DE102006038087B4 - Magnetsteuereinrichtung sowie Verfahren zum Herstellen einer Magnetsteuereinrichtung - Google Patents

Magnetsteuereinrichtung sowie Verfahren zum Herstellen einer Magnetsteuereinrichtung Download PDF

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Abstract

Magnetische Steuerknüppeleinrichtung, aufweisend:
– einen C-förmigen Magneten (20) mit einer Mittelöffnung (38) und einem Längsschlitz (44);
– einen länglichen Schaft (12) entlang der Längsachse (26) der Steuerknüppeleinrichtung mit einem Griffende (22) und einem Befestigungsende (24); wobei das Befestigungsende (24) in der Mittelöffnung (38) des C-förmigen Magneten (20) angeordnet ist;
– einen mit dem Schaft (12) verbundenen und durch den Längsschlitz des Magneten hindurch verlaufenden drehungsverhindernden Stift (30) zur Verhinderung einer Drehung zwischen Magnet und Schaft um die Längsachse (26) der Steuerknüppeleinrichtung; und
– ein kugelförmiges Element (14), welches so ausgebildet ist, dass es den C-förmigen Magneten einschließt (20) und zumindest partiell das Befestigungsende (24) des Schafts (12) umschließt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Steuerknüppeleinrichtung.
  • Manuelle Steuereinrichtungen, die üblicherweise als Steuerknüppel oder „Joysticks” bezeichnet werden, werden in diversen Geräten eingesetzt, beispielsweise für schwere Bauarbeiten. Mit diesen Einrichtungen werden Parameter wie Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung gesteuert. Im typischen Fall haben diese Steuereinrichtungen einen länglichen Schaft, der an seinem einen Ende einen Griff und an seinem entgegengesetzten Ende eine geformte Komponente aufweist, welche mit einem oder mehreren Sensoren interagiert. Eine Bewegung des Griffs wird von den Sensoren in elektrische Signale umgewandelt, die an das Gerät übertragen werden und dadurch eine gewünschte Reaktion auslösen.
  • Die Sensoren erfassen eine Bewegung eines mit der geformten Komponente in Verbindung stehenden Magneten. Dabei sollte der Magnet vorzugsweise nahe an der Stirnfläche des Sensors angeordnet sein. Üblicherweise werden Magnete mechanisch am Schaft angebracht, was die Konstruktionsmöglichkeiten räumlich einschränkt. Ferner kann es temperatur-, feuchtigkeits- oder vibrationsbedingt zu einem Versagen von Schrauben, Klemmen, Klebstoffen oder Formteilen kommen.
  • Derartige Steuereinrichtungen sind aus EP 1 310 854 A1 und DE 103 41 466 A1 bekannt.
  • Dementsprechend besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine manuelle Steuereinrichtung bereitzustellen, die robuster ist als herkömmliche Steuerknüppel, bei der keine Leistungsverschlechterung auftritt und die überdies nur eine minimale Anzahl von Komponenten enthält, um selbst unter harten Einsatzbedingungen hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt damit zugrunde, eine manuelle Steuereinrichtung bereitzustellen, die mittels Druckguss um einen Magneten herum angebracht wird.
  • Weiter besteht die vorliegende Erfindung darin, eine Steuerknüppelvorrichtung mit einem drehungsverhindernden Stift bereitzustellen, welcher zumindest teilweise in einem offenen Schlitz entlang eines C-förmigen Magneten angeordnet ist.
