DE19607199C2 - Verstelleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung mit einem Stator und einem Rotor, der ge­ genüber dem Stator in unterschiedliche Winkelpositionen verstellbar ist.

Bei einer derartigen z. B. als Drehschalter verwendeten Verstelleinrichtung entsprechen die unterschiedlichen Winkelpositionen verschiedenen Schaltstellen. Bei herkömmlichen Drehschaltern werden in den verschiedenen Schaltstellen die gewünschten elektrischen Verbindungen mit Hilfe von Berührungskontakten, beispielsweise in Form von Blattfe­ dern und dergl., hergestellt.

Aus der DE 295 10 696 U1 ist eine Verstelleinrichtung mit einem Stator und einem Ro­ tor, der gegenüber dem Stator in unterschiedliche Winkelpositionen verstellbar ist, be­ kannt. Am Rotor ist ein Permanentmagnet drehfest angeordnet und mit dem Stator ist ein zweidimensionaler Magnetsensor im wesentlichen parallel zur Ebene, in welcher das vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld gedreht wird, drehfest verbunden. Der zweidimensionale Magnetsensor ist dem Permanentmagneten berührungsfrei gegen­ überliegend angeordnet und liefert ein der Winkelstellung des Permanentmagneten ent­ sprechendes Signal. Durch Verwendung mehrerer Permanentmagnetsegmente und Ma­ gnetsensoren können verschiedene Schaltpositionen eines Rotationsschalters geschaf­ fen werden.

Aufgabe der im Patentanspruch 1 enthaltenen Erfindung ist es, eine Verstelleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher kontaktlos die verschiedenen Schaltstellen mit hoher Auflösung im gesamten Drehwinkelbereich definiert sind.

Der zweidimensionale Magnetsensor ist in der Weise ausgebildet, daß er eine Drehung des Permanentmagnetfeldes um eine Drehachse, welche senkrecht zu der Verbin­ dungslinie zwischen Nordpol und Südpol des Permanentmagneten verläuft, zweidimen­ sional, d. h. in X- und Y-Komponenten in einer Ebene, welche parallel liegt zu der Ebene, in welcher sich die Verbindungslinie zwischen Nordpol und Südpol des Permanentma­ gneten dreht, erfassen kann. Ein derartiger zweidimensionaler Magnetsensor kann aus Feldplatten (Rohrbach, Handbuch für experimentelle Spannungsanalyse VDI-Verlag, 1989, Seiten 544, 545; Profos/Pfeifer, Handbuch der industriellen Meßtechnik, 5. Aufla­ ge, Oldenbourg Verlag, 1992, Seiten 146, 147) gebildet sein. Die Ebene, in welcher das vom Perma­ nentmagneten erzeugte Magnetfeld gedreht wird, ist die Ebene, in welcher sich die Ver­ bindungslinie zwischen Nordpol und Südpol des Permanentmagneten bei der Drehung um die dazu senkrechte Achse bewegt. Der Magnetsensor, welcher als Drehwinkelsen­ sor wirkt, detektiert kontaktlos die Lage des Magnetfeldes, unabhängig von dessen Feldstärke. Die Lage des Magnetfeldes wird in horizontaler Ebene gemessen und sein Winkel bezüglich einer vorher definierten Nullage ausgegeben.

Der Permanentmagnet ist möglichst nahe, z. B. 1 bis 2 mm, der Oberfläche des zweidi­ mensionalen Magnetsensors angeordnet, so daß Feldlinien des Magnetfeldes die Halb­ leiterelemente (Feldplatten) des zweidimensionalen Magnetsensors senkrecht bzw. na­ hezu senkrecht durchsetzen. Der Permanentmagnet kann eine magnetische Induktion in der Größenordnung von 20 bis 50 mT haben. Der zweidimensionale Magnetsensor kann als Baustein einer integrierten Schaltung, die in Form eines Chip vorliegt, ausgebildet sein.

Der Stator, an welchem der Rotor drehbar geführt ist, sowie der Magnetsensor bzw. der elektronische Baustein, in welchem der Magnetsensor integriert ist, sind mit einer Trä­ gerplatte verbunden. An der Trägerplatte können weitere elektronische und elektrische Bauelemente vorgesehen sein, die mit dem Magnetsensor bzw. der integrierten Schal­ tung, in welcher sich der Magnetsensor befindet, verbunden sind. Die Ausgangssignale des Magnetsensors, welche analoge Signale, beispielsweise analoge Ausgangsspan­ nungen, sein können, werden in der integrierten Schaltung bzw. in den damit verbunde­ nen Bauelementen ausgewertet bzw. weiter behandelt. Die Trägerplatte kann beispiels­ weise als Leiterplatte ausgebildet sein.

