folglich zeigen alle Streifen 28 der Gruppe 22' maximalen Widerstand aufgrund der Tatsache, daß die Magnetfelder des magnetischen Gitters 2k parallel zu den Streifen 28 sind,und zeigen gleichzeitig alle Streifen 28, die kein Magnetfeldparallel für einen Stromfluß in ihnen besitzen, minimalen Widerstand.

Eine Erregerspannung V ist an Eingangsanschlüsse 32 angelegt, und ein Ausgangssignal wird von der Verbindungsstelle der Gruppen 22 und 22' abgenommen zur Zufuhr zu Ausgangsanschlüssen Jk und Jk'. Für den Fachmann ergibt sich, daß bei einer Verschiebung des Magnetwiderstandsfühlers 20 in Richtung des Doppelpfeils 36 die Spannung am Ausgangsanschluß Jk sich entsprechend der Beziehung der Wellenlänge Λ des Magnetgitters 2k zum Abstand der Magnetwiderstandselemente 26 in den Gruppen 22 und 22' ändert. Beim dargestellten Zustand ist der Widerstand der rechtsseitigen Elemente 26 der Gruppe 22' maximal und derjenigen der Gruppe 22 minimal. Dies führt zu einer minimalen Ausgangsspannung am Ausgangsanschluß Jk'. Wenn der Magnetwiderstandsfühler 20 um einen Abstand \/k in irgendeiner Richtung verschoben wird, die durch den Doppelpfeil 36 angegeben ist, kommt eines der Magnetwiderstandselemente 26 in der Gruppe 22 in Ausrichtung zu Magnetpolen im Magnetgitter 2k und werden diejenige der Gruppe 22' um X./k aus der Ausrichtung mit diesen bewegt. Daher ist in dieser Verschiebestellung der Widerstand eines der Elemente 26 der Gruppe 22 maximal und derjenige der Elemente 26 der Gruppe 22' minimal, wodurch eine Änderung der Ausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen Jk und Jk' erreicht ist. Wenn der Magnetwiderstandsfühler 20 kontinuierlich in der einen oder der anderen durch den Doppelpfeil jG wiedergegebenen Richtung bewegt wird- beschreibt das Aus-

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gangssignal an den Ausgangsanschlüssen ")k und "}k^% eine Sinusfunktion.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei dem einzelne Streifen 28 um Λ. /2 voneinander beabstandet sind und in einem Abstand & von dem Magnetgitter 2k beabstandet sind. Bei dem dargestellten Zustand ist jeder Streifen 28 einem Nord- oder Südpol ausgesetzt. Bei diesem Zustand ist der magnetische Streufluß von dem magnetischen Gitter 2k im wesentlichen parallel zum Stromfluß i, der durch die Strichpunkt-Pfeile dargestellt ist. Daher wird in dieser Stellung maximaler Widerstand erreicht. Bei einer relativen Bewegung des Magnetwiderstandsfühlers 20· um einen Abstand von X-/k in der durch den Doppelpfeil 36 wiedergegebenen Richtung wird der Widerstand der Gruppe 22 (oder 22') der Magnetwiderstandselemente minimal.

Wie erläutert,beeinflußt die kurze Wellenlänge A. die Sättigung der Streifen 28. Aus diesem Grund sind U-förmige Magnetwege aus einem Werkstoff hoher magnetischer Permeabilität, vorzugsweise unter Verwendung von Dünnfilmtechnik, über benachbarte Paare von Streifen 28 gebildet, um einen Flußweg für den Fluß zu erreichen, wie das durch die U-förmigen Strichpunkt-Pfeile dargestellt ist. Wie erläutert, ist die magnetische Permeabilität it der magnetischen Wege 38 durch das zur Verfügung stehende Material begrenzt, das zur Herstellung von Dünnfilmschaltungen verwendbar ist. Die annehmbare Auflösung kann daher unerreichbar sein.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magnetwiderstandsfühlers 20'', bei dem Gruppen 22 und 22' Streifen 28 bzw. 28' besitzten, die als sich wiederholende dreieckförmige oder Dreieckwelle mit einer Wellenlänge entsprechend der Wellenlänge λ des magnetischen Gitters 24 angeordnet sind, wobei die Phase der Dreieckwelle der Gruppe 22 entgegengesetzt zur Phase der Dreieckwelle der Gruppe 22' ist.

Die Streifen 28 und 28' schließen einen Winkel von ^ bzw. -p gegenüber einer Normalen zum magnetischen Gitter 2k ein. Eingangsanschlüsse 32 und ein Ausgangsanschluß Jk werden wie

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in Fig. 1 dargestellt, verwendet, um eine Erregungsspannung anzulegen bzw. ein Ausgangssignal zu erhalten.

Ein Vormagnetisierungsfeldvektor H ist in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu den Signal-Magnetfeldvektoren H_g des Magnetgitters 2k angelegt. Sich ergebende ebene Magnet-

• it

feldvektoren H erreichen Winkel von γ zu den Signal-Magnetfeldvektoren H_c. Die Beziehung zwischen dem Winkel ψ des sich

• ,O

ergebenden Magnetfeldvektors H und dem Winkel f> der Streifen 28 beträgt vorzugsweise:

0° ist 90° - 0¹

Bei den dargestellten relativen Lagen sind die Streifen 28 der Gruppe 22 im wesentlichen parallel zu den sich ergebenden

«
Magnetfeldvektoren H und zeigen daher maximalen Widerstand.

