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DE102006030319A1 - Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Bewegungen in elektrische Signale - Google Patents

Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Bewegungen in elektrische Signale Download PDF

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DE102006030319A1
DE102006030319A1 DE200610030319 DE102006030319A DE102006030319A1 DE 102006030319 A1 DE102006030319 A1 DE 102006030319A1 DE 200610030319 DE200610030319 DE 200610030319 DE 102006030319 A DE102006030319 A DE 102006030319A DE 102006030319 A1 DE102006030319 A1 DE 102006030319A1
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Abstract

Vorrichtung (1) zur Umwandlung mechanischer Bewegungen in elektrische Signale, die zur Prozesssteuerung dienen,
– mit einem Gehäuse (2), in dem ein Steuerknüppel (3) zur Aufnahme und Übertragung der Bewegungen in einer Ebene kippbar angeordnet ist,
– mit mindestens zwei dem Steuerknüppel (3) zugeordneten Signalgeber (8, 9, 37), durch die ein Feld oder ein Signal in der Bewegungs-Ebene des Steuerknüppels
(3) erzeugbar ist,
– und mit mindestens zwei mit den Signalgeber (8, 9, 37) jeweils zusammen wirkenden Empfangssensoren (18), durch die die Änderung des Feldes messbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder der Signalgeber (8, 9, 37) drehbar in dem Gehäuse (2) gelagert ist, dass die Empfangssensoren (18) unmittelbar im Bereich der Signalgeber (8, 9, 37) in dem Gehäuse (2) untergebracht sind und dass die Signalgeber (8, 9, 37) mittels Zwischenglieder (12) trieblich mit dem Steuerknüppel (3) verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Bewegungen in elektrische Signale, die zur Prozesssteuerung dienen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Aus der CH 688 065 A5 ist eine solche Vorrichtung zu entnehmen, in dessen Gehäuse vier Polschuhe angeordnet sind, die mit dem Steuerknüppel fest verbunden werden und daher jede Kippbewegung des Steuerknüppels nachvollziehen. Zwei gegenüberliegende Polschuhe sind als Permanentmagnete ausgebildet und mit einem magnetisch leitenden L-förmig ausgebildeten Profil fest verbunden, so dass die Bewegungen der einzelnen Polschuhe an die beiden Profile weitergegeben wird. Im Bereich der im Gehäuse integrierten Leiterplatte ist ein sogenannter Hall-Sensor, also ein Sensor, der die Änderungen des Magnetfeldes messen kann, vorgesehen.
  • Das magnetisch leitende Blech endet im Bereich des jeweiligen Hall-Sensors, so dass durch diesen die Bewegungen der Polschuhe, also die Änderungen des Magnetfeldes beim Betätigen des Steuerknüppels, ermittelbar ist. Die derart ausgewerteten magnetischen Signale werden anschließend in elektrische Signale, beispielsweise durch einen Mikroprozessor, umgerechnet und an eine elektrische Einheit für deren Prozessführung weitergegeben. Somit können die Bewegungen des Steuerknüppels zunächst in Änderungen eines Magnetfeldes und anschließend in elektrische Signal zur Prozessführung umgewandelt werden. Durch eine solche Joystick-Vorrichtung können demnach Steuersignale auf einen Bildschirm oder dgl. übertragen werden.
  • Als nachteilig bei diesem Stand der Technik hat sich herausgestellt, dass der Steuerknüppel ausschließlich in einer Ebene bewegt werden kann. Eine solche Bewegung entspricht einer Kippbewegung des Steuerknüppels. Wenn jedoch zusätzliche Informationen durch den Steuerknüppel an die elektrisch betriebene Baugruppe weitergegeben werden sollen, beispielsweise durch einen Drehknopf, sind zusätzliche Leitungen vorzusehen, durch die diese elektrischen Signale an die Leiterplatte und deren Bauteile übertragen werden. Diese Leitungen müssen demnach im Kippwinkelbereich des Steuerknüppels, also im Bereich der Lagerung des Steuerknüppels, verlaufen und unterliegen in diesem Übergangsbereich einer erheblichen Biegebelastung, so dass diese Leitungen oftmals kaputt gehen.
  • Darüber hinaus ist der Bauaufwand für eine solche Steuerknüppelvorrichtung äußerst aufwändig, denn die die magnetischen Änderungen übertragenden Profile sind äußerst exakt zu fertigen und einzubauen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, mittels der sowohl die Kippbewegungen des Steuerknüppels als auch zusätzliche weitere Bewegungen, beispielsweise Drehungen des Steuerknüppels, und zwar auch in dessen gekippten Stellungen, übertragen zu können. Dabei soll der Bauaufwand gering sein und die Funktion der Vorrichtung soll zuverlässig und dauerhaft gewährleistet sein.
  • Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Dadurch, dass die Signalgeber mit Mitnehmer verbunden sind, die im Gehäuse drehbar gelagert werden, wird die Position jedes Signalgebers im Gehäuse exakt festgelegt und unterliegt auch während einer längeren Betriebsdauer keinerlei Veränderungen durch Krafteinflüsse oder sonstigen Erschütterungen. Des Weiteren ist die Zuordnung der Signalgeber im Bereich der auf einer Leiterplatte angebrachten Empfangs-Sensoren exakt vornehmbar, so dass die Einstellung der Feldänderungen oder des Sensorsignals auch bei einer längeren Betriebsdauer nicht ungewollten Schwankungen unterliegt. Da nämlich der Abstand zwischen den Signalgebern, die ortsfest an den Mitnehmern abgestützt sind und den auf der Leiterplatte angebrachten Empfangs-Sensoren konstant beibehalten wird, bleibt der Abstand zwischen diesen Bauteilen nach der Montage unverändert, so dass durch die einmalige Einstellung und Kalibrierung der Vorrichtung ein zuverlässiger und exakter Betrieb möglich ist.
  • In der Zeichnung sind zwei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dargestellt, die nachfolgend näher erläutert werden. Im Einzelnen zeigt:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, mit einem in einem Gehäuse eingesetzten kippbaren und drehbaren Steuerknüppel, dessen Bewegungen auf vier Zwischenglieder übertragen werden, die an in dem Gehäuse eingesetzten Mitnehmern angeformt sind, in Explosionsdarstellung,
  • 2 die Vorrichtung gemäß 1 im zusammengebauten Zustand, entlang der Schnittlinie II-II,
  • 3 die Vorrichtung gemäß 1 um 45° gedreht gegenüber der 2, im Schnitt,
  • 4 die Vorrichtung gemäß 1 in Unteransicht,
  • 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, mit einem in einem Gehäuse kipp- und drehbar eingesetzten Steuerknüppel, dessen Bewegungen über vier Zwischenglieder an vier in das Gehäuse eingesetzten als Drehpotentiometer ausgebildeten Mitnehmern übertragbar ist, im Schnitt,
  • 6 die Vorrichtung gemäß 5 mit im Gehäuse zusätzlich vorgesehenen elektrischen Leitungen, im Schnitt und
  • 7 die Vorrichtung gemäß 5, in Ansicht von unten.
  • 1 kann eine Vorrichtung 1 zur Umwandlung von mechanischen Bewegungen eines in einem Gehäuse 2 kippbar und drehbar gelagerten Steuerknüppels 3 entnommen werden. Durch die Bewegungen des Steuerknüppels 3 sollen elektrische Signale erzeugt werden, die zu einer Prozesssteuerung, beispielsweise auf einem Computerbildschirm, dienen und die dem sichtbaren Bewegungsablauf eines Pfeils oder dgl. nachempfunden sind.
  • Zur Bewegungsausrichtung ist an dem Steuerknüppel 3 in dessen unteren im Gehäuse angeordneten Bereich eine Kugel 7 angeformt, die als Lager für den Steuerknüppel 3 in dem Gehäuse 2 wirkt. Die Kugel 7 des Steuerknüppels 3 wird dabei von zwei Führungsplatten 5 und 6 umgriffen und in diesen drehbar und kippbar gehalten. Die Führungsplatten 5 und 6 sind an dem Gehäuse 2 über Schrauben 19 und Muttern 21 abgestützt.
  • Die Führungsplatten 5 und 6 sind nach außen durch eine Abdeckung 4 und ein Abschlussgehäuse 24 verschlossen. Um den Eintritt von Staub und sonstigen Verschmutzungen zu verhindern kann ein nicht dargestellter Faltenbalg auf das Abschlussgehäuse 24 aufgeschoben werden. Der Steuerknüppel 3 durchgreift die Abdeckung 4 und das Abschlussgehäuse 24, so dass dieser von außen manuell greifbar ist. Das Abschlussgehäuse 24 übt dabei eine Rückstellkraft auf den Steuerknüppel 3 aus, durch die dieses in die Ausgangslage überführt ist.