  • Diese und weitere Aufgaben ergeben sich für den Fachmann auf dem Gebiet mittels der nachfolgenden Beschreibung.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Steuereinrichtung weist einen gesinterten C-förmigen Magneten und einen drehungsverhindernden Stift auf. Der gesinterte C-förmige Magnet und der drehungsverhindernde Stift sind in einem kugelförmigen Element eingeschlossen. Dabei bilden die einander gegenüberliegenden Enden des C-förmigen Magneten am C-förmigen Hauptkörper entlang einen offenen Schlitz. Der drehungsverhindernde Stift ist zumindest teilweise in dem offenen Schlitz angeordnet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 1 eine Steuereinrichtung in seitlich aufgerissener Querschnittsansicht;
  • 2 eine Steuereinrichtung in auseinandergezogener Perspektivansicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, ermöglicht eine Steuereinrichtung 10 eine berührungslose Erfassung eines Neigungswinkels auf der Grundlage der manuellen Eingaben von einer Bedienungsperson. Im allgemeinen weist die Steuereinrichtung 10 einen Steuerschaft 12 auf, der an einem kugelförmigen Element 14 angebracht ist, welches an einem Ende des Steuerschafts 12 vorgesehen ist. In einem Halterungselement 16 ist das kugelförmige Element 14 der Steuereinrichtung 10 derart gelagert, dass das kugelförmige Element 14 frei um den Mittelpunkt der Kugel herum schwenkbar ist. Dabei werden Winkel und Richtung der Neigung des Steuerschafts 12 von einem oder mehreren Magnetsensor(en) 18 erfasst, welche am Halterungselement 16 angebracht sind und über berührungslose elektrische Signale mit einem im Inneren des kugelförmigen Elements 14 angeordneten Magneten 20 interagieren.
  • Der Steuerschaft 12 verläuft entlang einer Längsachse 26 der Steuereinrichtung 10 von einem Griffende 22 bis zu einem Befestigungsende 24. Das Griffende 22 wird von einer Bedienungsperson für manuelle Eingaben an die Steuereinrichtung 10 verwendet. Das Befestigungsende 24 ist an dem kugelförmigen Element 14 befestigt und in diesem enthalten. Alternativ ist der Schaft 12 mit dem Äußeren des Elements 14 verbunden. Das Befestigungsende 24 weist eine Durchgangsbohrung 28 auf, die zur Aufnahme eines Abschnitts eines drehungsverhindernden Stifts 30 ausgelegt ist.
  • Das kugelförmige Element 14 enthält den Magneten 20, der als gesinterter Magnet ausgebildet ist, welcher vorzugsweise aus Neodym-Eisen-Bor-Material (NdFeB) besteht. Alternativ besteht der Magnet 20 aus Samarium-Kobalt (SmCo, Sm1Co5, Sm2Co17), gebundenem oder einem gesinterten Ferrit (Keramik). Der Magnet 20 ist als C-förmiger Hauptkörper 32 mit einem oberen und einem unteren Ende 34 bzw. 36 ausgebildet, wobei diese Enden 34, 36 einander gegenüberliegen. Das obere und das untere Ende 34 bzw. 36 bilden vorzugsweise ein Paar flacher ebener Oberflächen, die allgemein parallel zueinander ausgerichtet sind, wodurch sie Nord- und Südpol des Magneten 20 bilden. Das kugelförmige Element 14 wird magnetisiert, indem die Pole (N und S) des Magneten 20 einen „Äquator” des kugelförmigen Elements 14 umspannen und dabei senkrecht zur Längsachse 26 verlaufen.
  • Im C-förmigen Hauptkörper 32 ist eine Mittelöffnung 38 entlang der Mittelachse 26 der Steuereinrichtung 10 ausgebildet. Diese Mittelöffnung 38 ist zur Aufnahme des Schafts 12 ausgelegt. Der Körper 32 hat eine unterbrochene Seitenwand, die in gegenüberliegende ebene Oberflächen 40 und 42 ausläuft, welche voneinander beabstandet sind, so dass zwischen den Oberflächen 40 und 42 ein offener Schlitz 44 entsteht. Dieser offene Schlitz 44 ist zur Aufnahme des drehungsverhindernden Stifts 30 durch diesen hindurch ausgelegt. Der drehungsverhindernde Stift 30 wird durch den offenen Schlitz 44 hindurch und in die Bohrung 28 im Befestigungsende 24 des Schafts 12 hinein eingesetzt.
