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Die
Erfindung betrifft einen Drehschalter, insbesondere für ein Bediengerät, bestehend
aus einem Bedienelement, einer auf einer Leiterplatte angeordneten
Lichtemissionseinrichtung und einem ebenfalls auf der Leiterplatte
angeordneten das Licht auswertenden Empfänger, wobei die Lichtemissionseinrichtung
und der Empfänger
in der Weise angeordnet sind, daß eine optoelektronische Erfassung
von Schaltstellungen des Drehschalters ermöglicht ist.
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Um
die mechanischen Toleranzen und Einflüsse auf Drehschalter, die nach
dem Prinzip des Signalabgriffs über
Kontaktfedern arbeiten, zu eliminieren, sind optische Encoder bekannt
geworden, die dazu dienen, den Drehwinkel und die Richtung einer Drehbewegung
von bewegten Körpern
zu erfassen. Die wesentlichen Bestandteile einer derartigen Einrichtung
sind das Lichtemissionssystem, eine Rasterplatte, üblicherweise
eine Rasterscheibe oder Rasterlineal und eine Detektionseinrichtung
in Form eines Empfängers.
Das von der Lichtemissionseinrichtung abgestrahlte Lichtbündel wird
von der Rasterplatte moduliert. Diese Rasterplatte ist mit dem bewegten
Körper
verbunden und weist ein periodisches Öffnungsmuster auf. Die Detektionseinrichtung
erfaßt
das von der Rasterplatte modulierte Licht der Lichtemissionseinrichtung
und liefert am Ausgang einer zugehörigen Schaltung ein digitales
Signal als Bitmuster in Art der Werte 0 oder 1 beziehungsweise low
oder high.
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Ein
derartiger optischer Encoder zur optoelektronischen Erfassung von
Bewegungsabläufen
ist aus der deutschen Offenlegungsschrift OS 36 32 084 bekannt geworden.
Dieser optische Encoder besitzt eine Anordnung mit periodischen,
optisch wirksamen Strukturen, die mit einer nichtparallelen Strahlung aussendenden
Strahlenquelle sowie mit einem mit der Strahlenquelle starr verbundenen
Strahlenempfänger
mit mindestens zwei Empfangselementen zusammenarbeitet. Die Empfangselemente
stehen dabei senkrecht oder nahezu senkrecht zur Bewegungsrichtung
der Anordnung mit den periodischen Strukturen. Zur Gewinnung einer
Richtungsinformation ist es hierbei erforderlich, mit mindestens
zwei Empfangselementen die Modulation zu detektieren, wobei die
Phasenverschiebung der Signale als Maß für die Richtungserkennung herangezogen
wird.
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Die
Druckschrift
DE 38
09 804 A1 offenbart einen Absolutwert-Kodierer zur Ermittlung
des absoluten Drehwinkels einer Achse. Auf der Achse sitzt eine
Kodierscheibe mit zu der Achse konzentrischen Spuren. In jeder Spur
sind in gleichmäßigem Abstand Schlitze
eingebracht. Diese Schlitze bilden in radialer Richtung ein vom
Drehwinkel abhängiges
Muster. Auf einer Seite der Kodierscheibe ist eine ortsfeste, in radialer
Richtung ausgedehnte Lichtprojektionsvorrichtung mit mehreren Lichtprojektionselementen
angeordnet. Auf der anderen Seite der Kodierscheibe ist ortsfest
eine Lichtempfangsvorrichtung mit mehreren Lichtempfangselementen
angeordnet. Zwischen der Lichtempfangsvorrichtung und der Kodierscheibe befindet
sich eine Maske mit feststehenden Schlitzen, sodass sich zwischen
jeder Paarung aus einem Lichtprojektionselement und einem Lichtempfangselement
eine Spur der Kodierscheibe und ein feststehender Schlitz befinden.
Je nach Drehwinkel der Achse und somit der Kodierscheibe trifft
das Licht eines Lichtprojektionselements auf ein zugeordnetes Lichtempfangselement
oder wird von der Kodierscheibe abgehalten.
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Die
Druckschrift
DE 197
17 215 A1 offenbart einen Drehregler mit einem optischen
Inkrementgeber. In einer Wulst am Umfang des Drehreglers sind beabstandete
Durchbrüche
eingebracht. Innerhalb des Drehreglers ist eine Leuchtdiode angeordnet. Außerhalb
des Drehreglers weist das Gehäuse
des Drehreglers zwei Schlitze auf, in denen jeweils eine auf die
Leuchtdiode ausgerichtete Photodiode angeordnet ist. Die Schlitze
sind derart platziert, dass die Photodioden nicht gleichzeitig ein
Helligkeitsmaximum des ihnen über
die Durchbrüche
zugeführten Lichts
der Leuchtdiode detektieren. Die Leuchtdiode dient gleichzeitig
als Lichtquelle für
den Inkrementgeber und zur Ausleuchtung des Drehreglers.
