Haptische Rückmeldung Ein zuverlässiger Drehregler dank magnetischer Sensoren

Ein Gastbeitrag von Dr. Jens Muttersbach und Carmine Fiore*

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Tasten, Knöpfe und Regler sind in Fahrzeugen oder bei Weißer Ware nicht unerlässlich. Sie müssen nicht nur auf Berührung reagieren, sondern liefern auch eine haptische Rückmeldung.

Nutzerschnittstelle: Armaturenbrett und Bedienelemente am Lenkrad. Für eine zuverlässige Funktion sind Magnetsensoren unerlässlich.
Nutzerschnittstelle: Armaturenbrett und Bedienelemente am Lenkrad. Für eine zuverlässige Funktion sind Magnetsensoren unerlässlich.
(Bild: MonolithicPower)

Drehgeber werden in verschiedenen Anwendungen mit Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) eingesetzt. Tasten, Knöpfe und Regler in Alltagsprodukte vom Auto über Weiße Ware bis hin zum Display eines Smartphones haben Schnittstellen, welche auf Berührung reagieren. Die Schnittstellen übersetzen nicht nur Eingaben in ein elektrisches Signal, sondern bieten eine haptische Rückmeldung.

Das ist für sicherheitsrelevante Funktionen in zeitkritischen Situationen sinnvoll. Beispielsweise wenn sich ein Benutzer in einem dunklen Innenraum eines Cockpits befindet oder den Durchfluss einer medizinischen Pumpe anpasst. Bei neuen Anwendungen gehen Entwickler ständig an die Grenzen, damit neue Formfaktoren passen, zusätzliche Funktionen bereitgestellt werden oder um einfach die Lebensdauer der HMI zu verlängern.

Viele Geräte aus der Gruppe der Weißen Ware haben auf der Front beispielsweise eine einfache Ein-Knopf-Bedieneinheit. Die komplette Maschine, einschließlich des Knopfes, ist über viele Betriebsstunden Vibrationen, Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit ausgesetzt. Das limitiert die Lebensdauer des Knopfes, während gleichzeitig Feuchtigkeit entlang der Welle des Knopfes einen Zugang zur Steuerelektronik bekommt. Das zu vermeiden ist teuer.

Einfaches und kostengünstiges Sensorprinzip

Bild 1: Ein konventioneller Drehregler mit Potenziometer.
Bild 1: Ein konventioneller Drehregler mit Potenziometer.
(Bild: MonolithicPower)

Mit dem Einsatz von modernen Magnetsensoren für eine HMI-Anwendung können Entwickler die Kosten der Gesamtkonstruktion senken und dabei erhöhen sie gleichzeitig Zuverlässigkeit und Flexibilität des mechanischen Designs. Der folgende Text bietet einen Einblick in die Grundidee und Designüberlegungen, um eine HMI-Anwendung zu optimieren. Ein integrierter Hall-basierter magnetischer Winkelsensor erfasst die Rotation eines Magnetfeldes.

Zusammen mit einem kleinen drehbar gelagerten Magneten erhält man einen voll funktionsfähigen, berührungslosen Drehknopf. Hierzu platziert man einfach einen magnetischen Winkelsensor gegenüber der Rotationsachse des Magneten, um die tatsächliche Drehposition des Knopfes durch die Rotation des Magneten zu erfassen. Der Sensor arbeitet ohne mechanische Verbindung zwischen der Elektronik und dem haptischen Rotor, wie einem Wischerpotentiometer.

Bild 2: Querschnitt eines Drehreglers mit einer magnetischen Erfassung.
Bild 2: Querschnitt eines Drehreglers mit einer magnetischen Erfassung.
(Bild: MonolithicPower)

Dank des Magnetsensors entsteht ein einfaches, äußerst zuverlässiges Design mit langer Lebensdauer. Bild 2 zeigt einen Drehknopf mit dem MA800. Der Magnetsensor von MPS verbessert HMI-Anwendungen und nutzt die proprietäre SpinAxis-Technologie von MPS. Damit lassen sich Winkelsensoren in kleinen und kostengünstigen Gehäusen implementieren.

Der komplette Magnet-Sensor-Paar-Aufbau benötigt wenig Volumen, um die haptische oder optische Rückmeldung des Knopfes durch Lager, Rastungen oder Lichtleiter auszuführen. Die in Bild 2 dargestellte Konfiguration hat eine Grundfläche von weniger als 5 mm x 5 mm. Eine alternative mit Potentiometer hat typischerweise eine Kantenlänge von 10 mm.

Tabelle: Zusätzliche Ausgabeoptionen der MA8x0-Sensoren.
Tabelle: Zusätzliche Ausgabeoptionen der MA8x0-Sensoren.
(Bild: MonolithicPower)

Ein Sensor aus der MA8x0-Familie erlaubt es, die Winkelwerte unterschiedlich auszulesen. Alle Sensoren der Familie bieten über eine SPI-Schnittstelle. Die Tabelle zeigt die weitere Schnittstelle jedes Mitglieds der Bauteilefamilie.

