DE19612422C2 - Potentiometereinrichtung mit einem linear verschiebbaren Stellelement und signalerzeugenden Mitteln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Potentiometereinrichtung mit einem linear verschiebbaren Stellelement und mit Mitteln zur Erzeugung eines von der Position des Stellelementes auf der Geraden bezüglich einer vorgegebenen Ausgangslage abhän­ gigen elektrischen Signals. Die signalerzeugenden Mittel um­ fassen dabei ein Element zur Erzeugung eines vorbestimmten Magnetfeldes sowie einen magnetfeldempfindlichen Sensor, der ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Schich­ tensystem mit einer Meßschicht zur Erfassung des Magnetfeldes aufweist. Eine entsprechende Potentiometereinrichtung ist der WO 95/10020 A1 zu entnehmen.

Schiebepotentiometer werden in vielfältiger Weise als Bautei­ le in elektronischen Schaltungen verwendet. Im Hifi-Bereich, insbesondere in der Studiotechnik, werden sie bevorzugt als Lautstärkeregler eingesetzt. Bisher werden für diese Anwen­ dungen gewöhnliche lineare Schichtwiderstände, sogenannte Fa­ der, vorgesehen. Bei derartigen Schichtwiderständen tritt je­ doch bei einer längeren Benutzung ein unerwünschtes Rauschen infolge von unvermeidlicher Korrosion und Verschmutzung auf. Um dieses Rauschen zu vermeiden, werden im allgemeinen diese Schichtwiderstände bisher vor Benutzung heftig hin- und her­ bewegt, um so durch Abrieb die Kontaktflächen zu säubern. Trotzdem läßt sich das Auftreten von Rauschen nicht ganz ver­ hindern.

Aus der DE 41 15 483 A1 geht eine Vorrichtung zum berührungs­ losen Umsetzen von Bewegungen in elektrische Signale, vor­ zugsweise in elektrische Potentialwerte, hervor. Die Vorrich­ tung weist ein von zwei Magnetpolen hervorgerufenes bipolares Feld und einen Feldsensor auf, der ein elektrisches Signal erzeugt. Hierzu wird die zu erfassende Bewegung mechanisch in eine Relativbewegung zwischen dem Sensor und den Magnetpolen umgesetzt, wobei sich das Zentrum des Sensors entlang einer zentralen Verbindungslinie zwischen den Polen bewegt. Das bei der bekannten Vorrichtung zugrundegelegte Meßprinzip beruht auf einer Feldstärkemessung.

Aus "Electronic Components and Applications", Vol. 8, No. 4, Seiten 222 bis 239 ist ein magnetoresistiver Dünnfilmsensor zu entnehmen, der den magnetoresistiven Effekt einer einzigen magnetischen Schicht z. B. aus Permalloy ausnutzt, wobei eine sogenannte "Barberpol"-Konfiguration zugrundegelegt ist. Bei einem derartigen Sensor ist der magnetoresistive Effekt an­ isotrop und auf wenige Prozent beschränkt. Der Effekt wird deshalb auch "Anisotropic Magneto Resistance" (AMR)-Effekt genannt. Größere Werte des magnetoresistiven Effektes, der auch als "Giant Magneto Resistance" (GMR)-Effekt bezeichnet wird, sind mit Multilagensystemen zu erhalten, die aus Dünn­ schichten aus ferromagnetischem Material mit jeweils dazwi­ schenliegender Dünnschicht aus einem speziellen nichtmagne­ tischem Material aufgebaut sind.

Ein entsprechendes GMR-Multilagensystem Co-Cu ist in "Sensors and Actuators A", Vols. 46-47, 1995, Seiten 302 bis 306 be­ schrieben.

Aus der EP 0 498 668 A2 und der US 5,206,590 gehen entspre­ chende Multilagensysteme von magnetoresistiven Sensoren her­ vor, die jeweils als Lesekopf über ein magnetisches Aufzeich­ nungsmedium geführt werden sollen. Mit der Verwendung solcher Multilagensysteme in diesen Sensoren ist auch bei schwachen Verhältnissen eine gegenüber einem Barberpole-Sensor erhöhte (Lese)-Signalstärke zu erhalten.

