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Die
Erfindung betrifft eine Bedienvorrichtung mit einer um eine Drehachse
drehbaren Handhabe, einer mittels der Handhabe drehbaren Magnetanordnung,
die eine senkrechte zur Drehachse vorlaufende Kreisfläche und
mindestens zwei in einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebene
im Abstand zur Drehachse stationär
angeordneten Hallsensoren, wobei die Ebene parallel zur Kreisfläche der
Magnetanordnung verläuft und
bei Drehung der Magnetanordnung elektrische Signale in den Hallsensoren
erzeugt werden.
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Zur
Bedienung verschiedener elektrischer und elektronischer Geräte sind
Bedienvorrichtungen bekannt, die als so genannte Drehsteller ausgebildet
sind, bei denen eine Drehbewegung eine Handhabe in ein elektrisches
Signal umgewandelt wird. Im Zusammenhang mit elektrischen Kraftfahrzeugkomponenten
werden derartige Bedienvorrichtungen beispielsweise bei Klimabediengeräten zur
Einstellung der gewünschten Innentemperatur
oder einer Luftverteilung im Fahrzeug eingesetzt. Erfolgt keine
Rückmeldung über die
vorgenommene Einstellung, beispielsweise über eine Anzeige eines eingestellten
Wertes, so kommen Drehsteller zum Einsatz, bei denen jede Winkelstellung
des Drehgebers einer reproduzierbaren elektrischen Größe entspricht.
Bekannte Ausführungsformen
von Drehstellern beinhalten hierzu ein Potentiometer, auf das die
Drehbewegung einer Handhabe mittels einer Welle übertragen wird. Am Potentiometer
wird dann eine Spannung abgegriffen, die der jeweiligen Einstellposition
entspricht.
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Neben
Potentiometern kommen bei Drehstellern auch Hallsensoren zur Erzeugung
eines elektrischen Signals zum Einsatz, das von der Drehstellung
einer Handhabe abhängig
ist. Aus der
DE 197
12 049 A1 ist eine Bedienvorrichtung bekannt, die eine
Handhabe und eine mit der Handhabe verbundene Magnetanordnung aufweist,
die als diametral magnetisierte Scheibe ausgebildet ist. Auf einer
Leiterplatte sind zwei Hallsensoren stationär derart angebracht, dass sie
im gleichen radialen Abstand von der Drehachse der diametral magnetisierten
Scheibe um 90° versetzt
angeordnet sind. Aus den Spannungen, die durch das Magnetfeld der diametral
magnetisierten Scheibe in den Hallsensoren erzeugt werden, wird
in einer Auswerteeinrichtung der Drehwinkel der Scheibe und damit
auch der Handhabe berechnet. Nachteilig sind bei einer derartigen
Anordnung, dass durch Temperatureinflüsse die von den Hallsensoren
erzeugte Ausgangsspannung variiert. Dies ist insbesondere bei Anwendungen
in Kraftfahrzeugen von Nachteil, da dort hohe Temperaturunterschiede
auftreten können.
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Aus
der
DE 39 39 353 A1 sind
Messverfahren bekannt, bei denen die Winkelpositionierung einer
segmentierten Scheibe ermittelt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine gattunsgemäße Bedienvorrichtung derart
weiterzubilden, dass der vorgenannte Nachteil vermieden wird und
dennoch ein kompakter Aufbau der Bedienvorrichtung erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch eine Bedienvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Bedienvorrichtung enthält
in bekannter Weise eine um eine Drehachse drehbare Handhabe und eine
mit der Handhabe drehbare Magnetanordnung, die eine senkrecht zur
Drehachse verlaufende Kreisfläche aufweist.
Des Weiteren sind mindestens zwei Hallsensoren vorhanden, die in
einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebene in Abstand zur
Drehachse stationär
angeordnet sind. Die Hallsensoren sind insbesondere auf einer Leiterplatte
montiert. Wie bei der bekannten Ausgestaltung ist die Leiterplatte,
die die Hallsensoren enthält,
parallel zur Kreisfläche
der Magnetanordnung angeordnet. Bei Drehung der Magnetanordnung über den
Hallsensoren wird in den Hallsensoren ein elektrisches Signal erzeugt,
das in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden kann. Die Kreisfläche der
Magnetanordnung ist in mindestens zwei Kreisringe unterteilt, wobei
jeder der Kreisringe als Magnetpole ausgebildete Kreissegmente aufweist.
