DE3106613A1

DE3106613A1 - Magnetfuehlereinrichtung

Info

Publication number: DE3106613A1
Application number: DE19813106613
Authority: DE
Inventors: Akihisa Tokyo Narimatsu; Hiroyuki Masago Chiba Ohkubo
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1981-02-23
Publication date: 1981-12-17
Also published as: GB2071333B; FR2476852A1; FR2476852B1; GB2071333A; IT1135579B; US4401944A; IT8119908A0; CA1178660A

Description

Magnetfühlere inrich tung

Die Erfindung betrifft allgemein einen Magnetfühler und mehr im einzelnen eine Magnetfühlereinrichtung, welche die optimale Ausgangskennlinie zur Ermittlung von Verschiebung und Position analoger Servoelemente und zur automatischen Ortsbestimmung bietet durch Magnetwiderstandselemente mit Widerstandsmerkmalen, die durch einen ferromagnetischen Magnetwiderstandseffekt gegeben sind.

Im allgemeinen werden Magnetfühlereinrichtungen für analoge Servoelemente und drgl. verwendet, welche die Ausgangskennlinie eines Magnetismus- Ermittlungselementes nutzen zur Verwendung in Verschiebungsumsetzern wie zum Beispiel Potentiometern oder zur Rückführung des Positionssignals zu einem Motor, um den Betrieb einer Maschine anstatt mit einer Bremse kontinuierlich zu steuern, wenn Werkzeugmaschinen und drgl. in einer Zielstellung angehalten werden.

Beispielsweise werden für analoge Servoelemente zur Steuerung der Rotationsstellung von Werkzeugmaschinen-Spindel und-Motor Magnetfühlereinrichtungen verwendet, welche das Ausgangssignal entsprechend einem in einem Magnetisierungsmaterial erzeuqten magnetischen Feld verändern. Diese Art von Magnetfühlereinrichtung verwendet gewöhnlich einen geeignet magnetisierten Magneten aus Magnetmaterial als Magnetisierungsmaterial, welcher an einer Spindel befestigt ist und zur gemeinsamen Drehung mit der

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Spindel ausgelegt ist, um mittels Magnetfühlerelementen das Magnetfeld abzutasten, das durch das Magnetisierungsmaterial erzeugt wird. Ferner werden für die Magnetfühlerelemente allgemein verwendet ein auf einen Fluß ansprechender Magnetkopf mit einer Frmittlungsspule, welche auf einen Magnetkern eines Magnetkreises mit einem Magnetspalt gewickelt ist, ferner ein ferromagnetisches Magnetwiderstandselement, welches auf dem Magnetismus-Abtastprinzip beruht, das den ferromagnetischen Magnetwiderstandseffekt von ferromagnetischem Metall nutzt, ein Halbleiter-Magnetwiderstandselement, welches auf dem Magnetismus-Abtastprinzip beruht, das den Halbleiter-Magnetwiderstandseffekt von Halbleitern nutzt, oder auch Hall-Elemente.

Wenn eine Magnetismus-Elektrizitäts-Umwandlungseinrichtung (ein Magnetfühler) für dieses analoge Servoelement verwendet wird, werden gewöhnlich Ausgangskennlinien gefordert, welche eine große Ausgangsspannungsempfindlichkeit und eine monotone Zunahme oder Abnahme der Ausgangsspannung gegenüber der Verschiebung über einen weiten Bereich zeigen.

Allgemein mit Halbleitern ausgestattete herkömmliche Magnotfühlernlcmente zeigen UmwandlungskennI inien, die von den Eigenschaften der, vorwendeten Halblei termater icj 1 s abhängen. Bei Halbleiter-MagneLwiderstandselementen, die aus Halbleitermaterialien wie GaAs, InSb und drgl. gebildet sind, hängt zum Beispiel die Ladungsträgerdichte und die Fähigkeit dieser Ladungsträger zur Bewegung in dem Material stark von der Temperatur ab. Ferner sind die Temperaturempfindlichkeiten ungünstig, und pc zeigen sich weite Schwankungen des spezifischen Widerstandes innerhalb der Elemente, weshalb eine externe Temperatur kompensationsschaltung zur Kompensation der Temperatur und der Streuung des spezifischen Widerstandes benötigt wird. Da der spezifische Widerstand des Ha 1blcitor-Magnetwiderstandselementes annähernd mit dem Quadrat der Intensität des Magnetfeldes variiert, wenn dieses klein ist, wird ferner gewöhnlich ein Magnetfeld einer Vormagnetisierung von einem klloqauss oder mehr benötigt und kann nicht mit ausreichender Gleichförmigkeit über einen weiten Magnetbereich

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vorgesehen werden.Daher ist es für eine Maqnetfühlereinriehtunq, die solch ein Halbleiter-Maqne twiders tandselement verwendet., äußerst schwieriq, eine kleine Verschiebunq mit zufriedenstellender Linearität zu ermitteln.

Ferner ist es allgemein schwieriq, die Polfläche eines Maqneten zu einer qekrümmteη Fläche für das Magnetmaterial zu verarbeiten, welches einen Magneten bildet, der als Maqnetisierunqsmaterial in der Maqnetfühlereinrlchtung verwendet wird, und häufig wird ein stanqenförmiqer Magnet als Magnetsierunqsmaterial verwendet. Wenn __ solch ein stanqenförmiqer Magnet an der Rotationswelle als Maqnetisierunqsmaterial befestiqt ist, weicht die Rotationsspur des Mittelabschnitts des Magnetisierungsmaterials von den Spuren entgegengesetzter Enden ab, so daß der Abstand zwischen dem Magnetfühler und dem Magnetisierunqsmaterial nicht konstant gehalten werden kann. Insbesondere wird, wenn ein länqlicher stangenförmiger Magnet als Magnetisierungsmaterial verwendet wird, um den Ermittlungsoperationsbereich durch den Magnetfühler zu erweitern, kein ausreichendes Ermittlungssignal erhalten aufgrund der Zunahme dieses Abstandes in dem Mittelbereich des Magnetisierunqsmaterials.

Der ferromagnetische Magnetwiderstandseffekt von ferromagrieti-/"■**. schem Metall kann im allgemeinen in zwei Arten von Effekten unterteilt werden. Der erste Effekt ist die Widerstands-änderunq, welche durch die Änderung der Selbstmagnetisierung erzeugt wird, welche durch ein äußeres Magnetfeld verursacht wird. Dieser Effekt kann gut durch die Theorie von Mott erläutert werden. Im allgemeinen ist dieser erste Effekt ein negativer Magnetwiderstandseffekt, welcher zu der linearen Abnahme des spezifischen Widerstandes der Einrichtung bei Zunahme des Magnetfeldes führt, und ist isotrop bezüglich der Richtung des Magnetfeldes. Während dieser Effekt bedeutend ist, wenn das ferromagnetische Material auf seine Curie-Temperatur erhitzt wird, wo die Selbstmagnetisierung am stärksten ist, kann der Fffekt vernachlässigt werden, solange das Material nicht dem starken äußeren Magnetfeld unterworfen wird.

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Auch der zweite Effekt kann in einem relativ kleinen Magnetfeld beobachtet werden, da der spezifische Widerstand des ferromagnetischen Materials anisotrop mit dem Winkel zwischen der Richtung der Magnetisierung und der Richtung des Stromflusses variiert. Dieser Effekt ist am stärksten in dem Temperaturbereich, wo die Änderung der Selbstmagnetisierung mit der Temperatur klein ist, und vermindert sich allmählich, wenn die Temperatur des Materials zu der Curie-Temperatur hin erhöht wird. Im allgemeinen ist in einem ferromagnetischen Metall der spezifische Widerstand bei einem Maximum, wenn die Richtungen von Strom und Magnetisierung parallel sind, und ist bei einem Minimum, wenn diese Richtungen senkrecht zueinander sind. Der Effekt kann ausgedrückt werden durch die wohlbekannte Voight-Thomson-Eormel

R(Q) = R₁ · sin²9 + R₁₁ · cos2q (1)

worin θ der Winkel zwischen der Richtung des Stromflusses und der Richtung von gesättigtem Magnetismus ist und R_x und R₁₁ den spezifischen Widerstand des ferromaqnetischen Materials bedeuten, wenn die Richtung des Stromflusses die Richtung von gesättigtem Magnetismus senkrecht kreuzt beziehungsweise wenn beide Richtungen parallel zueinander sind. Magnetwiderstandselemente aus ferromagnetischem Metall, welche diesen zweiten Effekt nutzen, sind teilweise zur praktischen Anwendung gekommen. Als ferromagnetische Metalle, die diesen ferromagnetischen Magnetwiderstandseffekt aufweisen, sind Legierungen aus NiCo , NiFe , NiAl , NiMn oder NiZn bekannt. In einer Magnetismus-Elektrizitäts-Umwandlungseinrichtung, die einen Magnetfühler verwendet, dessen Magnetismus-Elektrizitäts-Umwandlungseigenschaft von der Richtung des gegebenen magnetischen Feldes abhängt, wie ferromagnetische Magnetwiderstandselemente, die den ferromagnetischen Magnetwiderstandseffekt nutzen, kann der Ermittlungsoperationsbereich erweitert werden, um die Richtungsumkehr eines Signalmagnetfeldes z'i verlangsamen, indem beispielsweise ein Maqnetspalt zwischen den das Signalmagnetfeld erzeugenden Magnetisierungsmaterialien gebildet wird. Wenn aber dieser Magnetspalt zu sehr erweitert wird, wird die Linearität der umwandelnden Ausgangskennlinie verdorben, so daß es äußerst schwierig ist, eine Magnetismus-Elektrizitäts-

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Umwandlungseinrich tuny mit «trier Ausgangskenniin ie ausgezeichneter Linearität und weitem Operationsbereich zu realisieren.

