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Haptische HMIs mit magnetischen Sensoren

Zuverlässige Designs mit langer Lebensdauer

19. Oktober 2023, 13:53 Uhr | Von Jens Muttersbach, Director of Sensor Products bei MPS

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Druckknopf

Einige HMI-Anwendungen erfordern zusätzlich zur Drehfunktion einen Druckknopf. Der MA800 erkennt ein Druckknopfereignis, wenn Änderungen im Luftspalt zu Schwankungen der Magnetfeldstärke führen. Bild 7 zeigt eine typische Struktur für einen Druckknopf-Kombinationsknopf.

In Bild 8 wird der Feldgradient im Verhältnis zum Magnet-Sensor-Abstand sowie der Unterschied zwischen einem einzelnen Schwellenwert und einem doppelten Schwellenwert (unten ausführlich beschrieben) gezeigt. Eine axiale Verschiebung von 1 mm, ein nominaler Luftspalt von 1,5 mm und eine gedrückte Position mit einem Spalt von 0,5 mm erzeugen einen Feldunterschied von 60 mT. Um diesen Übergang durch eindeutige Ausgangssignale an einen Systemcontroller sicher zu kennzeichnen, verfügt der MA800 über einstellbare magnetische Schwellenwerte.

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Bei diesem berührungslosen Verfahren handelt es sich um ein verschleißfreies Erkennungsprinzip. Es ist wichtig sicherzustellen, dass keine Schwankungen der Lebensdauer des Mechanismus die Zuverlässigkeit der Erfassung beeinträchtigen könnten. Bild 8 zeigt eine Überlagerung der magnetischen Schwellenwerte des MA800 und der zugehörigen Hystereseintervalle über der Feldstärkekurve für die typische Konfiguration. Der nominelle magnetische Aufbau ist so ausgelegt, dass beide Endpunkte einen ausreichenden Abstand zur magnetischen Schaltschwelle haben, um sicherzustellen, dass Fremdpartikel, die sich im Laufe der Zeit ansammeln können, die mechanische Bewegung bis zu einem Punkt, an dem die Schaltschwellen nicht überschritten werden, nicht behindern.

Wenn die Magnetfelddifferenz entlang der axialen Bewegung groß genug ist, um sicher mehr als eine Schaltschwelle zu überschreiten, empfiehlt es sich, unterschiedliche Schwellenwerte zur Erkennung der hohen und niedrigen Feldstärken zu verwenden. Bild 8 zeigt eine Skizze für eine solche Dual-Threshold-Konfiguration. Ein doppelter Schwellenwert erweitert die Gesamtanwendung um Sicherheitsfunktionen, da er mechanische Fehler erkennt, falls der Knopf in einer mittleren Position hängen bleibt.

Bei der Auswahl eines kontaktlosen Sensormechanismus (und damit der Beseitigung von Kontaktproblemen bei Knöpfen) wird der Druckmechanismus zum größten einschränkenden Faktor. Bild 7 zeigt auch ein Konzept, bei dem ein axial ausgerichteter Klickmagnet einen Stahlring auf der Welle anzieht. Die magnetische Kraft zwischen diesen beiden schafft einen Grenzwert für den axialen Weg, der leicht über Materialkonstanten und Beschichtungen eingestellt werden kann. Darüber hinaus ist dieses Konzept über die gesamte Lebensdauer verschleißfrei.

Auswahl eines stromsparenden,
kompakten Produkts

Für stromsparende und batteriebetriebene Anwendungen bietet MPS auch den MA782 an. Für ihn gelten die gleichen magnetischen Designprinzipien wie für den MA800. Da die Wiederholrate dieses Sensors konfigurierbar ist, lässt sich der durchschnittlichen Verbrauch des Sensors auf unter 10 µA senken. Darüber hinaus bietet der MA782 ein spezielles Signal, das anzeigt, wann eine Bewegung einen bestimmten Winkelschwellenwert überschritten hat. In einem solchen Watchdog-Szenario dient der Winkelsensor als Weckauslöser für das gesamte System und ermöglicht es Mikrocontrollern und Displays, im Schlafmodus zu bleiben, um eine erhebliche Menge Batteriestrom zu sparen.

Da der MA782 auch in einem UTQFN-14-Gehäuse (2 mm × 2 mm) geliefert wird, kombiniert er eine extrem stromsparende Abtastung mit einer extrem kleinen Stellfläche. Eine Kombination, die von entscheidender Bedeutung für neue Anwendungen ist, beispielsweise für drahtlose Thermostate in Privathaushalten oder Scharniersteuerungen in faltbaren Mobiltelefonen (Bild 9).

Aufgrund der geringen Stellfläche eignen sich diese stromsparenden Sensoren gut für anspruchsvolle Designs, bei denen kein Platz für Sensor und Leiterplatte auf der Drehachse oder am Ende des Scharniers vorhanden ist. Komponenten wie der MA782 erfassen das von der Rotationsachse entfernte Magnetfeld mit einer speziellen Kompensation, um den Winkel am Sensorausgang genau wiederzugeben.