-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Drehwinkelgeber, und zwar insbesondere
einen Drehwinkelgeber, der als ein Bedienelement für ein elektrisches
Gerät,
insbesondere ein elektrisches Haushaltsgerät, einsetzbar ist.
-
Bekannte
Drehwinkelgeber umfassen beispielsweise einen Magnetfeldsensor,
einen in Bezug auf den Magnetfeldsensor drehbaren Körper, dessen Drehung
durch den Magnetfeldsensor erfasst werden soll, und einen Magneten.
Der Magnet ist im Allgemeinen gekoppelt an den drehbaren Körper drehbar,
so dass der Magnetfeldsensor eine Drehung anhand einer Richtungsumkehr
des magnetischen Feldes, dem er ausgesetzt ist, erfasst. Im einfachsten Fall
ist der Magnet ein Stabmagnet mit quer zur Drehachse ausgerichteter
Feldachse, der mit dem drehbaren Körper starr verbunden ist. Ein
solcher Aufbau erlaubt den Nachweis von nicht mehr als zwei Feldrichtungswechseln
pro Umdrehung, so dass die Winkelauflösung eng begrenzt ist. Um die
Winkelauflösung
zu verbessern, kann ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen
werden, das die Drehung des drehbaren Körpers in mehrere Drehungen
des Magneten umsetzt, oder es können
mehrere Magneten an dem drehbaren Körper vorgesehen werden, deren
Felder im Laufe der Umdrehung des drehbaren Körpers abwechselnd von dem Magnetfeldsensor
erfasst werden, um die Zahl der Feldrichtungswechsel pro Umdrehung
zu erhöhen.
Beide Alternativen verkomplizieren erheblich den Aufbau des Drehwinkelgebers und
führen
somit zu erhöhten
Kosten.
-
Ziel
der Erfindung ist, einen Drehwinkelgeber zu schaffen, der mit einfachem
Aufbau eine hohe Winkelauflösung
ermöglicht.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch einen Drehwinkelgeber mit wenigstens einem Magnetfeldsensor,
einem in Bezug auf den Magnetfeldsensor drehbaren Körper und
einem Magneten, bei dem ferromagnetisches Material an den drehbaren
Körper
in einer rotationssymmetrischen Anordnung verteilt ist und die Luftspaltbreite
eines von den Polen des Magneten über den drehbaren Körper und
den Magnetfeldsensor verlaufenden Magnetfeldes durch die Drehung
des drehbaren Körpers – und mit
ihm des ferromagnetischen Materials – variabel ist. Bei einem solchen
Drehwinkelgeber führt
die Drehung nicht notwendigerweise zu einer Richtungsumkehr des
magnetischen Feldes, dem der Magnetfeldsensor ausgesetzt ist, wohl
aber zu einer Variation der magnetischen Flussdichte, die jedoch
in gleicher Weise wie eine Richtungsumkehr nachweisbar ist.
-
Einer
ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers zufolge
ist der Magnet mit dem Körper
drehbar.
-
Dieser
Magnet kann ein Stabmagnet mit parallel zur Drehachse des drehbaren
Körpers
ausgerichtetem Magnetfeld sein. Zwar führt die Drehung eines Magneten
um die Achse seines eigenen Feldes an sich nicht zu einer Veränderung
des Magnetfeldes rings um den Magneten, doch kommt die nachweisbare
Flussdichtenänderung
am Magnetfeldsensor durch die variabel Verteilung des ferromagnetischen Materials
in der Umgebung des Sensors zustande. Wenn diese Verteilung eine
n-fache Rotationssymmetrie aufweist, wobei n eine natürliche Zahl >1 ist, dann kommen
auf eine Umdrehung des drehbaren Körpers n Perioden der Flussdichtenänderung,
und die Winkelauflösung
des Drehwinkelgebers ist ver-n-facht.
-
Einer
zweiten Ausgestaltung zufolge ist der Magnet in Bezug auf den Magnetfeldsensor
ortsfest. Auch hier geht eine Änderung
des magnetischen Flusses, dem der Magnetfeldsensor ausgesetzt ist, allein
auf die Bewegung des ferromagnetischen Materials zurück.