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Ein
Drehschalter, bei dem die Bewegungs- und Richtungsinformation des
Drehknopfes mittels optoelektronischer Mittel realisiert ist, ist
in der unveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung
DE
103 14 315 beschrieben. Die vorhandene Lichtquelle, welche
zur Ausleuchtung des Drehknopfes benötigt wird, wird als Teil eines
Encoders zur Ermittlung der Bewegungs- und Richtungsinformation des Drehstellers
beziehungsweise des Bedienelementes, verwendet. Dazu wird ein Teil
des emittierten Lichtes der Lichtquelle über einen Lichtleiter an die
Empfänger weitergeleitet.
Die mindestens zwei Empfänger
sind dabei in gleicher Ebene wie die Lichtquelle und auf derselben
Leiterplatine angebracht. An den Empfängern wird ein digitales Bitmuster,
zum Beispiel ein Gray-Code, erzeugt, welches in einer nachfolgenden Elektronik
weiterverarbeitet wird. Die vorhandene Lichtquelle, der Lichtverteiler
sowie die Empfänger bilden
den optischen Encoder des Drehschalters.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Schalteinrichtung
für einen Drehschalter
zu entwickeln, der mit minimalem konstruktiven Aufwand, kostengünstig zu
fertigen ist und der gleichzeitig mit minimalen Mitteln einen Toleranzausgleich
zwischen dem an der Bedienteilfront gelagerten Stellelement des
Drehschalters zur Leiterplatte ermöglicht.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die Lichtemissionseinrichtung
im Inneren einer hohlzylinderförmigen
Verlängerung
des Bedienelements, radial nach außen gerichtet befestigt ist
und daß die
Verlängerung
in Höhe
der Lichtemissionseinrichtung regelmäßig am Umfang verteilte Öffnungen aufweist
und daß gegenüber der
Lichtemissionseinrichtung, an der Außenseite der Verlängerung,
mindestens zwei Empfänger
angeordnet sind. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein optischer Encoder
realisiert, der mit minimalen Mitteln und minimalem konstruktiven
Aufwand einen Toleranzausgleich zwischen dem Bedienelement des Drehschalters
und den auf der Leiterplatte angeordneten optoelektronischen Mitteln
zur Erfassung von Schaltstellungen des Drehschalters ermöglicht.
Die Lichtemissionseinrichtung, wie auch der Empfänger sind unmittelbar auf die
Leiterplatte des Drehschalters montiert, so daß sie als elektronische Bausteine
genau wie alle anderen Elemente unmittelbar bei der Fertigung der Leiterplatte
montiert werden können.
Hieraus ergibt sich ein erfindungsgemäßer Vorteil, nämlich der,
daß kein
zusätzlicher
Arbeitsschritt für
die Montage und zur Realisierung eines optischen Encoders notwendig
ist.
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Die
Leiterplatte ist üblicherweise
parallel zum Bedienelement zum Drehschalter angeordnet. Erfindungsgemäß wird die
Lichtemissionseinrichtung, die den Sender darstellt, seitlich auf
die Leiterplatte montiert, so daß das Licht parallel zur Leiterplatte
emittiert wird. Die Empfänger
sind ebenfalls aufrecht auf der Leiterplatte, gegenüber dem
Sender montiert. Zwischen dem Sender und dem Empfänger ist
die hohlzylinderförmige
Verlängerung
des Bedienele mentes angeordnet, wobei die Verlängerung gleichzeitig als Kodierring
dient. Durch die Entkopplung von optoelektronischen Bauteilen und
Bedienelementen des Drehschalters wird ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil
geschaffen. Das Bedienelement kann nun mit nahezu beliebigen Toleranzen ausgeführt sein,
es muß lediglich
gewährleistet
bleiben, daß die
regelmäßig am Umfang
verteilten Öffnungen
in der Verlängerung
des Bedienelements im Wirkbereich zwischen Sender und Empfänger angeordnet
sind. Es ist somit ein Drehschalter geschaffen, der einen Toleranzausgleich
zwischen Bedienelement und Leiterplatte ermöglicht. Selbst in dem Fall, in
dem das Bedienelement kippt oder vertikal in Richtung der Leiterplatte
bewegt wird, kann keine fehlerhafte Codierung der Signale, die durch
den Sender und den Empfänger
erzeugt werden, erfolgen.
