DE102008023953A1 - Manually operated actuating device for use as control element, particularly switch and for operation of switchgear cabinets, has actuating element formed for manual movement along movement direction relative to stationary section - Google Patents

Manually operated actuating device for use as control element, particularly switch and for operation of switchgear cabinets, has actuating element formed for manual movement along movement direction relative to stationary section Download PDF

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Abstract

The manually operated actuating device has an actuating element formed for manual movement along a movement direction relative to a stationary section. The actuating element and the stationary section are realized by an electromagnetic unit. The actuating element cooperates in force-fit manner with an armature unit of the electromagnetic unit. The stationary section is realized by a core area of the electromagnetic unit and a device is provided for position determination of the armature unit relative to the core area.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine manuell bedienbare Betätigungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The The present invention relates to a manually operable actuator according to the preamble of the main claim.

Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und wird vielfältig etwa als Befehlseingabe- oder Schnittstellengerät zur manuellen Betätigung nahezu beliebiger elektronischer Geräte, Fahrzeuge, Maschinen oder dergleichen eingesetzt.A Such device is well known in the art and becomes diverse about as a command input or interface device for manual operation almost any electronic devices, Vehicles, machines or the like used.

Ursprünglich aus der Militärtechnik stammen sogenannte Forced-Feedback-Systeme, welche, als Rückmeldung an eine das Betätigungsorgan bedienende Person, diesem eine Kraft aufprägen, welche typischerweise, in der Art eines Betätigungswiderstands oder einer Gegenkraft, einer aktuellen Bediensituation (Bsp.: Ruderkraft eines Flugzeugs) entspricht. Damit konnte dann, ohne wirksame mechanische Verbindung, eine auf das Bedienorgan wirkende Gegenkraft simuliert werden.Originally from of military technology come so-called forced feedback systems, which, as feedback to a the actuator person who imposes on him a force, which typically, in the manner of an operational resistance or an opposing force, a current operating situation (ex .: rudder power of an aircraft). This could then, without effective mechanical Connection simulates a counterforce acting on the operating organ become.

Konkret sind zum Zweck des Erzeugens einer derartigen Kraft als Rückmeldung auf das Betätigungsorgan verschiedene Ansätze bekannt und auch in der Patentliteratur behandelt; so gibt es neben der Kraft-(Widerstands-)Erzeugung durch sogenannte rheologische Flüssigkeiten, auch Forced-Feedback-Systeme durch Reibsysteme, z. B. Reibräder oder Reibscheiben), oder mittels geeignet angesteuerter Servomotoren.Concrete are feedback for the purpose of generating such a force on the actuator different approaches known and also treated in the patent literature; so there is next to it the force (resistance) generation by so-called rheological Liquids, also forced feedback systems by friction systems, z. B. friction wheels or friction disks), or by means of suitably controlled servomotors.

Dies führt dann dazu, dass neben Anwendungen der Unterhaltungselektronik (z. B. Fahr- oder Flugsimulatoren, wo ein vom Spieler (Bedienperson) zu betätigender Steuerknüppel mit entsprechender Technologie versehen wurde,) insbesondere auch zahlreiche Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich Vorteile aus dieser Technologie ziehen. Lediglich exemplarisch sei diese Anwendung als Schalthebel eines Automatikschaltgetriebes, eines (mechanisch entkoppelten) Gaspedals oder eines universellen Auswahl- und Betätigungsknopfs (iDrive der Firma BMW) genannt.This then leads in addition to consumer electronics applications (eg Driving or flight simulators, where one from the player (operator) to actuatable Joystick with appropriate technology), in particular numerous Automotive applications Benefits of this technology pull. By way of example only, this application is as a lever an automatic transmission, one (mechanically decoupled) Accelerators or a universal selection and operation button (iDrive BMW) called.