Zuverlässig und Fertigungstoleranzen einhalten

Magnetsensoren sind aufgrund ihres kontaktlosen Prinzips sehr zuverlässig. Das steht im Kontrast zu ihren herkömmlichen Gegenstücken, den Schleifringpotentiometern. Die Schleifringpotentiometer sind für ihre Kontaktprobleme bekannt und dadurch auf eine typischen Lebensdauer von etwa 250.000 Zyklen begrenzt. Doch bei Magnetsensoren gibt es Einschränkungen.

Bild 3: Die seitliche Verschiebung des Sensors.
Bild 3: Die seitliche Verschiebung des Sensors.
(Bild: MonolithicPower)

Wo sind diese Grenzen und Verzerrungen und wie können sie vermieden werden? Eine erste potenzielle Störquelle sind laterale Verschiebungen des Sensors gegenüber der Rotationsachse (Bild 3). Diese Verschiebungen können durch Produktionstoleranzen oder durch den Verschleiß des Geräts während seiner Lebensdauer verursacht werden. Das Ergebnis ist eine magnetischen Nichtlinearität, die vom Sensor aufgenommen werden würde.

Wenn man beispielsweise den in Bild 2 gezeigten Aufbau verwendet, ist die laterale Toleranz auf ±0,2 mm begrenzt. Das liegt innerhalb typischer Fertigungstoleranzen. Damit bleibt man innerhalb des maximalen zulässigen magnetische Fehlers von 0,5°. Ist eine höhere Toleranz notwendig, kann ein größerer Magnetdurchmesser oder ein Ringmagnet verwendet werden, um ein robustes Design zu erreichen.

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Auf den verwendeten Magneten kommt es an

Ein höherer Magnetdurchmesser von 5 auf 8 mm erweitert beispielsweise die seitliche Toleranz auf ±0,4 mm. Bild 4 zeigt die Beziehung zwischen der magnetischen Abweichung für verschiedene Magnetdurchmesser. Das kann als Leitfaden für die Auswahl des Magnetdurchmessers dienen, um erwartete mechanische Toleranzen zu berücksichtigen.

Bild 4: Maximaler Fehler gegenüber lateraler Toleranz für unterschiedliche Magnetdurchmesser.
Bild 4: Maximaler Fehler gegenüber lateraler Toleranz für unterschiedliche Magnetdurchmesser.
(Bild: MonolithicPower)

Für die Berücksichtigung des Abstands zwischen Magnet und Sensor und deren Toleranz sind die Abmessungen des Magneten wichtig. Entscheidend ist, dass die magnetische Flussdichte an der Sensorposition immer im spezifizierten Bereich liegt.

Bild 5: Intensität des Magnetfeldes in Abhängigkeit des Abstands für unterschiedliche Magnetdurchmesser.
Bild 5: Intensität des Magnetfeldes in Abhängigkeit des Abstands für unterschiedliche Magnetdurchmesser.
(Bild: MonolithicPower)

Für den in Bild 2 gezeigten Aufbau kann der Abstand von 0,0 bis 3,1 mm variieren, ohne den Bereich der Spezifikationen des MA800 zu verlassen. Das Bild 5 zeigt diesen Effekt für verschiedene Magnetdurchmesser.

Die mechanische Flexibilität kann im Design genutzt werden, indem man Luftspalt und Magnetdurchmesser optimiert und jegliche erwartete Toleranzen von vornherein abfängt. Ein breiterer Magnet ermöglicht beispielsweise einen größeren Luftspalt.

Alle magnetischen Analysen für diesen Beitrag wurden mit einem allgemein zugänglichen magnetischen Simulationstool durchgeführt. Der Simulator ermöglicht es Entwicklern, spezifische magnetische Konfigurationen schnell zu überprüfen und die Auswirkungen von Toleranzen oder Abweichungen in der Ausrichtung des Sensors zu untersuchen.

Ein zusätzlicher Taster zur Drehfunktion

Einige HMI-Anwendungen erfordern zusätzlich zur Drehfunktion einen Taster. Der MA800 erkennt ein Druckereignis über einen veränderten Abstand zwischen Magnet und Sensor und der resultierenden Veränderung der Magnetfeldstärke.

Bild 6: Querschnitt eines Drehreglers mit Tasterfunktion.
Bild 6: Querschnitt eines Drehreglers mit Tasterfunktion.
(Bild: MonolithicPower)

Bild 6 zeigt einen typischen Aufbau für eine Kombination von Taster und Drehregler. In Bild 7 sind die Feldgradienten in Bezug auf den Magnet-Sensor-Abstand sowie die Differenz zwischen einer einzelnen und einer doppelten Schaltschwelle dargestellt.

