DE69132101T2 - Magnetbildsensor basierend auf dem Mateucci Effekt - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Bildsensor auf der Grundlage des Matteucci-Effekts.
• Wird das Innere eines einzelnen magnetischen Drahts mit einer Magnetisierung in Umfangsrichtung versehen, und wird an den Draht in Querrichtung ein äußeres magnetisches Wechselfeld angelegt, so entsteht in dem Draht aufgrund des sogenannten Matteucci-Effekts eine Impulsspannung. Dieser Matteucci-Effekt ist bekannt, jedoch sind praktisch keine Anwendungstechniken bekannt.
• Weiter ist im Hinblick auf ein Digitalisierungsgerät bzw. eine Koordinaten-Eingabevorrichtung für die Eingabe handgeschriebener Buchstaben die JP-A-61-70628 als Beispiel bekannt, wobei eine Koordinaten-Eingabevorrichtung basierend auf dem vorstehend genannten Matteucci-Effekt bisher nicht bekannt ist.
• In der Zwischenzeit findet bei einem bekannten magnetischen Bildsensor zum Erfassen magnetischer Daten auf einer Mehrfachspur einer Magnetkarte oder dergleichen oder eines Magnetfeldes, das auf einem Magnetmaterialfilm gebildet worden ist, ein Mehrkanal-Magnetkopf mit Spalt, eine magnetische Widerstandselement-Anordnung, eine Hall-Effekt-Elementanordnung oder dergleichen Verwendung. Der magnetische Bildsensor des Standes der Technik weist daher insofern Mängel auf, als er teuer ist und der Anzahl der Mehrfachkanäle entsprechende Erfassungskreise erforderlich macht, so daß der hierfür benötigte Schaltungsaufwand größer wird. Die Entgegenhaltung "Large Barkhausen and Matteucci Effects in (...) Amorphous Wires" von K. Mohn et al. in IEEE Transactions an Magnetics, September 1990, Seiten 1789-1791, offenbart einen magnetischen Draht, der zur Erzeugung einer Magnetisierung in Umfangsrichtung verdreht/verdrillt wird, eine senkrecht angeordnete Magnetisierungsspule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes in der Nähe des magnetischen Drahts, eine Wechselstromquelle für den magnetischen Draht sowie Einrichtungen zum Erfassen der Matteucci-Effekt-Spannung an dem magnetischen Draht.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen magnetischen Bildsensor auf der Grundlage des Matteucci- Effekts verfügbar zu machen.
• Hierzu werden mehrere in Umfangsrichtung magnetisierte Drähte zu einer Verdrahtungsanordnung zusamengefaßt. Beim Heranführen eines Koordinatenbezeichners für die Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes an die Verdrahtungsanordnung erfolgt die Berechnung und Ermittlung einer Koordinatenposition des Bezeichners an der Verdrahtungsanordnung auf der Grundlage eines gegenseitigen Verhältnisses zwischen Impulsspannungen an den jeweiligen magnetischen Drähten.
• Bei einem magnetischen Bildsensor der vorliegenden Erfindung sind mehrere Erregerspulen zur Erzeugung eines vorbestimmten magnetischen Wechselfeldes an einem magnetischen Draht angeordnet, der in Umfangsrichtung magnetisiert wird, und es wird an dem Draht entlang ein statisches, bildmäßig zu erfassendes, magnetisches Feld eingerichtet, so daß dessen magnetisches Bild auf der Grundlage der Größe einer Impulsspannung erfaßt wird, die sich an dem Draht aufbaut, wenn die Erregerspulen nacheinander aktiviert werden.
• Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Signaldetektors, dessen Koordinaten-Eingabevorrichtung zum großen Teil dem verwandten Stand der Technik entnommen ist.
• Fig. 2 zeigt vom Konzept her ein Prinzip, wie eine Impulsspannung an einem magnetischen Draht entsteht, der in Umfangsrichtung magnetisiert ist.
• Fig. 3A und 3B sind Wellenformen eines magnetischen Wechselfeldes und einer Impulsspannung, die jeweils nach dem vorstehenden Prinzip erzeugt worden sind.
• Fig. 4 zeigt ein Konzept einer Koordinaten-Eingabevorrichtung des verwandten Standes der Technik.
• Fig. 5 zeigt das Konzept der grundsätzlichen Anordnung einer weiteren Ausführungsform des verwandten Standes der Technik, um deren Koordinaten-Erfassungsfunktion darzulegen.
• Fig. 6 ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Magnetisierung eines magnetischen Drahts in Umfangsrichtung durch ein von außen angelegtes magnetisches Feld gedreht wird.
• Fig. 7 ist ein Diagramm, aus dem hervorgeht, wie magnetische Materialien an einem Substrat befestigt werden.
• Fig. 8 zeigt das Konzept eines hochempfindlichen Sensors zum Messen eines vertikalen Abstandes zwischen einem Elektromagneten und einem Magnetdrahtmuster.
• Fig. 9 ist ein Blockdiagramm der allgemeinen Anordnung einer Koordinaten-Eingabevorrichtung des verwandten Standes der Technik.
• Fig. 10 ist ein Querschnitt durch einen Koordinaten-Detektor, aus dem der Aufbau einer Anordnung von in X- und Y-Richtung angeordneten magnetischen Drähten hervorgeht.
