DE102013222350A1

DE102013222350A1 - Drehsteller für eine Fahrzeugkomponente

Info

Publication number: DE102013222350A1
Application number: DE201310222350
Authority: DE
Inventors: Christian Knoop; Stefan Trabert; Ralf Lübbers
Original assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Current assignee: BHTC GMBH, DE
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2015-05-07

Abstract

Der Drehsteller (10) für eine Fahrzeugkomponente, bei der es sich insbesondere um ein Radio, ein CD- und/oder DVD- o. dgl. Audio- oder Videodatenträger-Abspielgerät, ein Navigationsgerät, ein Infotainment-Gerät, ein Heiz- oder Klimasteuergerät oder ein Mensch-Maschine-Interface handelt, ist versehen mit einem drehend gelagerten Drehbedienelement (12), einem Trägerelement (20), relativ zu dem das Drehbedienelement (12) verdrehbar ist, und einer kapazitiven Sensorik (24), die zwei Sensorik-Einheiten (22, 34) aufweist. Die eine erste Sensorik-Einheit (22) ist an dem Drehbedienelement (12) und die eine zweite Sensorik-Einheit (34) ist an dem Trägerelement (20) angeordnet, wobei die erste Sensorik-Einheit (22) bei Verdrehung des Drehbedienelements (12) längs eines Bewegungspfads an der zweiten Sensorik-Einheit (34) vorbei bewegbar ist. Eine der Sensorik-Einheiten (22, 34) weist zwei in Richtung des Bewegungspfads betrachtet aufeinanderfolgende kapazitive Sensor-Elektroden (26) sowie mindestens eine mit diesen Sensor-Elektroden (26) durch kapazitive Kopplung in Wirkverbindung stehende Gegenelektrode (30) auf, während die andere Sensorik-Einheit (22, 24) ein Dielektrikum-Element (36) aufweist. Eine Ansteuer- und Auswerteeinheit (32) ist mit den beiden Sensor-Elektroden (26) und der mindestens einen Gegenelektrode (30) elektrisch verbunden. Die kapazitive Kopplung der mindestens einen Gegenelektrode (30) mit den zwei kapazitiven Sensor-Elektroden ändert sich in Abhängigkeit von einer relativ zum Trägerelement (20) erfolgenden Verdrehung des Drehbedienelements (12).

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehsteller für eine Fahrzeugkomponente, bei der es sich insbesondere um ein Radio, ein CD- und/oder DVD- o. dgl. Audio- oder Videodatenträger-Abspielgerät, ein Navigationsgerät, ein Infotainment-Gerät, ein Heiz- oder Klimasteuergerät oder ein Mensch-Maschine-Interface handelt.
Derartige Drehsteller erfreuen sich einer großen Beliebtheit, um im Fahrzeug diverse Geräte zu bedienen. Dabei können diese Drehsteller bspw. als Inkremental- oder als Absolutdrehgeber ausgebildet sein.
Um die Drehbewegung eines Drehstellers zu erfassen, werden verschiedene Sensorik-Systeme eingesetzt. Beispielsweise arbeitet man in diesem Zusammenhang mit Lichtschranken, durch die ein sich zusammen mit dem Drehsteller oder in Abhängigkeit von der Verdrehung des Drehstellers verdrehender Zahnring bzw. gezahnter Ring bewegt. Somit können bspw. die Lichtunterbrechungen gezählt und somit der Grad der Verdrehung des Drehstellers ermittelt werden. Andere Systeme verwenden Hallsensoren. Auch kapazitive Systeme sind bekannt.
Um die Drehrichtung eines Drehstellers erfassen zu können, bedarf es im Falle der Verwendung optischer Systeme mindestens zweier Lichtschranken, wobei anhand der zeitlichen Reihenfolge, in der diese beiden Lichtschranken Abschattungen detektieren, erkannt wird, in welcher Richtung der Drehsteller verdreht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehsteller für eine Fahrzeugkomponente zu schaffen, der einfach aufgebaut und allgemein sowie vielfältig einsetzbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Drehsteller für eine Fahrzeugkomponente, bei der es sich insbesondere um ein Radio, ein CD- und/oder DVD- o. dgl. Audio- oder Videodatenträger-Abspielgerät, ein Navigationsgerät, ein Infotainment-Gerät, ein Heiz- oder Klimasteuergerät oder ein Mensch-Maschine-Interface handelt, vorgeschlagen, wobei der Drehsteller versehen ist mit

