DE19712049A1 - Bedienvorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Bedienvorrichtung zur manuellen Eingabe von In
formationen in ein Gerät, mit einem Stellglied, dessen Stellung unter Einwir
kung einer Betätigungskraft veränderbar ist und das mit einem Wandler zur
Erzeugung von elektrischen Signalen verbunden ist, die die Stellung des
Stellgliedes kennzeichnen und mit einem mit dem Stellglied verbundenen
Motorelement, das unter Steuerung der elektrischen Signale eine Kraft auf
das Stellglied ausübt, wobei die Größe und Richtung der Kraft von der Stel
lung des Stellgliedes und/oder der einzugebenden Information abhängig ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, das Stellglied über eine Welle
mit einem Wandler in Form eines Inkrementalgebers und über eine weitere
Welle mit einem Motor zu verbinden.
Nachteilig hierbei ist es, daß diese Bauform wegen des zusätzlichen Inkre
mentalgebers einen großen Platz- bzw. Raumbedarf aufweist. Aufgabe der
Erfindung ist es daher, eine entsprechende Bedienvorrichtung mit haptischer
Rückmeldung anzugeben, die nur wenig Platz bzw. Raum erfordert. Dieser
Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wandler aus dem Rotor des Motore
lementes und Sensoren besteht, die in Abhängigkeit der Stellung des Rotors
jeweils ein elektrisches Signal abgeben. Der Rotor des Motorelementes er
füllt also noch die zusätzliche Funktion eines Winkelgebers des Wandlers.
Die Erfindung bringt somit den Vorteil, daß für den Wandler nur die zusätzli
chen Sensoren erforderlich sind. Ein als diametral magnetisierte Scheibe
ausgestalteter Rotor bringt eine einfache und preiswerte Lösung für den
Rotor. In Verbindung mit mindestens zwei Hallsensoren läßt sich aus den
Spannungen, die das Magnetfeld der diametral magnetisierten Scheibe in
den Hallsensoren hervorruft, der genaue Drehwinkel im Bereich von 360°
ermitteln. Hierzu reichen zwei Hallsensoren vollständig aus.
Sofern die beiden Hallsensoren im gleichen radialen Abstand um 90° in
Drehrichtung versetzt angeordnet sind, läßt sich die Stellung des Rotors be
sonders einfach berechnen.
Durch Verwendung eines Kreuzspulenpaars läßt sich das Motorelement sehr
kompakt aufbauen. Weiterhin läßt sich durch jeweils unterschiedliche An
steuerungen der beiden Spulen jede gewünschte Drehmomentcharakteristik
bei jedem gewünschten Winkel erreichen. Die Drehmomentcharakteristik
und der Winkel sind also durch eine Veränderung der Ansteuerung entspre
chend beliebig verstellbar. Die gewünschten Momentenkennlinien sind in
einem Speicher abgelegt und aus diesem auslesbar. So können je nach
dem, welche Daten eingelesen werden, verschiedene Drehmomente erzeugt
werden. So können z. B. bei der Verstellung der Lautstärke durch entspre
chenden Momentenverlauf Raststellungen nachgebildet werden, während
bei der Verstellung der Lautstärke von einzelnen Lautsprechern eines Gerä
tes (Balance, Fader) eine geschwindigkeitsproportionale Reibung nachgebil
det wird, die der die Bedienvorrichtung benutzenden Person das Gefühl des
Verstellens eines Potentiometers vermittelt.
Durch die Verwendung eines Wickelkörpers, auf den die Spulen aufgewickelt
sind, läßt sich das Motorelement mit den Spulen einfach und robust herstel
len. Dadurch, daß der Wickelkörper den Rotor vollständig einschließt, wird
verhindert, daß der Motor verschmutzt.
Durch Verwendung eines Getriebes zwischen dem Motorelement und dem
Stellglied läßt sich das auf das Stellglied wirkende Drehmoment erhöhen.