Tin Gegenstand der Erfindung 1st die Schaffung einer ■ Maqne Lf ühlereinrichtung, bei welcher Magnetwiderstandselemente, die aus ferromagnetischem Metall gebildete Strompfadabschnitte der Bauart mit drei Anschlüssen aufweisen, für Maqnetismus-Abtastelemente verwendet und als analoge Servoelemente angewandt werden können.

Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer _. Magnetfühlereinrichtung, welche die Richtungsumkehr eines durch ein SignaJmagnetisierungsmaterial verursachten Signalmagnetfeldes verlangsamt, um eine Frmittlungssignalkennlinie zu bieten, die sich monoton über einen weiten Operationsbereichverändert.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer Magnetfühleretnriehtung, welche eine f"rmi tt Lungssigna Lkenn I inie mit ausgezeichneter Linearität über einen weiten Operationsbereich aufweist.

Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer Magnetfühlereinrichtung, welche eine optimale Ermittlungssignalkennlinie für analoge Servoelemente aufweist durch analoges Zu-/""* sammensetzen der Ausgangssignale von einer Vielzahl von Magnetwiderstandselementen, um die Nichtlinearität der Ermittlungssignalkennlinie zu korrigieren, welche Nichtlinearität durch die Nichtlinearität des Änderungsverhältnisses der Richtung des Signalfeldes des Signalmagnetisierungsmaterials verursacht wird.

Noch ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer Magnetfühlereinrichtung, welche die Rotationsstellung eines Rotors über einen weiten Ermittlungsoperationsbereich ermitteln kann mit einer Vielzahl von Magneten, die als Signalmagnetisierungsmaterial auf dem Rotor unter einer Neigung angeordnet sind, die dem Radius der Kreisbewegung des Rotors entspricht.

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Ausrührunqsboispie I o dor Frfindurig werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 Figur 2

Figur 3 Γ icjur 4· Figur 5

Figuren 6, und 8

Figur 9

Figuren und

Figur 12

i quron und 14-

Figuren 15,16 und

ein Schaltbild des Bauprinzips eines aus Magnetwiderstandelementen gebildeten Magnetfühlers zur Anwendung auf die Erfindung;

eine schematische bildliche Darstellung der relativen Lagen zwischen dem Magnetfühler und dem Signalmagnetisierungsmaterial; ein Vektordiagramm zur Erläuterung eines durch den Magnetfühler ermittelten Magnetfeldes; ein Diagramm mit der Ausgangskennlinie des Magnetfühlers ; eine schematische bildliche Darstellung einer ersten Ausführungsform der Magnetfühlereinrichtung;

Diagramme mit jeweils tatsächlich gemessenen Ergebnissen von Ausgangskennlinien der ersten Ausführungsform; eine schematische bildliche Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Magnetfühlereinrichtung;

Diagramme mit jeweils tatsächlich gemessenen Ergebnissen von Ausgangskennlinien der zweiten Ausführungsform; eine schematische bildliche Darstellung einer dritten Ausführungsform der Magnetf iih 1 ere i nr i ι htunq ;

Diagramme der jeweiligen tatsächlich gemessenen Tvgebnisse der Ausgangskenril in i en der dritten Ausführungsform ;

schematische bildliche Darstellungen mit Beispielen für die Veränderung der relativen Lage zwischen dem Magnetfühler und dem Signalmagnetisierungsmaterial in Anwendung auf die dritte Ausführungsform;

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Figur 18

Figur 19

Figur 2 0

Figuren 21a, 21b, 21c, 21d

Figuren 22, und

Figur 25 Figur 26 Figur 27

Figur 28

Figur 29,30, 31a, 31b

Figur 32

ein Diagramm mit den tatsächlich gemessenen Ergebnissen der Ausgangskennlinie in der dritten Ausführungsform, auf welche das in Figur 17 gezeigte Signalmagnetisierungsmaterial angewandt ist; eine sehematische bildliche Darstellung der dritten Ausführungsform in Anwendung auf die Servosteuerung eines Rotors;

eine schema tische bildliche Darstellung einer vierten Ausführungsform der Magnetfühlere i iir i oh Lung ;

perspektivische bildliche Darstellungen ,jewei I iger Baubeispiele des Signalmagnetisierungsmaterials in Anwendung auf die vierte Ausführungsform;

Diagramme mit den jeweiligen tatsächlich gemessenen Ergebnissen der Ausgangskennlinien der vierten Ausführungsform;

ein Schaltbild einer fünften Ausführungsform der Magnetfühlereinrichtung ;

ein Diagramm zur Erläuterung des Operationsprinzips der fünften Ausführungsform;

eine bildliche perspektivische Darstellung eines konkreten Baubeispiels für den Magnetfühler und das Signalmagnetisierungsmaterial in Anwendung auf die fünfte Ausführungsform;

ein Kurvendiagramm zur Erläuterung des Onerationsprinzips einer Abwandlung der fünften Ausführungsform ;

bildliche perspektivische Darstellungen mit den Baubeispielen für den Magnetfühler und das Signalmagnetisierungsmaterial zur Anwendung auf die fünfte Ausführungsform;

ein Schaltbild einer Schaltung, die zur Operation gemäß der Kurve von Figur 28 in der fünften Aus-Pührungsform aufgebaut ist;

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Figur 33 eine schematische bildliche perspektivische Darstellung der vierten Ausführungsform bei Anwendung auf die fünfte Ausführungsform;

Figuren 34-, 35 Diagramme mit den tatsächlich gemessenen Ergebnissen der Ausqanqskenn1inie der in Figur 33 gezeigten Ausführungsform;

figur }G eine Schnittansicht in Längsrichtung des Hauptabschnitts der fünften Ausführungsform in Anwendung auf eine Rotor-Servosteuerung;

Figur 37 eine bildliche perspektivische Ansicht des Hauptabschnitts dieser Ausführungsform;

Figur 38 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des gleichen Hauptabschnitts; und

Figur 39 ein Kurvendiagramm zur Erläuterung der Operation dieser Ausführungsform.

Fine Magnetfühlereinrichtung ist im Prinzip mit einem Magnetwiderstandselement versehen, umfassend einen aus ferromagnetischem Metall gebildeten Strompfadabschnitt eines Aufbaus mit drei Anschlüssen, eine Stromquelle zur Lieferung eines Stromes an den Strompfadabschnitt, ein Vormagnetisierungsmaterial zur Bildung eines Vormagnetisierungsfeldes in der Richtung, die einen Winkel von 45 mit der Richtung des Stromes zu

dem Strompfadabschnitt bildet, sowie ein Magnetisierungsmaterial zur Erzeugung eines Signalmagnetfeldes,dessen Richtung sich durch eine Grenzlinie verändert, so daß die Einrichtung in der Lage ist, die Richtungsänderung des Signalmagnetfeldes mit -de... Maqnetwiderstandseiement zu ermitteln.

Fiqur 1 ist ein Schaltbild zur Erläuterung des Operationsprinzips der Magnetfühlereinrichtunq, welche ein Magnetwiderstandselement 1 mit drei Anschlüssen als Maqnetismus-Abtastelement verwendet.

In Figur 1 weist das Magnetwiderstandselement .1 einen ersten und (!!non /weilen Strompf adabsohn itt 4, 5 auf, die. /wischen Anschlußklemmen 2, 3 in Reihe geschaltet sind, und am Mittelpunkt der Verbindung ist eine Ausgangsklemme 6 vorgesehen. Der erste und der

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zweite Strompfadabschnitt 4-, 5 sind jeweils mit einem Serpentinenmuster gebildet aus einem Film von ferromagnetischem Metal 1 wie zum Beispiel einer NiCo-, NiFe-, NiAl-, NiMn-oder Ni/n-Leqierunq, wobei die Längsrichtungen beider Abschnitte senkrecht zueinander angeordnet sind.