-
Das
ferromagnetische Material kann insbesondere an einer dem Magnetfeldsensor
zugewandten Oberfläche
des drehbaren Körpers
in Form von quer zur Bewegungsrichtung der Oberfläche in Bezug
auf den Magnetfeldsensor langgestreckten Rippen angeordnet sein.
-
Um
das Magnetfeld des Magneten wirksam zu verzerren, sind benachbarte
Rippen vorzugsweise materialschlüssig
untereinander verbunden.
-
Bei
einer solchen Ausgestaltung hat der ortsfeste Magnet vorzugsweise
dem drehbaren Körper zugewandte
Pole, und der Abstand der Pole voneinander ist an denjenigen der
Rippen so angepasst, dass den Polen jeweils gleichzeitig zwei der
Rippen oder zwei Rippenzwischenräume
gegenüberliegen können.
-
Bei
Anwendung des erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers
in einer Bedienvorrichtung, insbesondere für ein Haushaltsgerät, ist der
Drehkörper vorzugsweise
durch einen Benutzer frei drehbar.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
-
1 einen
schematischen Schnitt durch einen Drehwinkelgeber gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung entlang einer in 2 mit
I-I bezeichneten Ebene;
-
2 einen
Schnitt durch den Drehwinkelgeber entlang einer in 1 mit
II-II bezeichneten Ebene;
-
3 eine
perspektivische Ansicht des Drehkörpers und eines Rahmens des
Drehwinkelgebers;
-
4 Schnitt
durch einen Drehwinkelgeber gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung in einer zur Drehachse senkrechten
Ebene;
-
5 einen
zu 4 analogen Schnitt gemäß einer dritten Ausgestaltung
der Erfindung;
-
6 einen
Schnitt durch einen drehbaren Körper
gemäß einer
Abwandlung der Erfindung;
-
7 eine
perspektivische Teilansicht eines Drehkörpers gemäß einer vierten Ausgestaltung
der Erfindung; und
-
8 den
Drehwinkelgeber gemäß der vierten
Ausgestaltung in einer Seitenansicht.
-
1 zeigt
einen Schnitt durch einen als Bedienelement für ein elektrisches Gerät verwendeten Drehwinkelgeber
gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung. In einer Außenwand 1 eines elektrischen
Gerätes
wie etwa eines Küchenherdes,
einer Wasch maschine, Geschirrspülmaschine
oder dergleichen ist ein rechteckiges Fenster 2 geschnitten, das
mit einer Schale 3 von im Wesentlichen halbzylindrischer
Form hinterlegt ist. In der Schale 3 ist ein Stellkörper 4 aufgenommen
und um eine zur Schnittebene der 1 senkrechte
Drehachse 6 drehbar gehalten. Ein von der Außenseite
her in das Fenster 2 eingesteckter Rahmen 5 hindert
den Stellkörper 4 daran,
aus der Schale 3 herauszufallen, und fixiert seine Drehachse 6.
-
Der
Stellkörper 4 umfasst
einen Grundkörper 10 aus
nicht magnetischem Material mit einem axialen Hohlraum, in dem ein
Stabmagnet 11 mit parallel zur Drehachse 6 orientiertem
Magnetfeld untergebracht ist, sowie zwei Stirnplatten 12 aus
ferromagnetischem Material, die an den Stirnseiten des Grundkörpers 10 sowie
den Polen des Stabmagneten 11 anliegen. Die Stirnplatten 12 und
der Grundkörper 10 haben
einen zahnradförmigen
Querschnitt mit Zähnen 13 in
Gestalt von sich parallel zur Drehachse 6 erstreckenden
Rippen mit dreieckigem Querschnitt und dazwischenliegenden Zwischenräumen 14.
Der zahnradförmige
Querschnitt der Stirnplatten 12 moduliert die Verteilung
des Magnetfeldes um die Drehachse 6, wie in 1 exemplarisch
an einem Sektor des Magnetfeldes dargestellt. Während das Feld des Stabmagneten 11 für sich allein
in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt
ist, wird es am Stellkörper 4 jeweils
auf die Spitzen der Zähne 13 der Stirnplatten 12 gebündelt und
gleichzeitig in den Zwischenräumen 14 zwischen
den Zähnen 13 abgeschwächt. Die
hier gezeigten Stirnplatten 12 haben jeweils zwölf Zähne 13.