All diesen Prinzipien ist jedoch gemeinsam, dass sie typischerweise mechanisch und konstruktiv aufwändig in der Realisierung sind, insbesondere im Hinblick auf die für die Haptik zuständige, gesteuerte Krafterzeugung, und zusätzlich erweist es sich als potenziell nachteilig, dass praktisch für jede Anwendung ein eigenes System mit einem spezifischen Betätigungs- und Kraftverhalten (d. h. einer jeweils spezifischen Kraft-Wegkennlinie in der Betätigung) entwickelt und umgesetzt werden muss.Alles However, these principles are common to them mechanically and constructively complex are in the realization, especially with regard to the haptics competent, controlled power generation, and in addition, it proves to be potentially disadvantageous that convenient for each application has its own system with a specific operating and force behavior (i.e., a specific force-displacement characteristic in the operation) developed and implemented.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße, insbesondere haptisch wirksame Betätigungsvorrichtung zur manuellen Handhabung durch eine Bedienperson im Hinblick auf eine einfache mechanisch-konstruktive Realisierbarkeit sowie universelle Einsetzbarkeit (damit geeignete Konfigurierbarkeit für beliebige Zwecke) zu verbessern.task The present invention is therefore a generic, in particular haptic actuator for manual handling by an operator with regard to a simple mechanical-constructive feasibility as well as universal Usability (thus suitable configurability for any Purposes).

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Unabhängiger Schutz im Rahmen der Erfindung wird beansprucht für die Verwendung nach dem unabhängigen Patentanspruch 11.The The object is achieved by the device having the features of the main claim solved; advantageous developments are described in the subclaims. independent Protection within the scope of the invention is claimed for use after the independent Claim 11.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind zunächst der stationäre Abschnitt und das relativ dazu entlang eines Weges in der Bewegungsrichtung geführte Betätigungsorgan als Teile einer elektromagnetischen Einheit realisiert, wobei das zum Angriff bzw. zur Betätigung durch die Bedienperson ausgebildete Betätigungsorgan Teil des bewegbaren Ankers ist (bzw. unmittelbar auf diesen wirkt) und der Anker dann elektromagnetisch zusammenwirkt mit dem stationären Kernbereich.In According to the invention advantageously Way are first the stationary one Section and the relative thereto along a path in the direction of movement guided actuator realized as parts of an electromagnetic unit, wherein the to attack or to operate formed by the operator actuator part of the movable Anchor is (or acts directly on this) and the anchor then Electromagnetically interacts with the stationary core area.

Erfindungsgemäß sind Mittel zur Wegerfassung der Ankereinheit so vorgesehen, dass entlang des Weges zumindest ein Wegerfassungssignal (Positionssignal) erzeugbar ist, bevorzugt entlang des gesamten wirksamen Weges ein wegproportionales, elektronisch verarbeitbares Signal für die nachgeschaltete elektronische Steuereinheit zur Verfügung steht. Diese ist zunächst in der Lage, aus dem (ersten) elektronisch auswertbaren Wegerfassungssignal ein Steuersignal für die elektromagnetische Einheit zu erzeugen, welches der Ankereinheit eine Gegenkraft (Widerstandskraft) aufprägt, entsprechend einer vorbestimmten (idealerweise etwa gemäß einer Tabelle oder Funktion voreingestellten oder voreinstellbaren) Kraft-Weg-Kennlinie. Beispielsweise ist es so möglich, an einer vorbestimmten Position entlang des Weges einen mechanisch spürbaren Druckpunkt zu erzeugen, nämlich ein lokales Kraftmaximum in der Kraft-Weg-Kennlinie, welcher durch Steuerung der elektronischen Steuereinheit, entsprechend vorgegebener (bevorzugt gespeicherter) Parameter durch geeignete Ansteuerung der elektromagnetischen Einheit (insbesondere Aufprägen eines entsprechend starken Spulenstroms) erzeugbar ist.According to the invention are means for detecting the distance of the anchor unit provided so that along the Weges at least one position detection signal (position signal) can be generated is, preferably along the entire effective path a wegproportionales, electronically processable signal for the downstream electronic control unit is available. This is first capable of the (first) electronically evaluable position detection signal a control signal for to produce the electromagnetic unit, which is the anchor unit imposes a counterforce (resistance force) corresponding to a predetermined one (ideally according to a table or function preset or presettable) force-displacement curve. For example, it is possible at a predetermined position along the way a mechanical noticeable To produce pressure point, namely a local force maximum in the force-displacement curve, which by Control of the electronic control unit, according to predetermined (preferably stored) parameters by suitable control the electromagnetic unit (in particular impressing a corresponding strong coil current) can be generated.