Mit dem Magnetwiderstandselement 1 sind zwei äußere Widerstände 7, 8 in Reihe zwischen den Anschlußklemmen 2, 3 verbunden, und aus den äußeren Widerständen 7, 8 und den entsprechenden Strompfadabschnitten 4·, 5 wird eine Brückenschaltung gebildet, während eine Brückerigleichspannung V mittels einer Stromquelle 9

ί—ν Ο

an die Anschlußklemmen 2, 3 angelegt ist. Da die Strompfadabschnitte 4, 5 jeweils Widerstandskennlinien gemäß der Voiqht-Thomson-Gleichung (I) aufweisen, wenn ein rotierendes MaqnetfeJd

/ei Iier H_T angelegt wird, das gesättigt magnetisiert ist mit' Stärke von 100 Oe oder mehr, wird an der Ausgangsklemme 6 des Maqnetwiderstandselements 1 und einer Ausgangsklemme 10, die an der gemeinsamen Verbindung der äußeren Widerstände 7, 8 vorgesehen ist, eine Ausgangsspannung V erhalten, welche wie eine Kosinuswelle mit der Richtung des rotierenden Magnetfeldes H_T schwankt und wiedergegeben wird durch die Gleichung

V = KV₀ cos 2 θ (2)

In Gleichung (2) bedeutet K eine durch das ferromagnetische Me- ~, tall bestimmte Proportionalitätskonstante.

Wenn nun wie in Figur 2 gezeigt ein Magnetwiderstandselement 11, welches auf einem Vormagnetisierungsmaterial 18 angebracht ist, beweglich bezüglich eines Magnetisierungsmaterials 19 für das Signalmagnetfeld vorgesehen ist, spricht das Magnetwiderstandselement 11 an auf ein zusammengesetztes Magnetfeld H_T aus einem Gleichspannungs-Vormagnetisierungsfeld H_ß, das durch das Vormagnetisierungsmaterial 18 erzeugt wird, und aus einem Siqnalmagnetfeld H-, das durch das Maqnetisierungsmaterial 19 für das Signalmagnetfeld erzeugt wird. Hier wird das Vormagnetisierungsfeld H„ in der Richtung erteilt, die einen Winkel von 4-5° mit der Richtung des Stromes bildet, welcher durch die

entsprechenden Strompfadabschnitte 14, 15 des Magnetwiderstandselementes 11 fließt, und bei Annahme einer Intensität

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ί ^HB I - I ^Hs ί

wird die Intensität H_T des zusammengesetzten Magnetfeldes H* wiedergegeben durch folgende Gleichung, wie aus dem Vektordiagramm in Figur 3 ersichtlich:

² ₊ Kl²

Hs

h_b O)

Ferner hat das zusammengesetzte Magnetfeld H_T die Richtung 9=0 bei +H- und 9 = 90° bei -H..

Wie aus Gleichung (2) ersichtlich, wird also die Ausgangsspannung +V bei 9 = 0°, das heißt +Hj., erhalten und die Ausqangsspannung -V bei 9 = 90°, das heißt -H-. Wenn ( H_c j ■ ο, wird natürlich 9 = 45 und die Ausgangsspannung wird null. Und zwar kann die Umkehrung von 180 des Signalmagnetfeldes H~ umgewandelt werden in die Umkehrung von 90° des zusammengesetzten Magnetfeldes H_T mittels des Vormagnetisierungsfeldes H„ in der Richtung von 45 .

Bei der Magnetfühlereinrichtung, die so ausgelegt ist, daß dem Magnetwiderstandselement 11 das Signalmagnetfeld H- und das Vormaqnetisierungsfeld H_R erteilt werden, wird also das Ermittlungsmerkmal, das der Signalpeqel der Ausgangsspannung V umgekehrt wird entsprechend der Umkehr des Siqnalmagnetfeldes H^, wie in l'iqur 4 qezeigt, ohne die Hysterese der Ausganqsspannung V beständig erhalten, da das Vormagnetisierungsfeld H₅ immer den entsprechenden Strompfadabschnitten 14, 15 des Maqnetwiderstandselementes 11 erteilt wird.

Die in solch einer Magnetfühlereinrichtung erhaltene Lrmittlungs Ausgangsspannung V wird null im Nullpunkt ohne Rücksicht auf die Temperaturveränderung, da cos 2 9 =0, ohne Rücksicht auf ^Hie Ver änderung der Proportionalitätskonstanten K in Gleichung (2).

Die Magnetfühlereinrichtung, wie in Figur 2 gezeigt, ist also versehen mit dem Ferromagnetmetall-Magnetwiderstandelement 11, das aus einem ferromagnetischen Metallfilm mit Serpentinenmuster

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gebildet ist und die entsprechenden Strompf adabschn itte 14, 1 5 <iufweist, welche einen Winkel von 45 mit der Endkante e eines E'lementsubtrats 17 bilden, und ist ferner versehen mit dem Vormaqnetisierunqsmaterial 18, das aus einem stangenförmiqen Maqnet.feld gebildet ist, um den Magnetfühler 20 zu bilden, bei welchem das Vormagnetisierungsmaterial 18 parallel mit dem Elementsubstrat 17 verbunden ist. Bei solch einem Aufbau des Magnetfühlers 20 wird das Vormagnetisierungsfeld H_R in der Richtung, die einen Winkel von 45° mit der Richtung des Stromes bildet, dem

den Magnetismus abtastenden Abschnitt des Magnetwiderstandselementes 11, das heißt, den entsprechenden Strompfadabschnitten 14, 15 durch das Vormaqnetisierunqsmaterial 18 erteilt.

Wenn nun die Magne tismus-Elektr I/ J tät-Umwand lunqseinr i oh t unq , welche die in Figur 4 gezeigte Ermittlungskennlinie aufweist, verwendet wird für einen Verschiebungsumsetzer wie ein Potentiometer verwendet wird, indem beispielsweise die Ausgangsspannung V benutzt wird, welche sich linear mit der relativen Verschiebung verändert, oder verwendet wird für ein analoges Servoelement an Stelle einer Bremse, um einen Motor kontinuierlich zu steuern durch Rückführen des Positionssignals zu dem Motor, wenn eine Maschine bei einer Zielposition angehalten wird, ist der Operationsbereich der Einrichtung zu klein, während ein Ausgangssignal gleicher Größe von zwei Stellen geliefert wird, die als Punkte A, H in Figur 4 gezeigt sind, so daß, wenn die Steuerunq am Punkt B angewandt wird, zum Beispiel der Ortungspunkt 0 in der umgekehrten Richtung gesteuert wird, was einer Verbesserung der Ausqangskennlinie bedarf.

Wenn die Magnetfühlereinrichtung für ein analoges Servoelement genutzt wird, werden wie oben erwähnt die Ausgangskennlinien benötigt, welche eine hohe Empfindlichkeit derAusgangsspannung und einen monotonen Anstieg oder Abfall der Ausgangsspannung bezüglich der Verschiebung über einen weiten Bereich aufweisen.

Figur 5 zeigt eine erste Ausführungsform, bei welcher ein Siqnalmagnetisierungsmaterial 30 mit einem Magnetspalt ausgebildet ist,

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um die Richtungsumkehr des Signalmagnet. foldes H^ zu verlangsamen, und die Richtung des Signalmagnetfeldes H- durch den Magnetfühler 20 ermittelt wird, um den Operationsbereich auszudehnen.

Und zwar besteht bei dieser Ausführungsform das Signalmagnetisierungsmaterial 30, das verschiebbar bezüglich des Magnetfühlers vorgesehen ist, aus zwei miteinander verbundenen Magneten 31, 32 mit einer dazwischenliegenden nichtmagnetischen Schicht 33, die den Magnetspalt in dem Mittelabschnitt bildet, wie in Figur 5 gezeigt, um das Signalmagnetfeld in der zur Richtung der relativen Verschiebung senkrechten Richtung ti η 11 in der umgekehrten Richtung /u erzeugen. Und zwar ist die nichtmagnetische Schicht 33, welche in dem' Mittelabschnitt des Siqnalmagnetisierungsmaterials 30 mit dem Magnetspalt gebildet ist, so angeordnet, daß sie die Richtung der relativen Verschiebung schneidet.

In gegenüberliegenden Seitenabschnitten der in dem Mittelabschnitt mit dem Magnetspalt ausgebildeten magnetischen Schicht 33 sind zwei. Magnete 31, 32 angeordnet, welche das Signalmagnetfeld H-er/cuqen, dessen Richtungen senkrecht zur Richtung der relativen Verschiebung und umgekehrt zueinander in der Richtung der relativen Verschiebung liegen.

Da solch ein Aufbau des Signalmagnetisierungsmaterials 33 in dem Mittelabschnitt mit dem aus der nichtmagnetischen Schicht 33 gebildeten Maqnetspalt versehen ist, wird die Richtung des Siqnalmagnetfeldes Η_ς, das von den entsprechenden Magneten 31, 32 auf beiden Seitenabschnitten abhängt, bei dem MagneLspal♦abschnitt langsam umgekehrt. Daher zeigt die Ausg.jrigsspannunq des Magnetfühlers 20 zur Frmittlung des Signalmaqnetfel des Η_ς einen Verlauf, der sich mit dor relativen Verschiebung des Magnetfühlers ⁵O gegenüber dem Signalmagnetisierungsmaterial 30 über einen weiten Bereich monoton verändert.

ik> i dieser Ausbildung der Ausführungsform werden Ba, Fe-Magnete mit einer Dicke h von 5,6 mm, einer Länge a von 8 mm in Richtung

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der relativen Verschiebung und einer Breite von "4- mm in der zur relativen Verschiebung senkrechten Richtung für die entsprechenden Magnete 31, 32 verwendet, welche das SignalmagneIisierungsmaterial 30 bilden. Bei Veränderung der Länge G des MagnetspaLts in Richtung der relativen Verschiebung sind die tatsächlich gemessenen Ergebnisse der entsprechenden Ausgangskennlinien erhalten worden, wie in den Figuren 6 bis 8 gezeiqt.