Sie sind somit zwölffach
rotationssymmetrisch und erzeugen ein ebenfalls zwölffach rotationssymmetrisches
Magnetfeld.
-
Zwei
identische Hall-Sensoren 15, 16 liegen einer der
Stirnplatten 12 durch die Schale 3 getrennt gegenüber. Die
Spitze eines der Zähne 13 ist
in der gezeigten Orientierung des Stellkörpers 4 direkt auf den
Hall-Sensor 15 ausgerichtet, so dass dieser einem Magnetfeld
von maximaler Stärke
ausgesetzt ist. Wenn der Stellkörper 4 gedreht
wird, so dass eine benachbarte Spitze dem Hall-Sensor 15 gegenüberliegt,
durchläuft
das von diesem erfasste Magnetfeld ein Minimum, und der Hall-Sensor 15 gibt
einen Zählimpuls
an eine (nicht dargestellte) elektronische Steuerschaltung ab.
-
Der
Hall-Sensor 16 ist gegen den Hall-Sensor 15 um
den 1,25-fachen Winkelabstand der Spitzen 13 versetzt und
liefert daher Zählimpulse
an die elektronische Steuerschaltung, die gegenüber denjenigen des Sensors 15 je
nach Drehrichtung des Stellkörpers 4 eine
Phasendifferenz von π/2
oder 3π/2 haben.
Anhand dieser Phasendifferenz ist die Steuerschaltung in der Lage,
die Drehrichtung des Stellkörpers 4 zu
erfassen. Die Steuerschaltung zählt
die Zählimpulse
eines der beiden Sensoren 15, 16 zyklisch auf- oder abwärts, je
nach erfasster Drehrichtung des Stellkörpers 4. Jedem Zählwert ist
ein möglicher
Betriebszustand des von dem Bedienelement gesteuerten Gerätes zugeordnet,
und eine an sich bekannte, vorzugsweise alphanumerische Anzeige kann
an dem Gerät
vorgesehen sein, um den dem jeweiligen Zählwert der Steuerelektronik
entsprechenden Betriebsmodus einem Benutzer anzuzeigen.
-
An
einem dem Fenster 2 entgegengesetzten Boden der steifen
Schale 3 ist eine Öffnung
gebildet, in der eine ins Innere der Schale 3 vorspringende
flexible Membran 8 angeordnet und dicht mit der Schale 3 verbunden
ist. An der vom Stellkörper 4 abgewandten
Seite der Membran 8 ist ein Mikroschalter 9 angeordnet.
Ein verschiebbarer Betätigungsabschnitt
des Mikroschalters 9 greift in die rückwärtige Konkavität der Membran 8 ein.
-
2 zeigt
einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Bedienelement in einer die
Drehachse 6 des Stellkörpers 4 enthaltenen,
in 1 mit II-II bezeichneten Ebene, wobei der Stellkörper 4 selbst teils
im Schnitt, teils in Draufsicht gezeigt ist. Achszapfen 20 des
Stellkörpers 4 sind
in kurzen horizontalen Nuten 21 an Stirnseiten 22 der
halbzylindrischen Schale 3 aufgenommen. Federn 17 halten
die Achszapfen 20 gegen den Rahmen 5 gedrückt.
-
Wenn
der von der alphanumerischen Anzeige angezeigte Betriebsmodus einem
vom Benutzer gewünschten
Modus entspricht, in welchem das Gerät arbeiten soll, bestätigt dieser
die Auswahl, indem er den Stellkörper 4 in
die Schale 3 hineindrückt.
Dabei werden die Federn 17 elastisch komprimiert, und der
Stellkörper 4 drängt die
Membran 8 zurück,
bis diese gegen den Mikroschalter 9 stößt und letzterer betätigt wird.
Die Steuerschaltung erfasst die Betätigung des Mikroschalters 9 und
aktiviert daraufhin den ausgewählten
Betriebszustand.