Zusätzlich und erfindungsgemäß ist die Steuereinheit in der Lage, als Reaktion auf ein empfangenes (zweites) Wegerfassungssignal den Eintritt eines vorbestimmten Ereignisses festzustellen, also z. B. das beabsichtigte Auslösen eines Schaltvorgangs nach Erreichen eines vorbestimmten Schalthubes (entsprechend Verfahrweges), woraufhin dann in der vorgesehenen Weise die Steuereinheit das beabsichtigte Betätigungs-Ausgangssignal erzeugen kann.In addition and According to the invention, the control unit capable of responding to a received (second) path detection signal to determine the occurrence of a predetermined event, ie z. B. the intended triggering a switching operation after reaching a predetermined switching stroke (according to travel path), whereupon then in the intended Way the control unit can generate the intended actuation output signal.

Auf diese prinzipielle Weise entsteht vorteilhaft die Möglichkeit, eine generisch und für viele verschiedene Anwendungsgebiete unspezifisch vorzusehende elektromagnetische Einheit lediglich durch geeignete Programmierung (Vorgeben bzw. Aufprägen der vorgesehenen Kraft-Weg-Charakteristik) für einen speziellen Einsatzzweck zu konfigurieren bzw. auch, abhängig von sonstigen Parametern, das in der beschriebenen Weise haptisch wirksame Verhalten der Vorrichtung zu variieren.On this principled way advantageously creates the possibility a generic and for many different fields of application unspecifically to be provided electromagnetic Unit only by suitable programming (Predict or impress the intended force-displacement characteristic) for a specific application to configure or also, depending from other parameters, the haptic in the manner described to vary the effective behavior of the device.

Da die Erzeugung der Gegenkraft erfindungsgemäß auf der Basis einer elektromagnetischen Stellvorrichtung funktioniert, ist zudem die mechanische Realisierung vergleichsweise einfach und bewährt, darüber hinaus kann hohe Betriebssicherheit mit einem großen einsetzbaren Kräftebereich kombiniert werden.There the generation of the counterforce according to the invention on the basis of an electromagnetic Actuator works, is also the mechanical realization comparatively simple and proven, about that In addition, high operational reliability can be used with a large scale Forces combined become.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich weiterbildungsgemäß zunächst als vorteilhaft erwiesen, die erfindungsgemäße Ankereinheit als Tauchanker auszubilden, zusätzlich weiterbildungsgemäß diesen Tauchanker mittels einer Spuleneinheit zu realisieren, welche mit dem stationären Kernbereich magnetisch zusammenwirkt.in the For the purposes of the present invention, the scope of the present invention has initially been described as proved advantageous, the anchor unit according to the invention as a plunger anchor train, in addition further education this Diving anchor to realize by means of a coil unit, which with the stationary one Core area interacts magnetically.

Konstruktiv ist es dabei besonders bevorzugt, im Kernbereich eine Permanentmagneteinheit vorzusehen, welche dann, basierend auf dem ansonsten bekannten Prinzip der Lorentz-Kraft, auf die Spule als stromdurchflossenen Leiter wirkt und darauf eine Kraft ausübt.constructive it is particularly preferred to provide a permanent magnet unit in the core area, which then, based on the otherwise known principle of Lorentz force, on the coil acts as a current-carrying conductor and exerts a force on it.

Gerade das weiterbildungsgemäß gewählte Prinzip der Tauchankerspule bietet im Hinblick auf den beabsichtigten Einsatzzweck zahlreiche Vorteile; nicht nur ermöglicht die kleine bewegte Masse (d. h. der Spulenanker) hohe Beschleunigungen und damit günstige Dynamikeigenschaften, auch kann eine vergleichsweise kompakte, in Hubrichtung kurze Realisierung erfolgen, und insbesondere dann, wenn weiterbildungsgemäß die Spulenlänge (Ankerlänge) so eingerichtet ist, dass unabhängig von der Ankerposition sich stets die gleiche Anzahl von Spulenwindungen im Luftspalt befindet, kann eine praktisch lineare Kraftkennlinie erreicht werden (damit ist dann die Krafterzeugung nicht von der Position des Betätigungsorgans entlang des Betätigungsweges abhängig). Gleichwohl sind auch Realisierungsformen von der Erfindung umfasst, bei denen eine Aktorenkennlinie mit von Strom und Spulenposition abhängiger Kraft beabsichtigt und genutzt wird.Just the further education principle chosen principle the plunger coil provides with regard to the intended purpose numerous advantages; not only allows the small moving mass (ie the coil armature) high accelerations and thus favorable dynamic properties, Also, a relatively compact, short in the stroke direction realization take place, and in particular when further training according to the coil length (anchor length) set up so is that independent from the anchor position always the same number of coil turns Located in the air gap, can be a virtually linear force characteristic be achieved (so that is not the power generation of the Position of the actuator along the actuation path dependent). However, embodiments of the invention are also included, where an actuator characteristic with current and coil position dependent force intended and used.

