DE19607199C2 - Adjustment device - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung mit einem Stator und einem Rotor, der ge genüber dem Stator in unterschiedliche Winkelpositionen verstellbar ist.The invention relates to an adjusting device with a stator and a rotor, the ge is adjustable in different angular positions relative to the stator.
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.In such a z. B. correspond to the rotary switch used the different angular positions of different switching points. With conventional Rotary switches are the desired electrical in the various switching points Connections with the help of touch contacts, for example in the form of Blattfe and the like.
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.DE 295 10 696 U1 describes an adjustment device with a stator and a ro gate, which is adjustable in different angular positions relative to the stator, be knows. A permanent magnet is rotatably arranged on the rotor and is connected to the stator a two-dimensional magnetic sensor essentially parallel to the plane in which the magnetic field generated by the permanent magnet is rotatably connected. The Two-dimensional magnetic sensor is non-contact against the permanent magnet arranged above and provides the angular position of the permanent magnet ent speaking signal. By using several permanent magnet segments and Ma gnet sensors can create different switching positions of a rotary switch be opened.
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. The object of the invention contained in claim 1 is an adjusting device to create the type mentioned, in which the various contactless Switching points with high resolution are defined in the entire rotation angle range.
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.The two-dimensional magnetic sensor is designed in such a way that it rotates of the permanent magnetic field about an axis of rotation which is perpendicular to the connection line between the north pole and south pole of the permanent magnet, two-dimen regional, d. H. in X and Y components in a plane that is parallel to the plane, in which the line connecting the north pole and south pole of the permanentma gneten turns, can grasp. Such a two-dimensional magnetic sensor can be made from Field plates (Rohrbach, manual for experimental stress analysis VDI-Verlag, 1989, pages 544, 545; Profos / Pfeifer, manual of industrial measurement technology, 5th ed ge, Oldenbourg Verlag, 1992, pages 146, 147). The level in which the perma nentmagneten generated magnetic field is rotated, the plane in which the Ver Connection line between the north pole and south pole of the permanent magnet during rotation about the perpendicular axis. The magnetic sensor, which is used as an angle of rotation sor acts, detects the position of the magnetic field without contact, regardless of this Field strength. The position of the magnetic field is measured and in the horizontal plane Angle with respect to a previously defined zero position is output.
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.The permanent magnet is as close as possible, e.g. B. 1 to 2 mm, the surface of the two Dimensional magnetic sensor arranged so that field lines of the magnetic field are half conductor elements (field plates) of the two-dimensional magnetic sensor vertically or na push through vertically. The permanent magnet can be a magnetic induction in of the order of 20 to 50 mT. The two-dimensional magnetic sensor can formed as a component of an integrated circuit, which is in the form of a chip his.
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.The stator, on which the rotor is rotatably guided, and the magnetic sensor or electronic module, in which the magnetic sensor is integrated, are with a Trä board connected. Further electronic and electrical can be on the carrier plate Components can be provided with the magnetic sensor or the integrated scarf device in which the magnetic sensor is located. The output signals of the magnetic sensor, which have analog signals, for example analog output chip nations, which can be, are in the integrated circuit or in the associated NEN components evaluated or treated further. The carrier plate can, for example be designed as a printed circuit board.
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.The electrical adjustment device can be made in the manner of an electrical rotary switch use, the angular positions corresponding to switching points of the rotary switch. Furthermore, the electrical adjustment device can act as a contactless potentiometer tion are used, the different angular positions corresponding Potentiometer (rotational resistance) settings or tapping points of a voltage divider correspond. By appropriate evaluation of the output signals of the magnet Other physical, especially electrical, variables can also be set or be switched. The rotor can be rotated through 360 °, being within the corresponding switch positions can be provided.
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.A high resolution is achieved for the different angular positions, especially because the positions can be distributed over a rotation angle range of 360 °. Further the electrical adjustment device can be diagnosable and bus-capable. Compared mechanical systems have a longer service life. It is a spatial only a small mechanical structure is required. In addition, the facility is SMD suitable. It can be used without any problems even in difficult environmental conditions. Only a small amount of wiring is required for the serial interface. The System can be calibrated. In addition, the switching errors are reduced by a factor of 10 compared to mechanical systems. As already explained, one is Chip on board solution possible.