Und zwar zeigt Figur 6 die tatsächlich gemessenen Ergebnisse der jeweiligen Ausgangskennlinie, wenn die Länge G des Magnetspaltes 4·, 2 mm und der Zwischenraum C zwischen dem Signalmagnetisierungsmaterial 30 und dem Magnetfühler 20 1 mm, 2 mm oder 3 mm betragen.

Ferner zeigt Figur 7 die tatsächlich gemessenen Ergebnisse der jeweiligen Ausgangskennlinien, wenn die Länge G des Magnetspaltes 8 mm und der Zwischenraum C 1 mm, 2 mm, 3 mm oder 4· mm betragen. Ferner zeigt Figur 8 die tatsächlich gemessenen Ergebnisse der jeweiligen Ausgangskennlinien, wenn die Länge G des Magnetspaltes 12 mm und der Zwischenraum C 1 mm, 2 mm, 3 mm oder 4 mm betragen. Außerdem gibt in den Figuren 6 bis 8 die Abs/isse die relative Verschiebung χ zwischen dem Magnetfüh1 er 20 und dem Sigrialmagnetisierungsmaterial 30 wieder und die Ordinate die Ausgangsspannung V des Magnetfühlers 20.

Wie aus den tatsächlich gemessenen Ergebnissen der in den Figuren 6 bis 8 gezeigten Ausgangskennlinien ersichtlich, wird bei solch einer Ausbildung der Ausführung die Ausgangsspannung V , welche sich monoton entsprechend der relativen Verschie-

bung des Magnetfühlers 20 zu dem Signalmagnetisierungsmaterial 30 verändert, über einen weiten Bereich erhalten, und ferner kann die Ausgangsspannung V in ausgezeichneter Linearität dadurch erhalten werden, daß die Länge G des Magnetspaltes wie in dem Fall der in Figur 6 gezeigten Ausgangskenrilinie festgelegt wird.

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Die in Figur 9 gezeigte zweite Ausführunqsform zielt darauf ab, den Operationsbereich durch Verminderung der Breite des mittleren Magnetfeldbereichs eines Signalmagnetisierungsmaterials 40 zu erweitern.

Und zwar besteht bei dieser Ausführungsform das Signalmagnetis ierunqsmaterial 4-0, das verschiebbar relativ zu dem Magnetfühler 20 angeordnet ist, aus sechs Magneten 4-1, 4?, 4-3, 44, '45 und 46, die untereinander verbunden sind wie in Figur 9 gezeigt, um das Signalmagnetfeld H_ in der zur relativen Verschiebung senkrechten Richtung zu erzeugen. Das heißt, die zwei Magnete 43, 44, welche einen Magnetfeldbereich in dem Mittelabschnitt des Signalmagnetisierungsmaterials 40 bilden, sind entlang der Richtung der relativen Verschiebung unter der Bedingung der Erzeugung der einander entgegengesetzten Signalmagnetfelder Η,- angeordnet. An den Seiten der Magnete 43, 44, welche den Magnetfeldbereich in dem Mittelabschnitt bilden, sind jeweils zwei Magnete 41, 42 und 45, 46 angeordnet und untereinander verbunden in der zu der relativen Verschiebung senkrechten Richtung unter der Bedingung der Erzeugung des Signalmagnetfeldes Ης., das die gleiche Richtung wie das entsprechende Sign.almaq.netf eld H~ im Mi ttelbereich aufweist.

Und zwar sind bei solch einer Ausbildung des Signalmagnetisierungsmaterials 40 die Breiten W,, W₂ des mittleren Magnetfeldbereichs und der entsprechenden seitlichen Magnetfeldbereiche, welche durch die entsprechenden Magnete 41, 42, 43, 44, 45 und 46 in der zur Richtung der relativen Verschiebung senkrechten Richtung gebildet sind, in dem mittleren MagneIfc ]dbereich stärker verengt als in den jeweiligen seitlichen Magnetfeldbereichen.

Bei dieser Ausbildung der Ausfuhrungsform wird ein Sm Go-Magnet mit einer Dicke h von 3 mm und der Länge a von 4 mm in Richtung dor relativen Verschiebung für die entsprechenden Magnete 41, ¹V?, 43, 44, 45 und 46 verwendet, welche das Signa Imagnetisierunqsmaterial 40 bilden, und die tatsächlich gemessenen

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Ergebnisse der jeweilig in den Figuren 10 und 11 gezeigten Ausgangskennlinien sind erhalten worden bei Veränderung der Seiten W,, W_? der entsprechenden Magnetfeldbereiche in der zur relativen Verschiebung senkrechten Richtung.

Figur 10 zeiqt die tatsächlich gemessenen Ergebnisse für den Fall, daß die Breite W, des mittleren Magnetfeldbereichs 1,5 mm, die Breite W-, der entsprechenden seitlichen Magnetfeldbereiche 2,5 mm und der Zwischenraum B zwischen dem Signalmagnetisierungsmaterial 40 und dem Magnetfühler 20 1 mm betragen. Ferner zeigt Figur 11 die entsprechenden tatsächlich gemessenen Ergebnisse für den Fall W, = 3 mm, W_? -- 6 mm und C - 1,0 mm, C = 1,5 mm, C = 2,0 mm. In den Figuren 10 und 11 gibt die Abszisse die relative Verschiebung des Signalmagnetisierungsmaterials 4-0 gegenüber dem Magnetfühler 20 wieder und die Ordinate die Ausgangsspannung des Magnetfühlers 20.

Wie aus den tatsächlich gemessenen Ergebnissen der in den Figuren 10 und 11 gezeigten Ausgangskennlinien ersichtlich, kann bei dieser Ausbildung der Ausführungsform das Ausmaß, in welchem die Ausgangsspannung von dem Magnetfühler 20 sich monoton entsprechend der Verschiebung verändert, dadurch erweitert werden, daß die Breit W. des SI gna Imagnetisierungsm.i Lcr i <i I ;; 'M) in dem mil, t. Leren Magnetfeldbereich verengt wird, um die optimale Ausqonrjskennlinie zu schaffen, die auf ein analoges Servoelement oder einen Verschiebungsumsetzer anzuwenden ist.

Ferner zeigt Figur 12 die dritte Ausführungsform, bei welcher der Operationsbereich des Magnetfühlers dadurch erweitert werden kann, daß die Bewegungsrichtung des Magnetfühlers bezüglich eines Signalmagnetisierungsmaterials 50, welches aus zwei Magneten 51, 52 mit voneinander abweichenden Ermittlungsflächen magnetischer Polflächen S₀., N₅ besteht, um einen vorbestimmten Winkel θ geneigt ist zu der Richtung entlang der Grenzlinie 1 ~ /wischen den entsprechenden Magnotpolfläohen S_c, Νς. Fernor wird der Winkel θ festgelegt innerhalb dos Bereichs

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von 0° < J θ Ι < 90°.

Figur 13 zeigt das tatsächlich gemessene Ergebnis der Ausgangskenniinie für den Fall, daß bei einer derartigen Ausbildung der Ausführungsform der Winkel θ 15 beträgt, die Ermittlungsbreite b des Signalmagnetisierungsmaterials 50 8 mm beträgt und der Zwischenraum C zwischen dem Signalmagnetisierungsmaterial 50 und dem Magnetfühler 20 0,5 mm beträgt, während Figur 14 die gleiche Ausgangskennlinie in der Nachbarschaft der Ausgangsspannung null zeigt.

Bei solch einer Ausbildung der Ausführungsform kann, wie aus der Kennlinie von Figur 13 ersichtlich, der Bereich der Ermittlungsoperation wesentlich erweitert werden, während die Linearität in der Nachbarschaft der Ausgangsspannung null äußerst zufriedenstellend gemacht werden kann, wie aus der Kurve von Figur 14 ersichtlich.

Ferner kann der Bereich der Ermittlungsoperation dadurch erweitert werden, daß der Magnetfühler 20 bei dieser Ausführunqsform um 90° gedreht angeordnet wird, wie durch die gestrichelten Linien von Figur 12 gezeigt, um die Breite d des Magnetismus-Abtastungsbereichs zu nutzen, welcher aus den Strompfadabschnitten 14, 15 des Magnetfühlers 20 gebildet wird. Auf diese Weise wird die Linearität des Ausgangssignals verschlechtert, da das Verhältnis der Fläche des Magnetismus-Abtastungsbereichs in dem Magnetfühler 20 zu dem der Verschiebung vo'iiert.