• Fig. 11 ist ein Kennlinien-Diagramm, aus dem die Relationen zwischen Matteucci-Effekt-Spannungen an nebeneinanderliegenden Drähten und Abständen von der jeweiligen Drahtmitte hervorgehen.
• Fig. 12 ist ein Kennlinien-Diagramm, aus dem eine Relation zwischen dem Abstand und einem Verhältnis zwischen an den nebeneinanderliegenden Drähten erfaßten Spannungen hervorgeht.
• Fig. 13 ist ein Flußdiagramm, das das Koordinatenberechnungsverfahren der Koordinaten-Eingabevorrichtung zeigt.
• Fig. 14 ist eine Anordnung eines magnetischen Bildsensors nach der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 15 zeigt das Konzept einer Erfassungseinheit des magnetischen Bildsensors, und
• Fig. 16 ist eine Impulsübersicht, die das Timing der Erregersignale und des A-B-Erfassungssignals in dem magnetischen Bildsensor zeigt.
• Fig. 1 zeigt einen Signalerfassungsabschnitt einer Koordinaten-Eingabevorrichtung des verwandten Standes der Technik, in dem ein magnetischer Draht 1 als Koordinaten-Detektor verwendet und an einen Koordinaten-Bezeichner durch den magnetischen Draht 1 ein magnetisches Wechselfeld angelegt wird, sowie einen Elektromagneten 2 für die Koordinatenbezeichnung (bzw. den Koordinaten-Bezeichner 2). Es ist ein Gleichstrom-Vormagnetisierungskreis 4 vorgesehen, um Gleichstrom durch den magnetischen Draht 1 zu dessen Magnetisierung in Umfangsrichtung zu leiten. Wird der Gleichstrom-Vormagnetisierungskreis 4 an den magnetischen Draht 1 durch eine Verdrahtungsleitung angeschlossen, so bewirkt dies eine Verringerung der Impedanz des magnetischen Drahtes 1 an den beiden Enden, wodurch die Erzeugung von Impulsspannung in dem magnetischen Draht 1 verringert wird. Um eine solche Impedanzverringerung zu vermeiden, ist zumindest an einem Ende des magnetischen Drahtes 1 ein Wechselstromkreis 3 von hoher Impedanz vorgesehen. Die auf diese Weise in dem magnetischen Draht 1 entstandene Impulsspannung tritt an den beiden Enden P und Q des magnetischen Drahtes 1 auf. Die Impulsspannung wird durch einen Doppelfrequenzerfassungskreis 5 bezüglich ihrer 2f-Komponente erfaßt. Der Doppelfrequenzerfassungskreis 5 kann einen normalen Resonanzkreis, einen Filterkreis oder einen synchronen Erfassungskreis aufweisen. Ein Steuerkreis 6 liefert dabei einen Erregerstrom mit einer Grundfrequenz lf an den Elektromagneten 2 für die Koordinatenbezeichnung sowie, je nach Erfordernis, ein Steuersignal mit einer Grundfrequenz 2f an den Doppelfrequenzerfassungskreis 5.
• Fig. 2 zeigt ein Impulsspannungserzeugungsprinzip, um darzulegen, wie die Impulsspannung erzeugt wird, wenn der in Umfangsrichtung magnetisierte magnetische Draht 1 einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird. Die Magnetisierung des magnetischen Drahts 1 in Umfangsrichtung wird unter dem Einfluß des magnetischen Wechselfeldes des Koordinatenbezeichner-Elektromagneten 2 wiederholt einer partiellen Inversion sowie Umspeicherungsbewegungen unterworfen. Das magnetische Feld des Elektromagneten und die dann an dem magnetischen Draht erzeugte Impulsspannung sind in den Fig. 3A und 3B gezeigt. Im einzelnen variiert die Anzahl der der bei der Magnetisierung auftretenden Inversionen je nach dem Gesamtwert des magnetischen Feldes, das von dem Elektromagneten und dem auf dem Erdmagnetismus beruhenden magnetischen Feld erzeugt wurde. Die Frequenzkomponenten der an dem magnetischen Draht erzeugten Spannung sind zusammengesetzte Werte der jeweiligen Frequenzkomponenten 1f, 2f, 3f, ..., wobei f eine Frequenz bezeichnet, bei der der Elektromagnet erregt wird.
• Unter diesen Frequenzkomponenten variiert die 1f-Komponente mit dem magnetischen Wechselfeld stark, während die 2f-Komponente weniger stark variiert, da diese von Impulsen abgeleitet wird, die dieselbe Wellenlänge aufweisen; siehe Fig. 3B. Aus diesem Grund ist es effektiv, die 2f-Komponente anhand der Impulsspannung in dem magnetischen Draht zu erfassen, so daß der Doppelfrequenzerfassungskreis 5 in Fig. 1 so angeordnet ist, daß er die 2f-Komponente erfaßt.
• Im Hinblick auf eine Magnetisierung des magnetischen Drahts in Umfangsrichtung findet ein Verfahren Anwendung, in dem dem magnetischen Draht Gleichstrom zugeführt wird, um eine Magnetisierung durch ein magnetisches Feld auf der Grundlage der recht-Hand-Regel wegen ihrer Einfachheit zu bewirken. Zu diesem Zweck wird der Gleichstrom-Vormagnetisierunskreis 4 verwendet. Durch diesen Kreis 4 ist die Stärke des vorstehend genannten Gleichstroms steuerbar. Weiter läßt sich durch Erhöhen des dem magnetischen Draht zugeführten Stroms der Einfluß des äußeren Magnetfeldes, wie des Erdmagnetismus, verringern.