– einem drehend gelagerten Drehbedienelement,
– einem Trägerelement, relativ zu dem das Drehbedienelement verdrehbar ist,
– einer kapazitiven Sensorik, die zwei Sensorik-Einheiten aufweist, wobei eine erste Sensorik-Einheit an dem Drehbedienelement sowie eine zweite Sensorik-Einheit an dem Trägerelement angeordnet ist und wobei die erste Sensorik-Einheit bei Verdrehung des Drehbedienelements längs eines Bewegungspfads an der zweiten Sensorik-Einheit vorbei bewegbar ist,
– wobei eine der Sensorik-Einheiten zwei in Richtung des Bewegungspfads betrachtet aufeinanderfolgende kapazitive Sensor-Elektroden sowie mindestens eine mit diesen Sensor-Elektroden durch kapazitive Kopplung in Wirkverbindung stehende Gegenelektrode und die andere Sensorik-Einheit ein Dielektrikum-Element aufweist, und
– einer Ansteuer- und Auswerteeinheit, die mit den beiden Sensor-Elektroden und der mindestens einen Gegenelektrode elektrisch verbunden ist,
– wobei sich die kapazitive Kopplung der mindestens einen Gegenelektrode mit den zwei kapazitiven Sensor-Elektroden in Abhängigkeit von einer relativ zum Trägerelement erfolgenden Verdrehung des Drehbedienelements ändert.