Die Ausgestaltung des Stellgliedes als Stellknopf ist gut mit der Hand be
dienbar.
Besonders einfach sind die Sensoren zu montieren, wenn sie auf einer Lei
terplatte angeordnet sind, die unterhalb der Spule und/oder des Wickelkör
pers montiert ist.
Durch das Umschließen der Unterseite und weitgehend auch der Seiten der
Bedienvorrichtung mit einem Rückschlußtopf wird ein zusätzlicher Schutz vor
Verunreinigung erreicht. Die Verwendung von weichmagnetischem Material
mit einer hohen Hysterese bringt zum Einen eine Abschirmung von Störun
gen in Form von elektromagnetischen Feldern, die innerhalb der Bedienvor
richtung entstehen und sonst nach außen dringen würden als auch von Fel
dern, die sonst von außerhalb auf die Bedienvorrichtung einwirken würden.
Eine hohe Hysterese vereinfacht durch eine hohe Dämpfung des magneti
schen Kreises auch die Regelung. Weiterhin ist ein solches Material wie z. B.
St 37 besonders preisgünstig. Zusätzlich hebt ein Rückschlußtopf aus
weichmagnetischem Material den Arbeitspunkt des Magneten an und erhöht
so dessen Wirkungsgrad.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. für besonders bevorzug
te Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 den Schnitt A-A aus Fig. 1
Fig. 3 den Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 den Schnitt B-B aus Fig. 3,
Fig. 5 den Verlauf von Signalen, die zwei Hallsensoren liefern,
Fig. 6 mögliche Drehmomentverläufe, die mit der Bedienvorrichtung er
zeugt werden können.
Die Bedienvorrichtung in Fig. 1 weist ein Stellglied in Form eines Drehknop
fes 1 auf, der über eine Welle 2 mit einem Rotor 3 in Form einer diametral
magnetisierten Scheibe verbunden ist. Der Rotor 3 wirkt mit den in den
Spulen 4, 5 erzeugten Feldern zusammen und erzeugt so eine Drehbewe
gung oder ein Drehmoment. Die Spulen 4, 5 sind jeweils in zwei Hälften auf
geteilt und auf einen Wickelkörper, bestehend aus einem Wickelkörperober
teil 6 und einem Wickelkörperunterteil 7, aufgewickelt. Der Wickelkörper 6, 7
ist so ausgestaltet, daß der Rotor 3 vollständig eingeschlossen ist. Auf einer
Leiterplatte 8 sind Hallsensoren 9, 10 derart angebracht, daß sie im gleichen
radialen Abstand von der Drehachse des Rotors 3 um 90° versetzt angeord
net sind. Aus den Spannungen, die durch das Magnetfeld des Rotors 3 in
den Hallsensoren 9, 10 erzeugt werden, wird in der Auswerteeinrichtung 11
der Drehwinkel des Rotors 3 und damit auch des Drehknopfes 1 berechnet.
In der Vorrichtung 12 werden dann die Spannungen erzeugt, die an den
Spulen 4, 5 erforderlich sind, um die gewünschten Drehmomente durch das
Zusammenwirken des Rotors 3 mit dem Strom durch die Spulen 4, 5 zu er
zeugen. Dies geschieht in Abhängigkeit des errechneten Drehwinkels
und/oder der anzugebenden Information.
Ein Rückschlußtopf 13 umschließt den Wickelkörper 6, 7 an seiner Untersei
te und weitgehend an seinen Seiten. In dem aus der Unterseite des Wickel
körperunterteils 7 und dem Rückschlußtopf 13 gebildeten Raum ist auch die
Leiterplatte 8 mit den Hallsensoren 9, 10, der Auswerteeinrichtung 11 und
der Vorrichtung 12 untergebracht.
In Fig. 2 ist die Lage der Hallsensoren 9, 10 und der Spulen 4, 5 näher dar
gestellt. Man erkennt, daß die Hallsensoren 9, 10 den gleichen radialen Ab
stand von der Welle 2 und damit der Drehachse des in Fig. 2 nicht darge
stellten Rotors 3 aufweisen und daß sie um 90° versetzt angeordnet sind.
