DE19712049A1

DE19712049A1 - Bedienvorrichtung

Info

Publication number: DE19712049A1
Application number: DE19712049A
Authority: DE
Inventors: Peter Schmidt; Herbert Breinich; Jochen Dr Blume
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1998-09-24
Also published as: EP0968403B1; WO1998043047A1; JP4260223B2; EP0968403A1; US6480752B1; ES2200322T3; DE59808463D1; JP2001518188A

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

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.