Der erfindungsgemäße Drehsteller ist mit einem drehbaren Drehbedienelement versehen, das sich relativ zu einem Trägerelement verdrehen lässt. Das Drehbedienelement und das Trägerelement weisen jeweils kapazitiv wirkende Sensorik-Einheiten einer kapazitiven Sensorik auf, wobei sich die erste Sensorik-Einheit an dem Drehbedienelement und die zweite Sensorik-Einheit an dem Trägerelement befindet und sich beide Sensorik-Einheiten längs eines Bewegungspfads relativ zueinander bewegen, wenn das Drehbedienelement verdreht wird. Eine der beiden Sensorik-Einheiten weist ein Dielektrikum-Element, d. h. ein Element mit einem Material mit dielektrischen Eigenschaften und mit einer Dielektrizitätskonstante ε_r auf, die größer, insbesondere deutlich größer als diejenige von Luft ist. Die andere Sensorik-Einheit weist zwei in Richtung des Bewegungspfads betrachtet aufeinanderfolgende kapazitive Sensor-Elektroden sowie diesen jeweils zugeordnete Gegenelektroden bzw. eine gemeinsame den beiden Sensor-Elektroden zugeordnete Gegenelektrode auf. Zwischen der Gegenelektrode bzw. den Gegenelektroden einerseits und den Sensor-Elektroden andererseits hindurch oder aber auch über diese Gegenelektrode/Gegenelektroden und Sensor-Elektroden hinweg bewegt sich das Dielektrikum-Element, wenn das Drehbedienelement verdreht wird. Dadurch ändert sich die kapazitive Kopplung der Sensor-Elektroden mit der bzw. den Gegenelektroden, wodurch eine Verdrehung des Bedienelements quantitativ und qualitativ erfasst werden kann.
Durch die Anordnung zweier entlang des Bewegungspfads aufeinanderfolgenden Kondensatoren, die jeweils durch eine Sensor-Elektrode und eine bzw. die gemeinsame Gegenelektrode gebildet werden, kann die Drehrichtung des Drehstellers und auch der Grad der Verdrehung des Drehstellers detektiert werden. Denn die Veränderung der kapazitiven Kopplung, die der eine Kondensator erfährt, wird kurz danach auch von dem zweiten Kondensator erfasst, womit die Drehrichtung bekannt ist. Durch die Veränderung der kapazitiven Kopplung selbst kann dann auf das Ausmaß der Verdrehung geschlossen werden.
Die Elektroden (Sensor- und Gegenelektrode bzw. -elektroden) können planar auf dem Trägerkörper ausgebildet sein; alternativ ist es aber auch möglich, dass diese Elektroden von dem Trägerkörper abstehen. Als Dielektrikum-Element bietet sich bspw. ein Zahn- oder Keilring an, der bei Verdrehung des Drehstellers zwischen den Elektroden hindurch oder über diese hinweg bewegt wird. Bei Ausbildung eines Zahnrings kann bei Verdrehung des Drehstellers die Anzahl der Zähne, die die kapazitive Kopplung beeinflussen, ermittelt und daraus der Grad der Verdrehung errechnet werden. Bei Einsatz eines Keilrings sollte dieser zweckmäßigerweise in mindestens einer seiner zwei orthogonal zum Bewegungspfad gerichteten Dimensionen eine veränderte Abmessung aufweisen, so dass anhand der Kapazität, d. h. anhand des Grades der kapazitiven Kopplung der Elektroden ermittelt werden kann, welche Drehstellung der Drehsteller gegenwärtig einnimmt.
Schließlich ist es auch möglich, mehr als zwei Sensor-Elektroden anzuordnen. Beispielsweise können Sensor-Elektroden über 360° verteilt angeordnet sein. Zweckmäßig ist es dabei, die Anzahl der Sensor-Elektroden gleich der Rastung des Drehstellers zu wählen, sofern der Drehsteller über Verrastungspositionen verfügt.
Mit dem erfindungsgemäßen Konzept lässt sich der Drehsteller sowohl als kapazitiver Inkrementalgeber als auch als kapazitiver Absolutwertgeber ausbilden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehstellers,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drehstellers,
3 und 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Drehstellers und
5 ein letztes Ausführungsbeispiel eines Drehstellers.
In den 1 und 2 sind zwei Drehsteller 10, 10' eines ersten Ausführungsbeispieltyps gezeigt, bei dem das Drehbedienelement 12 einen Drehkranz 14 mit einzelnen abstehenden Zähnen 16 aufweist. Die Drehachse des Drehbedienelements ist bei 18 gezeigt. Auf einem Trägerelement 20 (bspw. PCB) befindet sich eine Sensorik-Einheit 22 einer kapazitiven Sensorik 24. Die Sensorik-Einheit 22 weist dabei zwei nebeneinander angeordnete Sensor-Elektroden 26, 28 auf, denen (in diesem Ausführungsbeispiel) eine gemeinsame Gegenelektrode 30 zugeordnet ist. Die Elektroden 26, 28 sind elektrisch mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit 32 verbunden, während die Gegenelektrode 30 auf Masse liegen oder ebenfalls mit der Ansteuer- und Auswerteeinheit 32 verbunden sein kann. Die zweite Sensorik-Einheit 34 der Sensorik-Einheit 24 wird von den Zähnen 16 des Drehbedienelements 12 gebildet, die ein Dielektrikum-Element 36 aufweisen.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2, in der für diejenigen Elemente, die denen der 1 entsprechen, gleiche Bezugszeichen verwendet sind, befinden sich die Elektroden 26, 28, 30 planar auf dem Trägerelement 20, wobei über diese planare Sensoranordnung hinweg der Drehkranz 14 mit seinen Zähnen 16 bzw. den Dielektrikum-Elementen 36 bewegt wird.