Während gemäß einer ersten bevorzugten Variante der Erfindung die bevorzugt als Anker wirkende Spuleneinheit die kernseitige Permanentmagneteinheit zumindest abschnittsweise außen übergreift (d. h. in der Art eines Topfes einen zentrisch-innenliegenden Permanentmagnetabschnitt zumindest teilweise umschließt), ist es alternativ bevorzugt und vorteilhaft, die, weiter bevorzugt radialmagnetisierte, Permanentmagneteinheit ringförmig auszubilden und so vorzusehen, dass diese von außen mantelseitig die Ankerspule um schließt. Auch ist es prinzipiell im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen, dass der Anker eine Permanentmagneteinheit aufweist, die mit einer stationären Spuleneinheit zusammenwirkt. Generell kann zudem die Permanentmagneteinheit axial oder radial magnetisiert sein.While according to a first preferred variant of the invention preferably as an anchor acting coil unit, the core-side permanent magnet unit at least partially overlaps outside (i.e., in the manner of a pot, a centric-internal permanent magnet portion at least partially encloses), alternatively, it is preferred and advantageous that, more preferably radially magnetized, permanent magnet unit annular form and to provide, so that these outside the shell side, the armature coil to close. Also, it is in principle not excluded within the scope of the invention, that the armature has a permanent magnet unit, which with a stationary Coil unit cooperates. In general, also the permanent magnet unit be magnetized axially or radially.

Zum Erreichen einer geeignet anzustrebenden Kraft-Weg-Kennlinie kann es erfindungsgemäß vorteilhaft sein, das Betätigungsorgan gegen die Kraft einer Rückstellfeder (z. B. als Druckfeder ausgebildet) vorzuspannen, welche insoweit, auch in einem unbestromten Zustand einer Ankerspule, eine Ausrückposition als unbetätigten Zustand definieren kann.To the Achieving a suitable aspired force-displacement curve can According to the invention advantageous be, the actuator against the force of a return spring (eg designed as a compression spring), which in that regard, also in a de-energized state of an armature coil, a release position as unactuated State can define.

Während es im Rahmen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung liegt, die erfindungsgemäße Bewegung entlang der Bewegungsrichtung in einer Dimension vorzusehen, ist es gleichermaßen von der Erfindung umfasst, auch mehrdimensionale Bewegungen erfindungsgemäß zu erfassen und mit vorbestimmten Gegenkräften zu versehen, etwa am Beispiel eines zweidimensional in einer Ebene betätigbaren Joysticks als Betätigungsorgan.While it within the scope of preferred embodiments The invention is the movement according to the invention along the direction of movement in a dimension, it is equally encompassed by the invention, Also detect multi-dimensional movements according to the invention and with predetermined against forces to provide, for example, the example of a two-dimensional in a plane actuated Joysticks as an actuator.

Auch kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung die durch Wirkung der Steuereinheit einzustellende bzw. dem Betätigungsorgan aufzuprägende Kraft-Weg-Charakteristik beliebig komplex sein und, in Erweiterung des oben geschilderten Beispiels, mehrere, entlang des Betätigungsweges aufeinander folgende Kraftmaxima (z. B. zum Erzeugen einer Mehrzahl von aufeinander folgenden Druckpunkten) aufweisen. Gleichermaßen ist es von der vorliegenden Erfindung umfasst, eine Mehrzahl von auszulösenden digitalen oder analogen Ereignissen durch das (mindestens eine) zweite Wegerfassungssignal vorzubestimmen.Also can in the context of the present invention by the effect of Control unit to be set or the actuator angezuprägende force-displacement characteristic be arbitrarily complex and, in extension of the above For example, several consecutive along the actuation path Force maxima (eg, for generating a plurality of successive ones) Pressure points). Similarly, it is from the present Invention comprises a plurality of digital or analogue to be triggered Events by the (at least one) second path detection signal predetermine.