Jedem der Kreisringe ist mindestens einer der Hallsensoren zugeordnet.
Hierzu weisen die den unterschiedlichen Kreisringen zugeordneten
Hallsensoren unterschiedliche Abstände zu der Drehachse der Bedienvorrichtung
auf. Befindet sich nun gerade oberhalb eines der Hallsensoren ein
Kreissegment, das als Nordpol ausgebildet ist, so wird in dem Hallsensor
ein entsprechendes Signal hervorgerufen. Wird die Handhabe nun weitergedreht,
so dass das nächste Kreissegment über dem
Hallsensor erscheint, und ist dieses als Südpol ausgebildet, so ändert sich
das Ausgangssignal des Hallsensors sprungartig. Durch die Verwendung
von digitalen Hallsensoren in Zusammenspiel mit lediglich zwei eindeutig
definierten magnetischen Zuständen
der Kreissegmente wird somit durch jedes der Kreissegmente ein eindeutiges
digitales Ausgangssignal der Hallsensoren erzeugt. Durch die Unterteilung
der Magnetanordnung in mehrere Kreisringe, die jeweils entsprechende
als Magnetpole ausgebildete Kreissegmente aufweisen, kann eine entsprechend
hohe Winkelauflösung
erreicht werden, da mehrere Hallsensoren ausgewertet und somit mehr
Kombinationsmöglichkeiten
gegeben sind.
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Wird
jeder Kreisring in n gleiche Winkelbereiche aufgeteilt, wobei jeder
Winkelbereich genau ein Kreissegment jedes Kreisrings enthält, so wird
eine Bedienvorrichtung realisiert, bei der zu einem jeweils konstanten Winkelbereich
ein eindeutiges Ausgangssignal an den Hallsensoren abgegriffen werden
kann.
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Wird
die Bedienvorrichtung derart ausgebildet, dass diese entsprechend
n Rastungen aufweist, so wird jeder Rastung, das heißt, jedem
möglichen
Einstellwert, genau eine spezielle Kombination von Ausgangssignalen
der Hallsensoren zugeordnet.
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Werden
die Magnetpole der Kreissegmente derart ausgebildet, dass zu jedem
der Winkelbereiche eine nur bei diesem Winkelbereich auftretende
Kombination der elektrischen Signale der Hallsensoren anliegt, so
kann der volle Drehbereich der Bedienvorrichtung von 360° zur Einstellung
unterschiedlicher Werte ausgenutzt werden.
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Werden
die Handhabe und die Magnetanordnung einstöckig ausgebildet, so entfallen
weitere konstruktive Elemente wie eine Drehwelle, Zahnradübersetzungen
oder dergleichen. Beispielsweise kann hierzu die Magnetanordnung
mit einem Kunststoffmaterial umspritzt werden, wobei gleichzeitig
die Handhabe gebildet wird.
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Weist
jeder Kreisring 16 Kreissegmente auf, so kann eine Bedienvorrichtung
mit einem Winkelbereich für
jedes Segment bzw. einer Winkelauflösung von 22,5° bei voller
Ausnutzung des Drehbereichs von 360° erreicht werden. Bei Verwendung
von vier in unterschiedlichen Abständen zur Drehachse angeordneten
Hallsensoren, die linear auf einer Linie angeordnet sind, die die
Drehachse schneidet, kommen ebenfalls Kreisringe mit jeweils 16
Kreissegmenten zum Einsatz.
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Eine
höhere
Winkelauflösung
von 7,5° bei
voller Ausnutzung des gesamten Drehbereichs von 360° kann erreicht
werden, indem jeder Kreisring in 48 Kreissegmente aufgeteilt wird.