• Fig. 4 zeigt im Konzept eine Koordinaten-Eingabevorrichtung, bei der der Erfassungsbereich der Fig. 1 in Form einer X-Y- Matrix vorgesehen ist. Im einzelnen sind zur Erfassung einer Position des Koordinaten-Bezeichner-Elektromagneten 2 mehrere der magnetischen Drähte 1 in X- und Y-Richtung vorgese hen. Wenngleich in Fig. 4 lediglich ein Spannungsdetektor für den magnetischen Draht 1 in Y-Richtung gezeigt ist, ist in der Praxis auch ein Spannungsdetektor für die X-Richtung vorgesehen, der dieselbe Funktion wie der Spannungsdetektor für die Y-Richtung hat. Ein erfassungsseitiger Endkreis 7, der dieselbe Funktion wie der Wechselstromkreis 3 hoher Impedanz in Fig. 1 hat, weist dabei einen Signalmultiplexerkreis auf, um Impulssignale sequentiell von den jeweiligen magnetischen Drähten 1 für die Y-Richtung sowohl zu dem Erfassungskreis als auch zu dem Doppelfrequenzerfassungskreis zu leiten. Ein steuerseitiger Endkreis 8 umfaßt dabei gemäß Fig. 4 einen Gleichstromvormagnetisierungskreis 4 und einen Wechselstromkreis 3 hoher Impedanz, der mit dem Kreis 4 dem Erfordernis entsprechend verbunden ist. Ein Koordinatenerfassungssteuerkreis 9 wirkt so, daß er den Elektromagneten 2 für die Koordinatenbezeichnung erregt, als auch ein Timing- Signal für die Steuerung der Funktion des Doppelfrequenzerfassungskreises sowie die Funktion des Multiplexerkreises erzeugt. Der Aufbau dieser Schaltungen wird nachstehend noch im einzelnen beschrieben.
• Wie vorstehend erwähnt, erfaßt die Koordinaten-Eingabevorrichtung Spannungen, die (bei der Inversion der Magnetisierung der magnetischen Drähte in Umfangsrichtung) in einem der in Umfangsrichtung magnetisierten Drähte auftreten, wenn der mit Wechselstrom erregte Koordinatenbezeichner sich diesem nähert. Eine solche Koordinaten-Eingabevorrichtung ist effektiv, da sie auf einem neuen Erfassungsprinzip beruht, demzufolge die magnetischen Drähte als Koordinatendetektoren für die Spannungserzeugung keine Wicklungen oder dergleichen benötigen. Jedoch sind aufgrund dessen, daß zwischen den beiden Enden des magnetischen Drahtes eine Spannung entsteht, wenn mehrere magnetische Drähte im Hinblick auf die Koordinatenerfassung als Anordnung vorgesehen sind, die beiden Enden des magnetischen Drahtes jeweils verhältnismäßig weit voneinander beabstandet. Aus diesem Grunde ist eine Signalrückführleitung zur Verbindung der beiden Enden des magnetischen Drahtes erforderlich. Ist die Signalrückführleitung an einem äußeren Rahmenteil vorgesehen, so bewirkt die elektromagnetische Verbindung zwischem dem äußeren magnetischen Feld und einer Schleifenspule mit dem magnetischen Draht und der Rückführleitung die Erzeugung eines Kopplungssignals, zusätzlich zu dem ursprünglichen Koordinatenerfassungssignal, das durch die Inversion bei der Magnetisierung des magnetischen Drahtes erzeugt wurde. Ist der magnetische Draht dünn, so wird das Kopplungssignal aufgrund der Inversion bei der Magnetisierung des magnetischen Drahts in Umfangsrichtung größer als die Spannungskomponente, was zu einer Verringerung des S/N-Verhältnisses des Koordinatenerfassungssignals führt.
• Um die elektromagnetische Kopplung der Schleifenspule des Koordinatendetektors und der Rückführleitung mit dem äußeren magnetischen Feld zu minimieren, wird in effektiver Weise ein Verfahren angewandt, das den Bereich der Schleifenspule klein ausbildet. Dies ermöglicht eine Reduzierung von Störungen in der Erfassungsspannung aufgrund der elektromagnetischen Kopplung. Ferner wird, wenn die Rückführleitung ebenfalls in Form des gleichen magnetischen Drahtes ausgebildet wird, das Magnetisierungsumkehrsignal zu den Spannungen hinzuaddiert, die von den magnetischen Drähten der hin- und herlaufenden Leitungswege auf der Grundlage des Erfassungsprinzips des in Umfangsrichtung magnetisierten magnetischen Drahtes erzeugt werden, wodurch die Erfassungsspannung erhalten werden kann, die dem Zweifachen der Erfassungsspannung entspricht, die erhalten wird, wenn der hinlaufende Leitungsweg in Form eines magnetischen Drahtes und die Rückführleitung in Form eines üblichen Leiters ausgebildet wird. Dieser Fall wird im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 im einzelnen beschrieben.
• Gemäß Fig. 5 wird der magnetische Draht 1 als hinlaufender Leitungsweg an einem festen Umkehrpunkt IR mit einem magnetischen Draht 1' als Rückführleitung verbunden. Der Gleichstrom-Vormagnetisierungskreis 4 wird für eine Magnetisierung an beiden Drähten in Umfangsrichtung verwendet. Der von einer Wechselstrom-Signalquelle 25 erregte Koordinaten-Bezeichner 2 legt an die beiden magnetischen Drähte ein magnetisches Wechselfeld an. Das Funktionsprinzip des Koordinatendetektors ist in Fig. 6 gezeigt, wo ein mit Pfeilen bezeichneter Vormagnetisierungsstrom bewirkt, daß, wie in Fig. 6 gezeigt, eine solche Magnetisierung in Umfangsrichtung im Innern der magnetischen Drähte 1 und 1' der hin- und herlaufenden Leitungswege erfolgt. Bewirkt das durch den Koordinatenbezeichner 2 erzeugte magnetische Feld eine