Die inhärente Flexibilität der vorliegenden Erfindung macht damit die manuell bedienbare Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ideal für eine Vielzahl von verschiedenen Einsatz- und Verwendungszwecken geeignet, wobei sogar innerhalb derselben Verwendung durch entsprechend vorbestimmte, wählbare oder (um-)programmierbare Parametrisierung eine Anpassung an verschiedene Einsatzbedingungen möglich ist; so sei beispielhaft die Variante genannt, bei einem Einsatz der vorliegenden Erfindung als Schnittstelle zu einem Computer mit dem Zweck der Realisierung eines komplexen Bedienhebels für ein Computerspiel eine (Vor-)einstellung an verschiedene individuelle Nutzerbedürfnisse vorzunehmen, etwa gewünschte Gegenkraft, Zeitpunkt einer Schaltauslösung usw.The inherent flexibility The present invention thus makes the manually operable actuator according to the present Invention ideal for a variety of different uses and uses suitable, even within the same use by corresponding predetermined, selectable or (re) programmable parameterization an adaptation to different Operating conditions possible is; as an example, the variant is called, when using the present invention as an interface to a computer with the Purpose of realizing a complex operating lever for a computer game a (pre-) attitude to different individual user needs to make, as desired Counterforce, time of a switching trip, etc.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen inFurther Advantages, features and details of the invention will become apparent the following description of preferred embodiments and by reference the drawings; these show in

1 eine Prinzipansicht der elektromagnetischen Einheit zur Realisierung der manuell bedienbaren Betätigungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic view of the electromagnetic unit for implementing the manually operated actuator according to a first embodiment of the present invention;

2, 3 weitere prinzipiell-strukturelle Konfigurationen als Varianten zum Prinzip der 1; 2 . 3 Further basic structural configurations as variants to the principle of 1 ;

4, 5 eine in der Schnittansicht gezeigte Detaildarstellung einer konkreten Realisierung der Erfindung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, mit oder ohne Feder, 4 . 5 a detailed representation of a concrete realization of the invention shown in the sectional view according to a first embodiment, with or without spring,

6 eine Außenansicht im geschlossenen Zustand (perspektivisch) der Ausführungsform gemäß 4; 6 an external view in the closed state (perspective) of the embodiment according to 4 ;

7 eine Explosionsdarstellung wesentlicher Komponenten des Ausführungsbeispiels der 4, 6; 7 an exploded view of essential components of the embodiment of 4 . 6 ;

8 ein Blockschaltbild einer typischen Beschaltung der mechanischen Komponenten die mittels Ausführungsbeispiel 5 bis 7 und 8th a block diagram of a typical wiring of the mechanical components by means of embodiment 5 to 7 and

9 eine beispielhafte Darstellung einer Kraft-Weg-Kennlinie, wie sie durch geeignete Vor-Konfiguration der Steuervorrichtung gemäß 8 im Ausführungsbeispiel der 5 bis 7 umgesetzt werden kann. 9 an exemplary representation of a force-displacement curve, as by suitable pre-configuration of the control device according to 8th in the embodiment of 5 to 7 can be implemented.

Die 1 bis 3 zeigen in der seitlichen Schnittansicht 3 beispielhafte Varianten zur Realisierung der elektromagnetischen Einheit als Bestandteil der manuell bedienbaren Betätigungsvorrichtung im Rahmen bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Genauer gesagt zeigen die jeweiligen elektromagnetischen Einheiten eine stationäre Komponente bestehend aus einem Weicheisenabschnitt sowie einem mit diesem zusammenwirkenden Permanentmagneten, wobei, beweglich gegenüber dieser stationären Einheit, eine Einheit bestehend aus Spulenträger und Spule in Richtung einer jeweiligen Achse 10 beweglich gelagert ist. Auf dieser Einheit bestehend aus Spulenträger und Spule wirkt die (manuelle) Betätigung.The 1 to 3 show in the side sectional view 3 exemplary variants for the realization of the electromagnetic unit as part of the manually operated actuator in the context of preferred embodiments of the present invention. More specifically, the respective electromagnetic units show a stationary component consisting of a soft iron section and a permanent magnet interacting therewith, and, movable relative to this stationary unit, a unit consisting of coil carrier and coil in the direction of a respective axis 10 is movably mounted. On this unit consisting of bobbin and coil, the (manual) operation is effective.