Die Spulen 4, 5 sind über vier Kontaktstifte 14 und nicht dargestellte Leiter
bahnen auf der Leiterplatte 8 mit der Vorrichtung 12 elektrisch verbunden.
Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel hauptsächlich da
durch, daß der Drehknopf 1 nicht direkt auf der Welle 2, sondern auf einem
Stellschaft 17 angeordnet ist, der über ein Getriebe, bestehend aus dem
Zahnrad 15 und dem Ritzel 16, mit der Welle 2 verbunden ist, wobei das Rit
zel 16 auf der Welle 2 sitzt. Der Stellschaft 17 weist weiterhin die Besonder
heit auf, daß er zusammen mit dem Drehknopf 1 in axialer Richtung gegen
die Kraft einer Druckfeder 18 bewegbar ist und dadurch ein Taster 19 betä
tigbar ist. Die übrigen Bauteile stimmen mit den Bauteilen des Ausführungs
beispiels aus den Fig. 1 und 2 überein. Durch das Getriebe, bestehend
aus dem Zahnrad 15 und dem Ritzel 16, wird das an dem Drehknopf 1 an
liegende Drehmoment erhöht. Durch den Taster 19 kann z. B. ein
Menü-Punkt durch Drücken ausgewählt werden, wenn die Bedienvorrichtung die
Funktion hat, durch Drehen des Drehknopfes 1 verschiedene Menü-Punkte
anzuzeigen und bei einer Aufeinanderfolge von einzelnen Menü-Punkten
den angezeigten Menü-Punkt auszuwählen oder bei gleichzeitiger Anzeige
mehrerer Menü-Punkte einen hervorgehobenen Menü-Punkt auszuwählen,
wobei durch Drehen des Drehknopfes 1 auch andere angezeigte
Menü-Punkte nacheinander hervorhebbar sind.
In Fig. 5 sind Spannungen 20, 21 dargestellt, die die Hallsensoren 9,10 in
Abhängigkeit der Stellung des Rotors 3 liefern. Man erkennt, daß mit den bei
einer Stellung des Rotors 3 gemessenen Spannungen 20, 21 die Stellung
des Rotors eindeutig bestimmt werden kann.
In Fig. 6 sind mögliche Drehmomentverläufe dargestellt, die mit der erfin
dungsgemäßen Bedienvorrichtung realisiert werden können.
In Fig. 6a ist ein Verlauf des Drehmomentes Md des Motorelements als
Funktion des Drehwinkels α dargestellt, der Rastpunkte A, B, C nachbildet.
Wird von diesen Rastpunkten ausgehend der Winkel a manuell vergrößert,
so wird ein positives Drehmoment Md erzeugt, das entgegengesetzt zur
Betätigungskraft gerichtet und bestrebt ist, den Winkel a zu verkleinern.
Überwindet der Bediener durch entsprechenden Kraftaufwand einen der
Punkte D, E, so kehrt das im Motorelement erzeugte Drehmoment Md seine
Richtung um, so daß der Drehknopf auch ohne äußeren Kraftaufwand auf
den folgenden Rastpunkt B, C bewegt wird, also einrastet. Entsprechendes
gilt für die manuelle Bewegung in entgegengesetzter Richtung. Ein derartiger
Drehmomentverlauf kann z. B. erzeugt werden, wenn mit der Bedienvorrich
tung die Lautstärkeregelung eines Audiogerätes vorgenommen werden soll.
In Fig. 6b ist ein Drehmomentverlauf dargestellt, der federnde Anschläge
an den Enden des Einstellbereichs nachbildet. Ein derartiger Drehmoment
verlauf ist z. B. vorteilhaft einsetzbar, wenn mit der Bedienvorrichtung die
Frequenz eines Rundfunkempfängers eingestellt werden soll.
