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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Positionsgeber, insbesondere auf ein Winkel- und Linearpositionsgeber-System vom kapazitiven Typ, das in mindestens einer Richtung arbeitet. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Joystickvorrichtung, die zur Verwendung im Automobilbereich geeignet ist.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Steuerung des Positionsgebers, um die Winkel- und/oder Linearpositionsänderung zu bestimmen.
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Es sind kapazitive Sensoren bekannt, die zur Bestimmung von Relativbewegungen zwischen Körpern und/oder zur Erkennung der Annäherung an oder der Berührung mit einer Oberfläche eines Objekts verwendet werden. Normalerweise sind kapazitive Sensoren mit Kupfer gefüllte Leiterplattenbereiche, die über Leiterbahnen aus leitfähigem Material mit einem Mikrocontroller verbunden sind. Normalerweise besteht das Verfahren zur Steuerung des kapazitiven Sensors darin, den Sensor periodisch zu überwachen, um eine mögliche Kapazitätsänderung zu erkennen, die durch eine Relativbewegung verursacht wird.
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Normalerweise sind solche Sensoren nur dafür ausgelegt, eine durch einen Bewegungstyp verursachte Kapazitätsschwankung zu bestimmen und/oder sind nicht in der Lage, zwischen verschiedenen Bewegungstypen korrekt zu unterscheiden.
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Gegenwärtig sind die im Automobilbereich eingesetzten Positionsgeber (Lagesensor, im Folgenden auch als Positionswandler, Positionsaufnehmer oder Positionstransducer bezeichnet) in der Regel elektromechanischer Art. Mit Hilfe von Mikroschaltern und/oder Schleifkontakten ist es möglich, in Abhängigkeit von der Öffnung und/oder Schließung eines oder mehrerer Stromkreise eine Veränderung der Position einer Karosserie zu bestimmen. Solche Lösungen haben den Nachteil, dass ihre Leistung im Laufe der Zeit aufgrund des Verschleißes der mechanischen Teile, die in der Vorrichtung enthalten sind, abnimmt oder sich verschlechtert.
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Um eine längere Lebensdauer zu erreichen, werden bei solchen Mikroschaltern und Schleifkontakten Technologien eingesetzt, die zu höheren Produktkosten führen.
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Diese technischen Probleme treten besonders in der Automobilindustrie auf, wo es neben einer genauen Bestimmung der auftretenden Positionsschwankungen eines Objektes, wie z.B. des Knopfes eines Joysticks, auch notwendig ist, die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit über die Zeit zu gewährleisten.
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Darüber hinaus fordert die Automobilindustrie zunehmend niedrigere Produktions- und Wartungskosten, z.B. durch den Austausch von in Fahrzeugen eingebauten Geräten.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese und andere technische Probleme zu lösen, indem ein kapazitiver Winkel- und Linearpositionsgeber zur Verfügung gestellt wird, der in der Lage ist, eine Veränderung der Position eines Objekts genau zu erfassen und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken und das Problem des Geräteverschleißes zu beseitigen.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Positionsgeber mit den im Anspruch 1 dargelegten Merkmalen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Joystickvorrichtung mit den im Anspruch 9 dargelegten Merkmalen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung des Positionsgebers mit den im Anspruch 11 dargelegten Merkmalen.
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Weitere Merkmale des Positionsgebers, der Joystick-Einrichtung und des Verfahrens sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Die Merkmale und Vorteile des Positionsgebers, der Joystick-Einrichtung und des Verfahrens werden im Lichte der folgenden Beschreibung mehrerer möglicher Ausführungsformen des Transducers, der Joystick-Einrichtung und des Verfahrens sowie anhand der beigefügten Zeichnungen klar und deutlich, wobei
- • zeigt in perspektivischer Ansicht eine mögliche Ausführungsform des Positionsgebers nach der vorliegenden Erfindung;
- • zeigt eine Draufsicht auf den Positionsgeber aus in einer möglichen Betriebskonfiguration;
- • Die und zeigen verschiedene Schnittdarstellungen des Positionsgebers, der an einer Joystickvorrichtung angebracht ist; insbesondere zeigt eine perspektivische Draufsicht der Joystickvorrichtung; zeigt eine Seitenansicht der Joystickvorrichtung;
- • Die zeigen einige Details des erfindungsgemäßen Positionsgebers; insbesondere zeigt den Expositionsbereich des Leiterkörpers; zeigt eine Platte eines kapazitiven Sensors, der im erfindungsgemäßen Positionsgebers enthalten ist; zeigt die Winkelsektoren, die aus leitfähigen Oberflächen bestehen, die in den kapazitiven Sensoren enthalten und elektrisch mit den jeweiligen Platten verbunden sind;
- • Die zeigen den Positionsgeber in mehreren möglichen Betriebskonfigurationen zur Erfassung von Winkelpositionsabweichungen; insbesondere zeigt den Positionsgeber in einer ersten Position oder Ruhestellung; zeigt den Positionsgeber nach einer ersten Drehung um eine erste Achse, verglichen mit ; zeigt den Positionsgeber nach einer zweiten Drehung um eine erste Achse, verglichen mit und ;
- • Die zeigen den Positionsgeber in mehreren möglichen Betriebskonfigurationen zur Erfassung linearer Positionsänderungen; insbesondere zeigt den Positionsgeber in einer ersten Position oder Ruheposition; zeigt den Positionsgeber nach einer Translation entlang einer zweiten Achse, verglichen mit ; zeigt den Positionsgeber nach einer Translation entlang einer dritten Achse, verglichen mit einer Ruheposition;
- • zeigt ein Flussdiagramm zur Bestimmung einer mit dem Positionsgeber erfassbaren Positionsvariation nach der vorliegenden Erfindung;
- • zeigt schematisch die elektronische Verbindung zwischen den kapazitiven Sensoren und der Steuereinheit des Positionsgebers nach der vorliegenden Erfindung.
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In Bezug auf die oben aufgeführten Figuren bezeichnet die Referenznummer 3 als Ganzes den erfindungsgemäßen Positionsgeber, während die Referenznummer 1 eine Joystickvorrichtung oder zumindest einen Teil davon bezeichnet, die einen erfindungsgemäßen Positionsgeber 3 umfasst.