Genauer gesagt zeigt die erste Variante gemäß 1 eine stationäre Einheit bestehend aus einem zylindrischen, axial magnetisierten Permanentmagneten 12, welcher in der gezeigten Weise von einem hohlzylindrischen Weicheisenkörper 14 so umgeben ist, dass der radialsymmetrische Körper 14 in axialer Richtung beidseits an die Pole des Permanentmagneten 12 anschließt und ein Ringschlitz 16 ausgebildet ist, in welchen ein (scheibenförmiger) Spulenträger 18 mit hohlzylindrischer Spulenwicklung 20 eintauchen kann. In der Art eines Betätigungsorgans übt eine Bedienperson eine axial gerichtete Kraft auf den Spulenträger 18 aus, wobei – abhängig vom Bestromungszustand der Spule 20 – eine Gegenkraft und/oder Ruheposition der bewegbaren Einheit aus Spulenträger 18 und Spule 20 im Gehäuse 14 gefunden werden kann. Die Einheit gemäß 1 (wie auch die weiteren Einheiten) wirken dann noch in nicht in diesen Figuren gezeig ter Weise mit einer mittels eines Magnetfelddetektors realisierten Positionserfassungseinheit zusammen, welche die relative Verschiebung bzw. Eintauchtiefe der bewegbaren Einheit in das Weicheisengehäuse 14 erfasst und zur (wiederum nicht gezeigten) elektronischen Auswertung bereitstellt.More specifically, the first variant according to 1 a stationary unit consisting of a cylindrical, axially magnetized permanent magnet 12 , which in the manner shown by a hollow cylindrical soft iron body 14 surrounded so that the radially symmetric body 14 in the axial direction on both sides of the poles of the permanent magnet 12 connects and a ring slot 16 is formed, in which a (disc-shaped) coil carrier 18 with hollow cylindrical coil winding 20 can dive. In the manner of an actuator, an operator applies an axially directed force to the bobbin 18 from, wherein - depending on the current state of the coil 20 - A counterforce and / or rest position of the movable unit from bobbin 18 and coil 20 in the case 14 can be found. The unit according to 1 (As well as the other units) then act in not gezeig in these figures ter way with a realized by means of a magnetic field detector position detection unit, which the relative displacement or immersion depth of the movable unit in the soft iron housing 14 recorded and for (again not shown) provides electronic evaluation.

Im Gegensatz zur 1 zeigt die Variante der elektromagnetischen Einheit gemäß 2 einen (axial magnetisierten) hohlzylindrisch-ringförmigen Permanentmagneten 22, welcher zusammen mit einem Weicheisenkern 24, welcher beidseits der Magnetpole einen Boden – bzw. Deckelabschnitt ausbildet und einen axialen Weicheisen – Verbindungsabschnitt aufweist, die stationäre Einheit ausbildet. Die bewegbare Einheit bestehend aus Spulenträger 18 und zylindrischer Spule 20 ist wie im Beispiel der 1 als Tauchspule durch axiale (manuelle) Betätigung in das Innere des Weicheisengehäuses hinein bewegbar.In contrast to 1 shows the variant of the electromagnetic unit according to 2 an (axially magnetized) hollow cylindrical-annular permanent magnet 22 , which together with a soft iron core 24 which forms a bottom or cover section on both sides of the magnetic poles and has an axial soft iron connection section which forms a stationary unit. The movable unit consisting of coil carrier 18 and cylindrical coil 20 is like in the example of 1 as a plunger coil by axial (manual) operation in the interior of the soft iron housing into movable.