Im Gegensatz dazu werden die Streifen 28' der Gruppe 22' von den sich ergehenden Magnetfeldvektoren H geschnitten, wie das durch Pfeile kO dargestellt ist, und zeigen daher minimalen Widerstand. Wie erläutert, besitzt das Ausführungsbei spiel gemäß Fig. 3 Begrenzungen bezüglich der Auflösung und enthält dessen Ausgangssignal keine Information bezüglich der Richtung der Verschiebung. Zusätzlich dürfte die Anordnung benachbarter Streifen 28 über einen Abstand von Λ-/2 eine Auslöschung des Magnetwiderstandseffekts erreichen.

Fig. k zeigt einen Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler 42 gemäß der Erfindung neben einem magnetischen Gitter 2k mit der Wellenlänge λ . Der Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler k2 enthält einen ersten Magnetwiderstandsfühler kk mit Streifen 28 und 28' und einen zweiten Magnetwiderstandsfühler kk' mit Streifen 28'' und 28''·, die in der Verschiebungsrichtung, die durch den Doppelpfeil 36 wiedergegeben ist, ausgerichtet sind. Die Streifen 28, 28', 28'· und 28''· sind vorzugsweise mittels Dünnfilmtechnik auf einem Glassubstrat niedergeschlagen. Verbindende Leiter 30 sind vorzugsweise mittels Dünnfilmtechnik und vorzugsweise unter Verwenden des gleichen Magnetwiderstandswerkstoffs, der bei den Streifen 28 - 28''' verwen-

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det ist, niedergeschlagen. Die erhöhte Breite der verbindenden Leiter 30 verringert deren Widerstandswert (und eine Widerstandsänderung aufgrund des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Magnetfeldes) so ausreichend, daß deren Magnetwiderstandseffekt vernachlässigbar ist. Ein Vormagnetisierungsfeld H ist an den Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler 42 parallel zu den Streifen 28 angelegt, wie das durch die umrandeten Pfeile 46 dargestellt ist. Der erste Magnetwiderstandsfühler 44 besitzt eine erste Gruppe 48 aus Magnetwiderstandsstreifen 28 und eine zweite Gruppe 48' aus Magnetwiderstandsstreifen 28'. Die Streifen 28 und 28' sind λ/2 von dem nächsten benachbarten Streifen innerhalb der gleichen Gruppe entfernt. Entsprechende Streifen 28 und 28' in den Gruppen 48 und 48' sind beabstandet um (n/2 + 1/4)λ , mit η = 1,2,3,... Wie mit Bezug auf Fig. 1 erläutert, erzeugt jede Verschiebung in Richtung des Doppelpfeils 3° um /L/k eine 90 -Änderung im Ausgangssignal, daß am Ausgangsanschluß 34 erhältlich ist.

Der zweite Magnetwiderstandsfühler 44' besitzt in ähnlicher Weise Gruppen 48'' und 48''' der Magnetwiderstandsstreifen 28'' bzw. 28''' mit der gleichen Beziehung der Streifen innerhalb der gleichen Gruppe und deren Partnergruppe wie bei den Streifen 28 und 28' bei den Gruppen 48 und 48'. Der Abstand zwischen entsprechenden Streifen der Gruppen 48'' und 48''' ergibt sich zu (m/2 + 1/8) A* , wobei m ganzzahlig ist.

Wie sich für den Fachmann ergibt, sind die an den Ausgangsanschlüssen 34 und 34' erhältlichen Ausgangssignale voneinander um 90 verschoben, wenn der Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler 42 in einer durch den Doppelpfeil 36 wiedergegebenen Richtung bewegt wird. Eine verbesserte Auflösung wird dadurch erreicht, daß die um 90° beabstandeten Null-Durchgänge in den Signalen an den Ausgangsanschlüssen 34 und 34' erfaßt werden können. Weiter ist eine Anzeige der Richtung der Verschiebung von den Ausgangssignalen erreichbar.

Das Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 4 ist ins-

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besondere wirksam, wenn die Magnetfelder des Magnetgitters 24 ausreichend groß sind im Vergleich zum Vormagnetisierungsfeld H_R, um eine Sättigung in den Streifen zu erreichen.

Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers 50 gemäß der Erfindung. Streifen 28 innerhalb der Gruppe 48, Streifen 28' innerhalb der Gruppe 48' , Streifen 28" innerhalb der Gruppe 48 ' ' und Streifen 28'" innerhalb der Gruppe 48''' sind um A voneinander beabstandet und entsprechende Streifen innerhalb der beiden Gruppen 48 und 48' des ersten Magnetwiderstandsfuhlers 44 sowie innerhalb der Gruppen 48'' und 48''' des zweiten Magnetwiderstandsfuhlers 44' sind um πιλ + \/2 voneinander beabstandet. Zusätzlich sind aufgrund des Abstands von A zwischen benachbarten Streifen in einer Gruppe entsprechende Streifen^wie die Streifen 28 und 28 ^% _f in dem ersten und dem zweiten Magnetwiderstandsfühler 44 und 44' um (ra + m/4)A. voneinander beabstandet. Dieser Abstand kann, wie in Fig. 4 dargestellt durch eine Anordnung von erstem und zweitem Magnetwiderstandsfühler 44,44' mit den Enden aneinander · oder durch die in Fig. 5 dargestellte Nebeneinanderanordnung erreicht werden. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 gilt m = 0, jedoch kann m auch andere Werte besitzen. Das Vormagnetisierungsfeld H_R, das durch den umrandeten Pfeil 46 dargestellt ist, ist unter einem Winkel von 45° zu den Streifen 28,28',28' ' und 28' ' ' angeordnet. Wie erläutert trgät dies zur Verringerung des Temperaturkoeffizienten des Magnetwiderstands bei.