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Der Positionsgeber 3 nach der vorliegenden Erfindung ist vom kapazitiven Typ. Der genannte Positionsgeber 3 ist sowohl winklig als auch linear. Daher ist der Positionsgeber 3 in der Lage, winklige und lineare Positionsänderungen zu bestimmen.
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Der Positionsgeber 3 nach der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet zur Verwendung in JoystickVorrichtungen 1.
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Der Positionsgeber 3 nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Welle 4. Diese Welle 4 erstreckt sich entlang einer ersten Achse „Z“. Diese Welle 4 kann sich um diese erste Achse „Z“ drehen. Die Welle 4 ist in der Lage, sich entlang mindestens einer Richtung zu bewegen, die durch eine zu dieser Achse „Z“ senkrechte Achse definiert ist, vorzugsweise entlang zweier Achsen.
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Der Positionsgeber 3 nach der vorliegenden Erfindung umfasst einen Leiterkörper 5. Der Leiterkörper 5 ist einstückig mit der Welle 4 verbunden. Vorzugsweise bewegt sich der Leiterkörper 5 einstückig mit der Welle 4.
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Der Positionsgeber 3 nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Leiterplatte oder PCB 31. Auf dieser Leiterplatte oder PCB 31 sind leitende Flächen 32 gebildet, die vorzugsweise geeignet sind, einen elektrischen Strom zu leiten und/oder mit einem elektromagnetischen Feld zu interagieren.
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Der Positionsgeber 3 nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Steuereinheit 33. Diese Steuereinheit 33 ist auf der Leiterplatte 31 angeschlossen. Die Steuereinheit 33 ist auch in geeigneter Weise elektrisch mit den leitenden Flächen 32 verbunden.
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Der Positionsgeber 3 nach der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens zwei kapazitiven Sensoren 6. Jeder kapazitive Sensor 6 umfasst eine Platte 64. Jede Platte 64 ist aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt. Jede Platte 64 ragt senkrecht aus der genannten Leiterplatte oder PCB 31 heraus.
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Mindestens zwei kapazitive Sensoren 6 sind jeweils elektronisch mit der Steuereinheit 33 verbunden.
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Diese Steuereinheit 33 ist so ausgelegt, dass sie Kapazitätsschwankungen sowohl in Bezug auf jeden kapazitiven Sensor 6 als auch in Bezug auf die leitenden Oberflächen 32 nach Variationen in der Position des Leiterkörpers 5 bestimmt.
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Die vorliegende Lösung ermöglicht die Bestimmung sowohl von Rotationsbewegungen als auch von linearen Translationsbewegungen durch eine geeignete Anordnung von kapazitiven Sensoren 6 und den genannten leitenden Flächen 32, z.B. Winkelsektoren 62, die in der Leiterplatte 31 enthalten sind. Die genannten kapazitiven Sensoren 6 und die genannten leitenden Oberflächen 32, insbesondere die Winkelsektoren 62, sind mit der Steuereinheit 33 elektrisch so verbunden, dass Kapazitätsschwankungen und damit die Bewegungen des Leiterkörpers 5, insbesondere in Bezug auf die Leiterplatte und die kapazitiven Sensoren, bestimmt werden können.
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In einer bevorzugten, aber nicht einschränkenden Ausführung ist jede Platte 64 elektrisch mit einer entsprechenden leitenden Oberfläche 32 verbunden, die in der gedruckten Schaltung 31 enthalten ist, z.B. einem Winkelsektor 62.
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In einer solchen Ausführungsform ist die Steuereinheit 33 so ausgelegt, daß sie Kapazitätsänderungen sowohl in bezug auf jeden kapazitiven Sensor 6 als auch in bezug auf die leitenden Flächen 32, insbesondere die mit den jeweiligen kapazitiven Sensoren 6 verbundenen leitenden Flächen 32, z.B. die Winkelsektoren 62, infolge von Lageänderungen des Leiterkörpers 5 ermittelt.
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In einer möglichen Ausführungsform umfasst die Steuereinheit 33 einen Mikrocontroller, der seinerseits eine Vielzahl von Kanälen, insbesondere Eingangskanälen, umfasst, mit denen die kapazitiven Sensoren 6 und/oder die leitenden Flächen 32 elektronisch verbunden sind. Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit 33 Messvorrichtungen, die geeignet sind, an den kapazitiven Sensoren 6 und/oder den leitenden Oberflächen 32 Messungen von mindestens einer elektrischen Größe vorzunehmen und gegebenenfalls die Messwerte aufzubereiten.
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In einer möglichen Verkörperung des Positionsgebers 3 nach der vorliegenden Erfindung ist die Welle 4 in der Lage, sich sowohl entlang einer ersten Richtung, definiert durch eine zweite Achse „X“, als auch entlang einer zweiten Richtung, definiert durch eine dritte Achse „Y“, zu bewegen. Insbesondere steht die zweite Achse „X“ senkrecht zu der dritten Achse „Y“. Vorzugsweise stehen die zweite Achse „X“ und die dritte Achse „Y“ senkrecht zu der ersten Achse „Z“.
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In der vorliegenden Ausführungsform des Wegaufnehmers 3 ist mindestens ein kapazitiver Sensor 6 entlang der ersten Richtung angeordnet, und daher liegt mindestens ein kapazitiver Sensor 6 auf der zweiten Achse „X“.
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In der vorliegenden Ausführungsform des Wegaufnehmers 3 ist mindestens ein kapazitiver Sensor 6 entlang der zweiten Richtung angeordnet; daher liegt mindestens ein kapazitiver Sensor 6 auf der dritten Achse „Y“.
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Neben der Bestimmung einer Winkelpositionsvariation erlaubt die vorliegende Ausführungsform auch die Bestimmung einer linearen Positionsvariation entlang zweier zueinander senkrechter Richtungen. Die vorliegende Ausführung erlaubt auch die Bestimmung des Sinnes der Positionsvariation entlang dieser beiden Richtungen.