In beiden Fällen ist die Funktionsweise wie folgt: Dreht sich der Drehkranz 14 (bei Verdrehung des Drehbedienelements 12) zwischen den Elektroden hindurch (1) bzw. über die Elektroden hinweg (2), so wird durch die Dielektrizitätsveränderung (die Nuten 38 zwischen den Zähnen 16 entsprechen dem Dielektrikum ”Luft”, während die Zähne 16 dem Dielektrikum des Dielektrikummaterials 36 entsprechen) ein unterschiedlich großes kapazitives Signal erzeugt (die Nuten 38 bedingen eine geringe kapazitive Kopplung zwischen den Sensor-Elektroden 26, 28 einerseits und der Gegenelektrode 30, während die Zähne 16 eine demgegenüber stärkere kapazitive Kopplung bedingen). Zur Richtungserkennung dient die Auswertung der zeitlichen Reihenfolge, in der die Sensor-Elektroden 26, 28 ”ansprechen” (aus denen dann zeitlich versetzte ”High” und ”Low”-Signale der beiden Sensor-Elektroden generiert werden können).
Der Typ der Drehsteller 10 und 10' der 1 und 2 kann bspw. als Inkrementalgeber eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Absolutdrehgeber zeigen die 3 und 4. Sofern die Elemente, die in den 3 und 4 (und auch in 5) gezeigt sind, denen der 1 und 2 konstruktiv bzw. funktional entsprechen, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 versehen.
Gemäß 3 weist das Drehbedienelement 12 einen Keilring 14' auf, der über 360° betrachtet in Erstreckung der Drehachse 18 eine in einer Richtung sich verändernde, nämlich ansteigende Höhe aufweist. Hierdurch entsteht ein ”Keil” oder eine ”Rampe” aus Dielektrikummaterial, also das Dielektrikum-Element 36, das, wie im Falle der Ausführungsbeispiele nach den 1 und 2 durch eine Sensorik-Einheit 22 bzw. durch zwei Sensorik-Einheiten 22 hindurch bewegt (siehe 3) oder über diese hinweg bewegt wird (siehe 4). Die aufgrund der Keil- bzw. Rampenstruktur sich verändernde kapazitive Kopplung kann an beiden Sensorik-Einheiten 22 erkannt werden, was in der Ansteuer- und Auswerteeinheit 32 ausgewertet wird.
In 4 ist funktional das gleiche Konzept wie in 3 gezeigt, wobei gemäß 4 die Elektroden wiederum planar ausgeführt sind.
Zur Funktionsweise der Absolutdrehgeber-Drehstellertypen gemäß den 3 und 4 sei noch kurz Folgendes gesagt: Dadurch, dass sich die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden 26, 30 und 28, 30 umso mehr erhöht, je größer die Permittivität bzw. die Dielektrizitätszahl des Materials (Dielektrikum) ist, das zwischen diesen Elektroden hindurch bzw. über diese Elektroden hinweg bewegt wird, verändert sich diese also in Abhängigkeit von dem Drehwinkel. Um das System robuster zu gestalten, können zusätzlich weitere Abgriffe, d. h. weitere Sensor-Elektroden und Gegenelektroden implementiert werden. Dadurch können Fehler ”herausgemessen” und Ungenauigkeiten durch Toleranzen minimiert werden. Anstelle eines Keils oder einer Rampe kann man auch mit unterschiedlichen Schichtdicken (über 360° Umfangserstreckung des Drehbedienelements 12 betrachtet) arbeiten. Zudem ist auch eine Absolutwerterkennung durch Nutzung mehrerer Sensor-Elektroden und einer entsprechenden Codierung des Dielektrikums durch bestimmte Nut/Zahn-Folgen möglich.
Alternativ ist mit einem solchen Keil bzw. mit einer solchen Rampe am Drehbedienelement auch ein relatives Messverfahren denkbar, das den Absolutwert bestimmt. Hierzu müsste man den Keil bzw. die Rampe zwischen einer Mess-Sensor-Elektrode und einer Gegenelektrode hindurch oder über diese beiden hinweg bewegen, während außerhalb dieser Sensor-Elektrodenanordnung eine Referenz-Sensor-Elektrode angeordnet ist. Diese Referenz-Sensor-Elektrode ist zweckmäßigerweise außerhalb des Drehbedienelements angeordnet.
Anhand von 5 soll kurz auf ein letztes Ausführungsbeispiel eines Drehstellers 10'''' eingegangen werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind auf dem Trägerelement 20 die Gegenelektrode 30 sowie (in diesem Fall sechs) Sensor-Elektroden 26 planar ausgeführt. Die Gegenelektrode 30 sowie die Sensor-Elektroden 26 sind elektrisch mit der Ansteuer- und Auswerteeinheit 32 verbunden. Über diese Elektrodenanordnung hinweg bewegt sich ein Dielektrikum-Element 36 des (in 5 nicht weiter gezeigten) um die Drehachse 18 drehbaren Drehbedienelements. Die Anzahl der Sensor-Elektroden 26 kann dabei entsprechend der ggf. vorhandenen Rastungen des Drehbedienelements gewählt werden oder aber entsprechend einer durch Absolutcodierung minimierten Anzahl. Dadurch, dass das Dielektrikum-Element 36 die kapazitive Kopplung einer Sensor-Elektrode 26 mit der Gegenelektrode 30 verändert, kann also die aktuelle Drehstellung des Drehbedienelements ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