  • Des Weiteren ist an dem im Gehäuse 2 endenden unteren Abschnitt des Steuerknüppels 3 ein Teller 15 fest angebracht, von dem vier Stifte 16 abstehen. Das Gehäuse 2 weist vier rund ausgebildete Aufnahmen 10 auf, in die jeweils ein Mitnehmer 11 eingesetzt ist. Die Mitnehmer 11 sind in Richtung einer im Gehäuse 2 untergebrachten Leiterplatte 17 offen ausgebildet und in diesen ist jeweils ein Permanent-Magnet 8 oder 9 derart eingesetzt, dass zwei benachbarte Permanent-Magnete 8 oder 9 unterschiedlich gepolt sind, so dass diese ein andersartig ausgebildetes Magnetfeld erzeugen.
  • An die Mitnehmer 11 ist jeweils ein als Zwischenglied 12 wirkender Steg 13 angeformt, der in Richtung des Steuerknüppels 3, also in das Zentrum des Gehäuses 2, zugekehrt ist. In den jeweiligen Steg 13 ist ein Langloch 14 eingearbeitet, in das die Stifte 16 des Tellers 15 eingreifen. Somit ist der Steuerknüppel 3 trieblich mit den vier Mitnehmern 11 und damit mit den Permanentmagneten 8 oder 9 verbunden. Die Rotationsachse der Permanentmagnete 8 und 9 verläuft senkrecht zu der von einer Leiterplatte 17 gebildeten horizontalen Ebene.
  • Auf der Leiterplatte 17 sind vier Magnetsensoren, die als sogenannte Hall-Sensoren 18 aufgebaut sind, angebracht. Die Position der jeweiligen Hall-Sensoren 18 ist dem jeweiligen Permanentmagnet 8 oder 9 zugeordnet, so dass die Permanentmagnete 8 oder 9 unmittelbar oberhalb und fluchtend zu den Hall-Sensoren 18 verlaufen.
  • Den 2 bis 4 kann entnommen werden, dass bei einer Bewegung des Steuerknüppels 3 in einer Ebene, die Mitnehmer 11 über die Zwischenglieder 12 im Gehäuse 2 in ihrer Position verändert werden, denn die Mitnehmer 11 sind drehbar im Gehäuse 2 gelagert, so dass durch eine Kippbewegung und/oder eine Verdrehung des Steuerknüppels 3 eine Lageveränderung der jeweiligen Mitnehmer 11 erzeugt wird. Durch die Rotation und der damit verbundenen Winkelveränderung der Mitnehmer 11 gegenüber den Sensoren 18 wird jedoch auch das von den Permanentmagneten 8 oder 9 erzeugte Magnetfeld unmittelbar im Bereich der Hall-Sensoren 18 verändert. Die Hall- Sensoren 18 messen demnach die Magnetfeldänderungen und geben diese an eine elektrische Auswerteeinrichtung, die der Leiterplatte 17 zugeordnet ist, beispielsweise einem Mikroprozessor oder einer andersartig aufgebauten Recheneinheit, weiter. Durch diese Recheneinheiten können die magnetischen Signale der Hall-Sensoren 18 derart in elektrische Signale umgewandelt werden, dass mittels diesen eine Bewegung eines Pfeils auf einem Bildschirm erkennbar ist, oder dass bestimmte Eingabebefehle durch den Steuerknüppel 3 übertragen und weitergeleitet werden.
  • Des Weiteren ist ersichtlich, dass in dem Gehäuse 2 eine Trennplatte 34 eingesetzt ist, durch die die Mitnehmer 11 in dem Gehäuse 2 abgestützt werden.
  • In 4 ist gezeigt, dass die vier Stifte 16 in dem jeweiligen Langloch 14 der Stege 13 bewegbar eingesetzt sind, so dass durch die Bewegung des Steuerknüppels 3 die jeweiligen Stifte 16 in den Langlöchern 14 verfahren werden und dadurch eine Drehbewegung der Mitnehmer 11 und demnach der Permanentmagnete 8 oder 9 entsteht. Es ist denkbar, lediglich zwei Permanentmagnete 8 oder 9 in jeweils zwei Mitnehmer 11 unterzubringen. Das zusätzliche Paar von Permanentmagneten 8 oder 9 dient entweder der Betriebssicherheit, wenn das erste Paar von Permanentmagneten 8 und 9 ausfällt oder zu zusätzlichen Messungen von Rotationsbewegungen. Durch die Drehung und/oder Kippung des Steuerknüppels 3 werden nämlich die von vier Mitnehmern 11 im gleichen Drehsinn bewegt; dies wird von der Rechen- und Auswerteeinheit erkannt und in entsprechende elektrische Signale umgewandelt. Wird der Steuerknüppel 3 zusätzlich oder ausschließlich gekippt, bewegen sich jeweils die der Kippbewegung gegenüberliegende Mitnehmer 11 in entgegensetzter Drehrichtung zueinander.