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In einer bevorzugten, aber nicht einschränkenden Ausführung hat der erfindungsgemäße Positionsgeber 3 mindestens zwei kapazitive Sensoren 6, die entlang der ersten Richtung angeordnet sind, zwischen denen der Leiterkörper 5 positioniert ist.
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Vorzugsweise sind in der vorliegenden Ausführung des Positionswandlers 3 mindestens zwei kapazitive Sensoren 6 entlang der zweiten Richtung angeordnet, zwischen denen der Leiterkörper 5 positioniert ist. Daher liegen mindestens zwei kapazitive Sensoren 6 auf der zweiten Achse „X“ und mindestens zwei kapazitive Sensoren 6 auf der dritten Achse „Y“, wobei zwischen den verschiedenen kapazitiven Sensoren 6 der Leiterkörper 5 liegt, der sich um die erste Achse „Z“ drehen und sowohl entlang der zweiten Achse „X“ als auch entlang der dritten Achse „Y“ verschieben kann.
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Die gegenwärtigen Ausführungsformen erlauben eine genauere Bestimmung des Sinnes der Positionsvariationen entlang der beiden genannten Richtungen.
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Im allgemeinen ist der Leiterkörper 5 zwischen den kapazitiven Sensoren 6 angeordnet, um es der Steuereinheit 33 zu ermöglichen, die Positionsvariation zu bestimmen.
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Die Veränderung der Position des Leiterkörpers 5 wird durch die Welle 4 bewirkt, die von einem Benutzer bewegt werden kann, z.B. durch Betätigung eines Knopfes 10 einer Joystickvorrichtung 1, die in geeigneter Weise mit der Welle 4 verbunden ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Positionsgebers 3 nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von leitfähigen Oberflächen 32. Jede leitende Fläche 32 beschreibt einen Kreissektor; insbesondere beschreiben die leitenden Flächen 32, die elektrisch mit der Steuereinheit 33 und speziell mit den Kanälen der Steuereinheit 33 und/oder mit den kapazitiven Sensoren 6 verbunden sind, jeweils einen Kreissektor. Vorzugsweise definiert jede leitende Fläche 32, die mit einer Platte 64 verbunden ist, einen Winkelsektor 62.
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In einer bevorzugten, aber nicht einschränkenden Ausführungsform definiert jede leitende Oberfläche (32, 62) ungefähr einen Kreisquadranten.
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Vorzugsweise liegen mindestens zwei Winkelsektoren 62 auf der zweiten Achse „X“, und mindestens zwei Winkelsektoren 62 liegen auf der dritten Achse „Y“. Über den Winkelsektoren 62 liegt der Leiterkörper 5, wobei letzterer um die erste Achse „Z“ rotieren und sich sowohl entlang der zweiten Achse „X“ als auch entlang der dritten Achse „Y“ verschieben kann.
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In der Ausführung mit vier kapazitiven Sensoren 6, die paarweise entlang der zweiten Achse „X“ und der dritten Achse „Y“ angeordnet sind, sind die leitenden Flächen 32 vier und bilden so die Winkelsektoren 62. Daher beschreibt jeder Winkelsektor 62 oder jede leitende Oberfläche 32 ungefähr einen Quadranten eines Kreises. In dieser Verkörperung deckt jede leitende Oberfläche oder jeder Winkelsektor 62 einen Kreissektor von etwa 90° ab. Die genannten Winkelsektoren 62 oder leitfähigen Oberflächen 32 sind vorzugsweise aus Kupfer hergestellt.
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In einer möglichen Ausführung ist jeder kapazitive Sensor 6 mit einem entsprechenden Kanal der Steuereinheit 33 verbunden, und jeder Winkelsektor 62 ist mit einem entsprechenden Kanal der Steuereinheit 33 verbunden.
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In einer bevorzugten, aber nicht einschränkenden Ausführung gibt es vier kapazitive Sensoren 6, die paarweise entlang der zweiten Achse „X“ und der dritten Achse „Y“ angeordnet sind, und vier leitende Oberflächen 32, die die Winkelsektoren 62 bilden, von denen jeder mit einem entsprechenden Sensor 6 verbunden ist.
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In einer bevorzugten, aber nicht einschränkenden Ausführung des Positionsgebers 3 nach der vorliegenden Erfindung umfasst der Leiterkörper 5 einen Expositionsbereich 50.
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Der besagte Expositionsbereich 50 ist so geformt, dass er sowohl den besagten leitenden Oberflächen 32 oder Winkelsektoren 62 als auch den besagten Platten 64 der kapazitiven Sensoren 6, die im Positionswandler 3 enthalten sind, gegenüberliegen kann.
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Vorzugsweise umfaßt der Expositionsbereich 50 einen ersten Abschnitt 51, der so angepaßt ist, daß er sich parallel zu der Platte 64 positioniert, und einen zweiten Abschnitt 52, der elektrisch mit dem ersten Abschnitt 51 verbunden ist. Der zweite Teil 52 ist so ausgelegt, daß er sich parallel zu den leitenden Flächen 32 oder Winkelsektoren 62, vorzugsweise parallel zu den leitenden Flächen 32 oder Winkelsektoren 62, die elektrisch mit den entsprechenden Platten 64 der kapazitiven Sensoren 6 verbunden werden können, positioniert.
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In einer bevorzugten, aber nicht einschränkenden Ausführung wird besagter Expositionsbereich 50 als ein Stück leitendes Material hergestellt.
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Vorzugsweise ist der Expositionsbereich 50 mindestens eine Metallfolie, vorzugsweise eine geeignet geformte, insbesondere gefaltete Metallfolie.
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Der genannte Expositionsbereich 50 umfasst Befestigungsmittel, vorzugsweise Gelenke, zur Verbindung mit der Struktur des Leiterkörpers 5, der seinerseits an der Welle 4 befestigt ist.