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In
einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird vorgeschlagen,
zwischen die Verlängerung
und dem Empfänger
eine das Licht fokussierende Lochmaske anzuordnen. Die Lochmaske
kann zum Beispiel einstückig
an das Gehäuse
des Drehschalters angeformt oder unmittelbar vor dem Empfänger auf
der Platine befestigt sein. Die Lochmaske hat dabei die Aufgabe,
daß von
der Lichtemissionseinrichtung ausgesandte Licht zu bündeln und auszurichten,
um ein durch Streulicht erzeugtes fehlerhaftes Signal zu unterbinden.
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Erfindungsgemäß sind Sender
und Empfänger
rechtwinklig, das heißt
aufrechtstehend auf der Leiterplatte montiert. Je nach Ausführungsvariante des
Bedienelements oder des Drehschalters ist es aber ebenso vorstellbar,
die optoelektronischen Bauteile in einer anderen Orientierung auf
der Leiterplatte zu befestigen, wenn dies zum Beispiel mit einer
kostengünstigeren
Fertigung verbunden ist oder die Geometrie des Schaltens dies bedingt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Die
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehschalters in einer
geschnittenen Draufsicht,
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2 zeigt
die Anordnung der optoelektronischen Bauteile in einem Drehschalter
im Längsschnitt.
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In
der 1 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drehschalter 1 dargestellt.
Die 1 verdeutlicht dabei den prinzipiellen Aufbau
des Drehschalters 1. Unmittelbar in der Mitte des Drehschalters
ist eine Licht emittierende Diode (LED) angeordnet. Unmittelbar
neben der LED 2 ist auf der Platine 3 eine Lichtemissionseinrichtung 4 montiert.
Um die Lichtemissionseinrichtung 4 herum ist ein Schnitt durch
die Verlängerung 5 des
Bedienelements des Drehschalters 1 dargestellt. Die Verlängerung
besteht aus Öffnungen 6 und
geschlossenen Bereichen 7. Außerhalb der Verlängerung 5 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Lochmaske 8 angeordnet. Die Lochmaske 8 besitzt
zwei Löcher 9,
die das Licht aus der Lichtemissionseinrichtung 4 in Richtung
der Empfänger 10, 11 fokussieren.
Der die optoelektronische Schaltung umschließende Ring stellt das Gehäuse 12 des
Drehschalters dar.
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Die
in der Mitte des Drehschalters 1 angeordnete LED 2 dient
zur Ausleuchtung des Bedienelements des Drehschalters 1.
Die Lichtemissionseinrichtung 4 ist bevorzugt eine Licht
im infraroten Bereich sendende LED. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
emittiert die Lichtemissionseinrichtung 4 Licht in Richtung
der Verlängerung 5,
das einerseits auf einen geschlossenen Bereich 7 und andererseits auf
eine Öffnung 6 der
Verlängerung 5 fällt. Auf
den Empfänger 10 fällt somit
Licht durch die Öffnung 6 und
das Loch 9. Die hinter dem Empfänger 10 angeordnete,
nicht dargestellte Elektronik erfaßt die Stellung des Bedienelements
des Drehschalters 1, im Empfänger 10 wird ein Signal
und Empfänger 11 kein Signal
erzeugt. Es ist somit das Bitmuster 1,0 erzeugt. Wird nun die Verlängerung 5 mittels
des Bedienelements des Drehschalters 1 um einen Winkel von
15° im Uhrzeigersinn
verdreht, so trifft auf beide Empfänger 10, 11 ein
Lichtstrahl, durch die Öffnung 6 und
die Löcher 9.
Beide Empfänger 10, 11 erzeugen somit
ein Signal, daß in
der Elektronik als Bitmuster 1,1 umgesetzt wird. Wird hingegen das
Bedienelement des Drehschalters 1 um einen Winkel von 15° gegen den
Uhrzeigersinn verdreht, so fällt
auf keinen der Empfänger 10, 11 Licht
und in der Elektronik wird der Code 0,0 erzeugt. Dieses digitale
Bitmuster, daß beispielsweise
ein Gray-Code sein
kann, gibt eine eindeutige Kennung für die Drehrichtung vor. Es
ist somit auf einfachste Weise möglich
eine Codierung zu erzeugen, durch die entweder feste Stufen vorgegeben
werden oder durch die abhängig
vom Verwendungszweck des Drehschalters ein Impuls in positive oder
negative Richtung erzeugt werden kann. Eine Drehung in Richtung
des Uhrzeigersinns oder gegen den Uhrzeigersinn wird in einen Gray-Code
umgewandelt, wobei sich von Rast zu Rast lediglich ein Bit im erzeugten
Code ändert.
