DE19612422A1

DE19612422A1 - Potentiometereinrichtung mit einem linear verschiebbaren Stellelement und signalerzeugenden Mitteln

Info

Publication number: DE19612422A1
Application number: DE1996112422
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Schelter; Klaus Ludwig; Stefan Schmeuser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: DE19612422C2

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.

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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Poten tiometereinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen da hingehend auszugestalten, daß auf verhältnismäßig einfache und kostengünstige Weise die Position des Stellelementes (Schiebeelementes) erfaßt und ein davon abhängiges elektri sches Signal zu erzeugen ist, ohne daß die Gefahr des Auftre tens von Rauschen besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die signalerzeugenden Mittel ein Element zur Erzeugung eines vor bestimmten Magnetfeldes sowie einen magnetfeldempfindlichen Sensor, der ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zei gendes Schichtensystem mit einer Meßschicht zur Erfassung des Magnetfeldes aufweist, umfassen. Dabei ist der magnetfeldemp findliche Sensor relativ zu dem magnetfelderzeugenden Element längs einer Geraden durch das Magnetfeld derart verschiebbar, daß die auf die Meßschicht auftreffenden Komponenten des Ma gnetfeldes mit einer Bezugsachse in der Meßschichtebene einen mittleren Winkel einschließen, der eindeutig mit der jeweili gen Position des magnetfeldempfindlichen Sensors relativ zu dem magnetfelderzeugenden Element korrelliert ist.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß sich für ein kontaktloses Schiebepotentiometer die Winkelabhängigkeit des erhöhten magnetoresistiven Effektes, insbesondere GMR- Effektes, von speziellen Dünnschichtensystemen bzgl. auftref fender Magnetfeldkomponenten ausnutzen läßt, um ein von der linearen Position des Stellelementes abhängiges elektrisches Signal zu erzeugen. Diese Erzeugung ist mit den Schichtensy stemen verhältnismäßig einfach und kostengünstig. Außerdem zeigen entsprechende signalerzeugende Mittel vorteilhaft kei ne 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 Potentiometereinrich tung,

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

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

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 N1, 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 a₈₁ 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. Blasmagnetisierungsrichtungen vorteilhaft die Möglichkeit einer Temperaturkompensation.

Claims

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, gekennzeichnet durch signalerzeugende Mittel mit

- einem Element (2) zur Erzeugung eines vorbestimmten Magnet feldes (H),

sowie

- einem magnetfeldempfindlichen Sensor (3; 6, 7), der ein ei nen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Schichten system mit einer Meßschicht zur Erfassung des Magnetfeldes (H) aufweist,

wobei der magnetfeldempfindliche Sensor (3; 6, 7) relativ zu dem magnetfelderzeugenden Element (2) längs einer Geraden (G) durch das Magnetfeld (H) derart verschiebbar ist, daß die auf die Meßschicht auftreffenden Komponenten (H_k) des Magnetfel des (H) mit einer Bezugsachse (a_s; a_s1, a_s2) in der Meßschich tebene einen mittleren Winkel (α′) einschließen, der eindeu tig mit der jeweiligen Position des magnetfeldempfindlichen Sensors (3; 6, 7) relativ zu dem magnetfelderzeugenden Ele ment (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.