-
Die
Zählimpulse
desjenigen der zwei Sensoren 15, 16, die die elektronische
Steuerschaltung auswertet, um den ausgewählten Betriebsmodus umzuschalten,
sind mit der Drehung des Stellkörpers 4 so
synchronisiert, dass die Umschaltung des Betriebsmodus immer dann
erfolgt, wenn ein Zahnzwischenraum 14 dem Mikroschalter 9 gegenüberliegt. In
dieser Stellung des Stellkörpers 4 ist
eine Betätigung
des Mikroschalters 9 nicht möglich, auch wenn der Stellkörper 4 eingedrückt wird.
So ist sichergestellt, dass wenn ein Zahn 13 dem Mikroschalter 9 gegenüberliegt,
der ausgewählte
Betriebszustand eindeutig festliegt und nicht aufgrund einer versehentlichen
Drehung des Stellkörpers 4 beim
Hereindrücken
die Steuerschaltung einen anderen Betriebsmodus aktiviert als den
vom Benutzer gewollten.
-
Da
die Schale 3 rings um das Fenster 2 herum dicht
an die Außenwand
anschließt
und ihrerseits an ihrer von der Außenwand 1 abgewandten
Seite dicht durch die Membran 8 verschlossen ist, können keine
Verunreinigungen ins Innere des Gerätes gelangen, wo sie die Funktionsfähigkeit
des Mikroschalters 9, des Hall-Sensors 14 oder
irgendwelcher anderer elektrischer oder elektronischer Schaltungsteile beeinträchtigen
könnten.
Die Außenwand 1 kann ohne
Bedenken hinsichtlich der elektrischen Sicherheit feucht abgewischt
werden, und selbst wenn große
Mengen Flüssigkeit
an ihr herunterfließen,
zum Beispiel, weil auf einem Küchenherd,
in den die Bedienvorrichtung eingebaut ist, ein Topf überkocht
und Flüssigkeit
an der Außenwand 1 herabläuft, kann
die Bedienvorrichtung ohne Bedenken bedient werden. Flüssigkeit
oder andere Verunreinigungen, die tatsächlich in die Schale 3 hineingelangen,
können leicht
entfernt werden, indem der Rahmen 5 gelöst, der Stellkörper 4 aus
der Schale 3 entnommen und diese ausgewischt wird.
-
4 zeigt
eine Abwandlung der mit Bezug auf 1 bis 3 beschriebenen
Ausgestaltung des Drehwinkelgebers in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse,
wobei der Stellkörper 4 in
einer Draufsicht auf eine seiner Stirnplatten 12 zu sehen
ist. Die Variante der 4 unterscheidet sich von der
Ausgestaltung der 1 im Wesentlichen durch die
Querschnittsform der Stirnplatten 12 und des Grundkörpers 10.
Anstelle der in 1 gezeigten dreieckigen Zähne 13 sind
hier im Wesentlichen rechteckige Zähne 25 und Zahnzwischenräume 26 vorgesehen.
Das Magnetfeld wird durch die rechteckigen Zähne 25 weniger stark
gebündelt
als durch die dreieckigen Zähne 13,
so dass die Amplitude der von den Hall-Sensoren 15, 16 erfassten
Magnetfeldschwankungen im Allgemeinen kleiner ist als bei der ersten Ausgestaltung.
Die Übergänge zwischen
Maxima und Minima der Magnetfeldstärke sind jedoch bei der Variante
der 4 steiler und daher leichter und präziser zu
erfassen. Je nach Bauart der Sensoren 15, 16 kann
die Variante der 1 oder die der 4 als die
günstigere
erweisen.
-
5 zeigt
eine weitere Ausgestaltung in einem zu 4 analogen
Schnitt. Bei dieser Ausgestaltung sind die zwei Stirnplatten 12 durch
einen einzigen ferromagnetischen Ring 27 ersetzt, der den nicht
magnetischen Grundkörper 10 umgibt.