Drehung der Magnetisierungsrichtung der Drähte, so wird durch eine Veränderung in dem magnetischen Fluß des drehbaren Magnetisierungsteils eines jeden Drahtes mit Polaritäten gemäß Fig. 6 eine Spannung erzeugt. Auf diese Weise werden die in den jeweiligen Drähten erzeugten Spannungen aufaddiert, so daß sich eine Erzeugungsspannung gegenüber dem Fall verdoppelt, in dem ein einziger magnetischer Draht verwendet wird. Nachdem sich der Umkehrweg 1R zwischen den magnetischen Drähten 1 und 1' der hin- und herlaufenden Leitungswege minimiert, um die Drähte so nah nebeneinander anzuordnen wie möglich, kann der Bereich einer Schleifenspule, die aus den beiden Drähten besteht, klein gehalten werden. Aus diesem Grund kann eine durch elektromagnetische Kopplung erzeugte Spannung, anders als die durch Drehmagnetisierung erzeugte Erfassungsspannung, auf ein niedriges Niveau heruntergedrückt werden.
• Gemäß Fig. 7 werden magnetische Materialien 14, jeweils in Form eines dünnen magnetischen Drahtmusters, fest mit der Vorder- und Rückseite eines Substrats 13 verbunden bzw. auf dieses aufgebracht. Eine durchgehende Bohrung 15 in dem Substrat 13 dient der Verbindung zwischen den Mustern auf der Vorder- und Rückseite des Substrats. Sollen sehr dünne magnetische Muster ausgebildet werden, so kann dies dadurch geschehen, daß man jeweils auf die ganze Vorder- und Rückseite des Substrats einen magnetischen Film aufbringt und das Substrat anschließend ätzt, um die dünnen magnetischen Muster 14 an diesem zu verankern. Sollen diese magnetischen Muster sowohl in X- als auch in Y-Richtung vorgesehen werden, so kann dies dadurch geschehen, daß man das Substrat als Mehrfachschicht ausbildet.
• Gemäß Fig. 8 ist das magnetische Material 41 als dünnes magnetisches Muster sich wiederholender magnetischer Linien ausgebildet, um zum Erhalt einer hohen Gesamterfassungsspannung, und damit einer hohen Sensitivität, die Erfassungsspannungen, die sich in den magnetischen Linien gebildet haben, aufzuaddieren. Durch eine solchen Anordnung kann ein berührungsloser Sensor geschaffen werden, der einen vertikalen Abstand von dem Koordinatenbezeichner 2 mit hoher Sensititivität erfaßt. Selbstverständlich kann dabei ein solches dünnes magnetisches Muster 14 sich wiederholender magnetischer Linien gemäß Fig. 8 bedarfsweise durch einen einzigen Draht ersetzt werden, um den berührungslosen bzw. in der Nähe gelegenen Sensor zu bilden.
• Der vorstehend erwähnte magnetische Draht bzw. das magnetische Material besteht vorzugsweise aus einem Material mit einem negativen magnetostriktiven Koeffizienten, beispielsweise einem amorphen Material.
• Im folgenden ist eine eingehende Beschreibung der Koordinaten-Eingabevorrichtung unter Bezug auf ein Blockdiagramm der Fig. 9 enthalten. In der Zeichnung bezieht sich das Bezugszeichen 18 auf eine Matrix wiederholte Umkehrschleifen aufweisender magnetischer Drähte, die in X- und Y-Richtung gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind. Ein Ende aller magnetischen Drähte ist über eine Leitung 19 mit dem Gleichstrom-Vormagnetisierungskreis 4 verbunden, der einen konstanten Strom liefert, während die anderen Enden aller magnetischen Drähte mit Kollektoren von Schalttransistoren von X- und Y-Decodern 20 und 21 verbunden sind. Darüberhinaus sind die Schalttransistoren an ihren Emittern mit einem gemeinsamen Schaltungsteil verbunden.
• Ein Draht-Auswahlkreis 23 liefert an die Basen der Schalttransistoren der X- und Y-Decoder 20 und 21 ein Schaltsignal, um die Transistoren nacheinander sequentiell einzuschalten und um die Drähte zur Versorgung mit einem Vormagnetisierungsstrom nacheinander sequentiell EINzuschalten.
• Ein Koordinaten-Erfassungssteuerkreis 9 liefert an den Draht-Auswahlkreis 23 einen Zeitimpuls für die Drahtauswahl sowie an den Koordinatenbezeichner 2 einen Wechselstrom, um in diesem ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen.
• Wird der Koordinatenbezeichner 2 an die Matrix 18 herangeführt und wird einem der magnetischen Drähte in der Nähe des Koordinatenbezeichners 2 über den Decoder der Vormagnetisierungsstrom zugeführt, so tritt in der Leitung 19 eine Impulsspannung gemäß Fig. 3B auf. Die Impulsspannung wird durch einen Widerstand/Kondensator-Kopplungskreis 25 einem Erfassungskreis 26 zur Erfassung zugeführt. Anschließend wird die Impulsspannung an einem Abtast- und Haltekreis 27 gehalten und abgetastet, an einem Wechselstrom/Gleichstrom- Wandler 28 in ein digitales Signal umgewandelt, in einer CPU 29 einer Signalverarbeitung unterworfen und anschließend als Koordinatendatum einem (nicht dargestellten) Primärrechner zugeführt.