Eine kompakte Bedienvorrichtung ergibt sich, wenn die Magnetanordnung
in zwei Kreisringe mit je 48 Kreissegmenten unterteilt ist und die
Bedienvorrichtung sechs Hallsensoren aufweist. Hierbei sind dem
ersten Kreisring zwei Hallsensoren zugeordnet, die um 90° zueinander
versetzt angeordnet sind. Dem zweiten Kreisring sind vier Hallsensoren
zugeordnet, die im Abstand von jeweils 90° angeordnet sind. Weiterhin
ist jeder der beidem dem ersten Kreisring zugeordneten Hallsensoren
auf einer Linie angeordnet, die sowohl die Drehachse als auch einen
der dem zweiten Kreisring zugeordneten Hallsensoren schneidet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
den prinzipiellen Aufbau der Bedienvorrichtung,
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2:
eine Ansicht der Kreisfläche
der Magnetanordnung,
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3:
eine Magnet- und Sensoranordnung mit 16 Kreissegmenten,
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4:
eine Magnet- und Sensoranordnung mit 48 Kreissegmenten.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Bedienvorrichtung. Die Bedienvorrichtung
weist eine Handhabe 1 auf, die einstückig mit einer Magnetanordnung 2 ausgebildet
ist. Die Handhabe 1 und die Magnetanordnung 2 sind
um eine Drehachse 3 drehbar in einem Gehäuse 4 in
nicht näher
dargestellter Weise gelagert. Es kann eine Zentralbeleuchtung in
der Magnetanordnung für
das Bedienelement vorgesehen sein.
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In
dem Gehäuse 4 ist
eine Leiterplatte 5 angeordnet, auf der mehrere digitale
Hallsensoren 6 angeordnet sind. Die Leiter platte 5 ist
parallel zu einer Kreisfläche 7 der
Magnetanordnung 2 ausgerichtet. Die Kreisfläche 7 ist,
wie in 2 prinzipiell gezeigt, in Kreisringe R aufgeteilt.
Jeder der Kreisringe R ist wiederum in eine gleich große Anzahl
von Kreissegmenten S unterteilt. Die Kreissegmente S1 des ersten
Kreisrings R1 und die Kreissegmente S2 des zweiten Kreisrings R2
sind so angeordnet, dass benachbarte Kreissegmente, die zu unterschiedlichen
Kreisringen gehören,
also zum Beispiel S1A und S2A, den gleichen Winkelbereich α abdecken.
Weiterhin sind die Winkelbereiche aller Kreissegmente gleich groß. Jedes
der Kreissegmente S ist nun entweder als Nordpol oder als Südpol ausgebildet,
d. h. jedes Kreissegment hat eine konstante Magnetisierung. Somit
ergibt sich beim Übergang
von einem Kreissegment zu einem benachbarten Kreissegment mit anderer
Magnetisierung auch beim Vorbeiführen
dieser Kreissegmente an einem der Hallsensoren eine entsprechend
eindeutige Änderung
des Ausgangssignals des Hallsignals. Abhängig von der Magnetisierung
des aktuell auf den jeweiligen digitalen Hallsensor einwirkenden
Kreissegments ergeben sich bei jedem Hallsensor nur zwei unterschiedliche
Ausgangsspannungen, so dass ein digitales Ausgangssignal vorliegt.
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In
den 3 und 4 sind konkrete Ausgestaltungen
der Magnetisierung für
einzelne Kreissegmente und die entsprechenden Hallsensoranordnungen
dargestellt. Die in den 3 und 4 dargestellte
Ansicht ergibt sich bei Sicht durch die Leiterplatte 5 hindurch
auf die Kreisfläche 7,
wobei die Anordnung der Hallsensoren 6 auf der Leiterplatte
im Bezug auf die Kreisfläche 7 ersichtlich
ist.
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3 zeigt
eine Magnetanordnung auf der Kreisfläche 7 mit vier Kreisringen
R1 bis R4. Jeder der Kreisringe R in 3 ist in
16 Kreissegmente S aufgeteilt. So weist der Kreisring R1 die Kreissegmente
S1A bis S1Q auf. Eine gleichartige Aufteilung gilt für die Kreisringe
R2, R3, R4. Die Kreissegmente sind jeweils so angeordnet, dass sie
einen gleichen Winkelbereich überdecken.
Beispielsweise überdecken
die Kreissegmente S1A, S2A S3A und S4A alle den Winkelbereich α1.