Der Stabmagnet 11 im Grundkörper 10 ist weggelassen, und
statt dessen ist jedem Hall-Sensor 15, 16 ein
hufeisenähnlicher
Magnet 28, 29 mit dem Ring 27 zugewandten
Polen 30 zugeordnet. Zwischen einem der Pole 30 und
dem Ring 27 ist der zugeordnete Hall-Sensor 15 bzw. 16 angeordnet.
-
Wie
insbesondere am Beispiel des Magneten 28 zu erkennen, ist
der Abstand der Pole 30 so an die Verteilung der Zähne 25 auf
dem Ring 27 angepasst, dass die Pole 30 jeweils
gleichzeitig Zähnen 25 – wie in 5 gezeigt – oder Zahnzwischenräumen 26 gegenüberliegen.
Die von einem der Hall-Sensoren 15, 16 erfasste
Feldstärke
erreicht jeweils ein Maximum, wenn den Polen seines Magneten 28 bzw. 29 Zähne 25 gegenüberliegen,
und ein Minimum, wenn ihnen Zahnzwischenräume 26 gegenüberliegen.
Da die Magnetfelder nur auf einer kurzen Strecke durch nicht ferromagnetisches
Material verlaufen, genügen
kleine Magnete 28, 29, um ein ausreichendes Messsignal
zu erhalten.
-
Um
eine gegenseitige Beeinflussung der Felder der Magneten 28, 29 zu
vermeiden, sind diese an der Schale 3 so weit voneinander
beabstandet angeordnet, wie unter Einhaltung der Bedingung, dass
der Phasenversatz der Zählimpulse
von den Sensoren 15, 16 π/2 oder 3π/2 betragen soll, möglich ist.
-
Selbstverständlich ist
die Ausgestaltung der 5 auch mit dreieckigen Zähnen, wie
in 1 gezeigt, realisierbar.
-
Um
zu verhindern, dass sich Schmutz in den Zahnzwischenräumen sammelt,
was insbesondere bei Anwendung des Drehwinkelgebers als Bedienvorrichtung
für ein
Haushaltsgerät
möglich
ist, können
die Zahnzwischenräume
mit einem dielektrischen Material, zum Beispiel mit dem Kunststoff
des Grundkörpers 10,
ausgefüllt
sein. Um ein Herausfallen der Füllungen
aus den Zahnzwischenräumen 26 auszuschließen, können diese
in axiale Richtung einteilig mit dem Grundkörper verbunden sein, sie können in
den Zahnzwischenräumen
formschlüssig,
zum Beispiel durch eine schwalbenschwanzartige Querschnittsform,
gehalten sein oder, wie in 6, die einen
axialen Schnitt durch eine Variante des Stellkörpers 4 zeigt, können die
Füllungen 31 durch
die Zähne 25 überbrückende dünne Stege 32 einteilig
verbunden sein.
-
7 zeigt
eine perspektivische Teilansicht eines Stellkörpers 4 gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Der Stellkörper 4 umfasst wiederum
einen nicht magnetischen Grundkörper 10 und
eine ferromagnetische Stirnplatte 12, an deren Außenseite
eine Vielzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden Rippen 33 gebildet
ist. Die Rippen 33 sind hier mit einem dreieckigen Querschnitt analog
dem der Zähne
in 1 gezeigt; sie können jedoch auch einen Rechteckquerschnitt
entsprechend den Zähnen 25 von 4 haben.
-
8 zeigt
eine Seitenansicht eines Drehwinkelgebers mit dem in 6 gezeigten
Stellkörper, wobei
die Ansicht durch die Schale 3 verdeckten Konturen der
Stirnplatte 12 gestrichelt dargestellt sind. An der in
Draufsicht gezeigten Stirnseite 22 der Schale 3 sind
wiederum zwei Hall-Sensoren 15, 16 mit Hufeisenmagneten 28, 29 angebracht.
Die Stärke eines
von einem der Hall-Sensoren 15, 16 erfassten Magnetfeldes
ist maximal, wenn dieser und die beiden Polschuhe seines zugeordneten
Magneten 28 bzw. 29 Rippen 33 zugewandt
sind, wie für
den Hall-Sensor 15 und den Magneten 28 dargestellt,
und minimal, wenn ihnen eine Vertiefung zwischen zwei Rippen gegenüberliegt.