• Im einzelnen ist die Drahtmatrix so aufgebaut, daß, wie aus Fig. 10 ersichtlich, magnetische Drähte 1X und 1X' für die Erfassung der X-Richtung-Koordinate und magnetische Drähte 1Y und 1Y' zur Erfassung der Y-Richtung-Koordinate in regelmäßigen Abständen an einer Tafel 30 angeordnet sind, die die die Funktion hat, einen Vertikalabstand zwischen dem Koordinatenbezeichner 2 und den magnetischen Drähten zu stabilisieren, als auch, die magnetischen Drähte unverrückbar daran zu befestigen. Die Drähte 1X, 1X' und 1Y, 1Y' sind dabei entweder ab- oder umgebogen, wie aus Fig. 5 bzw. 6 ersichtlich, und zwischen den jeweiligen Drähten ist ein Isolierelement 31 vorgesehen, um einen Kurzschluß der Erzeugungsspannung aufgrund der Drehmagnetisierung auszuschliessen. Ferner ist ein weiteres Isolierelement 31 zwischen den Drähten der X- und Y-Richtung vorgesehen.
• Bei der vorliegenden Koordinaten-Eingabevorrichtung ist eine Vielzahl magnetischer Drähte in X- und Y-Richtung vorgesehen, um Erfassungsausgabewerte zu erzeugen, die den Abstand zwischen dem Koordinatenbezeichner und den Drähten in der Nähe des Bezeichners angeben, so daß die Erfassungsausgabewerte der entsprechenden magnetischen Drähte, die hoch sind, wenn sie dem magnetischen Wechselfeld des Koordinatenbezeichners unterworfen werden, dazu verwendet werden, eine annäherungsweise Koordinatenberechnung durchzuführen. So kann, selbst wenn die Koordinatenerfassungseinrichtungen in X- und Y- Richtung in Abständen von beispielsweise 10 mm angeordnet sind, die Koordinateneingabeeinrichtung eine Auflösung von 0,1 mm haben. Diese Berechnung erfolgt in der CPU 29 der Fig. 9.
• Fig. 11 zeigt Spannungskennlinien Vn-1' VN und VN+1 auf der Grundlage des Matteucci-Effektes, die an drei Drähten N-1, N und N+1 erfaßt wurden, wenn der Koordinatenbezeichner an Punkten positioniert ist, die sich jeweils in einem Abstand S von der Mitte dieser Drähte befinden. Bei dem gezeigten Beispiel ist der Abstand zwischen den Drähten auf 5 mm eingestellt.
• Befindet sich der Koordinatenbezeichner zwischen den Drähten N und N+1, und mehr in der Nähe des Drahtes N, wie aus Fig. 11 hervorgeht, so werden jeweils Spannungen VN, VN+1 und VN-1 an den Drähten N, N+L und N-1 erfaßt. In diesem Fall werden, nachdem die Spannung VN den größten Wert aufweist, und die Spannung VN+1 unter diesen Spannungen VN, VN+1 und VN-1 den nächstgrößten Wert aufweist, diese beiden Spannungen VN und VN+1 verwendet, und die kleinere Spannung VN+1 wird zum Erhalt eines Wertes V /V durch die größere Spannung VN geteilt. Der erhaltene Wert VN+1/VN entspricht einer solchen Kennlinie in bezug auf einen Abstand von der Drahtmitte, wie aus Fig. 12 hervorgeht. Im einzelnen wird der Wert V /V an dem Draht N (δ = 0) minimal und nimmt in dem Maße zu, wie sich die Position des Koordinatenbezeichners von dem Draht N nach rechts verschiebt, und wenn der Koordinatenbezeichner einen Punkt (δ = 2,5) zwischen den Drähten N und N + 1 erreicht, so wird der Wert 1. Die Form der Kennlinie der Fig. 12 ist gegenüber jeder Drahtposition in Richtung nach links oder rechts identisch oder symmetrisch. Infolgedessen kann bei vorangehender Speicherung der Kennlinie in einem Speicher der CPU 29 die Position 8 des Koordinatenbezeichners zu dem Draht N, der die größte Erfassungsspannung erzeugt, auf der Grundlage des Verhältnisses (VN+1/VN) zwischen den Erfassungsspannungen des Drahtes N und des danebenliegenden Drahtes N+1 berechnet werden, die den größten bzw. den nächstgrößten Wert unter den Erfassungsspannungen der Drähte aufweisen. Anschließend kann auf der Grundlage der Position δ ein für den Koordinatenbezeichner stehender Koordinatenpunkt berechnet werden.
• Die vorstehende Berechnungsgrundlage wird nunmehr anhand des Flußdiagramms der Fig. 13 erläutert. Gemäß der Zeichnung wird zunächst aus einem Draht in einem Schritt 40 ein Erfassungssignal eingegeben, und in einem Schritt 41 wird beurteilt, ob das eingegebene Signal größer als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht. Eine Entscheidung in Richtung NEIN in Schritt 41 bewirkt, daß die Steuerung zu einem Schritt 43 übergeht. Eine Entscheidung in Richtung JA in Schritt 41 bewirkt, daß die Steuerung zu einem Schritt 42 übergeht, in dem die Koordinatenwerte des Drahtes und die Größe des Erfassungssignals in dem Speicher gespeichert werden und die Steuerung zu Schritt 43 übergeht. In Schritt 43 wird beurteilt, ob die Erfassung aller Drähte abgeschlossen ist oder nicht. Eine Entscheidung zugunsten von NEIN in Schritt 43 bewirkt ein Zurückgehen der Steuerung zu Schritt 40, um das Erfassungssignal des nächsten Drahtes einzugeben. Eine Entscheidung zugunsten von JA bewirkt indes ein Übergehen der Steuerung zu einem Schritt 44, um Erfassungssignale VN-1' VN' VN+1 aufzufinden, die nach der Beurteilung vorbestimmte kontinuierliche Werte aufweisen. In einem nächsten Schritt 45 wird aus einem dieser Erfassungssignale, die beispielsweise einen maximalen Wert aufweisen, das Signal VN bestimmt.