Wenn die Position und die Richtung des Magnetfühiers 20 relativ /u dc:m Siqnalmagnetisierungsmaterial 50 so festgelegt werden, daß es den vorbestimmten Winkel θ mit der Grenzlinie I_n in dem Sign a !.magnetfeld H _ς bildet, kann auch die Ermittlung sup eration ähnlich der in der dritten Ausführungsform durchgeführt werden, selbst wenn die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes H_R zu der Richtung des Signalmagnetfeldes hL· in Beziehung steht, wie in den Figuren 15 oder 16 gezeigt.

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Ferner wird ein in Figur 17 gezeigtes Signalnuigne t i s ierunqsni.iterial 57 verwendet, bei welchem auf beiden Seiten von zwei Magneten 51, 52, die das Signalmagneti$ierungsmaterial 50 in der dritten Ausführungsform bilden, entsprechende Magnete 54,

η« Pi y H fi π

55 hinzugefügt',' die in der Magneteigen$chaft voneinander abweichende Magnetpolflächen S , N bilden mit der gleichen Polarität wie der Polarität der durch den Magnetfühler 20 ermittelten Magnetpolflächen S₅, N₅. Die in Figur 18 qe/eiqte Ausgangskennlinie wird durch die vierte Ausführungsform gebildet, bei welcher die Richtung der Bewegung des Magnetfühlers 20 relativ zu diesem Signalmagnetisierungsmaterial 57 geneigt festgelegt wird, um einen vorbestimmten Winkel 9. mit der Grenzlinie 1~ des Signalmagnetfeldes H- zu bilden, welches von den entsprechenden Magnetpolflächen S,-, Ν_ς gebildet wird. Bei. solch einer Ausbildung der vierten Ausführungsform wird beispielsweise ein Servomotor, der für ein Aufnahmesteuerungs-Maschinenwerkzeug verwendet wird, wenn eine Nute des Werkzeugs auf die einer Spindel ausgerichtet werden soll, steuerbar angetrieben unter Verwendung der in Figur 18 gezeigten Ausgangskennlinie, um die Spindel in eine vorbestimmte Zielstellung zurückzuführen, wo immer sie sich auch befindet, und die Spindel wieder zu dieser Zielstellung zurückzuführen, selbst wenn sie aufgrund ihrer Trägheit über die Zielstellung hinausgeht, um die Spindel immer in eine vorbestimmte Winkelstellung zu bringen. Wenn die Einrichtung in dieser Art zur Steuerung der Position eines Rotors genutzt wird, kann das Signalmaqnetisierungsmaterial 57 aus flexiblen Magneten wie Gummi .magneten gebildet sein, weLche auf die Oberfläche 59 des Rotors 58 aufgeklebt werden, wie in Figur 19 gezeigt.

Ferner wird in der in Figur 20 gezeigten vierten Ausführungsform der Operationsbereich erweitert durch Veränderunq des Abstandes C zwischen der Magnetpolfläche eines Signalmagnetisierungsmaterials 60 und dem Magnetfühler 20. Und zwar ist bei dieser Ausführungsform das Siqnalmagnetisierungsmateriai 60, das beweglich relativ zu dem Magnetfühler 20 angeordnet ist, mit zwei Magneten 61, 6? versehen, welche entlang der

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Richtung der Relativbewegung in einem Gießharzgehäuse 65 angeordnet sind. Die Magnete 61, 62 sind jeweils geneigt angeordnet derart, daß sie mit je einem Ende in dem mittleren Grenzabschnitt aneinander anstoßen und die Flächen der Magnete jeweils von dem einen Ende zu dem anderen Ende ansteigen, um dem Magnetfühler 20 gegenüberliegende geneigte 63, 64 zu bilden, Ferner sind die Magnete 61, 62 jeweils mit zueinander entgegengesetzter magnetischer Polarität magnetisiert.

Das so aufgebaute Signalmagnetisierungsmaterial 60 vermindert allmählich den Abstand zwischen dem Magnetfühler und den Flächen 63, 64- der entsprechenden Magnete 61, 62, die auf beiden Seiten des mittleren Grenzabschnitts einander gegenüberliegen, entsprechend der relativen Verschiebung zu dem Magnetfühler und erteilt diesem das Signalmagnetfeld, dessen Richtung auf beiden Seiten des mittleren Grenzabschnitt invertiert ist.

Ferner ist die Magnetisierungsrichtung der jeweiligen Magnete 61, 62, welche das Signalmagnetisierungsmaterial 60 bilden, so festgelegt, daß sie 90 mit der Richtung des durch das Vormagnetisierungsmaterial 18 verursachten Vormagnetisierungsfeldes H_R bildet und auf die Richtung des Vormagnetisierungs-. feldes H_R anspricht, wie in den Figuren 21A oder 21B gezeigt. Ferner kann der mittlere Grenzabschnitt in dem Signalmagnetisierungsmaterial 60 den Spalt G mit einer vorbestimmten Breite aufweisen, wie in Figur 21C gezeigt. Ferner können die entsprechenden Magnete 61, 62, die das Sigridlmagnet Γ sierunqsmatcricil 60 bilden, einteilig derart gebildet werden, daß ein flexibler Magnet CC, wie zum Beispiel ein Gummimagnet, in dem mil.tleren Grenzabschn i I L gebogen wird, ν.Ϊ e Ln liqur ?A0 gezeigt.

Die Figuren 22, 23 und 24 zeigen jeweils Ausgangskennlinien,

xi u r* o h
d i ο' Lrm'ittlung des Signalmagnetfeldes mit dem Magnetfühler 20

. aus erhalten wurden, welches gebildet wurde/zwei aus anisitropem Bariumferrit bestehenden Magneten 61, 62 von 5mm Breite, 14 mm

130051/101848

Länge und 4 mm Höhe. Figur 22 zeigt die tatsächlich gemessenen Ergebnisse der Ausgangskennlinie eines gewöhnlichen Signalmagnetisierungsmaterials, bei welchem zwei Magnete 61, 62 ohne Neigung angeordnet sind und der Abstand C zwischen dem Magnetisierunrjsmater ial und dem Magnetismus-Flektri ζ it.'its-Umwandlungselement 1,0 mm, 2.0 mm, 3,0 mm, 4,0 mm oder 5,0 mm betragt.Figur 23 zeigt das tatsächlich gemessene Ergebnis der

_Λ ι Ii · j c· , jnagne tisierunqs . . Ausgangskennlirue des Signal/marerlaj SO, das wie in Figur PIA gezeigt gebildet ist, in welcher die Magnete 61, 6? (jene igt sind, um den Abstand in dem mittleren Grenzabschnitt um 2mm zu vergrößern, und der Abstand C beträgt 1,0 mm, 2,0 mm, 3,0 mm 4-,Q mm und 5,0 mm. Ferner zeigt Figur 2Λ das tatsächlich gemessene Ergebnis der Ausgangskennlinie des Signalmagnetisierungsmaterials 60, das wie in Figur 21B gezeigt gebildet ist, in welcher der Abstand in dem Grenzabschnitt um 2 mm vergrößert ist und der Abstand C 1,0 mm, 2,0 mm und 3,0 mm beträgt.

Wie aus den tatsächlich gemessenen Ergebnissen/in den Figuren 22 bis 24 gezeigten Ausgangskennlinien ersichtlich, ist gemäß dieser vierten Ausführungsform der Bereich, in welchem das Ermittlungssignal von dem Magnetfühler 20 sich monoton verändert, wesentlich mehr erweitert als bei herkömmlichen Beispielen, um die optimale Ausgangskennlinie für ein analoges Servoelement und einen Dispositionsumsetzer vorzusehen.

Während bei den ersten vier Ausführungsformen der Bereich der Ermittlungsoperation ausgeweitet werden kann, kann seine übermäßige Erweiterung die Linearität und die Ermittlungsempfindlichkeit der Ausgangskennlinien verschlechtern.