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Vorzugsweise hat der Leiterkörper 5 eine Stützstruktur, die geeignet geformt ist, seine eigenen Abmessungen und sein eigenes Gewicht so weit wie möglich zu reduzieren und gleichzeitig eine angemessene Abstützung des Expositionsbereichs 50 zu gewährleisten, um die Flächenüberlagerung zwischen dem Expositionsbereich 50 und jedem kapazitiven Sensor 6 sowohl in bezug auf den Winkelsektor 62 als auch die Platte 64 zu maximieren.
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Im Allgemeinen sind die Konformation der Expositionsfläche 50 des Leiterkörpers 5 und die Konformationen der Platte 64 und des jeweiligen Winkelsektors 62 des kapazitiven Sensors 6 so beschaffen, dass die Fläche, über die sich diese Komponenten gegenüberliegen, maximiert wird, so dass jede Veränderung der Position des Leiterkörpers 5 relativ zu den kapazitiven Sensoren 6 so genau wie möglich bestimmt werden kann.
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Vorzugsweise kann der Expositionsbereich 50 einem Kreissektor zugewandt werden, der durch die kapazitiven Sensoren 6 und/oder die leitenden Oberflächen 32 oder Winkelsektoren 62 im Bereich von 90° bis 180°, je nach spezifischen Anforderungen, definiert ist.
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Der genannte Schacht 4 und die Struktur des Leiterkörpers 5 sind aus Kunststoff hergestellt.
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Die besagte Platte 64 des kapazitiven Sensors 6 ist metallisch und wird auf die Leiterplatte 31 gelötet, um elektrischen Strom leiten zu können und möglicherweise mit der entsprechenden leitenden Oberfläche 32, die den Winkelsektor 62 definiert, elektrisch verbunden zu sein.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Platte 64 wie eine Platte mit einem Verbindungsabschnitt 642 geformt, der geeignet ist, die Platte 64 mechanisch und elektrisch mit der gedruckten Leiterplatte 31 zu verbinden.
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Der Positionsgeber 3 nach der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet zur Verwendung in JoystickVorrichtungen 1.
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Die erfindungsgemäßen Joystickvorrichtungen 1 sind zur Verwendung in Fahrzeugen und/oder Booten für die Aktivierung und Steuerung einer oder mehrerer Funktionen, wie z.B. die Verstellung des Rückspiegels und/oder die Steuerung der Heizung und/oder das Umklappen des Rückspiegels, geeignet.
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Die Joystickvorrichtung 1 nach der vorliegenden Erfindung umfasst einen Drehknopf 10. Dieser Knopf 10 kann von einem Benutzer bewegt werden; insbesondere kann er lineare Translationen und/oder Rotationen um seine eigene Achse ausführen.
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Die Joystickvorrichtung 1 nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Tragstruktur 22. Der besagte Knopf 10 erstreckt sich von der besagten Struktur 22 und ragt aus dieser heraus, wie z.B. in den dargestellt.
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Die Joystickvorrichtung 1 nach der vorliegenden Erfindung umfasst einen kapazitiven Positionsgeber 3. Insbesondere ist die Welle 4 des Positionsgebers 3 mit dem Knopf 10 verbunden.
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Der genannte Positionsgeber 3 befindet sich in einem geeigneten Gehäuse 21, das in der Trägerstruktur 2 ausgebildet ist, die ein Loch aufweist, durch das der Knopf 10 mit der Welle 4 des Positionsgebers 3 verbunden werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Joystickvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Trägerstruktur 2 Führungen, die so angepasst sind, dass sich der Schaft 4 sowohl entlang der zweiten Achse „X“ als auch entlang einer dritten Achse „Y“ verschieben kann, wenn ein Benutzer den Knopf 10 betätigt.
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Vorzugsweise ist die Joystickvorrichtung 1 so konstruiert, dass die Trägerstruktur 2 zumindest teilweise auf der Leiterplatte 31 liegt.
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Ein mögliches Verfahren zur Steuerung eines kapazitiven Positionsgebers 3 nach der vorliegenden Erfindung umfasst folgende Phasen:
- a. Messung der verschiedenen Kanäle einer Steuereinheit 33, an die mehrere kapazitive Sensoren 6 und/oder leitende Oberflächen 32, die auf der Leiterplatte 31 ausgebildet sind, angeschlossen sind;
- b. Speichern der Messwerte für jeden Kanal der Steuereinheit 33 in einem geeigneten Speichermedium;
- c. Auswertung einer Positionsvariation relativ zu einer Ebene, deren Normale durch die erste Achse „Z“ definiert ist;
- d. Berechnung der Rotationskomponente in der Positionsvariation;
- e. Berechnung der Translationskomponente entlang mindestens einer Achse in der Positionsvariation.
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Das erfindungsgemäße Steuerverfahren eignet sich dazu, als Maschinenbefehle, die ein Computerprogramm beschreiben und von der Steuereinheit 33 z.B. durch einen Mikrocontroller ausgeführt werden sollen, in einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeichert zu werden.
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Das besagte Speichermedium kann in der besagten Steuereinheit 33 enthalten sein und/oder elektronisch mit derselben Steuereinheit 33 verbunden sein.
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Das vorliegende Verfahren wird kontinuierlich, z.B. in einer Schleife, ausgeführt, solange der erfindungsgemäße Positionsgeber 3, z.B. elektrisch betrieben, aktiv bleibt.
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Die Phase der Meßkanäle einer Steuereinheit 33, an die mehrere kapazitive Sensoren 6 und/oder leitende Oberflächen 32 angeschlossen sind, sieht die Messung einer oder mehrerer elektrischer Größen vor, die mit den kapazitiven Sensoren 6 und/oder leitenden Oberflächen 32 in Beziehung stehen, wie z.B. eine Spannung zwischen Masse und dem kapazitiven Sensor 6 und/oder eine Spannung zwischen der leitenden Oberfläche 32 und Masse oder nur der Spannungsabfall zwischen der Platte 64 und Masse, wenn die Platte 64 elektrisch mit dem jeweiligen Winkelsektor 62 verbunden ist.
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Die Messung wird für jeden Kanal der Steuereinheit 33 durchgeführt, an den mindestens ein kapazitiver Sensor 6 und/oder eine leitende Fläche 32 angeschlossen ist.
