DE19611230C1 - Eingabegerät mit einem kippbaren Steuerhebel und signalerzeugenden Mitteln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Eingabegerät mit einem in zwei Drehebenen um zwei Drehachsen kippbaren Steuerhebel und mit Mitteln zur Erzeugung eines von der Winkelposition des Steuerhebels in der jeweiligen Drehebene bezüglich einer vor­ gegebenen Nullage abhängigen elektrischen Signals.

Steuerhebel werden auf vielen industriellen Anwendungsgebie­ ten sowie in Produkten der Unterhaltungselektronik als Einga­ begeräte eingesetzt. Sie sind insbesondere manuell um minde­ stens eine Drehachse zu kippen. Um zwei zueinander senkrecht gerichtete Drehachsen kippbare Steuerhebel werden vielfach auch als Joysticks bezeichnet. Sie sind typischerweise mit zwei Gelenken versehen, die die Kippungen in den beiden Dreh­ ebenen ermöglichen. Bei diesen Eingabegeräten schneiden sich die Drehachsen.

Um die Winkelposition des Steuerhebels in der mindestens ei­ nen Drehebene zu erfassen und in ein elektrisches Signal um­ zuwandeln, sind bei bekannten Ausführungsformen in dem pro Drehebene vorhandenen Gelenk Schichtpotentiometer angebracht. Diese kontaktbehafteten Potentiometer unterliegen Verschleiß durch Abrieb und Korrosion und beeinträchtigen so die Zuver­ lässigkeit eines solchen Steuerhebels. In technisch an­ spruchsvolleren Geraten werden deshalb auch kontaktlose Win­ kelpositionssensoren eingesetzt. Die hierfür verwendeten Sen­ soren sind aber im Vergleich zu Schichtpotentiometern erheb­ lich teurer.

Aus der DD 2 53 496 A1 ist ein als Joystick angesehenes Einga­ begerät für Steuerbefehle zu entnehmen, das einen Steuerhebel enthält, welcher an seinem einen Ende in einem Kugelgelenk gelagert ist. Der Steuerhebel ist mit einem innerhalb der Ge­ lenkkugel befindlichen Stabmagneten starr verbunden, dessen Magnetfeld in Abhängigkeit von der jeweiligen Kippstellung des Steuerhebels mittels zweier außerhalb des Bereichs der Gelenkkugel befindlicher magnetoresistiver Sensoren detek­ tiert wird. Bei dieser Anordnung ist an den flächig gestalte­ ten magnetoresistiven Sensoren die magnetische Feldstärke des von dem Startmagneten erzeugten Magnetfeldes verhältnismäßig gering. Die von den beiden magnetoresistiven Sensoren hervor­ gerufenen Signale sind dann aber unter Zugrundelegung übli­ cher magnetoresistiver Sensoren feldstärkeabhängig. Außerdem ist bei der Kugelgelenklagerung nur mit einem hohen elektro­ nischen Aufwand eine eindeutige Zuordnung der Sensorsignale zu der jeweiligen Position des Steuerhebels möglich.

Aus der WO 9/17426 A1 ist ein Schichtensystem zu entnehmen, das einen erhöhten magnetoresistiven Effekt, insbesondere einen sogenannten "Giant Magneto Resistance" (GMR)-Effekt zeigt. Hierzu weist das bekannte Schichtensystem mehrere sehr dünne Schichten aus magnetischem und nicht-magnetischem Material auf. Derartige GMR-Dünnschichtensysteme sind auch aus der EP 0 483 373 A oder den DE-A-Schriften 42 32 244, 42 43 357 oder 42 43 358 bekannt. Das aus der WO-Schrift entnehmbare GMR- Dünnschichtensystem kann insbesondere zur Erfassung einer Winkel/Dreh-Position eines Objektes nach Art eines kontaktlo­ sen Drehpotentiometers eingesetzt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Eingabegerät mit einem Steuerhebel gemäß der eingangs genannten Art dahin­ gehend auszugestalten, daß auf verhältnismäßig einfache und kostengünstige Weise die Winkelposition des Steuerhebels in zwei Drehebenen erfaßt wird und davon abhängige elektrische Signale zu erzeugen sind, wobei sich die den Ebenen zuzuord­ nenden Signale möglichst wenig beeinflussen sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 an­ gegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß sich in Abhängigkeit von der Winkelposition (Auslenkung) des Steuer­ hebels in der jeweiligen Drehebene auf verhältnismäßig einfa­ che und kostengünstige Weise ein eindeutiges elektrisches Si­ gnal erzeugen läßt, wenn als signalerzeugende Mittel zwei kontaktlose Drehpotentiometer mit jeweils einem magnetoresi­ stiven Sensor eingesetzt werden, die ein Dünnschichtensystem mit erhöhtem magnetoresistiven Effekt nach Art eines GMR- Effektes aufweisen. Unter einem erhöhten magnetoresistiven Effekt sei dabei ein Wert M_r von mindestens 5% verstanden, wobei definitionsgemäß gilt:

M_r = ΔR/R(0) = [R(0) - R(B)]/R(0)

mit R(B) gleich dem elektrischen Widerstand des Schichtensy­ stems in einem Magnetfeld der Induktion B und R(0) gleich dem elektrischen Widerstand bei fehlendem Magnetfeld. Entspre­ chende signalerzeugende Mittel zeigen vorteilhaft keine me­ chanischen Verschleißerscheinungen. Sie sind zudem praktisch feldstärkeunabhängig im Arbeitsbereich des besonderen Schich­ tensystems.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung von zwei getrennten Ge­ lenken ist ferner der Vorteil verbunden, daß das jedem Gelenk zuzuordnende Schichtensystem sehr nahe an seinem zugeordneten magnetfelderzeugenden Element anzuordnen ist, so daß jeweils ein Signal hoher Stärke und praktisch unbeeinflußt von dem magnetfelderzeugenden Element des anderen Gelenkes zu erhal­ ten ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Eingabege­ rätes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch nä­ her erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch deren

Fig. 1 und 2 die Kippmöglichkeiten eines Steuerhebels eines erfindungsgemäßen Eingabegerätes in zwei Drehebenen,

Fig. 3 und 4 diesen Steuerhebel in zwei verschiedenen Ansichten, und

Fig. 5 diesen Steuerhebel im gekippten Zustand.

In den Figuren sind sich jeweils entsprechende Teile mit den­ selben Bezugszeichen versehen.

Aus den Fig. 1 und 2 gehen die Kippmöglichkeiten eines in Vorderansicht bzw. Seitenansicht dargestellten Steuerhebels 2 hervor, wie er insbesondere zur Ausbildung eines Joysticks zu verwenden ist. Der Steuerhebel weist hierzu zwei getrennte Gelenke Ga und Gb auf, mittels derer er um eine Achse a bzw. um eine die Achse a nicht-schneidende Achse b kippbar ist. Die Nullage (Ausgangslage) in der jeweiligen Drehebene ist durch eine gestrichelte Linie Na bzw. Nb veranschaulicht. Der jeweilige Dreh-(Kipp)Winkel gegenüber der Sollage ist-mit α_a bzw. α_b bezeichnet.

Jedem Gelenk Ga bzw. Gb sind besondere signalerzeugende Mit­ tel zugeordnet, die ein von dem jeweiligen Drehwinkel α_a bzw. α_b abhängiges elektrisches Signal erzeugen. Diese signaler­ zeugenden Mittel sind aus den Fig. 3 und 4 näher ersicht­ lich. Ihnen ist jeweils ein kontaktloses Drehpotentiometer zugrundegelegt, wie es z. B. in der genannten WO 94/17426 be­ schrieben ist. Sie enthalten deshalb an jedem Gelenk Ga bzw. Gb ein Schichtensystem mit mehreren magnetischen und nicht­ magnetischen Dünnfilmen, das einen erhöhten magnetoresistiven Effekt, insbesondere einen GMR-Effekt zeigt. Jedes Schichten­ system ist in einem Magnetfeld anzuordnen, das eine in einer Richtung ausgeprägte Magnetfeldkomponente aufweist. Die Aus­ richtung des Schichtensystems soll dabei so erfolgen, daß diese Magnetfeldkomponente bezüglich einer Bezugsachse in der Schichtebene bzw. Oberflächenebene des Schichtensystems um einen Drehwinkel drehbar ist, der eindeutig mit der jeweili­ gen Winkelposition des Steuerhebels korreliert ist.

Jedes GMR-Schichtensystem dient somit als magnetfeldempfind­ licher Sensor 4a bzw. 4b für die von einem zugeordneten ma­ gnetfelderzeugenden Element 5a bzw. 5b hervorgerufene, in ei­ ner Richtung ausgeprägte Magnetfeldkomponente. Eine derartige Magnetfeldkomponente kann insbesondere -durch einen stabförmi­ gen Permanentmagneten erzeugt werden, dessen Stabachse senk­ recht auf der jeweiligen Drehachse steht. Dementsprechend ist auf dem drehbaren Teil des Gelenks Ga ein stabförmiger Perma­ nentmagnet 5a montiert, dessen Nordpol NP und Südpol SP in den Figuren jeweils durch unterschiedliche Musterungen ange­ deutet sein sollen. Die Richtungen des von diesem Magneten erzeugten Streufeldes wird durch den Sensor 4a, der axial in einem gewissen Abstand von dem Permanentmagneten montiert ist, detektiert. Der Sensor 4a ist mittels einer Sensorhalte­ rung 6a auf dem bezüglich des Gelenkes nicht beweglichen Teil des Steuerhebels 2 so angebracht, daß eine Normale auf der Schichtebene bzw. Oberflächenebene des Schichtpaketes zumin­ dest annähernd parallel zur Drehachse a gerichtet ist. Der Sensor 4a mißt also die Winkelposition des Steuerhebels be­ züglich des Gelenkes Ga und ermöglicht damit eine Berechnung der Kippung (Auslenkung) des Steuerhebels um einen Winkel α_a.