Die elektrische Verstelleinrichtung läßt sich nach Art eines elektrischen Drehschalters verwenden, wobei die Winkelpositionen Schaltstellen des Drehschalters entsprechen. Ferner kann die elektrische Verstelleinrichtung als kontaktlose Potentiometernachbil­ dung zum Einsatz kommen, wobei die verschiedenen Winkelstellungen entsprechenden Potentiometer(Drehwiderstand)-Einstellungen bzw. Abgriffstellen eines Spannungsteilers entsprechen. Durch entsprechende Auswertung der Ausgangssignale des Magnetsen­ sors können auch andere physikalische, insbesondere elektrische, Größen eingestellt bzw. geschaltet werden. Der Rotor kann um 360° gedreht werden, wobei innerhalb die­ ses Drehwinkelbereiches entsprechende Schaltstellungen vorgesehen sein können.

Man erreicht eine hohe Auflösung für die unterschiedlichen Winkelpositionen, vor allem, weil die Positionen auf einen Drehwinkelbereich von 360° verteilt sein können. Ferner kann die elektrische Verstelleinrichtung diagnosefähig und busfähig sein. Im Vergleich zu mechanischen Systemen erreicht man eine höhere Lebensdauer. Es ist ein räumlich nur kleiner mechanischer Aufbau erforderlich. Außerdem ist die Einrichtung SMD- geeignet. Auch in schwierigen Umweltbedingungen ergibt sich ein problemloser Einsatz. Es ist ein nur geringer Verdrahtungsaufwand bei serieller Schnittstelle erforderlich. Das System ist kalibrierfähig. Außerdem erreicht man eine Reduzierung der Schaltfehler um den Faktor 10 gegenüber mechanischen Systemen. Wie schon erläutert, ist eine Chip On Bord-Lösung möglich.

Anhand der Figuren wird an Ausführungsbeispielen die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1: schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel;

Fig. 2: schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel; und

Fig. 3: schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel.

Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele besitzen einen Stator 1 und einen Rotor 2. Der Rotor 2 ist um eine Achse 8 drehbar. Der Stator 1 ist fest mit einer Träger­ platte 5 verbunden. Ferner ist ein elektronischer Baustein 9, welcher eine integrierte Schaltung beinhalten kann, fest mit der z. B. als Leiterplatte ausgebildeten Trägerplatte 5, beispielsweise in SMD-Technik, verbunden. Der elektronische Baustein 9 enthält ei­ nen zweidimensionalen Magnetsensor 4, dem in einem bestimmten Abstand d ein am Rotor 2 angeordneter Permanentmagnet 3 gegenüberliegt. Der Abstand d zwischen dem Permanentmagneten 3 und dem zweidimensionalen Magnetsensor 4 ist so gering wie möglich bemessen und kann 1 bis 2 mm betragen.

Der zweidimensionale Magnetsensor 4 liefert in Abhängigkeit von der Winkelstellung um die Achse 8 bezüglich des Stators 1 bzw. bezüglich des ortsfesten Magnetsensors 4 eine X-Komponente und eine Y-Komponente eines Ausgangssignals. Diese beiden Komponenten können analoge Ausgangsspannungen des Magnetfeldsensors 4 sein. Diese beiden Komponenten werden gegebenenfalls verstärkt und in der Weise ver­ knüpft, daß sie eine Aussage über die Winkelstellung des Permanentmagneten 3 bzw. des drehfest damit verbundenen Rotors 2 gegenüber einer ortsfesten gegebenenfalls am Stator 1 vorgesehenen Referenzposition wiedergeben.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Rotor 2 einen Ro­ torvorsprung 7. Der Rotorvorsprung 7 erstreckt sich durch eine Öffnung 6 der Leiterplat­ te 5. An der Unterseite des Rotorvorsprungs 7 ist der Permanentmagnet 3 vorgesehen. Er liegt, wie schon erläutert, dem zweidimensionalen Magnetsensor 4 mit einem gerin­ gen Abstand gegenüber. Der Baustein 9, in welchem der zweidimensionale Magnetsen­ sor 4 integriert ist, befindet sich beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 an der unteren Oberflächenseite der Trägerplatte 5. Der Stator 1 befindet sich an der oberen Oberflä­ chenseite der Trägerplatte 5. Auch der wesentliche Teil des Rotors 2 befindet sich an der oberen Oberflächenseite der Trägerplatte 5. Im Falle einer ausreichend dünn be­ messenen Trägerplatte 5 kann der Permanentmagnet im Rotor 2 auch in einer Ebene, in welcher die obere Oberfläche der Trägerplatte 5 liegt, oder geringfügig darüber ange­ ordnet sein.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Baustein 9 mit dem integrierten Magnetsensor 4 an der oberen Oberflächenseite der Trägerplatte 5. Auch der Stator 1 und der Rotor 2 sind an der oberen Oberflächenseite der Trägerplatte 5 vorgesehen. Der Stator 1 dient als Gehäuse für den Baustein 9. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel liegt der an der Unterseite des Rotors 2 vorgesehene Permanent­ magnet 3 mit einem geringen Abstand dem Magnetsensor 4 am Baustein 9 gegenüber.