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Die Phase der Speicherung der für jeden Kanal der Steuereinheit 33 gemessenen Werte ermöglicht es, einen Satz aufeinanderfolgender Messungen, z.B. in einer Anzahl von 2 bis 100, zu speichern, um frühere Messungen zu verfolgen, die dann für einen Vergleich und/oder eine Berechnung verwendet werden können.
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Die aus den Messungen auf den verschiedenen Kanälen gewonnenen Werte werden in einem - auch flüchtigen - Speichermedium gespeichert. Dieses Speichermedium kann sich in der genannten Steuereinheit 33 befinden und/oder elektronisch mit derselben Steuereinheit 33 verbunden sein.
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Die Phase der Auswertung der Positionsabweichung relativ zu einer Ebene, deren Normale durch die erste Achse „Z“ definiert ist, sieht die Verarbeitung der Daten vor, die aus den auf den verschiedenen Kanälen der Steuereinheit 33 durchgeführten Messungen gewonnen werden, z.B. durch Vergleich der gemessenen Werte mit zuvor gemessenen Werten, um festzustellen, ob eine Abweichung in mindestens einer gemessenen elektrischen Größe aufgetreten ist. Eine solche Datenverarbeitung erlaubt es festzustellen, ob eine Veränderung der Position des Leiterkörpers 5 in der Ebene aufgetreten ist, d.h. in der Ebene, die durch die Leiterplatte 31 definiert ist, auf der die leitenden Flächen 32, insbesondere die Winkelsektoren 62, und die Platten 64 der kapazitiven Sensoren 6 liegen.
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In der gegenwärtigen Phase kann daher festgestellt werden, ob eine Positionsvariation z.B. relativ zu einer ersten Position oder einer Leerlaufposition aufgetreten ist oder nicht.
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Die Phase der Berechnung der Rotationskomponente in der Positionsvariation sieht die Verarbeitung der aus den Messungen gewonnenen Daten vor, wobei ausgewertet wird, welche Kanäle der Steuereinheit 33 an der elektrischen Größenänderung beteiligt waren. In dieser Phase ist vorgesehen, durch geeignete Algorithmen den Drehwinkel des Leiterkörpers 5 um die Achse „Z“, falls vorhanden, auszuwerten.
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Die Phase der Berechnung der Translationskomponente in der Positionsvariation sieht die Verarbeitung der aus den Messungen gewonnenen Daten vor, wobei ausgewertet wird, welche Kanäle der Steuereinheit 33 an der elektrischen Größenänderung beteiligt waren. In dieser Phase ist vorgesehen, durch geeignete Algorithmen die Richtung und den Sinn der Translationsbewegung, falls vorhanden, des Leiterkörpers 5 auszuwerten.
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Die Reihenfolge der Ausführung der Berechnungsphasen der Kontrollmethode gemäß der vorliegenden Erfindung kann umgekehrt werden, und/oder solche Phasen können parallel ausgeführt werden.
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Die Algorithmen, die in den Berechnungsphasen der Methode verwendet werden, werden in geeigneter Weise entwickelt, indem alle möglichen Fälle von Kapazitätsschwankungen berücksichtigt werden, die in Abhängigkeit von den verschiedenen Bewegungen des Leiterkörpers 5 in Abhängigkeit von den Freiheitsgraden der Welle 4 erkannt werden könnten.
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Im Allgemeinen kann die Kapazität jedes kapazitiven Sensors 6 und/oder jeder leitfähigen Oberfläche 32 in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Expositionsfläche 50 des Leiterkörpers 5 und einer oder mehreren Platten 64 der kapazitiven Sensoren 6 und auch in Abhängigkeit von der Überlagerungsfläche zwischen der Expositionsfläche 50 des Leiterkörpers 5 und einer oder mehreren leitfähigen Oberflächen 32 oder Winkelsektoren 62, die auf der Leiterplatte 31 ausgebildet und mit den jeweiligen kapazitiven Sensoren 6 verbunden sind, variieren.
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Insbesondere kann die Translationskomponente bestimmt werden, wenn eine Veränderung des Abstands zwischen dem Expositionsbereich 50 des Leiterkörpers 5 und einer oder mehreren Platten 64 festgestellt wird.
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Andererseits kann die Rotationskomponente bestimmt werden, wenn eine Variation in der Überlagerungsfläche zwischen der Expositionsfläche 50 des Leiterkörpers 5 und einer oder mehreren leitenden Flächen 32 oder Winkelsektoren 62, die auf der PCB 31 gebildet werden, auftritt.
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Nach alternativen Ausführungsformen kann eine rotatorische oder translatorische Komponente durch Auswertung von Abstandsänderungen zwischen dem Expositionsbereich 50 des Leiterkörpers 5 und einer oder mehreren Platten 64 sowie zwischen dem Expositionsbereich 50 des Leiterkörpers 5 und einer oder mehreren leitenden Flächen 32 oder Winkelsektoren 62 bestimmt werden.
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zeigt ein Flussdiagramm zur Bestimmung einer mit dem Positionsgeber 3 erfassbaren Positionsvariation, die eine mögliche Ausführungsform des Regelverfahrens nach der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Die Methode umfasst eine erste Phase: I) Initialisierung des Positionsgebers 3.
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In dieser Phase I) können Verfahren durchgeführt werden, um die ordnungsgemäße Funktion des Positionsgebers 3 zu überprüfen, z.B. die Funktion des Steuergerätes 33 und/oder der kapazitiven Sensoren 6.
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Insbesondere die Phase I) der Initialisierung des Positionsgebers 3 umfasst die folgenden Unterphasen:
- I1) Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion des Positionsgebers 3;
- I2) Verifizierung des Positionsaufnehmers 3.
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In Unterphase 11) wird ein diagnostisches Verfahren zur Initialisierung des Positionsaufnehmers 3 durchgeführt. Sollte sich bei der Durchführung der Unterphase 11) herausstellen, dass der Positionsgeber nicht korrekt arbeitet und/oder seine Initialisierung nicht abgeschlossen werden kann, geht das Verfahren in der nächsten Entscheidungsunterphase 12) den „falschen“ Weg und damit zum Ausgang des Regelverfahrens, was zu einem Fehlersignal führt.