Eine Potentiometereinrichtung, die ein einen erhöhten magne­ toresistiven Effekt (GMR) zeigendes Schichtensystem aufweist, geht aus der eingangs genannten WO 95/10020 A1 hervor. Diese Potentiometereinrichtung enthält das Schichtensystem in Streifenform, an dem seitlich vorzugsweise paarweise Perma­ nentmagnete als magnetfelderzeugende Elemente vorbeigeführt werden. Diese Permanentmagnete rufen in einer weichmagneti­ schen Meßschicht dieses Schichtensystems eine quer zur Aus­ dehnungsrichtung des Schichtensystems verlaufende Domänenwand hervor, mit der Bereiche unterschiedlicher magnetischer Pola­ rität in der Meßschicht getrennt sind. Diese Domänenwand wird mit der Verschiebung des Magnetsystems entsprechend verscho­ ben. Damit ändert sich auch der magnetoresistive Widerstand des gesamten Schichtensystems. Bei der bekannten Potentiome­ tereinrichtung muß gewährleistet sein, daß sich nur genau ei­ ne Domänenwand bildet, die Bereiche unterschiedlicher magne­ tischer Polarität trennt, da sonst Signalverfälschungen auf­ treten. Der hierfür erforderliche Aufwand bezüglich der ma­ gnetfelderzeugenden Elemente, deren Magnetfeld im wesentli­ chen nur in der Meßschichtebene verlaufen darf, ist verhält­ nismäßig groß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Potentiometer­ einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß auf verhältnismäßig einfache und kosten­ günstige Weise die Position des Stellelementes (Schiebeele­ mentes) erfaßt und ein davon abhängiges elektrisches Signal zu erzeugen ist, ohne daß die Gefahr des Auftretens von Rau­ schen besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst. Hierbei ist der magnetfeldempfindliche Sen­ sor relativ zu dem magnetfelderzeugenden Element längs einer Geraden durch das Magnetfeld derart verschiebbar, daß die auf die Meßschicht auftreffenden Komponenten des Magnetfeldes mit einer Bezugsachse in der Meßschichtebene einen mittleren Win­ kel einschließen, der eindeutig mit der jeweiligen Position des magnetfeldempfindlichen Sensors relativ zu dem magnetfel­ derzeugenden Element korrelliert ist.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß sich für ein kontaktloses Schiebepotentiometer nicht eine Feldstärke­ abhängigkeit wie bei Barberpole-Sensoren sondern die Winkel­ abhängigkeit des erhöhten magnetoresistiven Effektes, insbe­ sondere GMR-Effektes, von speziellen Dünnschichtensystemen bzgl. auftreffender Magnetfeldkomponenten ausnutzen läßt, um ein von der linearen Position des Stellelementes abhängiges elektrisches Signal zu erzeugen. Diese Erzeugung ist mit den Schichtensystemen verhältnismäßig einfach und kostengünstig, da eine genaue Positionierung des magnetfelderzeugenden Ele­ mentes bezüglich des Schichtensystems nicht erforderlich ist. Dabei zeigen entsprechende signalerzeugende Mittel vorteil­ haft keine mechanischen Verschleißerscheinungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Potentio­ metereinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch nä­ her erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch deren

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau von signalerzeugenden Mit­ teln einer erfindungsgemäßen Potentiometereinrichtung,

die Fig. 2 und 3 zwei weitere prinzipielle Gestaltungsmög­ lichkeiten solcher signalerzeugender Mittel,

die Fig. 4 und 5 die wesentlichsten Teile einer konkreten Ausführungsform einer Potentiometereinrichtung nach der Erfindung in zwei verschiedenen Ansichten und

die Fig. 6 und 7 sowie 8 und 9 zwei weitere Ausführungs­ formen solcher Potentiometereinrichtungen in den Fig. 4 und 5 entsprechender Darstellung.

In den Figuren sind sich jeweils entsprechende Teile mit den­ selben Bezugszeichen versehen.

Die erfindungsgemäße Potentiometereinrichtung besitzt ein Stellelement (Schieber), das nach Art bekannter linearer Schiebepotentiometer längs einer in einer Ebene liegenden Ge­ raden verschiebbar ist. Diesem Stellelement sind Mittel zur Erzeugung eines von der Position des Stellelementes auf der Geraden abhängigen elektrischen Signals zugeordnet, das mit einer nachgeschalteten Elektronik weiterverarbeitet wird. Er­ findungsgemäß sollen als signalerzeugende Mittel jeweils min­ destens ein besonderes magnetfelderzeugendes Element und ein besonderer magnetfeldempfindlicher Sensor vorgesehen sein. Dieser Sensor soll ein Dünnschichtensystem aufweisen, das ei­ nen erhöhten magnetoresistiven Effekt, insbesondere einen so­ genannten "Giant Magneto Resistance"(GMR)-Effekt, zeigt. Der­ artige Dünnschichtensysteme sind an sich bekannt (vgl. z. B. die EP 0 483 373 A oder die DE-A-Schriften 42 32 244, 42 43 357 oder 42 43 358). Ihr magnetoresistiver Effekt M_r soll mindestens 5% betragen. Dabei gilt definitionsgemäß:

