DE19611230C1 - Eingabegerät mit einem kippbaren Steuerhebel und signalerzeugenden Mitteln - Google Patents
Eingabegerät mit einem kippbaren Steuerhebel und signalerzeugenden MittelnInfo
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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 Mr von mindestens 5% verstanden,
wobei definitionsgemäß gilt:
Mr = 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 αa
bzw. αb bezeichnet.
Jedem Gelenk Ga bzw. Gb sind besondere signalerzeugende Mit
tel zugeordnet, die ein von dem jeweiligen Drehwinkel αa bzw.
αb 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 αa.
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 = αa oder αb
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 (αa, αb) 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996111230 DE19611230C1 (de) | 1996-03-21 | 1996-03-21 | Eingabegerät mit einem kippbaren Steuerhebel und signalerzeugenden Mitteln |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1996111230 DE19611230C1 (de) | 1996-03-21 | 1996-03-21 | Eingabegerät mit einem kippbaren Steuerhebel und signalerzeugenden Mitteln |
Publications (1)
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---|---|
DE19611230C1 true DE19611230C1 (de) | 1997-09-04 |
Family
ID=7789024
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1996111230 Expired - Fee Related DE19611230C1 (de) | 1996-03-21 | 1996-03-21 | Eingabegerät mit einem kippbaren Steuerhebel und signalerzeugenden Mitteln |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19611230C1 (de) |
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-
1996
- 1996-03-21 DE DE1996111230 patent/DE19611230C1/de not_active Expired - Fee Related
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