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Die Entscheidungsunterphase 12) wird auch verwendet, um zu überprüfen, ob es angebracht ist, die Ausführung der Kontrollmethode gemäß der vorliegenden Erfindung fortzusetzen. In der Tat ermöglicht die Unterphase 12) die zyklische Ausführung der Kontrollmethode gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Anschliessend wird die Phase a) der Messung der Kanäle der Steuereinheit 33 durchgeführt.
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Die in dargestellte Verkörperung umfasst die folgenden Unterphasen:
- a1) Durchführung mindestens einer Messung einer elektrischen Größe für jeden Kanal der Steuereinheit 33;
- a2) Konditionierung der durchgeführten Messungen.
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Die Unterphase a1) sieht die Messung einer elektrischen Größe, z.B. einer Spannung, vor, die auf jedem Kanal der Steuereinheit 33 vorhanden ist. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob eine Positionsänderung eingetreten ist, insbesondere eine Änderung der Lage des Leiterkörpers 5 in Bezug auf die kapazitiven Sensoren 6 und/oder in Bezug auf die leitenden Flächen 32.
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Die Unterphase a2) sieht die Verarbeitung des gemessenen Signals zum Zweck der Reduzierung der Messfehler und der Unsicherheit vor. Insbesondere wird das gemessene Signal in geeigneter Weise gefiltert und/oder entsprechend verstärkt, um die Verarbeitung der durchgeführten Messung zu verbessern. Dieselbe Messung, die im analogen Modus durchgeführt wird, kann einer digitalen Umwandlung unterzogen werden, so dass sie in den nächsten Phasen des Kontrollverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besser verarbeitet und/oder verglichen werden kann.
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Das Flussdiagramm, das eine mögliche Verkörperung der Kontrollmethode nach der vorliegenden Erfindung darstellt, enthält vor der Phase der Speicherung der Messdaten eine Entscheidungsunterphase: b0) Verifizierung der seit der letzten Ausführung der Phase b) verstrichenen Zeit.
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Diese Unterphase ermöglicht es, nur die in regelmäßigen Mindestintervallen gemessenen Werte zu speichern, um nicht zu viel Speicherplatz zu verbrauchen, und die in solchen Zeitabständen gemessenen Werte zu verarbeiten, dass die Wahrscheinlichkeit einer Positionsänderung in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Geschwindigkeit, mit der die Welle 4 von einem Benutzer über den Knopf 10 der Joystickvorrichtung 1 bewegt werden kann, erhöht wird.
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Die Intervalle können zum Beispiel zwischen 0,1 und 1 Sekunde liegen; vorzugsweise werden die Messungen alle 0,5 Sekunden gespeichert.
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Wenn eine längere Zeit als die vordefinierte Zeit verstrichen ist, geht die Methode in die Unterphase b1) über, indem sie dem „Ja“-Pfad folgt; alternativ dazu wird der „Nein“-Pfad befolgt und somit zur Unterphase a0) zurückgekehrt.
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Auf die Unterphase b0) folgt die Unterphase b1) der Speicherung der Messwerte in einem Speichermedium.
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Danach werden die Phasen c), d) und e) des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens, wie zuvor beschrieben, durchgeführt.
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Das Flussdiagramm zeigt, dass es nach Phase e) möglich ist, zur Unterphase 12) zurückzukehren, um zu beurteilen, ob es weiterhin notwendig ist, die Kontrollmethode nach der vorliegenden Erfindung auszuführen, oder ob die gleiche Methode beendet werden sollte.
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Alle Verkörperungen der Kontrollmethode, die hierin nicht im Einzelnen beschrieben wurden, die aber im Lichte der vorliegenden Beschreibung abgeleitet werden können, gelten als in der vorliegenden Beschreibung enthalten.
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zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Positionsgebers 3 nach der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführung besteht der Positionsgeber 3 aus einem beweglichen Leiterkörper 5, der starr mit der Welle 4 verbunden ist, wobei letztere in der Lage ist, den damit verbundenen Leiterkörper 5 zu drehen oder zu verschieben, vorzugsweise durch Drehen um eine erste Achse „Z“ und Verschieben entlang einer zweiten Achse „X“ und entlang einer dritten Achse „Y“, wobei diese Achsen senkrecht zueinander stehen.
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Der Positionsgeber 3 umfasst ferner vier kapazitive Sensoren 6, von denen jeder elektrisch mit einer leitenden Fläche 32 oder einem Winkelsektor 62 verbunden ist, der als Kreissektor von etwa 90° geformt ist. Jeder Winkelsektor 62 umfasst Kupfer und ist auf der Leiterplatte oder PCB 31 ausgebildet und elektrisch mit einer entsprechenden Metallplatte 64 verbunden, die auf die Leiterplatte oder PCB 31 gelötet ist. Jeder der vier Sensoren 6 ist elektrisch mit einer Steuereinheit 33 verbunden, insbesondere mit einem entsprechenden Kanal.
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Die genannten kapazitiven Sensoren 6 sind paarweise entlang der zweiten Achse „X“ und entlang der dritten Achse „Y“ positioniert, zwischen denen der Leiterkörper 5 angeordnet ist.
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Der besagte Leiterkörper 5 umfasst einen Expositionsbereich 50 aus metallischem Material zum Zweck der Wechselwirkung mit den besagten kapazitiven Sensoren 6.
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zeigt eine Draufsicht auf den Positionsgeber 3 aus in einer möglichen Betriebskonfiguration.
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Diese Abbildung zeigt den Leiterkörper 5, der zwischen zwei kapazitiven Sensoren 6 positioniert ist, insbesondere zwischen zwei Platten 64, wobei eine Platte 64 entlang der zweiten Achse „X“ und die andere Platte 64 entlang der dritten Achse „Y“ angeordnet ist. Ferner ist, wie leicht verständlich, der Leiterkörper 5 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Winkelsektoren 62 positioniert. Aus kann man die möglichen Bewegungen relativ zu den Achsen (X, Y, Z) ableiten, insbesondere Rotationsbewegungen um die erste Achse „Z“ und Translationsbewegungen sowohl entlang der zweiten Achse „X“ als auch entlang der dritten Achse „Y“. Der erfindungsgemässe Positionsgeber 3 liegt auf der Leiterplatte 31.