Figur 25 zeigt eine fünfte Ausführungsform, bei welcher die jeweiligen von einer Vielzahl von Magnetfühlern erhaltenen analogen Ermittlungsignale einem Zusammensetzprozess unterworfen werden, um die AusgangsspannungsempfindlichkeiI, die Ausgangslinearitat, den Operationsbereich usw. im Vergleich zu der Ausgangs kennlinie ein.-s einzelnen Magnetfühlers zu

verbessern. Und zwar werden in der in Figur 25 gezeigten fünften Ausführungsform ein erstes Ermittlungssignal e, von einem ersten Magnetfühler 2OA, welcher eine Ausgangskennlinie mit engem Operationsbereich und eine hohe Ausgangsspannungsempfindlichkeit aufweist,, wie durch die gestrichelte Linie in Figur 26, sowie ein zweites Ermittlungssignal e_? von einem zweiten Magnetfühler 2OB, welcher eine AusganqskennlinIe mit niedriger Ausgangsspannungsempfindlichkeit und einem breiten Operationsbereich aufweist, wie durch die strichpunktierte Linie in Figur 16 gezeigt, einer Analogsignal-Zusammensetzschaltung 100 zugeführt, welche aus einem ersten Operationsverstärker A, und zweiten Operationsverstärker A- gebildet ist. Die negative Eingangsklemme des ersten Operationsverstärkers A, ist über einen Widerstand R, mit dem ersten Magnetfühler 2OA verbunden, während die Ausgangsklemme des Verstärkers A-. über einen Rückführwiderstand R- mit seiner negativen Eingangsklemme verbunden ist, um eine Phasenumkehrschaltung zu bilden. Ferner sind die jeweiligen Werte des Eingangswiderstandes R, und des Rückführwiderstandes R- einander gleich festgelegt. Also hat die Phasenumkehrschaltung gemäß dem ersten Operationverstärker A, die Verstärkung 1. Das Umkehrausgangssignal e ·, (e¹, = -e,), das durch die Phasenumkehrschaltung erhalten wird, wird der negativen Eingangsklemme des zweiten Operationsverstärkers A_? über den ersten Eingangswiderstand R, zugeführt. Während die Ausgangsklemme und die negative Eingangsklemme des zweiten Operationsverstärkers A- über den Rückführwiderstand R, mi einander verbunden sind, ist die positive Eingangsklemme des zweiten Operationsverstärkers A₂ über einen zweiten Einyangswiderstand R^ mit dem zweiten Magnetfühler 2OB verbunden und über einen Widerstand R. geerdet, um eine Differenzverstärkerschaltung /u bilden. Die Differenzverstärkerschaltung gemäß dem zweiten Operationsverstärker A₀ liefert ein /usammengese tz tes Ausq.inqssignal e„, das durch folgende Gleichung wfedergeqeben

^R4 ^1^+R2 ^R2

A ~— i Ii -Ii ■ i*i ι Ii Ii ι «ι ι Ä __ !»nil if*! *

ο R^+R. R₁ 2 R₁ 1

j 4 X i.

Figur 26 zeigt die Kennlinie des zusammengesetzten Ausgangssignals e„ mit der ausgezogenen Linie.

Unter der Annahme R, = R^ und R~ = IK kann das zusammengesetzte Ausganqssignal e_fi durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden:

^eo - ϊς <^e ₂ - ^ei>

=^(e_2+ei) (5)

e_o isL also das Rp/R_T -fache der Summe der entsprechenden Ermitt1ungssignale e, und e.,.

Der in Figur 2 gezeigte Magnetfühler 20 kann für die Magnetfühler 20A, 20B zum Senden der jeweiligen Ermittlungssignale e,, e-, verwendet werden. Zum Beispiel wird, wie in Figur 27 gezeigt, der Magnetfühler 20 gebildet aus einem Paar von Magnetwiderstandselementen HA, HB, deren erste und zweite Strompfadabschnitte als Serpentinenmuster aus ferromagnetischem Material gebildet sind, das den ferromagnetischen Magnetwiderstandeffekt aufweist. In Figur 27 sind die Strompfadabschnitte der Magnetwiderstandselemente HA, HB senkrecht zueinander angeordnet, und die Elemente haften fest an einer Fläche des Vormagnetisierungsmaterials 18 zur Erzeugung des Vormagnetisierungsfeldes H„, dessen Richtung 45. mit der Richtung des zu dem Strompfadabschnitten fließenden

Stromes bildet. Die jeweiligen fest an dem Vormagnetisierungsmaterial 18 haftenden Magnetwiderstandselemente HA, HB sind verschiebbar angeordnet relativ zu einem Signalmagnetisierungsmaterial 130 zur Erzeugung des Signalmagnetfeldes Ης, dessen Richtung senkrecht zur Richtung des Vormagnetisierungsfeldes H„ ist. Das Signalmagnetisierungsmaterial 130 wird aus zwei Magneten 131, 132 gebildet, die entlang der Richtung der relativen Verschiebung angeordnet sind, um die Signal magnetfeld er H₁. zu erzeugen, deren Richtungen an dem mittleren Grenzabschnitt einander entgegengesetzt sind. Auch

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ist bei diesem Signalmagnetisierungsmaterial 130 einer der mittleren Abschnitte, der dem Magnetwiderstandselement 11B gegenüberliegt, ausgeschnitten, um einen Magnetspalt G zu bilden. Durch örtliches Ausschneiden des Mittelabschnitts des Signalmagnetisierungsmaterials 130 zur Bildung des Magnetspaltes G kann die Richtung des dem einen Magnetwiderstandselement HB erteilten Signalmagnetfeldes 1+ langsam invertiert werden, um das Umsetzungssignal mit der niedrigen Ermittlungsempfindlichkeit und dem breiten Operationsbereich von dem einen Magnetwiderstandselement HB zu erhalten.

Ferner werden bei dieser Ausführungsform von den jeweiligen Magnetfühlern HA, HB die Ermittlungsignale mit der gleichen Polarität erhalten, und ein Frmittlungssignal wird durch die Phdsenumkehrscha1tung umgekehrt, um die Signale zusammenzusetzen. Wird jedoch die Ausführungsform so ausgebildet, daß das Ermittlungssignal von einem Magnetfühler mit umgekehrter Polarität erhalten wird und werden die entsprechenden Ermittlungssignale e,, e,, zusammengesetzt, wie in Figur 28 gezeigt, dann kann die Phasenumkehr schaltung gemäß dem ersten Operationsverstärker A, weggelassen werden, um ein erwünschtes Umsetzungsausgangssignal über die Signalzusammensetzschaltung mit einem einfachen Aufbau zu erhalten.

Um also die Ermittlungssigniifem.it zueinander entgegengesetzter Polarität von den entsprechenden Magnetfühlern 2OA, 2OB zu erhalten, können die Richtungen des Vormagnetisierungsfeldes H_R, das einem Paar von Magnetismus-Elektrizitäus-Umwandlungs- · elementen LlA, HB erteilt wird, welche die jeweiligen Magnetfühler 20A, 20B bilden, oder die Richtungen des Signalmagnetfeldes H~ oder die Polarität der Antriebsspannung zueinender invertiert werden.

Wenn zum Beispiel, wie in Figur 29 gezeigt, die Vormagnetisierungsfelder H_R, deren Richtungen zueinander invertiert sind, einem Paar von Magnetwiderstandselementen 11A, HB , welche die Magnetfühler 2OA, 20B bilden, erteilt werden durch die

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entsprechenden Vormagnetisierungsmaterialien 18A, 18B, dann weisen die Ermittlungssignale e,, e_? von den jeweiligen Magnetwiderstandselementen HA, HB einander entgegengesetzte Polaritäten auf.

In dieser in Figur 29 gezeigten Ausführungsform wird das ähnlich dem in Figur 27 gezeigten aufgebaute Sign almagnetisierungsma ter IaJ. 130 verwendet. Um die Ermi ttlungssiqnale mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten von den jewolJiqen Magne twiderstandselemen ten HA, 11H durch Anlegen des Vorm<iqnetisierungsfeldes an diese in einem Vormagnetisierungsmaterial 18 zu erhalten, kann das eine Magnetwiderstandseleraent HB um 180 gedreht werden, so daß/m dem Vormaqne t i s i erunqsmaterial 18 angeordnet ist, wie in Figur 31 gezeigt. Wenn, wie in Figur 31A oder 31B gezeigt, ein Signalmagnetisierungsmaterial 14-0 aus vier Magneten 141, 142, 143, 144 aufgebaut ist, um die Signalmagnetfelder H- mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten einem Paar von Magnetwiderstandselementen HA, HB zu erteilen, können ferner die Ermittlungssignale mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten von den jeweiligen Magnetwiderstandselementen HA, HB erhalten werden.

Wenn wie in Figur 32 gezeigt die Antriebsspannung +Vp zur Lieferung - Strom an die jeweiligen elektromagnetischen Pfadabschnitte eines Paares von Magnetwiderstandselementen HA, HB derart angelegt wird, daß das eine Magnetwiderstandselement HA und das andere Magnetwiderstandselement HB jeweils einander entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, können ferner die jeweiligen Ermittlungssignale mit der Zielkennlinie jeweils erzeugt werden aus den Magnetwiderstandselementen HA, HB über die aus dem Differenzverstärker A₀ gebildete Signalzusammensetzschaltung 100.