10: Drehsteller
10': Drehsteller
10'': Drehsteller
10''': Drehsteller
10'''': Drehsteller
12: Bedienelement
14: Drehkranz,
14': Keilring
16: Zähne des Drehkranzes
18: Drehachse des Drehstellers
20: Trägerelement
22: erste Sensorik-Einheit
24: Sensorik
26: Sensor-Elektrode der ersten Sensorik-Einheit
28: Sensor-Elektrode der ersten Sensorik-Einheit
30: Gegenelektrode der ersten Sensorik-Einheit
32: Auswerteeinheit
34: zweite Sensorik-Einheit
36: Dielektrikum-Element der Sensorik-Einheit
38: Nuten

Claims

Drehsteller (10) für eine Fahrzeugkomponente, insbesondere ein Radio, ein CD- und/oder DVD- o. dgl. Audio- oder Videodatenträger-Abspielgerät, ein Navigationsgerät, ein Infotainment-Gerät, ein Heiz- oder Klimasteuergerät oder ein Mensch-Maschine-Interface, mit – einem drehend gelagerten Drehbedienelement (12), – einem Trägerelement (20), relativ zu dem das Drehbedienelement (12) verdrehbar ist, – einer kapazitiven Sensorik (24), die zwei Sensorik-Einheiten (22, 34) aufweist, wobei eine erste Sensorik-Einheit (22) an dem Drehbedienelement (12) sowie eine zweite Sensorik-Einheit (34) an dem Trägerelement (20) angeordnet ist und wobei die erste Sensorik-Einheit (22) bei Verdrehung des Drehbedienelements (12) längs eines Bewegungspfads an der zweiten Sensorik-Einheit (34) vorbei bewegbar ist, – wobei eine der Sensorik-Einheiten (22, 34) zwei in Richtung des Bewegungspfads betrachtet aufeinanderfolgende kapazitive Sensor-Elektroden sowie mindestens eine mit diesen Sensor-Elektroden durch kapazitive Kopplung in Wirkverbindung stehende Gegenelektrode und die andere Sensorik-Einheit ein Dielektrikum-Element (36) aufweist, und – einer Ansteuer- und Auswerteeinheit (32), die mit den beiden Sensor-Elektroden und der mindestens einen Gegenelektrode elektrisch verbunden ist, – wobei sich die kapazitive Kopplung der mindestens einen Gegenelektrode (30) mit den zwei kapazitiven Sensor-Elektroden in Abhängigkeit von einer relativ zum Trägerelement erfolgenden Verdrehung des Drehbedienelements ändert.
Drehsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum-Element (36) als sich in Richtung des Bewegungspfads erstreckender Zahnring ausgebildet ist.
Drehsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum-Element (36) als sich in Richtung des Bewegungspfads erstreckender Keilring (14') ausgebildet ist, der mit einer sich in mindestens einer von zwei orthogonal zum Bewegungspfad gerichteten Dimensionen verändernder Abmessung versehen ist.
Drehsteller nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Sensor-Elektroden (26) und die mindestens eine Gegenelektrode (30) planar auf dem Trägerkörper ausgebildet sind.
Drehsteller nach Anspruch 2 oder nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnring an dem Drehbedienelement (12) angeordnet ist und dass die zwei Sensor-Elektroden (26) sowie die mindestens eine Gegenelektrode (30) auf dem Trägerelement (20) angeordnet sind.
Drehsteller nach Anspruch 3 oder nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilring (14') an dem Drehbedienelement (12) angeordnet ist und dass die zwei Sensor-Elektroden (26) sowie die mindestens eine Gegenelektrode (30) auf dem Trägerelement (20) angeordnet sind.
Drehsteller nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des gesamten Bewegungspfads mehrere Sensor-Elektroden (26) angeordnet sind.
Drehsteller nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (30) als Ring ausgebildet ist, innerhalb und/oder außerhalb dessen die Sensor-Elektroden (26) angeordnet sind.