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zeigt die Joystickvorrichtung 1 in einer Seitenansicht im Schnitt. In dieser Abbildung sieht man den erfindungsgemässen Positionsgeber 3 nach der vorliegenden Erfindung, der auf eine Joystickvorrichtung 1 angewendet wird. Diese Abbildung zeigt eine mögliche Ausführungsform der Tragstruktur 2, wobei ein Knopf 10 zu sehen ist, der aus derselben Tragstruktur 2 herausragt. Die Tragkonstruktion 2 umfasst ein Gehäuse 21, in dem der Positionswandler 3 untergebracht ist. Diese Trägerstruktur 2 weist ein Loch auf, durch das die Welle 4 des Positionsgebers 3, der in dem Gehäuse 21 angeordnet ist, mit dem Knopf 10 verbunden ist.
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Aus dieser Schnittzeichnung kann man eine mögliche Konformation des Leiterkörpers 5 und des Expositionsbereichs 50 entnehmen.
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zeigt eine perspektivische Schnittansicht der Joystickvorrichtung 1 von oben. In dieser Abbildung sieht man den auf eine Joystickvorrichtung 1 applizierten Positionsgeber 3 aus einem anderen Blickwinkel, verglichen mit .
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Wie zeigt eine mögliche Ausführungsform der kapazitiven Sensoren 6; insbesondere sieht man in zwei Platten 64, die einander zugewandt und in Bezug auf die zweite Achse „X“ ausgerichtet sind. Zwischen diesen beiden Platten befindet sich der Leiterkörper 5, der einen Expositionsbereich 50 umfasst. Dieser Leiterkörper 5 ist mit der Welle 4 verbunden, die ihrerseits mit dem Knopf 10 der Joystickvorrichtung 1 verbunden ist.
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zeigt eine mögliche Ausführungsform des Expositionsbereichs 50 des Leiterkörpers 5. In dieser Abbildung sind folgende Teile sichtbar: der erste Teil 51, der für die Interaktion mit den genannten Platten 64 geeignet ist; und der zweite Teil 52, der für die Interaktion mit den genannten Winkelsektoren 62 der kapazitiven Sensoren 6 geeignet ist.
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Der erste Teil 51 besteht z.B. aus zwei Blättern oder Platten, die so angeordnet sind, dass sie einen bestimmten Winkel dazwischen beschreiben, z.B. einen Winkel von etwa 135°. Eine solche Anordnung erlaubt es, die Fläche des Expositionsbereichs 50, die den Platten 64 zugewandt ist, zu vergrößern. Durch diese Anordnung wird vermieden, dass die genannten Blätter aufgrund der Verschiebung mit den Platten 64 in Kontakt kommen können.
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Der zweite Teil 52 hat ein erstes Ende, von dem sich der erste Teil 51 erstreckt, wobei letzterer senkrecht zum zweiten Teil 52 angeordnet ist.
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Am entgegengesetzten Ende des zweiten Teils 52 befindet sich ein Verbindungsteil, durch das der Expositionsbereich 50 mit der Struktur des Leiterkörpers 5 verbunden ist.
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Der genannte Expositionsbereich 50 wird in einem Stück hergestellt, z.B. durch geeignete Formgebung einer Metallfolie.
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zeigt eine Platte 64 eines kapazitiven Sensors 6, der nach der vorliegenden Erfindung im Positionsaufnehmer 3 enthalten ist.
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In der vorliegenden Abbildung sieht man eine planare Konfiguration mit einem Verbindungsteil 642, zum Beispiel in Form von zwei Stiften, die geeignet sind, die Platte 64 mechanisch und elektrisch mit der Leiterplatte oder PCB 31 zu verbinden. Vorzugsweise ist dieser Verbindungsteil 642 im wesentlichen unter der durch die Leiterplatte 31 definierten Fläche angeordnet, auf der die leitenden Flächen 32 und insbesondere die Winkelsektoren 62 liegen.
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zeigt die Winkelsektoren 62, bestehend aus leitfähigen Flächen 32, die an die kapazitiven Sensoren 6 angeschlossen werden können, insbesondere elektrisch verbunden mit den jeweiligen Platten 64 des jeweiligen kapazitiven Sensors 6, die z.B. in den kapazitiven Sensoren 6 enthalten sind.
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In der abgebildeten Verkörperung gibt es vier Winkelsektoren 62. Die genannten Winkelsektoren 62 sind elektrisch voneinander isoliert. Die Anzahl und Gestalt der Winkelsektoren 62 kann von der Anzahl der kapazitiven Sensoren 6 abhängen, die nach der vorliegenden Erfindung im Positionsgeber 3 implementiert sind. Werden mehr als vier, vorzugsweise Vielfache von zwei kapazitiven Sensoren 6 verwendet, ändert sich die Form der Winkelsektoren 62 dahingehend, dass sie ein Kreissegment mit kleinerem Winkel abdecken.
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Aus der Abfolge der kann man die Variation ableiten, die in der vom Leiterkörper 5 eingenommenen Position auftritt, und insbesondere die Variation der Winkellage des Expositionsbereichs 50 des Positionsaufnehmers 3. zeigt den Positionsgeber 3 in einer ersten Position, z.B. einer Ruhestellung, insbesondere in einer Position, in der der Positionsgeber 3 vor Beginn einer Positionsänderung stationär ist. zeigt den Positionsgeber 3 nach einer ersten Drehung um eine erste Achse „Z“. Diese Bewegung wird besonders deutlich, wenn man diese Abbildung mit vergleicht.
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Die Winkelpositionsänderung kann durch eine Drehung der Welle im Uhrzeigersinn um ca. 45° oder gegen den Uhrzeigersinn um ca. 405° verursacht worden sein 4.