  • Eine sphärische Kugel 46 ist über dem Befestigungsende 24 des Schafts 12, dem drehungsverhindernden Stift 30 sowie dem gesinterten Magneten 20 ausgebildet. Der gesinterte Magnet 20 ist vollständig von der sphärischen Kugel umschlossen. Ein Teil des Befestigungsendes 24 des Schafts 12 sowie ein Teil des drehungsverhindernden Stifts 30 können über die äußere Oberfläche der sphärischen Kugel 46 hinaus verlaufen. Die sphärische Kugel 46 besteht vorzugsweise aus Zink und ermöglicht der Steuereinrichtung 10 eine Drehbewegung in allen Richtungen. Die sphärische Kugel 46 dient auch als Pendelkugellager für das zu ihr gehörige Halterungselement 16.
  • Das Halterungselement 16 bildet eine kugelförmige Laufbuchse 48, in der das kugelförmige Element 14 gelagert ist. Die kugelförmige Laufbuchse 48 nimmt das kugelförmige Element 14 gleitend in sich auf und ermöglicht dem kugelförmigen Element 14 eine freie Schwenkbarkeit um den Mittelpunkt der Kugel herum. Die Magnetsensoren 18 sind an oder im Inneren der kugelförmigen Laufbuchse 48 angebracht. Bei den Magnetsensoren 18 handelt es sich vorzugsweise um Halleffekt-Sensoren oder jede andere geeignete Art von Magnetsensor. Es sind ein bis vier Magnetsensoren 18 vorgesehen. Ist mehr als nur ein Sensor 18 vorgesehen, dann sind die Magnetsensoren 18 in einem Winkel von 90 Grad voneinander angeordnet, und senkrecht zur Vorwärts- und Rückwärtsbewegungsachse sowie zur Links- und Rechtsbewegungsachse positioniert.
  • Die Steuereinrichtung umfasst einen länglichen Schaft; einen C-förmigen Magneten mit einem Längsschlitz, wobei der Magnet zur Aufnahme des Schafts in einer Mittelöffnung ausgebildet ist; einen mit dem Schaft verbundenen drehungsverhindernden Stift, welcher durch den Schlitz im Magneten hindurch verläuft; und ein kugelförmiges Element, das so ausgebildet ist, dass es den Magneten umschließt. Vorzugsweise besteht das kugelförmige Element aus Zink. Weiter vorzugsweise besteht der Magnet aus Neodym-Eisen-Bor. Der Schaft, der drehungsverhindernde Stift und das kugelförmige Element können aus einem Stück bestehen, welches vorzugsweise aus Zink besteht.
  • Alternativ umfasst die Steuereinrichtung einen länglichen Schaft; einen C-förmigen Magneten mit einer Längsöffnung zur Aufnahme des Schafts; und ein kugelförmiges Element, das den Magneten umschließt und den Magneten mit dem Schaft verbindet. Vorzugsweise besteht das kugelförmige Element aus Zink. Weiter vorzugsweise besteht der Magnet aus Neodym-Eisen-Bor. Der Schaft und das kugelförmige Element können auch aus einem Stück bestehen.
  • Zum Zusammenbau der Steuereinrichtung 10 wird das Befestigungsende 24 des Steuerschafts 12 in die Mittelöffnung 38 des Magneten 20 eingeführt. Dann wird der drehungsverhindernde Stift 30 derart in die Bohrung 28 des Schafts 12 eingeführt, dass der Stift 30 durch den Schlitz 44 im Hauptkörper 32 des Magneten 20 hindurch und über diesen hinaus verläuft. Eine (nicht dargestellte) Gussform wird um die zusammengefügten Teile herum angebracht und Zink oder ein anderes Material in die Form gefüllt, um die sphärische Kugel 46 um die zusammengefügten Teile herum zu bilden. Auf diese Weise hält die sphärische Kugel den Schaft 12, den Magneten 20 und den Stift 30 zusammen und wirkt gleichzeitig mit Sensoren 18 im Halterungselement 16 zusammen.
  • Alternativ ist die Gussform derart geformt, dass beim Einfüllen von Zink in die Form der Schaft 12 und der drehungsverhindernde Stift 30 zusammen mit der Kugel 46 gebildet werden.