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Zur
Stellungsauswertung sind vier Hallsensoren 6 vorhanden,
wobei der Hallsensor 6a dem Kreisring R1, der Hallsensor 6b dem
Kreisring R2, der Hallsensor 6c dem Kreisring R3 und der
Hallsensor 6d dem Kreisring R4 zugeordnet ist. Die Hallsensoren 6 sind
alle auf einer Linie LH angeordnet, die den Mittelpunkt M der Kreisfläche 7 und
damit die Drehachse der Bedienvorrichtung schneidet.
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Durch
die in 3 gezeigte Anordnung der Magnetpole der einzelnen
Segmente und der Anordnung der Hallsensoren liegt eine eindeutige
Kombination von Ausgangssignalen an, die für die Winkelstellung charakteristisch
ist. In 3 sind diejenigen Sektoren S,
die als Nordpol ausgebildet sind, dunkel dargestellt, während diejenigen
Sektoren S, die als Südpol
ausgebildet sind, hell dargestellt sind. Wie aus der Darstellung
ersichtlich ist, können
benachbarte Sektoren eines Kreisrings sowohl als gleiche als auch
als verschiedene Magnetpole ausgebildet sein. So sind die Segmente
des Kreisrings R1 jeweils abwechselnd mit Nord- und Südpolen belegt.
Bei dem Kreisring R4 sind dagegen acht nebeneinander liegende Segmente
als Südpole
und die restlichen acht, ebenfalls nebeneinander liegenden Segmente
als Nordpole ausgebildet.
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Mit
der in 3 dargestellten Anordnung der Magnetsegmente und
Hallsensoren ergibt sich die in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellte
Signalkombination für
die unterschiedlichen Stellungen der Kreisfläche 7 in Bezug auf
die Hallsensoren 6.
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Die
Position P1 entspricht dabei der in 3 dargestellten
Stellung der um den Mittelpunkt M drehbaren Kreisfläche 7 bezüglich der
Hallsensoren 6. Die nachfolgenden Positionen ergeben sich
bei einer Drehung der Kreisscheibe 7 im Uhrzeigersinn.
So ist in Position P2 das Ausgangssignal des Hallsensors 6a gegenüber der
Position P1 geändert,
während
die Ausgangssignale der Hallsensoren 6b, 6c, 6d unverändert bleiben,
da das zur Position P2 gehörende
Kreissegment S1C eine andere Magnetisierung aufweist als das zur
Position P1 gehörende
Kreissegment S1D. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, tritt jede
Signalkombination nur ein einziges mal auf, so dass insgesamt 16
verschiedene Positionen unterschieden werden können.
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4 zeigt
eine weitere Anordnung mit jeweils 48 Segmenten S in zwei Kreisringen
R1, R2. Die Darstellung der Nord- und Südpole entspricht derjenigen
in 3. Der innere Kreisring R2 weist 24 nebeneinander liegende
Segmente auf, die als Südpole
ausgebildet sind und 24 nebeneinander liegende Segmente, die als Nordpole
ausgebildet sind. Alle Segmente überdecken
jeweils den gleichen Winkelbereich. Die dem äußeren Kreisring R1 zugeordneten
Hallsensoren 6e, 6h, 6i, 6k sind
jeweils 90° zueinander
versetzt angeordnet. Dem Kreisring R2 sind zwei Hallsensoren 6f, 6g zugeordnet,
die ebenfalls 90° zueinander
versetzt angeordnet sind. Weiterhin ist der Hallsensor 6f auf
einer Linie angeordnet, die sowohl den Hallsensor 6e als
den Mittelpunkt der Kreisfläche 7 schneidet.
Ebenso ist der Hallsensor 6g auf einer Linie angeordnet,
die den Hallsensor 6h und den Mittelpunkt M der Kreisfläche 7 schneidet.
Mit der in 4 gezeigten Anordnung kann eine
höhere Winkelauflösung erzielt
werden als mit der in 3 gezeigten Anordnung. Zu jedem
Winkelbereich, der genau ein Winkelsegment jedes Kreisrings enthält, liegt
wiederum eine eindeutige Kombination von Ausgangssignalen der Hallsensoren 6 vor,
die durch die spezielle Anordnung der Hallsensoren 6 und
die Wahl der Magnetpole für
die einzelnen Segmente S erzielt wird.