Bild 7: Ein implementierter Taster mit dem MA800.
Bild 7: Ein implementierter Taster mit dem MA800.
(Bild: MonolithicPower)

Eine axiale Verschiebung von einem Millimeter bei einem nominalen Luftspalt von 1,5 mm erzeugt in der gedrückten Position mit einem Abstand von 0,5 mm eine Felddifferenz von 60 mT. Der MA800 verfügt über einstellbare magnetische Schwellenwerte, um diesen Übergang durch unterschiedliche Ausgangssignale an einen Mikrocontroller sicher zu übergeben.

HMI-Schnittstelle berührungslos und verschleißfrei

Bild 7: Ein implementierter Taster mit dem MA800.
Bild 7: Ein implementierter Taster mit dem MA800.
(Bild: MonolithicPower)

Der Aufbau ist berührungslos und verschleißfrei. Bei der Auslegung ist darauf zu achten, dass keinerlei Abnutzung sowohl die Lebensdauer als auch die Zuverlässigkeit beeinträchtigt. Das Bild 7 zeigt an einem Beispiel das Zusammenspiel der magnetischen Schaltschwellen des MA800 mit den zugehörigen Hystereseintervallen.

Der Aufbau ist so ausgelegt, dass Fremdpartikel, die sich im Laufe der Zeit in der Mechanik ansammeln können, die Funktion nicht behindern und die Schaltschwellen immer sicher erreicht werden. Wenn die Magnetfelddifferenz entlang des axialen Weges groß genug ist, um mehr als eine Schaltschwelle sicher zu überschreiten, wird empfohlen, unterschiedliche Schwellenwerte für die Detektion von hoher und niedriger Feldstärken zu verwenden.

Bild 7 zeigt eine Skizze für eine solche Dual-Threshold-Konfiguration. Eine Konfiguration mit doppelter Schaltschwelle erkennt, wenn der Knopf in einer mittleren Position stecken bleibt und ergänzt so die Produkt­sicherheit.

Bei der Auswahl eines berührungslosen Sensormechanismus und damit weniger Probleme durch Kontakte bei Knöpfen und Tasten, wird der Druckmechanismus oft zum größten limitierenden Faktor. Bild 6 veranschaulicht ein Konzept, bei dem ein axial ausgerichteter Klickmagnet einen Stahlring auf der Welle anzieht. Die magnetische Kraft zwischen beiden schafft eine Schwelle für den axialen Weg, die leicht über Materialkonstanten und Beschichtungen abgestimmt werden kann. Darüber hinaus ist dieses Konzept über die gesamte Lebensdauer verschleißfrei.

Eine kompakte und energiesparende Lösung

Für leistungsarme und batteriebetriebene Anwendungen bietet MPS den MA782 an. Die gleichen magnetischen Designgrundsätze wie für den MA800 gelten ebenso für den MA782. Die Abfragefrequenz dieses Sensors ist konfigurierbar wodurch der durchschnittlichen Verbrauch des Sensors unter 10 μA gesenkt werden kann.

Bild 8: Schanier eines klappbaren Mobiltelefons mit dem MA782 als Sensor und Watchdog.
Bild 8: Schanier eines klappbaren Mobiltelefons mit dem MA782 als Sensor und Watchdog.
(Bild: MonolithicPower)

Darüberhinaus gibt der MA782 ein dediziertes Signal aus, welches die Überschreitung einer bestimmten Winkelschwelle anzeigt. In einem solchen Watchdog-Szenario dient der Winkelsensor als Wecker für das gesamte System. Mikrocontroller (MCUs) und Displays, können somit im Ruhemodus bleiben, um eine signifikante Menge an Batterieleistung zu sparen. Der MA782 ist in einem UTQFN-14-Gehäuse mit den Maßen 2 mm x 2 mm erhältlich. Das Sensorsystem kombiniert eine geringe Stromaufnahme mit niedrigen Platzbedarf. Die Kombination ist entscheidend für Anwendungen wie drahtlose Thermostate in Haushalten oder Scharnierüberwachung in faltbaren Mobiltelefonen (Bild 8).

Sowohl eine geringe Baugröße des Sensors und eine niedrige Stromaufnahme erlauben es, das Sensorsystem bei baulich engen Platzverhältnissen zusammen mit einer Leiterplatte auf der Rotationsachse oder am Ende des Scharniers zu platzieren. Durch eine spezielle Kompensation erfassen Bauelemente wie der MA782 das Magnetfeld seitlich der Rotationsachse und stellen so die lineare Beziehung zwischen dem mechanischen Winkel und dem Sensorausgang her.

Bei Magnetsensoren für HMI-Drehregler und Tastern sollte in der Designphase die Mechanik entkoppeln und der Platzbedarf der haptischen Elemente und der Elektronik berücksichtigt werden.

* Dr. Jens Muttersbach ist Program Manager Sensors. Carmine Fiore ist Applicationsentwickler. Beide arbeiten bei Monolithic Power Systems (MPS).

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