• Anschließend wird in einem nächsten Schritt 46 ein Vergleich gezogen zwischen den Erfassungssignalen Vn1 und VN+1 der Drähte N-1 und N+1 neben dem Draht N, die das größte Erfassungssignal erzeugt haben. Erfüllt das Vergleichsergebnis eine Beziehung VN-1 VN+1' so geht die Steuerung zu einem Schritt 47 über, um einen Wert VN-1/VN zu berechnen. In einem nächsten Schritt 48 wird ein Wert δ anhand einer (in dem Speicher gespeicherten Tabelle) ermittelt, der die in Fig. 12 gezeigte Kennlinie aufweist. In einem nächsten Schritt 49 wird der Wert δ von dem Koordinatenwert des Drahtes N abgezogen und anschließend ein Koordinatenpunkt, an dem sich der Koordinatenbezeichner befindet, berechnet.
• Erfüllt das Vergleichsergebnis in Schritt 46 eine Beziehung VN + 1 > VN-1' so geht die Steuerung zu einem Schritt 50 über, um einen Wert VN+1/VN zu berechnen. In einem nächsten Schritt 51 wird der Wert δ anhand der Tabelle gemäß dem berechneten Wert VN+1/VN ermittelt. Danach wird in einem Schritt 52 der Wert δ zu dem Koordinatenwert des Drahtes N hinzuaddiert, um einen Koordinatenpunkt zu ermitteln, der die Position des Koordinatenbezeichners angibt. In einem Schritt 53 ist die Koordinatenberechnung abgeschlossen.
• Auch wenn die vorstehende Koordinatenberechnung im Zusammenhang mit einer einzigen Koordinatenachse erläutert worden ist, gilt die gleiche Erläuterung für die Koordinatenberechnung der anderen Koordinatenachse unter Verwendung eines ähnlichen Flußdiagramms.
• Nachstehend ist noch eine weitere Ausführungsform erläutert. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird bei Erzeugung einer Magnetisierung eines magnetischen Drahts mit einem magnetostriktiven Koeffizienten von Null oder einem negativen Wert in Umfangsrichtung und bei Anlegen eines magnetischen Erregerfeldes, das durch eine Erregerspule erzeugt worden ist, an den Draht in dem Augenblick eine Impulsspannung erzeugt, in dem die Magnetisierung in Umfangsrichtung umgekehrt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird bei Vorliegen eines anderen äußeren magnetischen Feldes als des magnetischen Erregerfeldes die Impulsspannung zum Zeitpunkt der Magnetisierungsumkehr sowohl durch das magnetische Erregerfeld als auch durch das äußere magnetische Feld beeinflußt. Dadurch kann, wenn das magnetische Erregerfeld vorher auf einen vorbestimmten Wert eingestellt worden ist, die Intensität des äußeren magnetischen Feldes gemessen werden. Weiter kann in dem Fall, in dem mehrere Erregerspulen längs eines magnetischen Drahtes angeordnet sind, so daß der Schalter ein sequentielles Umschalten der Erregerspulen ermöglicht, ein äußeres magnetisches Feld in der Nähe einer zugeordneten Spule der Erregerspulen erfaßt werden, wodurch ein magnetischer Bildsensor verwirklicht werden kann.
• Die Magnetisierung eines magnetischen Drahtes mit einem magnetostriktiven Koeffizienten, der Null oder ein negativer Wert ist, in Umfangsrichtung kann dadurch erfolgen, daß man den magnetischen Draht in geeigneter Weise mit einer Verdrehung versieht.
• In dem Fall, in dem die Magnetisierung eines magnetischen Drahtes mit einem magnetostriktiven Koeffizienten, der Null oder ein negativer Wert ist, in Umfangsrichtung dadurch erfolgt, daß man den magnetischen Draht mit einer Verdrehung versieht, wenn das äußere magnetische Feld einen vorbestimmten Wert überschreitet, bewirkt diese eine Inversion der Magnetisierung, so daß in diesem Augenblick eine Spannung proportional zu -dφ/dt erzeugt wird, wobei φ den magnetischen Fluß bezeichnet. Infolgedessen wird an den magnetischen Draht ein magnetisches Wechselfeld angelegt, und es wird im Augenblick der Magnetisierungsinversion an dem magnetischen Draht eine Impulsspannung erzeugt. Bei einer solchen Sachlage wird in dem Fall, in dem ein anderes magnetisches Feld als das durch die Erregerspule in der Nähe des magnetischen Drahtes erzeugte vorliegt, an den magnetischen Draht ein zusammengesetztes magnetisches Feld angelegt, so daß das zusammengesetzte magnetische Feld eine Inversion der Magnetisierung im Innern des magnetischen Drahts bewirkt. Anders ausgedrückt wirkt das äußere magnetische Feld als Modulationssignal, wenn das magnetische Erregerfeld als Träger betrachtet wird, so daß eine getrennte Erfassung des äußeren magnetischen Feldes dadurch erfolgen kann, daß man das durch die Magnetisierungsinversion erzeugte Signal verarbeitet. Die Erfassung des äußeren magnetischen Feldes mit einer hohen Auflösung kann dadurch erfolgen, daß man den Bereich des magnetischen Erregerfeldes schmaler ausbildet. Dies kann mit Hilfe eines Ferritkerns mit Wicklung geschehen.