Ferner ist eine in Figur 33 gezeigte Ausführungsform die vierte Ausführungsform in Anwendung auf eine fünfte Ausführungsform. Und zwar ist in Figur 33 ein Si grialmaqne ti si e rungsmaterial 150 gebildet aus zwei Paaren von Magneten 1!>1, 152

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und 153, 15A-, die entlang der Richtung der relativen Verschiebung angeordnet sind. Die dem einen Magnetwiderstandselement 11A gegenüberliegenden entsprechenden Magnete 151, 152 sind geneigt angeordnet, derart, daß ihre jeweiligen einen Enden bei dem mittleren Grenzabschnitt aneinanderstoßen und die jeweiligen Flächen von diesen einen Enden zu/anderen Enden ansteigen, um jeweilige Flächen 155, 156 zu bilden, die dem Magnetwiderstandselement HA gegenüberliegen. Auch die dem anderen Magnetwiderstandselement HB gegenüberliegenden entsprechenden Magnete 153, 154- haben ähnliche geneigte Flächen 154-, 158 und sind voneinander beabstandet, um den Magnetspalt G in dem Mittelabschnitt zu bilden. Ferner sind die Magnete

151, 152, 153 und 154- jeweils so magnetisiert, daß sie zueinander entgegengesetzte Polaritäten auf beiden Seiten des mittleren Grenzabschnitts aufweisen und die Signalmagnetfelder erzeugen, deren Richtungen auf beiden Seiten des mittleren Grenzabschnitts entgegengesetzt zueinander sind. Da ferner, wie oben erwähnt, der Magnetspalt G in dem mittleren Grenzabschnitt gegenüber dem anderen Magnetwiderstandselement HB angeordnet ist, verlangsamt dieses Signalmagnetisierungsmaterial 150 die Richtungsumkehr des Signalmagnetfeldes, das dem Magnetwiderstandselement HB erteilt wird, um das Umwandlungsausgangssignai mit niedriger Ermittlungsempfindlich keit und einem weitem Operationsbereich von dem Magnetwiderstandselement HB zu erhalten. Und die Ermittlungssignale von den Magnetwiderstandselementen HA, HB werden addiert und analog zusammengesetzt durch die in Figur 3? gezeigte Zu-Stimmense tzschciltung 100.

Bei der oben erwähnten Ausbildung der Ausführungsform sind die tatsächlich gemessenen Ergebnisse der Umwan dl ungske-ui linien, wie in Figur 34 gezeigt, erhalten worden unter Verwendung von anisotropem Bariumferrit, um die entsprechenden Magnete 151,

152, 153 und 154 derart zu bilden, daß die Magnete 151, 152 jeweils 5 mm breit, 14 mm lang und 5 mm hoch sind und die Magnete 150, 154 ähnlich sind, aber 9 mm lang und 8,5 mm

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voneinander beabstandet., um den Magne l:spa Lt G zu biLdon, wobei die entsprechenden Magnete IM, 152, 153 und 154- so geneigt, sind, daß der Abstand C /wischen dem Signalmagnetisierungsmaterial 150 und dem Magnetfühler in dem mittleren Gren/abschnitt um 2 mm vergrößert ist. Ferner sind, wenn die Magnete 151, 152, 153 und 154 nicht geneigt waren, die in Figur 35 gezeigten Umwandlungskennlinien erhalten worden. In den Figuren 34· und 35 stellen die Abszisse die relative Verschiebung zwischen dem Magnetfühler und dem Signalmagnetisierungsmaterla 1. 150 und die Ordinate den zusammengesetzten Ausgangspegel des Ermittlungsausgangssignals von dem Magnetfühler dar.

Wie aus den Figuren 34 und 35 ersichtlich, werden gemäß dieser Ausführungsform Umwandlungskennlinien erhalten, welche sich monoton über einen breiten Dereich verändern, um die optimale Magnetismus-Elektrizitäts-Umwandlungseinrichtung für analoge Servoelemente vorzusehenn.

Die Figuren 36 und 37 zeigen eine Ausführungsform, bei welcher die Magnetwiderstandselemente HA, HB und HC für den ]Magnetfühler verwendet werden, um die Rotationsstellung einer Spindel 200 von Werkzeugmaschinen um Erhalten analoger Servosignale zu ermitteln.

In dieser Ausführungsform ist ein Signalmagnetisierungsmaterial 160 zum Anlegen der Signalmagnetfelder H₅,, Η~_? und Η_~ an die entsprechenden Magnetwiderstandselemente HA, HB und HC, welche den Magnetfühler 210 bilden, aufgebaut aus zwei Paaren von Magneten 161A, 161B und 162A, 162B, die so magnetisiert sind, daß die Richtung des Magnetfeldes auf beiden Seiten des annähernd mittleren Grenzabschnitts umgekehrt ist, sowie einem Magnetpaar 163A, 163B, die in der gleichen Richtung magnetisiert sind. Die Magnete 161A, 161B, 162A, 162B, 163A und 163B sind jeweils rechteckig von leicht herzustellender Parallelflachform und sind bedeckt mit einer nichtmagnetischen Schutzabdeckung 206, wobei sie auf geneigten Flächen 204, 205 eines

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Bettes 203 angeordnet sind, das an einer Montagefläche 201 der Spindel 200 durch Schrauben 202 befestigt ist. Die geneigten Flächen 204·, 205 des Bettes 203 weisen den Neigungswinkel θ auf, der gemäß dem Radius r der Spindel 200 derart festgelegt ist, daß die Endkanten E₁, E_? der jeweiligen auf den Flächen 204, 205 angeordneten Magnete 161A, 161B, 162A, 162B, 163A und 163 B nicht über die Umfangsflache 206 der Spindel 200 vorragen. Also ist bei diesen mit dem Neigungswinkel gemäß dem Radius r der Spindel 200 angeordneten Magneten der Abstand C zwischen den Magneten und dem Magnetfiihler 210 in einer vorbestimmten Punktposition Z, wie Figur 36 gezeigt, mit der Abstandsänderung Λ C innerhalb des Bereichs 0. der Ermittlungsoperation versehen, so daß die Verminderung des Ermittlungspegels von dem Magnetfühler 210 äußerst klein gehalten werden kann .

Wie vergrößert in Figur 38 gezeigt, erteilt ferner das Signalmagnetisierungsmaterial 160 in dieser Ausführungsform den Magnetfühler 210 ein erstes Signalmagnetfeld Η^ι, das durch einen aus einem Paar von Magneten 161A, 161B gebildeten ersten Magnetisierungsabschnitt M, erzeugt wird, welche durch einen ersten Magnetspalt G. voneinander beabstandet sind, ferner ein /weites Signalmagnetfeld Hc_?, das durch einen aus einem Paar von Magneten L62A, 162B gebildeten zweiten Magnetisierunqsabschnitt M-, erzeugt wird, welche durch einen /weiten Magnetspalt Q, voneinander beabstandet sind, sowie ein drittes Signal· magnetfeld H,.,, das durch einen aus einem Paar von Magneten 163A, 163B gebildeten dritten Magnetis ierungs.ib'chn i tt M, erzeugt wird, die einander benachbart angeordnet sind. Der Magnetfühler 210 ist aufgebaut aus dem ersten bis dritten Magnetwiderstandselementes HA, HB und HC, welche jeweils die aus ferromagnetischem Metallfilm gebildeten Strompfadabschnitte mit Serpentinenmuster aufweisen, sowie dem Vormagnetisierunqsmaterial 18, um den Strompfadabschnitten das Vormagnetisierungsfc:Ld H„ zu erteilen, wobei die Elemente und das Material einteilig aneinander haften.

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Bei dieser Ausf(ihrungsform sind der erste Magnetisierunqsabschnitt M, und der zweite Magnetisierungsabschnitt M^ zur Erzeugung des den jeweiligen Magnetwiderstandselementen JlA, HB erteilten Siqnalmaqnetfeldes jeweils mit den Magnetspalten G,, G_? ausgebildet, um die Richtungsumkehr des Signalmaqnetfeldes zu verlangsamen und den Operationsbereich der magnetischen Frmittlunq aus/uweiten. Wenn hier dieser Operationsbereich durch die Magnetspdita G,, G-, zu sehr ausgeweitet wird, stört, die Erweiterung des Maqnctspaltes die Linearität des Ermittlungsausgangssignal s von dem Magnetwi derstandselemen t. /um Freispiel erzeugt die t;rmi ttlunqssiqnnlkennl in ie gemäß dem zweiten Magnetwiderstandselement 1IB, welches das Signalmagnetfe1d Η_~ erzeugt, das durch den zweiten Magnetisierungsabschni t L M-, mit einem weiten Magnetspalt G_? verursacht wird, einen nichtlinearen Bereich N. , der in Figur 39 durch die gestrichelte Linie gezeigt wird. Dann ist bei dieser Ausführungsform, wie durch die abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie in Figur 39 gezeigt, die Breite des Magnetspaltes G, des ersten Magnetisierungsabschnittes M-, zur Erzeugung des Signalmagnetfeldes H₅,, das dem ersten Magnetwiderstandselement HA erteilt wird, festgelegt auf G, < G~, um die Ermittlungskennlinie mit ausgezeichneter Linearität über den Nichtlinearitätsbereich N. zu bilden. Die Ermittlungsausgangssignale der entsprechenden Magnetwiderstandselemente HA, HB werden analog addiert durch eine Differenzverstärkerschaltung .1.00, wie in Figur )?. gezeigt. Das durch die Differenzverstärkerschaltung 100 zusammengesetzte Ausgangssignal, wie durch die ausgezogene Linie in Figur 39 gezeigt, hat eine ausgezeichnete Linearität über einen weiten Bereich der Ermittlungsoperation, da die Kennlinie des Nichtlinearitätsbereichsabschnitts N. durch das Ausgangssignal von dem ersten Magnetwiderstandselement HA kompensiert wird. Ferner weist das Ermittlungsausgangssignal gemäß dem dritten Magnetwiderstandselement HC eine Kennlinie auf, die durch die abwechselnd lang und zweimal kurz gestrichelte Linie in Figur 39 gezeiqt ist, um für das Gatter eines analogen Servosignals verwendet zu werden, da die Richtung des Signalmagnetfeldes H--.

qfMnäß demdritten Magrie t i sierungsabschni LL M, nicht invertiert

Bei der magnetischen Ermittlung der Position eines Rotors gemäß

dieser Ausführungsform kann die Veränderung in dem Abstand

zwischen dem Signalmagnetisierungsmaterial und dem Magnetfühler minimiert werden, so daß die Verminderung des Ausgangspegels

bei stabiler Ermittlungskennlinie minimiert werden kann.