  • Im Betrieb wird bei einer manuellen Eingabe von der Bedienungsperson an den Schaft 12 dieser aus seiner neutralen Stellung (d. h. gerade nach oben verlaufend) heraus bewegt. Während der Bewegung des Schafts 12 erfassen die Magnetsensoren 18 die Verschiebung von Nord- und Südpol des Magneten 20 und geben einen proportionalen elektrischen Strom ab. Ein einziger Halleffekt-Sensor 18 wird zur Erfassung einer Bewegung eingesetzt, welche senkrecht zur Bewegungsachse verläuft, beispielsweise der Vorwärts- und Rückwärtsbewegungsachse oder der Links- und Rechtsbewegungsachse. Ist Redundanz erforderlich, werden zwei Magnetsensoren 18 zur Erfassung einer senkrecht zur Bewegungsachse, beispielsweise der Vorwärts- und Rückwärtsbewegungsachse oder der Links- und Rechtsbewegungsachse, verlaufenden Bewegung eingesetzt. Bei Anwendungen mit mehreren Achsen werden zur Bestimmung der Bewegungen, die nicht senkrecht zur Bewegungsachse, beispielsweise der Vorwärts- und Rückwärtsbewegungsachse oder der Links- und Rechtsbewegungsachse, verlaufen, die Ausgangssignale von zwei Halleffekt-Sensoren 18 kombiniert. Ist Redundanz erforderlich, dann kommen bei Anwendungen mit mehreren Achsen vier Magnetsensoren zum Einsatz, um die Bewegungen zu bestimmen, die nicht senkrecht zur Bewegungsachse, beispielsweise der Vorwärts- und Rückwärtsbewegungsachse oder der Links- und Rechtsbewegungsachse, sind.

Claims (9)

  1. Magnetische Steuerknüppeleinrichtung, aufweisend: – einen C-förmigen Magneten (20) mit einer Mittelöffnung (38) und einem Längsschlitz (44); – einen länglichen Schaft (12) entlang der Längsachse (26) der Steuerknüppeleinrichtung mit einem Griffende (22) und einem Befestigungsende (24); wobei das Befestigungsende (24) in der Mittelöffnung (38) des C-förmigen Magneten (20) angeordnet ist; – einen mit dem Schaft (12) verbundenen und durch den Längsschlitz des Magneten hindurch verlaufenden drehungsverhindernden Stift (30) zur Verhinderung einer Drehung zwischen Magnet und Schaft um die Längsachse (26) der Steuerknüppeleinrichtung; und – ein kugelförmiges Element (14), welches so ausgebildet ist, dass es den C-förmigen Magneten einschließt (20) und zumindest partiell das Befestigungsende (24) des Schafts (12) umschließt.
  2. Magnetische Steuerknüppeleinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kugelförmige Element (14) aus Zink besteht.
  3. Magnetische Steuerknüppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (20) aus Neodym-Eisen-Bor besteht.
  4. Magnetische Steuerknüppeleinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der drehungsverhindernde Stift (30) sowie das Befestigungsende (24) des Schafts (12) über die äußere Oberfläche des kugelförmigen Elements (14) hinaus verlaufen.
  5. Magnetische Steuerknüppeleinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der drehungsverhindernde Stift (30) in einer Bohrung (28) des länglichen Schaft (12) angeordnet ist.
  6. Magnetische Steuerknüppeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (12) und das kugelförmige Element (14) aus einem Stück ausgebildet sind.
  7. Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Steuerknüppeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit folgenden Schritten: – Einsetzen des Befestigungsendes (24) des Schafts (12) in die Mittelöffnung (38) des C-förmigen Magneten (20); – Einsetzen des drehungsverhindernden Stifts (30) in eine Bohrung (28) des Schafts (12), so dass der drehungsverhindernde Stift (30) durch den Längsschlitz (44) des Magneten (20) hindurch verläuft; und – Umschließen des Magneten (20) durch Ausbilden eines kugelförmigen Elements (14) in einer Gussform.
  8. Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Steuerknüppeleinrichtung nach Anspruch 6 mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines C-förmigen Magneten (20); und – Umschließung des Magneten (20) mit einem kugelförmigen Element (14) in einer Gussform während gleichzeitig der Schaft (12) und der drehungsverhindernde Stift (30) ausgebildet werden.
  9. Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Steuerknüppeleinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet mittels Druckgießen umschlossen wird.
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