• Eine Anordnung eines magnetischen Bildsensors nach der vor liegenden Ausführungsform geht aus Fig. 14 hervor. Dieser magnetische Bildsensor umfaßt einen magnetischen Draht 1 als Detektor, eine oder mehrere Erregerspulen 55, um an den Draht 1 ein lokales magnetisches Erregerfeld anzulegen, einen Umschalter 56, um einen Erregerstrom durch Umschalten an eine der Erregerspulen anzulegen, und einen Oszillator 57, um den Schalter 56 mit Erregerstrom zu versorgen.
• Eine Detektoreinheit des magnetischen Bildsensors der Fig. 14 ist in Fig. 15 gezeigt, wo im Innern des magnetischen Drahtes 1 eine Magnetisierung in Umfangsrichtung erfolgt.
• In diesem Fall verursacht das magnetische Erregerfeld der Erregerspule 55 eine Inversion der inneren Magnetisierungsrichtung, wodurch zwischen den Anschlüssen A und B des magnetischen Drahtes 1 eine Impulsspannung entsteht. Impulse treten in dem Erfassungssignal in einer vorbestimmten Phase des Erregerstroms, d. h. des magnetischen Erregerfeldes, auf. In einem solchen Fall verursacht das äußere magnetische Feld bei Vorliegen eines anderen äußeren Magnetfeldes als des magnetischen Erregerfeldes eine teilweise Richtungsumkehr der Magnetisierung im Inneren des magnetischen Drahtes 1. Dieser Teil des magnetischen Drahtes, der, wenn einem magnetischen Erregerfeld unterworfen, trägt nicht zur Erzeugung der Impulsspannung zwischen den Anschlüssen A und B bei. Anders ausgedrückt wird die Größe des Erfassungssignals durch das äußere magnetische Feld moduliert. Die Impulsspannung wird an dem magnetischen Draht 1 nach dem oben erwähnten Prinzip erzeugt. Eine Steuerkreisschaltung 60 steuert den Schaltvorgang des Umschalters 56 sowie ferner eine ein magnetisches Bild erzeugende Schaltung 61, die die Größe der den Draht 1 erzeugenden Impulsspannung erfaßt und ein magnetisches Bild erzeugt. Nur der Teil des magnetischen Drahtes 1, der durch das zugeordnete magnetische Erregerfeld der magnetischen Erregerfelder der Erregerspulen 55 erregt worden ist, wird durch das äußere magnetische Feld moduliert, so daß die anderen Teile, die nicht durch das magnetische Erregerfeld erregt worden sind, das Impulssignal überhaupt nicht beeinträchtigen. Aus diesem Grund kann die Auflösung eines magnetischen Bildsensors erhöht werden, wenn mehrere solcher Erregerspulen 55 an einem magnetischen Draht entlang angeordnet sind. Die Erregerspulen 55 können sowohl durch Ferritkernstäbe, die mit Wicklungen versehen sind, realisiert werden, als auch durch ein Muster (spiralförmig oder anders ausgebildet), das auf ein Substrat in Form von kupferbeschichteten Mehrfachlaminaten aufgebracht worden ist. Da die mehreren Erregerspulen 55 so angeordnet sind, daß sie sequentiell erregt werden, wird der Teil des Drahtes, der das äußere magnetische Feld erfassen kann, über die Länge des Drahtes bewegt, wodurch der magnetische Bildsensor realisiert werden kann. Da der die Konstruktion erregende Erregerspulenstrom unter einigen zehn mA liegt, kann ein normaler Analogschalter oder dergleichen als Umschalter 56 Verwendung finden.
• In Fig. 16 sind Betriebssignale des magnetischen Bildsensors der Fig. 14 gezeigt. In Fig. 16 stehen Bezugssymbole C1 bis C4 für Erregersignale für die Erregerspulen C1 bis C4, die, wie gezeigt, sequentiell geschaltet werden.
• Bei dem gezeigten Beispiel wird das Erfassungssignal in der Nähe der jeweiligen Erregerspulen einer Modulation durch das äußere magnetische Feld unterworfen, und erscheint gemäß Fig. 16 als ein solches Erfasssungssignal mit modulierter Amplitude in Form eines A-B-Erfassungssignals.
• In dem Fall, in dem der magnetische Draht aus einem Material mit einem magnetostriktiven Koeffizienten Null oder einem negativen Wert besteht, stellt sich leicht die Tendenz einer Magnetisierung in Umfangsrichtung ein, und die Magnetisierung wird dadurch stabilisiert, daß man den Draht mit einer Verdrehung von etwa einer Windung/10 cm aus einer Verdrehungsaufbringeinrichtung 59 gemäß dem Pfeil C in Fig. 14 versieht. In diesem Zusammenhang kann anstelle der Verdrehung an dem Draht diesem ein Vormagnetisierungsstrom zugeführt werden, oder der Vormagnetisierungsstrom kann dem Draht zusätzlich zu der Verdrehung zugeführt werden.
• Nach der vorliegenden Ausführungsform kann ein magnetischer Bildsensor verwirklicht werden, der eine breit gefächerte Erfassung mit der erforderlichen Auflösung ermöglicht, während gleichzeitig die Notwendigkeit genauer Wicklungsfunktionen, einer genauen Verarbeitung magnetischer Kerne sowie der Anwendung von Halbleitertechniken entfällt. Ferner kann der Aufbau der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik extrem einfach gestaltet werden, wodurch sich die Kosten reduzieren. Schließlich ist die Erfindung aufgrund dessen, daß sie auf dem noch Leseprinzip basiert, unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit eines Erfassungsmediums anwendbar.