In Fig. 6c sind ebenfalls Rastpunkte I, K, L, M nachgebildet. Hierbei ist im
Unterschied zu Fig. 6a der Rastpunkt M vom Rastpunkt L nur erreichbar,
wenn eine besonders große manuelle Kraft aufgewendet wird, um das hohe
Drehmoment zu überwinden. Ein solcher Verlauf ist vorteilhafterweise dann
einsetzbar, wenn mit der Bedienvorrichtung verschiedene Menü-Punkte aus
wählbar sein sollen und der Menü-Punkt, der der Raststellung M entspricht,
nur in bestimmten Fällen ausgewählt werden soll und der Bediener durch die
hohe aufzuwendende Kraft darauf hingewiesen werden soll.
Die Drehmomentkurve kann auch so ausgestaltet werden, daß das Motor
element beim Überschreiten eines bestimmten Winkels α den Drehknopf mit
einer konstanten oder variablen Geschwindigkeit weiterdreht. Weiterhin kann
das Motorelement den Drehknopf zwischen zwei Winkeln hin- und herbewe
gen, so daß sich für den Benutzer ein Rüttelempfinden ergibt.
Claims (16)
1. Bedienvorrichtung zur manuellen Eingabe von Informationen in ein Ge
rät, mit einem Stellglied, dessen Stellung unter Einwirkung einer Betäti
gungskraft veränderbar ist und das mit einem Wandler zur Erzeugung
von elektrischen Signalen verbunden ist, die die Stellung des Stellglie
des kennzeichnen und mit einem mit dem Stellglied verbundenen Moto
relement, das unter Steuerung der elektrischen Signale eine Kraft auf
das Stellglied ausübt, deren Größe und Richtung von der Stellung des
Stellgliedes und/oder von der einzugebenden Information abhängig ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus dem Rotor (3) des Mo
torelementes und Sensoren (9, 10) besteht, die in Abhängigkeit der
Stellung des Rotors jeweils ein elektrisches Signal abgeben.
2. Bedienvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Rotor (3) aus einer diametral magnetisierten Scheibe besteht.
3. Bedienvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren (9, 10) Hallsensoren sind.
4. Bedienvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Hallsensoren (9, 10) vorhanden sind.
5 Bedienvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hallsensoren (9, 10) im gleichen radialen Abstand um 90° in Drehrich
tung versetzt angeordnet sind.
6. Bedienvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren aus Reedkontakten bestehen.
7. Bedienvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Motorelement ein Kreuzspulenpaar (4, 5)
aufweist.
8. Bedienvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Vorrichtung zum Bestromen des Kreuzspulenpaars (4, 5) zum Erzeu
gen von vorgegebenen Momentenkennlinien vorhanden ist, bei der ei
ne Speichereinrichtung zum Speichern der Momentenkennlinie vorhan
den ist.
9. Bedienvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Momentenkennlinien aus dem Speicher auslesbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Spulen (4, 5) auf einen Wickelkörper (6, 7) ge
wickelt sind.
11. Bedienvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wickelkörper (6, 7) den Rotor (3) vollständig einschließt.
12. Bedienvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Stellglied (1) und dem Motorele
ment (3, 4, 5) ein Getriebe (15, 16) vorhanden ist.
13. Bedienvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Stellglied (1) als Stellknopf ausgebildet ist.
14. Bedienvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sensoren (9, 10) auf einer Leiterplatte ange
ordnet sind, die sich unterhalb der Spule und/oder des Wickelkörpers
befindet.
15. Bedienvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sie an ihrer Unterseite und weitgehend an ihren
Seiten von einem Rückschlußtopf (13) umschlossen ist.
16. Bedienvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rückschlußtopf (13) aus weichmagnetischem Material mit einer ho
hen magnetischen Hysterese besteht.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SIEMENS AG, 80333 MUENCHEN, DE |
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8141 | Disposal/no request for examination |