Der Rotor 2 kann gegenüber dem Stator 1 unterschiedliche Drehwinkelstellungen ein­ nehmen. Der Rotor 2 kann dabei stufenlos oder gestuft in verschiedene Drehwinkelposi­ tionen gebracht werden. Diese Drehwinkelpositionen können durch Einrichtungen be­ stimmt sein, wie sie bei herkömmlichen Drehschaltern bekannt sind. Beispielsweise können Drehwinkelpositionen bzw. Schaltstellungen durch eine Rotor- und Statorausbil­ dung erreicht werden, wie sie in der DE 44 27 833 A1 oder dem deutschen Gebrauchsmu­ ster 94 07 625 U1 beschrieben sind.

Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Magnetsensor 4 als gehäuseloser Chip vor, der direkt auf den Stator 1 aufgebracht und mit diesem verbun­ den ist. Ferner kann der Magnetsensor 4 mit der Oberfläche des Stators 1 verbunden sein oder direkt in das Gehäuse eingespritzt sein. Das Gehäuse und der Magnetsensor können in geeigneter Weise an die jeweilige technische Anwendung angepaßt werden. Ferner kann eine direkte Montage des Magnetsensors auf der insbesondere als Leiter­ platte ausgebildeten Trägerplatte 5 möglich sein. Der Rotor 2 mit dem Permanent­ magneten 3 ist unterhalb des Magnetsensors 4 im Abstand d (z. B. 1 bis 2 mm) ange­ ordnet.

Die Rotore 2 der Ausführungsbeispiele können um 360° gedreht werden. Die gewünsch­ ten Schaltstellungen bzw. Drehwinkelpositionen können auf diesen Winkelbereich verteilt sein.

Zum Ausgleich von Einbautoleranzen ist die Rotorachse 8 in bevorzugter Weise gegen­ über dem Magnetsensor 4 zentrierbar. Diese Zentrierung kann durch Kalibrierung in einer an den Magnetsensor angeschlossenen Auswerteschaltung auf elektronische Art und Weise geschehen.

Claims (8)

1. Verstelleinrichtung mit einem Stator und einem Rotor, der gegenüber dem Stator in unterschiedliche Winkelpositionen verstellbar ist, wobei am Rotor (2) ein Per­ manentmagnet (3) drehfest angeordnet ist und mit dem Stator (1) ein zweidi­ mensionaler Magnetsensor (4) im wesentlichen parallel zur Ebene, in welcher das vom Permanentmagneten (3) erzeugte Magnetfeld gedreht wird, drehfest verbunden und dem Permanentmagneten (3) berührungsfrei gegenüberliegend angeordnet ist, der Magnetsensor (4) und der Stator (1) mit einer Trägerplatte (5) fest verbunden sind und der Magnetsensor (4) ein der Winkelstellung des Per­ manentmagneten (3) proportionales Signal liefert.

2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) und der Magnetsensor (4) an derselben Oberflächenseite der Trägerplatte (5) angeordnet sind.

3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) mit dem daran gelagerten Rotor (2) an der einen Oberflächenseite der Träger­ platte (5) und der Magnetsensor (4) auf der anderen Oberflächenseite der Trä­ gerplatte (5) angeordnet sind und daß der Rotor (2) einen Rotorvorsprung (7) aufweist, der durch eine Öffnung (6) der Trägerplatte (5) ragt.

4. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Perma­ nentmagnet (3) am Rotorvorsprung (7) angeordnet ist.

5. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellungen des Rotors (2) Schaltstellen eines elektrischen Dreh­ schalters entsprechen.

6. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellungen des Rotors (2) Potentiometereinstellungen entspre­ chen.

7. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) um 360° drehbar ist.

8. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse (8) bezüglich des Magnetsensors (4) zentrierbar ist.