Der Patentanwalt

I.

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Leerseite

Claims

Dipl.-lng. H. MITSCHERLICH * "D-80ÜÖ MCTNCHEN 22

Dipl.-lng. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr. r-r. not. W. KÖRBER ^ ⁽⁰⁸⁹> *²⁹⁶⁶⁸⁴

Dipl.-lng. J. SCHMIDT-EVERS 3106613

PATENTANWÄLTE

. 23. Februar 1981

SONY CORPORATION

7-35, Kitashinagawa 6-chome

Shinagawa-ku

Tokio / 3apan

Ansprüche:

1. 'Magnet fiihlnre i nr i chtung, qekennze i chnet durch ein dreipoliges Maqnetwidorstandse]ement (11), das mit einem Strompf adabschn i t L .ins f e r romagrie tischem Material versehen ist,

r~* eine Stromquelle (9) zur Lieferunq von Strom an den Strompfadabschnitt, ein Vormaqnetisierunqsmaterial (18) zur Beschickung des StrompfadabschniLLes mit einem Vormagnet isierunqsfeld, welches eine Richtung von etwa 45° zur Richtung des Stromes bildet,

sowie ein Signa !magnet Is ierungsma terial (19, 30, 4-0 , 50, b>7 , 00 ) zur Beschickung des Stromp f adabschn i tts des Magnetwl'der-• Standselementes (11) mit einem Signalmagnetfeld, welches entlanq der Richtung der Bewegung relativ zu dem Magnetwiderstandselement (11) allmählich die Richtung ändert, wobei das Magnetwiderstandselement (11) verschiebbar relativ zu dem Signalmagnetisierungsmaterial (19) angeordnet ist und die Richtungsänderung des Signalmagnetfeldes gemäß dem Signalmaqnetisierungsmaterial (19) durch das Magnetwiderstandselement (11) ermittelt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch qe kehnze i clinc. t , daß das Magne twiderstandseiemeri t (11) einen ersten und einen zweiten Strompfadabschnitt (14,15) aufweist,welche aus ferromagnetischem Metallfilm gebildet sind, in Reihe qeschaltet sind, zueinander senkrechte Richtungen aufweisen und mit einer Ausgangsklemme (16) in ihrem Verbindungspunkt versehen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 7 , dadurch Qekenn/eichnet,daß die Stromp fad ah sehn i I I e (IA , I ü ) dos Mag nc l.w i der s Land «·.<_· I r -mentes (U) aus HiCo-, NiTe-, NiAl-, NiMn- und NiZn-Legierüngeri gebildet sind.

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4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalmagnetisierungsmaterial (30,40,60) verschiebbar relativ zu dem Magnetwiderstandselement (11) in der Richtung angeordnet ist, die zur Grenzlinie zwischen den entsprechenden Magnetfeldbereichen des Signalmagnetfeldes senkrecht ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalmagnetisierungsmaterial (3o,40,60) aus zwei Magneten (31,

32) besteht, die in dem Mittelabschnitt mit einem Magnetspalt (33) versehen sind, und die Signalmagnetfelder erzeugt, deren Richtungen in den entsprechenden Magnetfeldbereichen, welche durch den Magnetspalt (33) getrennt sind, voneinander verschieden sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalmagnetisierungsmaterial (40) die Signalmagnetfelder erzeugt, welche verschiedene Richtungen auf beiden Seiten des annähernd mittleren Grenzabschnitts aufweisen, während die Breite (W₁) des Magnetfeldbereichs in dem Mittelabschnitt kleiner ist als die Breite (W_?) in beiden Seitenendabschnitten.

7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalmagnetisierungsmaterial (60) mit Flächen (63,64) versehen ist, die dem Magnetwiderstandselement (11) gegenüber liegen und auf beiden Seiten des mittleren Grenzabschnitts geneigt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Si gna 1 magnetisierungsma ter i al (!>(), 57) reKitiv /u dci,. Maqnetwiders l.<indsf.· I omen t (II) verschiebbar Ist. In der Richtung, die: einen

Winkel. Q von weniger als 90 mit der Grenz 1 in i e /wischen den ent- <i

sprechenden Magnetfeldbereichen des Si qn.ilm.ignotf c 1 de? bildet.

9. Magnetfühlereinrichtung, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Maqnetfühler (2OA, 20B), die entsprechende Ermittlungssignaie erzeugen mit einem Signalpegel, welcher,dem jeweiligen Signalmagnetfeld entspricht ,sowie eine Signalzusammensetzeinrichtung zum analogen Addieren und Zusammensetzen der jeweiligen Ermittlungssiqnale von den entsprechenden Magnetfühlern (2OA, 20B), von

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denen wenigstens einer einen weiteren Bereich der Ermittlungstätiqkeit hat als der andere Magnetfühler (20A).

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signal/usdmmense 1,/schal lung (100) /um analogen Signal/usammcnsetzen des Lrmittlungssignals von dem ersten Magnetfühler (?0A) und des Frmi ttl ungssi gnals von dem zweiten Magnetfühler (?.0U) vorgesehen ist, wobei das Ermi ttl ungssi gnal, welches die Linearität über den Bereich aufweist, der dem Nichtllnearitätsbereicn dos Ermittlungssignals entspricht, welches der Signalzusammensetzschaltung (100) von dem ersten Magnetfühler (20A) zugeführt wird, von dem zweiten Magnetfühler (20B) der Signalzusammensetzschaltung zugeführt wird, um das umgewandelte Ausgangssignal zu erhalten, das die Linearität über einen weiten Arbeitsbereich aufrechterhält.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, 10, oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Magnetfühler (2OA, 20B) aus dem dreipoligen Magnetwiderstandselement (HA-, HB) gebildet sind, das mit dem Strompfadabschnitt aus ferromagnetischem Material versehen ist und das Vormagnetisierungsfeld, dessen Richtung 4-5 zur Richtung des durch den Strompfadabschnitt fließenden Stromes bildet, und das SignaLmagnetfeLd, dessen Richtung senkrecht zu der des Vormaqnetisierunqsfeldes ist, den jeweiligen Magnetwiderstandselementen (HA, HB) erteilt werden durch das Signalmagnetisierung smaterial (130, 14-0, 150).

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetwiderstandselement (11, HA, HB) einen ersten und einen zweiten Strompfadabschnitt (14,15) aus ferromagnetischem Metallfilm aufweist, welche in Reihe geschaltet sind, zueinander senkrechte Richtungen aufweisen und mit der Ausgangsklemme (16) an ihrem Verbindungspunkt versehen sind,

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfadabschnitt des Magnetwiderstandselementes (11) aus irgendeiner der NiCo-, NiFe-, NiAl-, NiMn- und Ni-Zn-Legierungen gebildet ist.

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1Λ. rinriohtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalmagnetisierungsmaterial (130,140,150) und das Magnetwiderstandselement (HA, llß) relativ zueinander verschiebbar sind in der Richtung, die zu der Grenzlinie zwischen den entsprechenden Magnetfeldbereichen des Signalmagnetfeldes senkrecht ist.

15. rinrichtung nach Anspruch 14-, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Signalmagnetisierungsmaterialien (130,140) die Signalmagnetfelder mit voneinander verschiedenen Richtungen erzeugen in

die dem entsprechenden Magnetfeldbereich, welcher durch/Grenzlinie in dem Mittel abschnitt abgeteilt ist, wobei, in dem Grenzbereich von wenigstens einem der Signalmagnetisierungsmaterialien ein Magnetspalt ausgebildet ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Signalmagnetisierungsmaterialien (150; 151, 152, 153, 154) die Signalmagnetfelder erzeugen,deren Richtungen voneinander verschieden sind in den entsprechenden Magnetfeldbereichen, welche durch die Grenzlinie in dem Mittelabschnitt abgeteilt sind, während die Flächen (155, 156; 157, 158) der SignaImagnetisierungsmaterialien, die wenigstens eine.n der Magnetwiderstandselemente (HA, HB) gegenüber liegen, auf beiden Seiten der Grenzlinie zueinander geneigt sind.

130051/0648