  • Den 5 bis 7 kann entnommen werden, dass an dem im Gehäuse 2 untergebrachten freien Ende des Steuerknüppels 3 der Teller 15' fest angebracht ist, in dem nunmehr vier Führungsnuten 33 eingearbeitet sind. An den jeweiligen Mitnehmern 11 sind Zapfen 31 angeformt, deren freien Ende dem Steuerknüppel 3 zugekehrt sind, also in das Zentrum des Gehäuses 2 ragen. Die freien Enden der Zapfen 31 sind als Kugelkopf 32 ausgebildet und in die jeweilige Führungsnut 33 eingesetzt. Die jeweiligen Kugelköpfe 32 können in der Führungsnut 33 längsverschieblich bewegt werden, so dass die mechanische Übertragung der Bewegungsrichtung des Steuerknüppels 3 auf die Mitnehmer 11 gewährleistet ist.
  • Die Breite der Führungsnuten 33 entspricht dem Durchmesser der darin eingesetzten Kugelköpfe 32.
  • Des Weiteren sind die Mitnehmer 11 nunmehr durch Drehpotentiometer 37 ersetzt. Durch die Rotation der Drehpotentiometer 37 wird ein Widerstands-Feld von unterschiedlicher Stärke erzeugt.
  • Zusätzlich sind im Inneren des Steuerknüppels 3 mehrere elektrische Leitungen 36 vorgesehen, die mit einem am freien nach außen abstehenden Ende des Steuerknüppels 3 angebrachten Drehknopf oder Taster verbunden sind. Die durch die Drehung des Drehknopfes oder durch die Betätigung des Tasters erzeugten elektrischen Signale werden an die Leiterplatte 17 durch die Leitungen 36 übertragen und von einer auf der Leiterplatte 17 angebrachten elektrischen Recheneinheit verwertet und in elektrische Signale umgewandelt. Der Austritt der elektrischen Leitungen 36 aus dem Steuerknüppel 3 erfolgt unmittelbar im Inneren des Gehäuses 2 und in geringem Abstand zu der Kippebene 35 des Steuerknüppels 3, so dass die elektrischen Leitungen 36 vorteilhafterweise keinen großen Auslenkbewegungen ausgesetzt sind und daher wenig mechanisch belastet werden.
  • Ferner können über die Leitungen 36 im Steuerknüppel 3 befindlichen Leuchtdioden angesteuert werden.
  • Die Rückstellung des Steuerknüppels 3 in eine Ausgangslage erfolgt durch eine am Abschlussgehäuse 24 aufgesetzte Feder 22, die zwischen dem Abschlussgehäuse 24 und ein am Steuerknüppel 3 angebrachter Anschlag 23 eingesetzt ist. Sobald der Steuerknüppel 3 daher in eine bestimmte Winkellage gekippt oder gedreht wird, entsteht eine Kraft, die auf die Feder 22 einwirkt und die durch diese zusammengepresst wird. Sobald der Steuerknüppel 3 daher wieder keiner Auslenkkraft unterworfen wird, schnappt die Feder 22 in ihre Ursprungslage zurück und richtet den Steuerknüppel 3 senkrecht zu dem Gehäuse 2 verlaufend aus. Dies entspricht der Ausgangslage des Steuerknüppels 3 in Bezug auf das Gehäuse 2.
  • In dem Gehäuse 2 können auch mehrere Steuerknüppel 3 vorgesehen sein. Die Hall-Sensoren 18 oder Empfangssensoren sind dann auf der einen Leiterplatte 17 angeordnet, so dass eine solche Ausbildung weniger Platz benötigt und einfach herzustellen ist.
  • Des weiteren können die Zwischenglieder (12) derart zusammenwirken, dass eine Ober- oder Untersetzung der Bewegung des Steuerknüppels erfolgt.