Der Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler50 gemäß Fig. 6 erzeugt zwei Ausgangssignale mit einer Phasendifferenz von 90 an den Ausgangsanschlüssen 34 und 34'. Die Ausgangssignale an den Ausgangsanschlüssen 34 und 34' durchlaufen einen vollen Zyklus abhängig von der Verschiebung um eine Wellenlänge Λ des magnetischen Gitters 24 in der durch den Doppelpfeil 36 wiedergegebenen Richtung. Nulldurchgänge der Ausgangssignale von den Ausgangsanschlüssen 34 und 34' treten auf, wenn die Widerstände der zugeordneten Gruppen der Streifen eines Magnetwiderstandsfuhlers 44 oder 44' gleich sind. Daher wird, wenn der Widerstandswert der Gruppe 48 dem Widerstandswert der Gruppe 48'

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ein Nulldurchgang erfaßt.

Fig. 7 zeigt einen Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler 54, in dem entsprechende Streifen 28 und 28' im ersten Magnetwiderstandsfühler 44 mit den Streifen 28·' bzw. 28''' im zweiten Magnetwiderstandsfühler 44' ausgerichtet sind. Zwei magnetische Gitter 24 bzw. 24' beeinflußen ersten bzw. zweiten Magnetwiderstandsfühler 44,44'. Die magnetischen Gitter 24 und 2k' sind um (m/2 + l/k )/L oder (m/2 + 1/2) λ mit Bezug aufeinander beabstandet entsprechend der angegebenen Lehre. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die magnetischen Gitter 24 und 24' um Α·/4 gegeneinander verschoben, wodurch eine wirksame Phasendifferenz im Ausgangssignal von den Ausgangsanschlüssen Jk bzw. Jk' von 90 erhalten wird. Das Vormagnetisierungsfeld H_R ist vorzugsweise unter einem Winkel φ> = 45° gegenüber den Streifen 28,28',28'· und 28''' angeordnet.

Fig. 8 zeigt einen Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler 56, bei dem erster und zweiter Magnetwiderstandsfühler 44,44' verschachtelt sind. Wie erläutert, kann der Abstand zwischen benachbarten Streifen, beispielsweise den Streifen 28 im ersten Magnetwiderstandsfühler 44 ein ganzteiliges Vielfacheseiner halben Wellenlänge sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 wechselt der Abstand zwischen λ und 2\ ab, wodurch die Gruppe 48 in der Gruppe 48'· und die Gruppe 48' in der Gruppe 48''· verschachtelt ist durch Ausrichten und Verschachteln von Streifen, die um λ beabstandet sind_/in einer Gruppe mit Streifen, die um 2Λ beabstandet sind, in der Partnergruppe. Wie erläutert sind erster und zweiter Magnetwiderstandsfühler 44 und 44' um λ /4 in Richtung der durch den Doppelpfeil wiedergegebenen Verschiebungsrichtung versetzt. Eine solche Verschachtelung verringert die von dem Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler 56 eingenommene Fläche.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 zeigt auch Teilungen 58, die die Magnetpole des Magnetgitters 24 definieren, die unter

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einem Winkel d gegenüber der durch den Doppelpfeil 3° wiedergegebenen Verschiebungsrichtung schräggestellt sind. Durch Anordnen der Teilungen 58 des magnetischen Gitters 24 auf der Diagonalen wird die wirksame Breite des magnetischen Gitters erhöht bezüglich der Größe der tatsächlichen Breite des magnetischen Gitters 2k. Die Streifen 28 , 28' ,28' ' und 28· ·· sind ebenfalls unter einem Winkel φ angeordnet. Das Vormagnetisierungsfeld H_R kann unter einem Winkel £ bezüglich der Streifen angeordnet sein. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Zustand gilt für das Vormagnetisierungsfeld H ein Winkel 0 = 45 und für die Streifen und Teilungen 58 des magnetischen Gitters 2k ein Winkel φ = 45 . Dadurch ergibt sich ein Ergebnis ähnlich dem gemäß Fig. 5. Für einen Winkel 0=0, d.h., ein zu den Streifen ausgerichtetes Vormagnetisierungsfeld H_ß/ergibt sich eine Wirkungsweise ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.k.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers 60 wird eine Erhöhung der Anzahl der Streifen 28,28',28'' und 28'■' möglich, die dem Magnetfeld des magnetischen Gitters 2k in einem verschachtelten System ausgesetzt sind. Es zeigt sich, daß Paare von Streifen sehr nahe zueinander angeordnet sind, wodurch der magnetische Streufluß von dem magnetischen Gitter 2k gleichmäßig auf beide Teile des Paars einwirkt. Dadurch wird der Magnetwiderstandeffekt wirksam verdoppelt im Vergleich zu einem einfachen Streifen 28 an derselben Stelle. Solche Streifenpaare sind entsprechend den erwähnten Regeln für einzelne Streifen beabstandet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 sind die Streifenpaare um X. beabstandet. Jede Gruppe 48 , 48 ' , 48 ' ' und 48·' der Magnetwiderstandsstreifen ist so dargestellt, daß sie insgesamt 10 Streifen 28,28',28^1J bzw. 2θ'" enthält, und wird daher durch den Magnetwiderstandseffekt stärker beeinflußt. Es zeigt sich, daß die relativ breiten Verbindungsleiter 3D lediglich an einem Ende jedes Streifens vorhanden sind. Obwohl breite Verbindungsleiter an dem geschlossenen Ende der Paare der Streifen verwendet werden können, wäre aufgrund des engen Abstands der Streifen und der folglichen Kürze der Verbindung dazwischen jeder Magnetwiderstandseffekt im Verbindungsab-