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zeigt den Positionsgeber 3 nach einer zweiten Drehung um eine erste Achse „Z“, insbesondere im Vergleich zu und . Die Winkelpositionsabweichung kann durch eine Drehung der Welle 4 im Uhrzeigersinn um ca. 90° gegenüber der in dargestellten Position oder durch eine Drehung der Welle 4 gegen den Uhrzeigersinn um ca. 225° gegenüber der in dargestellten Position verursacht worden sein.
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Die Änderung der Position des Expositionsbereichs 50 führt zu mindestens einer Änderung mindestens einer elektrischen Größe eines oder mehrerer kapazitiver Sensoren 6 und/oder der genannten leitfähigen Oberflächen 32. Eine solche Veränderung kann mit Hilfe der Steuereinheit 33 erkannt werden.
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Die Zeichnungen zeigen nur zwei Platten 64 der jeweiligen kapazitiven Sensoren 6, um das Verständnis für die Bewegung des Expositionsbereichs 50 des Leiterkörpers 5 um die erste Achse „Z“ zu erleichtern, und auch um eine Verkörperung zu beschreiben, die nur zwei kapazitive Sensoren 6 umfasst.
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Aus der Abfolge der kann man die Variation ableiten, die in der vom Leiterkörper 5 eingenommenen Position auftritt, und insbesondere die Variation in der Position des Expositionsbereichs 50 des Positionswandlers 3 aufgrund von Verschiebungen, die entlang der zweiten Achse „X“ und der dritten Achse „Y“ auftreten. zeigt den Positionsgeber 3 in einer ersten Position, z.B. einer Ruhestellung, insbesondere in einer Position, in der der Positionsgeber 3 stationär ist, bevor eine Positionsänderung begonnen wird.
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zeigt den Positionsgeber 3 nach einer Verschiebung entlang der zweiten Achse „X“ von der in gezeigten Position des Positionsgebers 3.
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Ein Vergleich zwischen den und zeigt, dass sich der Abstand zwischen dem Expositionsbereich 50 des Leiterkörpers 5 und einer entlang der zweiten Achse „X“ angeordneten Platte 64 geändert hat. Daher liegt der Expositionsbereich 50 nun näher an der Platte 64, wodurch sich eine elektrische Größe ändert, die mit dem entsprechenden kapazitiven Sensor 6 verbunden ist und die mit Hilfe der Steuereinheit 33 erfasst werden kann.
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zeigt den Positionsgeber 3 nach einer Translation entlang einer dritten Achse „Y“. Im Vergleich zu wird der Positionsgeber 3 in aus einer anderen Perspektive betrachtet, und der Expositionsbereich 50 hat eine Drehung erfahren, um mit der dritten Achse „Y“ ausgerichtet zu werden, und eine Verschiebung entlang der dritten Achse „Y“, wodurch er sich der Platte 64 des kapazitiven Sensors 6 nähert, der entlang der dritten Achse „Y“ positioniert ist. Auch in diesem Fall nähert sich der Expositionsbereich 50 der Platte 64, wodurch sich eine dem entsprechenden kapazitiven Sensor 6 zugeordnete elektrische Größe ändert, die mit Hilfe der Steuereinheit 33 erfasst werden kann.
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Die Zeichnungen zeigen nur zwei Platten 64 der jeweiligen kapazitiven Sensoren 6, um das Verständnis der Bewegung des Expositionsbereichs 50 des Leiterkörpers 5 relativ zur zweiten Achse „X“ und zur dritten Achse „Y“ zu erleichtern und auch eine mögliche Ausführungsform mit nur zwei kapazitiven Sensoren 6 zu beschreiben.
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zeigt schematisch die elektronische Verbindung zwischen den kapazitiven Sensoren 6 und der Steuereinheit 33 des Positionsgebers 3 nach der vorliegenden Erfindung.
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Die Zeichnung zeigt vier kapazitive Sensoren 6. Andere Ausführungsformen mit mehr als vier kapazitiven Sensoren 6 sind ebenfalls möglich, wie in selbst vorgeschlagen. Zum Beispiel können zusätzlich zu den kapazitiven Sensoren 6 auch die genannten leitfähigen Flächen 32 oder Winkelsektoren 62 an das Steuergerät 33 angeschlossen werden, insbesondere an die jeweiligen Kanäle.
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Diese Steuereinheit 33 kann zusätzlich zu einer Verarbeitungseinheit, z.B. einem Mikrocontroller, Messgeräte umfassen, die in der Lage sind, eine elektrische Größe zu messen, die mit den kapazitiven Sensoren 6 und/oder leitfähigen Oberflächen 32 oder Winkelsektoren 62 zusammenhängt.
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Der Positionsgeber 3 nach der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, gleichzeitig zwei Arten von Informationen zu bestimmen:
- - Drehwinkel des an der Welle 4 verankerten beweglichen Leiterkörpers 5;
- - Nähe und Translationsrichtung des an der Welle 4 verankerten Leiterkörpers 5.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, auf einfache und effektive Weise einen linearen und rotatorischen Positionsgeber durch den Einsatz kapazitiver Technologie zu realisieren.
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Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, den Verschleiß von Teilen durch Gleitbewegung und mechanischen Kontakt zu verhindern und damit die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Positionsgebers 3 erheblich zu verlängern.
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Alle gleichwertigen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beschrieben sind, die aber von einem Fachmann anhand der vorliegenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen leicht hergeleitet werden können, sollten als in den Schutzbereich der vorliegenden Patentanmeldung fallend betrachtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Joystick-Vorrichtung
- 10
- Knopf
- 2
- Stützstruktur
- 21
- Wohnen
- 3
- Positionsgeber
- 31
- Gedruckte Leiterplatte oder PCB
- 32
- Leitfähige Oberflächen
- 33
- Steuereinheit
- 4
- Schacht
- 5
- Leiterkörper
- 50
- Expositionsbereich
- 51
- Erster Teil
- 52
- Zweiter Teil
- 6
- Kapazitive Sensoren
- 62
- Winkelsektor
- 64
- Tafel
- 642
- Verbindungsbereich
- Z
- Erste Achse
- X
- Zweite Achse
- Y
- Dritte Achse