M_r = ΔR/R(0) = [R(0) - R(B)]/R(0),

wobei R(B) der elektrische Widerstand im Magnetfeld mit einer Induktion B und R(0) der Widerstand bei fehlendem Magnetfeld sind. Entsprechende Dünnschichtensysteme weisen eine Meß­ schicht auf, mit der das von dem magnetfelderzeugenden Ele­ ment hervorgerufene Magnetfeld erfaßt wird. Dieses Magnetfeld soll so aussehen, daß die von dem Schichtensystem des magnet­ feldempfindlichen Sensors erfaßten Magnetfeldkomponenten bei einer relativen Verschiebung des magnetfeldempfindlichen Sen­ sors und des magnetfelderzeugenden Elementes unter sich ste­ tig ändernden Winkeln bezüglich der Meßschicht des Schichten­ systems ausgerichtet sind. Besonders geeignet ist deshalb ein Magnetfeld, das in der Meßschichtebene zumindest weitgehend dem eines stabförmigen Permanentmagneten entspricht. Zweckmä­ ßigerweise wird ein entsprechender Permanentmagnet als ma­ gnetfelderzeugendes Element verwendet. Selbstverständlich kann ein solches Magnetfeld auch mit einer stromdurchflosse­ nen Spule erzeugt werden. Der magnetfeldempfindliche Sensor ist dann relativ zu dem magnetfelderzeugenden Element längs der Geraden durch das Magnetfeld dieses Elementes so ver­ schiebbar anzuordnen, daß die auf seine Meßschicht auftref­ fenden Komponenten des Magnetfeldes mit einer Bezugsachse in der Meßschichtebene einen mittleren Winkel einschließen, der eindeutig mit der jeweiligen Position des Stellelementes kor­ reliert ist. Dabei wird von der Tatsache ausgegangen, daß der erhöhte magnetoresistive Effekt (GMR) im wesentlichen nur ei­ ne Abhängigkeit von dem Winkel der Meßschicht bezüglich der Magnetfeldkomponenten und nicht von der Magnetfeldstärke zeigt.

Ein prinzipieller Aufbau einer entsprechenden Schiebepoten­ tiometereinrichtung ist aus Fig. 1 in einer Aufsicht er­ sichtlich. In der Figur sind bezeichnet ein stabförmiger Per­ manentmagnet mit 2, das von diesem hervorgerufene Magnetfeld mit H, die auf die Meßschicht eines GMR-Sensors auftreffende Magnetfeldkomponente mit H_k, der Sensor mit 3, eine Be­ zugsachse in der Meßschichtebene des Sensors mit a_s, der Win­ kel zwischen einer Senkrechten auf der Bezugsachse a_s bzw. der Bezugsachse selbst und der Magnetfeldkomponente H_k mit α bzw. α', die Bewegungsrichtung des Permanentmagneten 2 rela­ tiv zu dem Sensor 3 mit r und die relative seitliche Auslen­ kung des Permanentmagneten 2 gegenüber dem Sensor 3 mit x.

Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, wird der GMR-Sensor 3 zu ei­ ner kontaktlosen Erfassung einer Linearbewegung des stabför­ migen Permanentmagneten 2 eingesetzt. Hierzu wird die Drehung der Streufeldkomponente H_k des Magnetfeldes H bei der Linear­ bewegung des Permanentmagneten senkrecht zu seiner Längsachse A bezüglich eines raumfesten Punktes ausgenützt. Die Linear­ bewegung des Permanentmagneten bezüglich des Sensors 3 er­ folgt dabei längs einer Geraden G durch den Bereich des ma­ gnetischen Streufeldes mit einem gemäß dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel radial symmetrischen Feldverlauf, wobei sich je nach Auslenkung x aus einer definierten Ausgangs- oder Nullage der Winkel α ändert. Wegen der bekannten cosα- Abhängigkeit von GMR-Sensoren (vgl. z. B. WO 94/17426) ergibt sich für die gezeigte Anordnung die folgende Widerstandsände­ rung:

Dabei wird die mit x abklingende Feldamplitude des Streufel­ des praktisch durch die reine Richtungsabhängigkeit des GMR- Sensors ausgeglichen.