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j Ni." "C~ 'Γ'" MT j

erbin-

schnitt minimal und kann die zusätzliche Breite des ver denden Leiters weggelassen werden.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß den Fig. 4-9 erzeugen vier Null durchgängig, während der Verschiebung des Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers 42,50,52,54,56 bzw. 60 bei einer Verschiebung um eine Wellenlänge Λ- ,wodurch ein Ausgangssignal alle 99 ^von λ. erzeugt wird. Eine weitere Verbesserung der Auflösung kann unter Verwendung eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers 62 gemäß Fig. 10 erreicht werden. Erste, zweite und dritte Magnetwiderstandsfühler 44, 44' bzw. 44'', die jeweils den Erläuterten ähnlich sind, sind nebeneinander angeordnet. Ein Abstand von Λ-/6 ist zwischen den nächstliegenden Streifen benachbarter Fühler vorgesehen. Wie sich für den Fachmann unter Berücksichtigung der vorstehenden Überlegungen ergibt, erreicht ein solcher Abstand drei Signale an Ausgangsanschlüssen 3^»3^' und 3'1'¹J die um 60 beabstandet sind. Dadurch werden sechs Nulldurchgänge pro Wellenlänge A- und eine folgliche Auflösung von 6θ° erreicht. Eine geeignete Signalverarbeitung ist möglich, um diese Auflösung um einen Faktor Zwei zu verbessern, um eine Auflösung von 30 ^zu erreichen, wie das erläutert werden wird. Eine solche Auflösungsverbesserung ist beispielsweise gemäß der JP-OS 2 258/73 möglich.

Gemäß Fig. 11 enthält ein Ausführungsb'eispiel eines Magnetwiderstand-Verschiebungsfühlers 64 vier Magnetwiderstandsfühler 44,44',44'· und 44··' mit einem Abstand zwischen entsprechenden Streifen benachbarter Fühler von ( η - 1/8)Λ· Aufgrund der vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß dadurch Nulldurchgänge an Ausgangsanschlüssen 34,34',34'· und 34''· alle 45 erreicht werden. Eine Signalverarbeitung kann diese Auflösung um einen Faktor Zwei verbessern, um eine Auflösung von 22,5 zu erreichen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 zeigt auch Magnetfelder, im magnetischen Gitter 24', die sich quer zu deren Teilungen erstrecken, wie das durch die kleinen Pfeile in dem magnetischen

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Gitter 2k' dargestellt ist.

Irgendeines der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele kann bei einem Rotationsfühler gemäß Fig. 12 verwendet werden. Ein Magnetwiderstand-Rotationsfühler 66 kann ein magnetisches Gitter 2k'' enthalten, das an einem Drehglied wie einer Scheibe 68 befestigt ist. Die Scheibe 68 kann sich in der durch den Doppelpfeil 36' dargestellten Richtungen auf einer Welle 70 nahe einem ersten und einem zweiten Magnetwiderstandsfühler kk bzw. kk' drehen. Mit der Ausnahme der Tatsache, daß die Streifen 28,28',2S¹¹ und 28''' und die Teilungen des magnetischen Gitters 2k'' längs Radien der Scheibe 68 angeordnet sind und daß der Winkel Φ des Vormagnetisierungsfeldes H„ bezüglich der Radien der Scheibe 68 zu wählen ist, wirkt der Magnetwiderstand-Rotationsfühler 66 in identischer Weise wie die erläuterten Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler, weshalb eine nähere Erläuterung entbehrlich ist.

Anhand der Fig. I3A - 131- wird ein Signalverarbeitungsverfahren erläutert, durch das die Auflösung der Vorrichtung mit zwei Ausgängen gemäß den Fig. ^,5,6,7,8,9 und 12 um einen Faktor Zwei verbessert wird unter.Verwendung lediglich eines Nulldurchgangs als Lagezeiger. Obwohl die Ausgangssignale der erläuterten Magnetwiderstandsfühler im Allgemeinen sinusförmig sind, sei zur leichteren Beschreibung angenommen, daß die Signale Dreieckwellen sind. Das Signal (A), das von dem ersten Magnetwiderstandsfühler kk der erläuterten Ausführungsbeispiele stammen kann, beschreibt einen vollen Zyklus, wenn eine Verschiebung um eine Wellenlänge X auftritt. Ein zweites Signal (B), das von dem zweiten Magnetwiderstandsfühler kk' der vorhergehenden Ausführungsbeispiele stammen kann, eilt dem Signal (A) um 90° nach. Wenn lediglich die Nulldurchgänge verwendet werden, um die Auflösung bezüglich der Verschiebung oder der Drehung zu erreichen, werden vier um 90 verschobene Punkte erzeugt.