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Zur
Verdeutlichung der Anordnung der lichtemittierenden Sender 4 und
der Empfänger 10, 11 ist in
der 2 der Drehschalter 1 in einem Längsschnitt
II-II dargestellt. An das Bedienelement 13 ist eine hohlzylinderförmige Verlängerung 5 einstückig angeformt.
Die Verlängerung 5 reicht
bis in den Bereich zwischen die Lichtemissionseinrichtung 4 und den
Empfänger 11.
Entsprechend dem Infrarotsender 4 sind die Empfänger 10, 11 ebenfalls
als Infrarotlichtempfänger,
vorzugsweise Infrarot-Fototransistoren, ausgebildet. Zur Fokussierung
ist zwischen der Verlängerung 5 und
dem Empfänger 11 eine
Lochmaske 8 angeordnet. Die Lochmaske 8 ist einstückig an
das Gehäuse 12 angeformt.
Die Löcher 9 in
der Lochmaske 8 sind in der Weise eingebracht, daß die Empfänger 10, 11 in
einer speziellen v-förmigen
Anordnung optimal mit Licht versorgt werden. Die v-förmige Anordnung
ist dabei bezogen auf den Mittelpunkt des Drehschalters 1,
wobei die Empfänger 10, 11 v-förmig auf
den Mittelpunkt des Drehschalters 1 gerichtet sind.
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Wie
aus der 2 zu erkennen, ist die Mechanik des Bedienelements
von den optoelektronischen Mitteln 4, 10, 11 entkoppelt.
Es ist somit ein Toleranzausgleich zwischen den optoelektronischen Mitteln 4, 10, 11 und
dem Bedienelement gegeben. Selbst bei einem Verschieben des Bedienelements 13 in
vertikale Richtung, wobei ein Verschieben durch eine bewegliche
Lagerung, die die Haptik des Bedienelements positiv beeinflussen
kann, keine negative Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit
des Drehschalters 1 hervorrufen kann. Solange sich die Öffnungen 6 der
Verlängerung 5 im
Wirkbereich zwischen Sender 4 und Empfänger 10, 11 befinden, kann
selbst ein Kippen des Bedienelements mit gleichzeitigem vertikalem
Verschieben keine Fehlfunktionen im Drehschalter hervorrufen.
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Ist
nun die Verlängerung 5 des
Bedienelements 13 mit der Öffnung 6 in der Position,
daß beide Empfänger 10, 11 mit
Licht beaufschlagt werden so wird dadurch das Signal 1,1 in der
Elektronik ausgewertet. Diese Stellung könnte eine erste Rast definieren.
Wird nun mittels des Bedienelements 13 die Verlängerung 5 um
einen Winkel im Uhrzeigersinn verdreht, so wird der Empfänger 10 nicht
mehr mit Licht beaufschlagt, es wird das Bitmuster 0,1 erzeugt,
was der Rast 2 entsprechen kann. In einem folgenden Schritt,
bei dem das Bedienelement wiederum um einen Betrag verdreht wird,
schiebt sich nun der geschlossene Bereich 7 ebenfalls vor
den Empfänger 11,
es wird das Bitmuster 0,0 erzeugt, was wiederum einer dritten Raststellung
entspricht. Nach einem weiteren Verdrehen des Bedienelements 13 erhält lediglich
der Empfänger 10 einen
Impuls mittels des Lichtes, so daß das Bitmuster 1,0 erzeugt
ist was einer vierten Raststellung entspricht. Nach einem weiteren
Verdrehen des Bedienelements 13 wird wiederum der Zustand
1,1 in der Elektronik erzeugt. Diese fünfte Rast entspricht der Raststellung 1.
Aus dieser Raststellung fünf
heraus, kann das Bedienelement 13 in positive, das heißt im Uhrzeigersinn
oder in negative, das heißt
gegen den Uhrzeigersinn verdreht werden, wobei in der Elektronik
die Drehrichtung eindeutig zu erkennen ist. In positive Richtung
würde das
Bitmuster 0,1 erzeugt und in negative Richtung würde das Bitmuster 1,0 erzeugt.
Es ist somit mit einfachsten Mitteln ein große Toleranzen aufnehmender,
entkoppelter Drehschalter gebildet worden, der ein konstantes Spaltmaß über das
gesamte Bedienteil aufweisen kann und der darüber hinaus kostengünstig zu
fertigen ist. Bevorzugt wird dieser Drehschalter in ein Bediengerät in einem
Kraftfahrzeug eingesetzt. Hier kann der Drehschalter zum Beispiel zur
Steuerung einer Klimaanlage, eines Rundfunkempfängers, eines Navigationsgerätes, et
cetera eingesetzt werden.