Claims (7)

1. Magnetischer Bildsensor auf der Grundlage des Matteucci- Effekts, mit:

mindestens einem magnetischen Draht (1);

einer Einrichtung (4, 59), um den magnetischen Draht mit Magnetisierung in Umfangsrichtung zu versehen;

mehreren Einrichtungen (55, C1-C6), die an dem magnetischen Draht entlang zur Erzeugung mehrerer magnetischer Wechselfelder angeordnet sind;

einer konstanten Wechselstromquelle (57);

einer Schalteinrichtung (56) für die regelmäßige aufeinanderfolgende Stromzufuhr von der konstanten Stromquelle zu den mehreren Wechselfeld-Erzeugungseinrichtungen;

Einrichtungen (5, 7, 19-21, 23, 25-27) zum Erfassen einer Spannung aufgrund des Matteucci-Effekts, die sich an dem magnetischen Draht durch die Interaktion zwischem dem magnetischen Draht, der Wechselfeld-Erzeugungseinrichtung und einem zu erfassenden statischen magnetischen Feld entwickelt; und

einer Einrichtung (61) zur Erzeugung eines Bildes des statischen magnetischen Feldes auf der Grundlage eines Modulationssignals, in das die von der Erfassungseinrichtung erfaßte Matteucci-Effekt-Spannung durch das zu erfassende statische magnetische Feld moduliert wird.

2. Magnetischer Bildsensor nach Anspruch 1, bei dem der magnetische Draht (1) aus einem Material besteht, das einen Magnetorestriktivkoeffizienten hat, der Null oder ein negativer Wert ist.

3. Magnetischer Bildsensor nach Anspruch 2, bei dem die Einrichtung (4, 59) für die Magnetisierung in Umfangsrichtung eine Einrichtung (59) ist, mit der der magnetische Draht (1) mit einer Verdrehung versehen wird.

4. Magnetischer Bildsensor nach Anspruch 3, bei dem die Verdreheinrichtung (59) den magnetischen Draht mit einer Verdrehung in einer Rate von etwa einer Drehung/10 cm beaufschlagt.

5. Magnetischer Bildsensor nach Anspruch 1, bei dem die Magnetisierungseinrichtung (4, 59) in Umfangsrichtung eine Einrichtung (4) ist, um den magnetischen Draht mit Gleichstrom zu beaufschlagen.

6. Magnetischer Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem jede der mehreren magnetischen Wechselfeld-Erzeugungseinrichtungen (55, C1-C6) einen Ferritstabkern und eine Wicklung um den Ferritstabkern herum aufweist.

7. Magnetischer Bildsensor nach Anspruch 6, bei dem die Wicklung auf einem Substrat in Form von Multilaminaten ausgebildet ist.