Wenn die Summe und die Differenz der Signale (A) und (B), wie in Fig. I3B dargestellt, gebildet werden, kann die Auflösung

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um einen Faktor Zwei verbessert werden. Die Differenz (A) - (B) ist in Vollinien und die Summe (A) + (B) ist in Strichlinien dargestellt. Es zeigt sich, daß das Summen- und das Differenzsignal vier zusätzliche Nulldurchgänge zwischen den Nulldurchgängen der Signale (A) und (B) gemäß Fig. I3 A hinzufügen. Wenn alle acht Nulldurchgänge verwendet werden, wird eine Auflösung von 45 erreicht.

Im Folgenden wird auch auf Fig. 14, die eine Signalverarbeitungsschaltung 72 zur Erzeugung der erläuterten Verbesserung der Auflösung, erläutert. Das Signal(A) wird einem Eingang eines Schmitt-Triggers 74, einem Plus-Eingang eines Addierers 76 und einem Plus-Eingang eines Subtrahierers 78 zugeführt. Das Signal (B) wird einem Eingang eines Schmitt-Triggers 80, einem Plus-Eingang eines Addierers 76 und einen Minus-Eingang eines Subtrahierers 78 zugeführt. Das Ausgangssignal des Addierers 76 wird einem Eingang eines Schmitt-Triggers 82 zugeführt. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 78 wird einem Schmitt-Trigger 84 zugeführt. Jeder Schmitt-Trigger 74,80,82 und84 erzeugt ein direktes Ausgangssignal 86,88,90 bzw. 92 sowie in invertiertes Ausgangssignal 86,88,90 bzw. 92. Das direkte Ausgangssignal 86 wird einer Diffenzierschaltung 94 und jeweils einem Eingang eines UND-Glieds 96 bzw. 98 zugeführt. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 94 wird jeweils einem Eingang eines UND-Glieds 100 bzw. 102 zugeführt. Das invertierte Ausgangssignal 86 wird einer Differenzierschaltung 104 und jeweils einem Eingang eines UND-Glieds I06 bzw. I08 zugeführt. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 104 wird jeweils einem Eingang eines UND-Glieds 110 bzw. 112 zugeführt. Das direkte Ausgangssignal 88 wird einem Eingang einer Differenzierschaltung 114 und jeweils einem Eingang eines UND-Glieds 100 bzw. 112 zugeführt. Das invertierte Ausgangssignal 88 wird einem Eingang einer Differenzierschaltung 116 und jeweils einem Eingang eines UND-Glieds 110 bzw. 102 zugeführt. Das direkte Ausgangssignal 90 wird einem Eingang einer Differenzierschaltung 118 und jeweils einem Eingang eines UND-Glieds 120 bzw. 122 zugeführt. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung II8 wird

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jeweils einem Eingang eines UND-Glieds 124 bzw. 126 zugeführt. Das invertierte Ausgangssignal 90 wird einem Eingang einer Differenzierschaltung 128 und jeweils einem Eingang eines UND-Glieds I30 bzw. 132 zugeführt. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung I28 wird jeweils einem Eingang eines UND-Glieds 13^ bzw. I36 zugeführt. Das direkte Ausgangssignal 92 wird einem Eingang einer Differenzierschaltung I38 und jeweils einem Eingang eines UND-Glieds I36 bzw. 124 zugeführt. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung I38 wird jeweils einem Eingang eines UND-Glieds I30 bzw. 120 zugeführt. Das invertierte Ausgangssignal 92 wird einem Eingang einer Differenzierschaltung l40 zugeführt. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung l40 wird jeweils einem Eingang eines UND-Glieds 122 bzw. I32 zugeführt. Die Ausgangssignale der UND-Glieder 100, 110,106,98,124,134,130,122 werden einem ersten Eingang 142 eines umkehrbaren oder Zweirichtungszählers 144 zugeführt. Die Ausgangssignale der UND-Glieder 102,112,96,108,126,136,120,132 werden einem zweiten Eingang 146 des Zweirichtungszählers 144 zugeführt.

Wie bekannt, erzeugt ein Schmitt-Trigger einen ersten Ausgangssignalpegel jedesmal dann, wenn das Eingangssignal unter einer vorgegebenen Spannung ist.wie OV, und einen zweiten Ausgangssignalpegel, wenn das Eingangssignal über der vorgegebenen Spannung ist. Zu Beschreibungszwecken sei angenommen, daß die Schmitt-Trigger 74,80,82 und 84 ihre Ausgangssignale dann umschalten, wenn deren Eingangssignale in positiver und negativer Richtung durch Null hindurchgehen. Daher verlaufen die direkten Ausgangssignale 86,88,90 und 92 der Schmitt-Trigger 74,80,82 und 84 gemäß den Figuren I3 C, 13D,13E bzw. I3F. Die invertierten Ausgangssignale 86,88,90 und 92 sind die invertierten Signale zu den Signalen gemäß den Fig. I3C - I3F. Die Ausgangssignale der Differenzierschaltungen 9^ und 104 sind im oberen Teil der Fig. I3D dargestellt, wenn die Verschiebung in der Richtung +X auftritt. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 104 ist zur Verdeutlichung als negativ werdende Spitze dargestellt. Jedoch kann selbstverständlich das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 4, da es am invertierten Ausgangssignal 86 arbeitet eine positiv werdende Spitze sein . Auf-

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grund der durch die UND-Glieder erreichte Verknüpfung werden die als positiv werdend dargestellten Spitzen dem Eingang 106 des Zweirichtungszählers 144 und die als negativ werdend dargestellten Spitzen dem Eingang 142 des Zweirichtungszählers l44 zugeführt. Bei einer Verschiebung in der Richtung -X sind die Ausgangssignale der Differenzierschaltungen 94 und 104 so, wie in der unteren Kurve gemäß Fig. I3G dargestellt. Es zeigt sich, daß die positive und die negative Richtung der Spitzen mit der Richtungsumkehr umgekehrt sind. Daher empfängt der jeweils andere der Eingänge 142 und 146 abhängig von der Verschiebungsrichtung oder Drehungsrichtung die Signale.