Anhand der Figuren wird an Ausführungsbeispielen die Erfindung noch näher erläutert.Based on the figures, the invention is explained in more detail using exemplary embodiments.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1: schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel; Fig. 1: schematically a first embodiment;
Fig. 2: schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel; und Fig. 2: schematically a second embodiment; and
Fig. 3: schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel. Fig. 3: schematically a third embodiment.
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.The exemplary embodiments shown in the figures have a stator 1 and a rotor 2 . The rotor 2 is rotatable about an axis 8 . The stator 1 is fixed to a carrier plate 5 . Furthermore, an electronic module 9 , which may include an integrated circuit, is fixed to the z. B. designed as a printed circuit board 5 , for example in SMD technology, connected. The electronic component 9 contains a two-dimensional magnetic sensor 4 , which is located at a certain distance d from a rotor 2 arranged on the permanent magnet 3 . The distance d between the permanent magnet 3 and the two-dimensional magnetic sensor 4 is as small as possible and can be 1 to 2 mm.
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.The two-dimensional magnetic sensor 4 supplies an X component and a Y component of an output signal as a function of the angular position about the axis 8 with respect to the stator 1 or with respect to the stationary magnetic sensor 4 . These two components can be analog output voltages of the magnetic field sensor 4 . These two components are optionally reinforced and linked in such a way that they give a statement about the angular position of the permanent magnet 3 or the rotatably connected rotor 2 relative to a fixed reference position which may be provided on the stator 1 .
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. In the embodiment shown in FIG. 1, the rotor 2 has a ro tor projection 7 . The rotor projection 7 extends through an opening 6 of the printed circuit board 5 . The permanent magnet 3 is provided on the underside of the rotor projection 7 . As already explained, it lies opposite the two-dimensional magnetic sensor 4 with a small distance. The block 9 , in which the two-dimensional magnetic sensor 4 is integrated, is located in the exemplary embodiment in FIG. 1 on the lower surface side of the carrier plate 5 . The stator 1 is located on the upper surface of the carrier plate 5 . The essential part of the rotor 2 is also located on the upper surface side of the carrier plate 5 . In the case of a sufficiently thin be measured carrier plate 5 , the permanent magnet in the rotor 2 can also be arranged in a plane in which the upper surface of the carrier plate 5 is, or slightly above.
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.In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the module 9 with the integrated magnetic sensor 4 is located on the upper surface side of the carrier plate 5 . The stator 1 and the rotor 2 are also provided on the upper surface side of the carrier plate 5 . The stator 1 serves as a housing for the module 9 . In this embodiment too, the permanent magnet 3 provided on the underside of the rotor 2 lies opposite the magnetic sensor 4 on the module 9 at a short distance.
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.The rotor 2 can take different angular positions relative to the stator 1 . The rotor 2 can be brought continuously or stepped in different rotational angle positions. These rotational angle positions can be determined by devices as are known in conventional rotary switches. For example, angular positions or switching positions can be achieved by a rotor and stator configuration, as described in DE 44 27 833 A1 or German Utility Model 94 07 625 U1.
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.In the embodiment shown in FIG. 3, the magnetic sensor 4 is in the form of a housing-less chip which is applied directly to the stator 1 and is connected to it. Furthermore, the magnetic sensor 4 can be connected to the surface of the stator 1 or injected directly into the housing. The housing and the magnetic sensor can be adapted in a suitable manner to the respective technical application. Furthermore, direct mounting of the magnetic sensor on the carrier plate 5, in particular as a printed circuit board, may be possible. The rotor 2 with the permanent magnet 3 is below the magnetic sensor 4 at a distance d (z. B. 1 to 2 mm) is arranged.
Die Rotore 2 der Ausführungsbeispiele können um 360° gedreht werden. Die gewünsch ten Schaltstellungen bzw. Drehwinkelpositionen können auf diesen Winkelbereich verteilt sein. The rotors 2 of the exemplary embodiments can be rotated through 360 °. The desired switching positions or rotational angle positions can be distributed over this angular range.
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.To compensate for installation tolerances, the rotor axis 8 can preferably be centered relative to the magnetic sensor 4 . This centering can be done electronically by calibration in an evaluation circuit connected to the magnetic sensor.
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