Um die Länge des Verfahrweges zu vergrößern, können auch nicht-radialsymmetrische Feldverläufe des von dem stabförmi­ gen Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes H vorgesehen werden. In Fig. 2 sind die Feldstärke und die Richtung eines entsprechenden magnetischen Streufeldes H in der Ebene des Sensors 3 durch entsprechende Pfeile H_k angedeutet. Der ge­ wünschte Feldverlauf läßt sich besonders einfach dadurch er­ zeugen, daß der Permanentmagnet 2 so ausgerichtet ist, daß seine Längsachse A mit der Geraden G, längs derer er zu bewe­ gen ist, zusammenfällt.

Abweichend von der in Fig. 2 dargestellten Anordnungsmög­ lichkeit von Permanentmagnet 2 und Sensor 3 kann gemäß Fig. 3 der Sensor auch so montiert werden, daß seine magnetfel­ dempfindliche Meßschicht in einer Ebene parallel zur Achse A des Permanentmagneten liegt.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 ist der Permanentmagnet 2 längs ei­ ner Geraden G verschiebbar, während der GMR-Sensor 3 ortsfest angeordnet ist. In diesem Falle ist der Permanentmagnet mit einem Stellelement (Schieber) der Potentiometereinrichtung starr verbunden. Da es jedoch nur auf eine relative Bewegung des magnetfelderzeugenden Elementes gegenüber dem zugeordne­ ten magnetfeldempfindlichen Sensor ankommt, ist es selbstver­ ständlich ebensogut möglich, den Sensor an dem Stellelement so zu befestigen, daß er dessen lineare Bewegung mitvoll­ zieht, während dann das zugeordnete magnetfelderzeugende Ele­ ment nicht-beweglich ausgebildet ist.

Aus den Fig. 4 und 5 geht eine Ausführungsform einer er­ findungsgemäßen Potentiometereinrichtung in Seitenansicht bzw. Vorderansicht hervor. Diese Einrichtung 5 kann insbeson­ dere als Lautstärkeregler oder Fader dienen. Sie weist zwei ortsfeste, parallel nebeneinander und symmetrisch zu einer Geraden G angeordnete GMR-Sensoren 6 und 7 auf, an denen ein stabförmiger Permanentmagnet 2 längs der Geraden G vorbeizu­ führen ist. Der Permanentmagnet 2 mit seinem Nordpol Np und Südpol Sp ist dabei senkrecht zur Bewegungsrichtung wie nach Fig. 1 angeordnet und mit einem Stellelement bzw. Stellhebel 9 starr gekoppelt. Die Faderposition ist gemäß den Fig. 4 und 5 gegeben durch:

x = d . tanβ, (Gleichung II)

wobei x die Auslenkung des Magneten 2 aus einer Null- oder Ausgangslage Nl, d der Abstand des jeweiligen Sensors von der Geraden G und β der mittlere Winkel zwischen der Magnetachse A und der auf die Meßschicht des jeweiligen Sensors auftref­ fenden Magnetfeldkomponente H_k sind. Dabei ist es im Hinblick auf ein von der Auslenkung x linear abhängiges Signal der Sensoren von besonderem Vorteil, wenn für den einen Sensor eine cosβ-Abhängigkeit und für den anderen Sensor eine sinβ- Abhängigkeit vorgesehen werden. Dies läßt sich vorzugsweise dadurch realisieren, daß man die beiden Sensoren 6 und 7 der­ art anordnet, daß ihre magnetischen Achsen (bzw. Empfindlich­ keitsachsen), die beispielsweise auch als Bezugsachsen a_s1 bzw. a_s2 bezüglich der jeweils auftreffenden Magnetfeldkompo­ nenten H_k betrachtet werden können, senkrecht zueinander aus­ gerichtet sind. (Die Achse a_s2 des in Fig. 5 von dem Sensor 6 überdeckten Sensors 7 verläuft dabei senkrecht zu der ge­ zeigten Achse a_s1 des Sensors 6 und parallel zu der Geraden G). Wegen einer entsprechenden Ausrichtung der beiden Senso­ ren 6 und 7 mit ihren Achsen a_s1 bzw. a_s2 senkrecht bzw. par­ allel zur Geraden G werden die folgenden Magnetowiderstands­ signale erhalten:

Dabei sind die Widerstandswerte R₁ und R₂ dem Sensor 6 bzw. 7 zugeordnet. Aus den vorstehenden Gleichungen folgt, daß der Faderweg x durch die Sensorsignale linear abgebildet werden kann, indem gilt:

Die Linearität des Gesamtsignals der beiden Sensoren ist also exakt durch Division der beiden einzelnen Sensorsignale mit­ tels einer entsprechenden nachgeordneten Elektronik zu erhal­ ten.