Fig. I3H zeigt die dem Zweirichtungszähler 144 zugeführten Signale als Ergebnis der Ausgangssignale von den UND-Gliedern 96, 98,1O6 und IO8, die von den differenzierten direkten und invertierten Ausgangssignalen 88 und 88 verknüpft sind, die durch die Nulldurchgänge des Signals (B) erzeugt sind. In ähnlicher Weise zeigt Fig. I3I die Eingangssignale zum Zweirichtungszähler 144 von den UND-Gliedern 124,126,134,136, die durch die Nulldurchgänge von (A) + (B) verknüpft sind. Fig. I3J zeigt die Eingangssignale zum Zweirichtungszähler 144 von den UND-Gliedern 120,122,130 und I32 aufgrund der Nulldurchgänge von (A) - (B). Der Zweirichtungszähler 144 läuft entsprechend der Eingangssignale und deren Richtung nach, um einen fortgeschriebenen Zählerstand zu enthalten, der der Stromverteilung oder dem Drehwinkel in Inkrementen von 45 entspricht, wie in Fig. I3K für Bewegung in Richtung +X bzw. I3L für Bewegung in Richtung -X dargestellt ist.

Wenn ein Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler wie der Fühler gemäß Fig. 11 vier Magnetwiderstandsfühler 44,44',44'' und 44''' besitzt, erzeugen deren vier Ausgangssignale (A)₁(B)₁(C) und (D), wie in Fig. I5A dargestellt, acht Nulldurchgänge pro Wellenlänge des magnetischen Gitters zur Erzeugung einer Auflösung von 45°. Ausgangssignale von (nicht dargestellt) Schmitt-Triggen abhängig von den Signalen (A), (B), (C) und (D) sind jeweils in den Fig. I5B - 15E dargestellt.

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Die Fig. !GA - l6S zeigen, wie die von den vier Signalen,wie (A), (B), (C) und (D). erreichbare 't.5 -Auflösung, die voneinander um h*j beabstandet sind, zu einer Auflösung von 22,5 verbessert werden kann. Die vier Signale sind in Fig. l6A dargestellt. Fig. 16B zeigt in Vollinie das Signal (A) - (B), in Strichlinie das Signal (A) + (B), in Strichpunklinie das Signal (B) - (C) und in Doppelpunktstrichlinie das Signal (C) - (D). Die Fig. l6C - l6J zeigen die Ausgangssignale von (nicht dargestellten) Schmitt-Triggern, denen Signale (A), (B)₁(C)₁(D), (A)-(B), (B) - (C), (C) - (D), bzw. (A) + (D) zugeführt sind. Wie sich am besten aus den Fig. l6K - l6S ergibt, können Signale, die denen der Fig. \h äquivalent sind, einen Ausgangsimpuls alle 22,5 einer Bewegung längs eines magnetischen Gitters in der Verschiebungsrichtung erzeugen. Da die Erzeugung der Spitzensignale gemäß den Fig. 16K - l6R zur Erzeugung von Zählimpulsen gemäß l6S sich ohne weiteres aus der mit zwei Eingangssignalen arbeitenden ähnlichen Schaltung gemäß Fig. 14 ergibt, ist eine Darstellung und/oder eine Erläuterung einer Vorrichtung zur Erzeugung der Signale gemäß den Fig. l6B - l6S im Einzelnen entbehrlich.

Ein direkteres Verfahren zum Erhalten einer Auflösung von 22,5 ist in den Fig. 17A - I7R dargestellt. Wie in Fig. I7A dargestellt, werden acht getrennte Signale (A), (B), (C), (D), (E), (F), (G) und (H), die um 22,5 beabstandet sind, (nicht dargestellt) Schmitt-Triggern zugeführt zur Erzeugung der in den Fig. I7B - 171 dargestellten Signalen. Die Fig. I7J - I7R zeigen die zur Zufuhr an einen (nicht dargestellten) Zweirichtungszähler erzeugten Signale für die Bewegung über eine Wellenlänge in der Richtung +X. Die dem Zweirichtungszähler für eine Drehung oder Bewegung in Richtung -X zugeführten Signale sind nicht dargestellt, jedoch ergeben sie sich ohne Weiteres aus der vorstehenden Beschreibung. Die obige Anordnung, die acht Signale zur Erreichung einer Auflösung von 22,5 verwendet, ist vorteilhaft, da Addierer und Subtrahierer nicht erforderlich sind, weshalb ein einfacher Schaltungsaufbau ausreicht.