Claims (16)

  1. Vorrichtung (1) zur Umwandlung mechanischer Bewegungen in elektrische Signale, die zur Prozesssteuerung dienen, – mit einem Gehäuse (2), in dem ein Steuerknüppel (3) zur Aufnahme und Übertragung der Bewegungen in einer Ebene kippbar angeordnet ist, – mit mindestens zwei dem Steuerknüppel (3) zugeordneten Signalgeber (8, 9, 37), durch die ein Feld oder ein Signal in der Bewegungs-Ebene des Steuerknüppels (3) erzeugbar ist, – und mit mindestens zwei mit den Signalgeber (8, 9, 37) jeweils zusammen wirkenden Empfangssensoren (18), durch die die Änderung des Feldes messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Signalgeber (8, 9, 37) drehbar in dem Gehäuse (2) gelagert ist, dass die Empfangssensoren (18) unmittelbar im Bereich der Signalgeber (8, 9, 37) in dem Gehäuse (2) untergebracht sind und dass die Signalgeber (8, 9, 37) mittels Zwischenglieder (12) trieblich mit dem Steuerknüppel (3) verbunden sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Zwischenglieder (12) als Über- oder Untersetzungsglied ausgebildet ist, durch das die Bewegungen des Steuerknüppels (3) erhöht bzw. verringert sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der trieblichen Wirkverbindung zwischen dem Steuerknüppel (3) und den Signalgebern (8, 9, 37) eine Drehbewegung und/oder eine Kippbewegung des Steuerknüppels (3) in eine Rotationsbewegung der Signalgeber (8, 9, 37) zu deren Positionsveränderung gegenüber den Empfangssensoren (18) übertragbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachsen der Signalgeber (8, 9, 37) senkrecht zu einer, vorzugsweise horizontalen, Ebene verlaufen,
  5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeber (8, 9) jeweils mit einem Mitnehmer (11) fest verbunden sind und dass jedem der Mitnehmer (11) in kraftschlüssiger Wirkverbindung mitz dem Steuerknüppel (3) steht.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Mitnehmer (11) jeweils eines der in Richtung des Steuerknüppels (3) weisendes und als Steg (13) ausgebildetes Zwischenglied (12) angeformt ist, dass in jedem Steg (13) des Zwischengliedes (12) ein schlitzartiges Langloch oder Führungsöffnung (14) eingearbeitet ist und dass in jedes Langloch (14) ein mit dem Steuerknüppel (3) fest verbundener Stift (16) eingesetzt ist, durch den die Dreh- und Kippbewegung des Steuerknüppels (3) an die Mitnehmer (11) übertragbar ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Steuerknüppel (3) ein Teller (15) angebracht ist, an dessen in Richtung der Halbschale (11) weisende Oberfläche die Stifte (16) angeformt sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei gegenüberliegende Stege (13) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und dass die beiden von jeweils zwei Stegen (13) gebildete Ebene in unterschiedlichen Höhenniveaus verlaufen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenglieder (12) als Zapfen (31) ausgebildet sind, die an jeweils einem Mitnehmer (11) angeformt sind und die in Richtung des Steuerknüppels (3) weisen, dass die freien Enden der Zapfen (31) jeweils in einer Führungsnut (33) eingesetzt sind, die jeweils in einen mit dem Steuerknüppel (3) fest verbundenen Teller (15) eingearbeitet sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Führungsnuten (33) angeordneten freien Enden der Zapfen (31) als Kugelkopf (32) ausgebildet sind und dass die Breite der jeweiligen Führungsnut (33) mit dem Durchmesser des jeweiligen Kugelkopfes (32) korrespondiert.
  11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerknüppel (3) im Gehäuse (2) drehbar gelagert ist und dass die Drehbewegungen des Steuerknüppels (3) durch die Zwischenglieder (12) auf die Mitnehmer (11) übertragbar sind.
  12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) eine Leiterplatte (17) benachbart zu den Signalgeber (8, 9, 37) angeordnet ist, auf der die Empfangssensoren (18) vorgesehen sind und durch die die Änderungen des Feldes in elektrische Signale zur Prozesssteuerung umwandelbar sind.
  13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (2) eine Trennplatte (34) eingesetzt ist, in der die Signalgeber (8, 9, 37) abgestützt gehalten sind.
  14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeber (8, 9, 37) als Permanentmagnete (8, 9) oder als Drehpotentiometer (37) ausgebildet sind, durch die ein Magnet-Feld bzw. ein elektrischer Widerstand erzeugbar ist.
  15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeber als optische Sender als Lichtleiter, oder als Reflektor ausgebildet sind, durch die ein Licht-Feld oder Licht-Strahl erzeugbar ist, das oder der durch die Empfangssensoren (18) messbar ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Lichtleiter oder Reflektoren der von dem optischen Sender ausgesandte Licht-Strahl an einen Empfangssensor leitbar ist und dass der Lichtleiter, bzw. Reflektor und der Empfangssensor auf der Leiterplatte (17) angeordnet sind.
DE200610030319 2006-06-30 2006-06-30 Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Bewegungen in elektrische Signale Ceased DE102006030319A1 (de)

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