Auf dem Gelenk Gb ist ein entsprechender stabförmiger Perma­ nentmagnet 5b montiert, dessen Drehung um die Achse b wieder­ um von einem bezüglich dieser Achse sich nicht-mitdrehenden, von einer Sensorhalterung 6b gehaltenen Sensor 4b in entspre­ chender Weise detektiert wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Eingabegerät es er­ gibt sich bei einer Betrachtung der Sensorsignalfunktion. Der magnetfeldempfindliche Sensor (4a oder 4b) gehorcht nämlich bekanntlich einer cosϕ-Abhängigkeit gemäß Gleichung 1:

Montiert man nun den Sensor und den Magneten derart, daß aus­ gehend von einer vorgegebenen Nullage Gleichung I gilt, dann folgt aus Fig. 5:

x = L · sinα (Gleichung II)

Dabei sind L die kippbare Länge des Steuerhebels, x die Aus­ lenkung des Steuerhebels in der Drehachse und α = α_a oder α_b der jeweilige Kipp- oder Drehwinkel.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich:

L · sinα = L · cos(90-α) = L · cosϕ (Gleichung III),

so daß mit den Gleichungen I, II und III gilt:

Entsprechendes gilt für Sensor 4b. Damit liefern die Sensoren 4a und 4b eine Widerstandsänderung, die praktisch direkt pro­ portional der Auslenkung des Steuerhebels in x-Richtung (oder in einer dazu senkrechten y-Richtung) ist.

Bei dem anhand der Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß das jeweilige magnetfelderzeu­ gende Element im Bereich eines Gelenkes an dem Steuerhebel so befestigt ist, daß es die Kippbewegungen dieses Hebels ent­ sprechend mitvollzieht. Der jeweils zugeordnete magnetfeld­ empfindliche GMR-Sensor ist dann geringfügig davon beabstan­ det so angeordnet, beispielsweise an einem nicht-beweglichen Teil des Steuerhebels angebracht, daß er beim Kippen des Steuerhebels dessen Bewegungen nicht mitvollzieht. Da es je­ doch nur auf eine relative Drehung des magnetfelderzeugenden Elementes gegenüber dem zugeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor ankommt, ist es selbstverständlich ebensogut möglich, den Sensor an dem Steuerhebel so zu befestigen, daß er dessen Kippbewegungen mitvollzieht, während dann das zugeordnete ma­ gnetfelderzeugende Element nicht-beweglich angeordnet ist.

Claims (4)

1. Eingabegerät mit einem um zwei zumindest annähernd senk­ recht zueinander gerichtete Drehachsen (a, b) in zwei Drehe­ benen kippbaren Steuerhebel (2) und mit Mitteln zur Erzeugung eines von der Winkelposition (α_a, α_b) des Steuerhebels (2) in der jeweiligen Drehebene bezüglich einer vorgegebenen Nullage (Na, Nb) abhängigen elektrischen Signals, welche signalerzeu­ genden Mittel zur Erfassung der Winkelposition des Steuerhe­ bels in jeder der beiden Drehebenen jeweils

• a) einen magnetfeldempfindlichen Sensor (4a, 4b) aufweisen, der ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Schichtensystem enthält und der so angeordnet ist, daß die Schichtenebene des Schichtensystems zumindest annähernd parallel zu der jeweiligen Drehebene ausgerichtet ist, sowie
• b) ein ein Magnetfeld erzeugendes Element (5a, 5b) aufweisen, welches so ausgerichtet ist, daß sein Magnetfeld eine aus­ geprägte Magnetfeldkomponente in der Schichtenebene her­ vorruft und um einen Drehwinkel drehbar ist, der eindeutig mit der Winkelposition des Steuerhebels korreliert ist, wobei
• c) die beiden Drehachsen (a, b) sich nicht schneiden und je­ weils einem eigenen Gelenk (Ga, Gb) zugeordnet sind.

2. Eingabegerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als magnetfelderzeugendes Element (5a, 5b) jeweils ein stabförmiger Permanentmagnet vorgesehen ist.

3. Eingabegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes magnetfelderzeugen­ de Element (5a, 5b) an dem Steuerhebel (2) im Bereich der zugeordneten Drehachse (a bzw. b) in sich mitdrehender Weise befestigt ist und der zugeordnete magnetfeldempfindliche Sen­ sor (4a bzw. 4b) davon beabstandet und sich nicht-mitdrehend angeordnet ist.

4. Eingabegerat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder magnetfeldempfind­ liche Sensor (4a, 4b) an dem Steuerhebel (2) im Bereich der zugeordneten Drehachse (a bzw. b) in sich mitdrehender Weise befestigt ist und das zugeordnete magnetfelderzeugende Element (5a bzw. 5b) davon beabstandet und sich nicht-mitdrehend angeordnet ist.