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.ο

Eine andere Möglichkeit, eine Auflösung von 22,5 zu erreichen, ist in Fig.18 dargestellt, wobei lediglich Signale (A) und (B), die um 90 beabstandet sind, ein Signal (C), das dem Signal (A) um 22,5 nacheilt und ein Signal (D), das dem Signal (B) um 22,5 nacheilt, verwendet sind. Die Art, in der die Signale gemäß Fig. l8 verwendet werden, um die Auflösung von 22,5 zu erreichen, ist folgende:

Signal (A) V_A = E₁ sin (ηλ. + $ )

Signal (B) ^VB ^{= E}l ^{S±n (n/<l +}^~ ^Γ/2)

Signal (A) + (B) V_A+ß = E₂ sin (n/l + (h- T/k)

Signal (A)-(B) V_Aß = E₃ sin (ηλ + £ + T/k)

Signal (C) V_c = E₁ sin (η λ +9- t* /8)

Signal (D) V_D = E₁ sin (ηλ +&- 5 7/8)

Signal (C) + (D) V_c+D = E₃ sin (ηλ + 0- 3 V/8)

Signal (C)-(D) V_C__D = E₂ sin (ηλ +^ + T /8)

Obwohl die Verwendung der Signale gemäß Fig. l8 sich etwas von der Verwendung der Signale gemäß Fig. l6 unterscheidet, um die Auflösung von 22,5 zu erreichen, sind die Ergebnisse gleich.

Die Fig. I9 und 20 zeigen zwei mögliche Wege, auf denen mehrere Magnetwiderstandsfühler, beispielsweise vier Magnetwiderstandsfühler 44,44',44'' und 44' '· miteinander verbunden werden können, um Ausgangssignale für die Signalverarbeitungsschaltung zu erhalten. Veränderbare Widerstände 148,148',148'' und 148¹¹¹ erlauben einen Abgleich der Signale. In Fig. I9 sind die einzelnen Ausgangssignale von den Ausgangsanschlüssen 34,34',34'' und 34''· erhalten, wobei ein gemeinsamer Ausgang bzw. eine gemeinsame Ausgangsleitung entweder Masse oder die Erregungsspannung V sein kann.

In Fig. 20 wird die gemeinsame Signalspannung V von den Ausgangsanschlüssen 3^j3^'»3^'' und 3^¹'¹ erreicht. Die einzelnen Ausgangssignale können von einem der Eingangsanschlüsse 32,32', 32¹' und 32''' jedes Magnetwiderstandsfühlers 44,44',44'' und 44''' erhalten werden. Wie sich aus den den Fig. 21 und 22 ergibt, ist die Anzahl der erforderlichen externen Anschlüsse drastisch verringert.

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Die Erfindung gibt also einen Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler bzw. -wandler ( 50 , 52 , 54, 56 , 60, 62 , 64 bzw. 66) an, der mehrere Fühlerelemente (44,44' , 44 ' ' , 44 ' ' ' ) verwendet, die aus vor magnetisierten Magnetwiderstandsstreifen (28,28') bestehen. Jedes Fühlerelement (44,44',44'',44''') wird so betrieben, daß ein Signal abhängig von einer Linear- oder Rotationsverschiebung gegenüber einem magnetischen Gitter (24) erzeugt wird. Die Phasen der Signale von den mehreren Fühlerelementen (44,44',44'',44''') sind relativ zueinander versetzt, um eine Bestimmung der Richtung der Verschiebung zu ermöglichen und um die Genauigkeit durch Interpolation zu erhöhen. Eine Signalverarbeitungsschaltung (72) verwendet die Signale von den Fühlerelementen und nach Wahl deren Summen und Differenzen zum Ansteuern eines Zweirichtungszählers (l44), der auf diese Weise fortgeschrieben wird und einen Wert enthält, der der Lage des Wandlers oder des magnetischen Gitters entspricht.

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L e e r s e i t e

Claims

26. Oktober 1979

Sony Corporation

7-35 Kitashinagawa 6-chome

Shinagawa-ku

Tokyo/Japan

Ansprüche:

f. 1.jMagnetwiderstand-Verschiebungsfühler zur Verwendung mit '— zumindest einem länglichen magnetischen Gitter mit einer Wellenlänge, mit

einem ersten Magnetwiderstandsfühler zur Erzeugung eines ersten Ausgangssignals abhängig von dessen Verschiebung gegenüber zumindest einem magnetischen Gitter, einem zweiten Magnetwiderstandsfühler zur Erzeugung eines zweiten Ausgangssignals abhängig von dessen Verschiebung gegenüber dem mindestens einen magnetischen Gitter, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste und der zweite Magnetwiderstandsfühler (hk, kk< ) gegeneinander fest angeordnet sind und einen relativen Abstand von (m/2 + \/k)X , (m/2 + 1/2)λ oder (m/2 + I)J-dazwischen besitzen,

daß ein Vormagnetisierungsfeld (H_) an ersten und zweiten Magnetwiderstandsfühlern (kk^kk¹) angelegt sind und daß das Vormagnetisierungsfeld und der relative Abstand die

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Erzeugung einer relativen Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal von im wesentlichen weniger als i8o° bewirken.
2. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnetwiderstandsfühler (44,44') jeweils zumindest zwei parallele