Die Fig. 6 und 7 bzw. 8 und 9 zeigen zwei weitere Ausfüh­ rungsformen von erfindungsgemäßen Potentiometereinrichtungen 10 bzw. 11. Dabei wurde eine den Fig. 4 und 5 entsprechen­ de Darstellung gewählt. Die Potentiometereinrichtungen 10 und 11 unterscheiden sich gegenüber der Potentiometereinrichtung 5 nach den Fig. 4 und 5 lediglich durch die Anordnung der beiden Sensoren 6 und 7, welche die anhand der Fig. 4 und 5 erläuterten Ausrichtungen ihrer magnetischen Achsen a_s1 und a_s2 haben sollen. Dabei sind gemäß den Fig. 6 und 7 die beiden Sensoren 6 und 7 unmittelbar aufeinanderliegend. Dem­ gegenüber können bei der Ausführungsform nach den Fig. 8 und 9 die beiden Sensoren 6 und 7 auch direkt nebeneinander angeordnet sein.

Außerdem bieten derartige Potentiometereinrichtungen mit zwei Sensoren mit senkrecht zueinander gerichteten magnetischen Achsen bzw. Biasmagnetisierungsrichtungen vorteilhaft die Möglichkeit einer Temperaturkompensation.

Claims (10)

1. Potentiometereinrichtung mit einem linear verschiebbaren Stellelement und mit Mitteln zur Erzeugung eines von der Po­ sition des Stellelementes auf der Geraden bezüglich einer vorgegebenen Ausgangslage abhängigen elektrischen Signals, wobei die signalerzeugenden Mittel ein Element zur Erzeugung eines vorbestimmten Magnetfeldes sowie einen magnetfeldemp­ findlichen Sensor umfassen, der ein einen erhöhten magnetore­ sistiven Effekt zeigendes Schichtensystem mit einer Meß­ schicht zur Erfassung des Magnetfeldes aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß der magnet­ feldempfindliche Sensor (3; 6, 7) relativ zu dem magnetfel­ derzeugenden Element (2) längs einer Geraden (G) durch das Magnetfeld (H) derart verschiebbar ist, daß die auf die Meß­ schicht auftreffenden Komponenten (H_k) des Magnetfeldes (H) mit einer Bezugsachse (a_s; a_s1, a_s2) in der Meßschichtebene einen mittleren Winkel (α') einschließen, der eindeutig mit der jeweiligen Position des magnetfeldempfindlichen Sensors (3; 6, 7) relativ zu dem magnetfelderzeugenden Element (2) korrelliert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei parallel nebeneinander angeordnete magnetfeldempfindliche Sensoren (6, 7) relativ zu dem magnetfelderzeugenden Element (2) zu verschieben sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfelderzeugende Element (2) ein Magnetfeld (H) hervorruft, das zumindest weitgehend dem eines stabförmigem Permanentmagneten ent­ spricht.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das magnet­ felderzeugende Element (2) starr mit dem Stellelement (9) verbunden ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der minde­ stens eine magnetfeldempfindliche Sensor starr mit dem Stel­ lelement verbunden ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das magnet­ felderzeugende Element (2) bezüglich des mindestens einen ma­ gnetfeldempfindlichen Sensors (3; 6, 7) so angeordnet ist, daß eine magnetische Achse (A) des magnetfelderzeugenden Ele­ mentes (2) senkrecht zu der Geraden (G) verläuft.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das magnet­ felderzeugende Element (2) bezüglich des mindestens einen ma­ gnetfeldempfindlichen Sensors (3) so angeordnet ist, daß eine magnetische Achse (A) des magnetfelderzeugenden Elementes (2) in Richtung der Geraden (G) weist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ge­ kennzeichnet durch eine Anordnung des mindestens einen magnetfeldempfindlichen Sensors (3; 6, 7) derart, daß die Ebene seiner Meßschicht senkrecht zu einer magnetischen Achse (A) des magnetfelderzeugenden Elementes (2) ausgerich­ tet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ge­ kennzeichnet durch eine Anordnung des mindestens einen magnetfeldempfindlichen Sensors (3) derart, daß die Ebene seiner Meßschicht parallel zu einer magnetischen Achse (A) des magnetfelderzeugenden Elementes (2) ausgerichtet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ge­ kennzeichnet durch zwei magnetfeldempfindliche Sensoren (6, 7) in einer solchen Anordnung, daß die magneti­ sche Achse (a_s1) des einen Sensors (6) senkrecht zu der Gera­ den (G) und die entsprechende Achse (a_s2) des anderen Sensors (7) parallel zu der Geraden (G) ausgerichtet sind.