aus

Streifen (28,28',28'', 28···) Magnetwiderstandswerkstoff enthalten mit einem relativen Abstand dazwischen zur Erzeugung von magnetischen Widerständen einer relativen Phase von 180, wobei das Ausgangssignal an einem Verbindungspunkt von den mindestens zwei parallelen Streifen abgenommen ist.
3. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei parallelen Streifen (28,28',28'',28''') eine erste und eine zweite Gruppe ( 48 , 48 · , 48 · ' , 48 ' · ' ) paralleler Streifen enthalten, wobei die erste Gruppe der parallelen Streifen einen relativen Abstand von η Λ /2 besitzt, wobei λ. die Wellenlänge ist und η = 1,2,3..., und wobei erste und zweite Gruppe einen wirksamen Abstand zwischen entsprechenden parallelen Streifen von (m/2 + l/k)A. besitzen, mit m = 0,1,2,3··- und k = 3,4,5,·.·
4. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach Anspruch 2 oder 3, wobei jeder der ersten und zweiten Magnetwiderstandsfühler Verbindungsleiter enthält zur Reihenschaltung zumindest zwei paralleler Streifen, wobei die Verbindungsleiter einstückig mit den zumindest zwei parallelen Streifen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleiter (30) eine Breite besitzen, die wesentlich größer als die Breite der mindestens zwei Streifen ( 28 , 28 · , 28 ' ' , 2Ö ' ' ' ) ist, wodurch der Magnetwiderstandseffekt in ihnen verringert ist.
5. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormagnetisierungsfeld (Hg) eine Richtung parallel zu den Streifen (28,28',28' ·,28' ' · )

besitzt. 030019/0847
6. Magnetvii derstand-Ver schi ebungsf iihler nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormagnetisierungsfeld (H ) eine Richtung unter einem Winkel von h5° zu den Streifen (28,28·,28'',28''') besitzt.
7. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Gitter (2k') magnetische Domänen mit Teilungen (56) aufweist, wobei die Teilungen (56) unter einem Winkel (f) zu der Wellenlänge geneigt sind und daß die zumindest zwei parallelen Streifen (28,28',28'',28''·) in dem ersten und dem zweiten Magnetwiderstandsfühler (44,44') parallel zu dem Winkel sind.
8. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormagnetisierungsfeld (H_R) eine Richtung ($) parallel zu dem Winkel (φ) besitzt
9· Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormagnetisierungsfeld (H_R) eine Richtung (·&) unter einem Winkel von etwa 45° zu dem Winkel (^) besitzt.
10. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Magnetwiderstandsfühler (44,44') in Richtung der Wellenlänge Ende an Ende angeordnet sind.
11. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Magnetwiderstandsfühler (44,44') Seite an Seite quer zur Richtung der Wellenlänge angeordnet sind.
12. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Magnetwiderstandsfühler (44,44') jeweils mehrere parallele Streifen (28,28',28'',28''') in Reihe enthalten zur Bildung zumindest einer U-förmigen Schleife, wobei mindestens eine U-förmige Schleife des ersten Magnetwiderstandsfühlers (44) mit zu-

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mindest einer U-förmigen Schleife des zweiten Magnetwiderstandsfühlers (kk') verschachtelt ist (Fig.8,9).
13. Magnetwiderstand-Verschiebungsfiihler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Streifen(28,28',28'',28'·') in mindestens einem von erstem und zweiten Magnetwiderstandsfühler (kkfkk') zumindest zwei Streifen aufweisen, die so nahe zueinander sind, daß sie im wesentlichen durch einen einzigen Abschnitt des magnetischen Gitters (2*0 in gleicher Weise beeinflußt sind und wobei die mindestens zwei Streifen die U-förmige Schleife bilden, die mit einer U-förmigen Schleife in dem anderen Magnetwiderstandsfühler verschachtelt ist (Fig.9).

lh. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler, mit einem magnetischen Maßstab mit Teilungen eines magnetischen Gitters, die darauf mit einer vorgegebenen Wellenlänge aufgetragen sind,

mindestens einem Erfassungselement, das den Teilungen des magnetischen Gitters gegenüberliegend angeordnet ist und gegenüber dem magnetischen Maßstab in Richtung der Wellenlänge bewegbar ist,

wobei das Erfassungselement aus zwei Element einheiten besteht, die miteinander reihengeschaltet sind, wobei jede der Element_einhei ten mehrere Streifen aus ferromagnetischem Werkstoff besitzt, der einen Anisotropieeffekt des magnetischen Widerstands besitzt, sowie die Streifen miteinander verbindende Verbindungsleiter, wobei die Streifen der Elementeinheiten im wesentlichen parallel zueinander sind, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Vormagnetisierungsfeld (H₀), das an jedes der Erfassungselemente (kk,kk') unter einer vorgegebenen WinkelausrichtutiR ^ψβ) gegenüber deren Streifen ( 28 , 28 ' , 28 ' ' , 28 ' ' ' ) angelegt ist, wodurch in Kombination zumindest ein Ausgangssignal mit gewünschter Charakteristik erzeugbar ist.

15· Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleiter (3O) wesentlich breiter als die Streifen (28,28',28·',28''■) sind,

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so daß sie im wesentlichen frei von dem Magnetwiderstandseffekt sind.

l6. Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach Anspruch 14 oder 15» dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elementeinheiten (kk,kk') mit einem festen Abstand gegeneinander angeordnet sind.

17· Magnetwiderstand-Verschiebungsfühler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungen (58) des magnetischen Gitter? (2k) unter einem diagonalen Winkel (φ ) zu der Wellenlänge angeordnet sind, daß die mehreren Streifen (28,28',28'', 28''') jeder Elementeinheit (4Ί,4Ί') parallel zu dem diagonalen Winkel (^) angeordnet sind, daß zwei Elementeinheiten (kk^kk') miteinander verschachtelt sind und daß die mehreren Streifen (28,28') einer Elementeinheit (kk) abwechselnd mit Streifen (28'',2S¹'¹) der anderen Eiementeinheit(kk·) in Intervallen von ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge (A-) angeordnet sind.

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