Als weitere mögliche Variante gegenüber 1 und 2 (bei wiederum unveränderter bewegbarer Einheit aus Spulenträger 18 und Spule 20) zeigt das Ausführungsbeispiel der 3 ein Weicheisen-Kernelement 26, welches in der gezeigten Weise einen zentrischen, zylindrischen Mittenbereich sowie eine hohlzylindrische Außenwand, verbunden durch einen Bodenabschnitt, ausbildet, und wobei ein (hier radial magnetisierter) Permanentmagnet 28 ringförmig innen am hohlzylindrischen Mantelabschnitt des Weicheisenskerns 26 anliegt. Auch hier kann der Spulenabschnitt 20 in den zwischen Permanentmagnet und Weicheisenkern gebildeten Innenraum auf entsprechende Kraftbeaufschlagung in axialer Richtung 10 eintauchen.As another possible variant opposite 1 and 2 (again with unchanged movable unit of bobbins 18 and coil 20 ) shows the embodiment of 3 a soft iron core element 26 which in the manner shown forms a centric, cylindrical center region and a hollow cylindrical outer wall, connected by a bottom section, and wherein a (here radially magnetized) permanent magnet 28 annular inside the hollow cylindrical shell portion of the soft iron core 26 is applied. Again, the coil section 20 in the inner space formed between permanent magnet and soft iron core to corresponding application of force in the axial direction 10 plunge.

Sämtlichen gezeigten Varianten für die elektromagnetische Einheit (welche insoweit nicht als abschließend zu versehen sind) ist die vorteilhafte Eigenschaft gemeinsam, dass bei günstiger hoher Kraftaufnahme und vereinfachter integrierter Wegerfassung (z. B. über einen Hallsensor als elektromagnetischer Felddetektor an der Spule oder am Spulenträger) eine konstruktiv einfache und zuverlässige elektromagnetische Einheit geschaffen werden kann, welche zudem in geometrischer Hinsicht ein Minimierung der Gehäuseabmessungen – sowohl in axialer als auch in radialer Richtung – ermöglicht.all shown variants for the electromagnetic unit (which as far as not conclusive are provided) is the advantageous property in common that at cheaper high power consumption and simplified integrated path detection (eg over a Hall sensor as electromagnetic field detector on the coil or on the coil carrier) a structurally simple and reliable electromagnetic unit can be created, which also in geometric terms Minimization of housing dimensions - both in the axial and in the radial direction - allows.

Unter Bezug auf die 4 bis 7 wird nachfolgend ein erstes konstruktives Ausführungsbeispiel der manuell bedienbaren Betätigungsvorrichtung beschrieben, welches das Funktionsprinzip der 1 für die elektromagnetische Einheit umsetzt.With reference to the 4 to 7 In the following, a first constructive embodiment of the manually operable actuating device will be described, which describes the functional principle of the 1 for the electromagnetic unit.

In einem zweigeteilten hohlzylindrischen Gehäuse bestehend aus einer unteren Gehäuseschale 30 (typischerweise als Kunststoff-Spritzgussteil realisiert) und einem oberen Gehäusedeckel 32, wiederum als Kunststoff-Spritzgussteil realisiert und zum Verschnappen mit dem Körper 30 ausgeführt, ist zunächst, entsprechend dem Weicheisenkörper 14 in 1, ein Eisenmantelelement 34 aus Weicheisenmaterial stationär im Gehäuse 30 vorgesehen, auf dessen Bodenfläche in der in 4 bzw. 5 gezeigten Weise der zylindrische und axial magnetisierte Permanentmagnet 12, umgeben von einer Kunststoff-Führungshülse 36, aufsitzt.In a two-part hollow cylindrical housing consisting of a lower housing shell 30 (typically realized as a plastic injection molded part) and an upper housing cover 32 , in turn realized as a plastic injection molded part and for snapping with the body 30 engineered, is first, according to the soft iron body 14 in 1 , an iron shell element 34 Made of soft iron material stationary in the housing 30 provided on the bottom surface in the in 4 respectively. 5 shown manner, the cylindrical and axially magnetized permanent magnet 12 surrounded by a plastic guide sleeve 36 , sits up.

Auf dem Permanentmagneten 12 sitzt wiederum ein Eisendeckel 38 (entsprechend insoweit dem Deckelabschnitt des Weicheisengehäuses 14 in 1), auf welchen fakultativ eine Spi ral-Druckfeder 40 in eine geeignet bemessene Vertiefung im Deckel 38 aufsetzbar ist.On the permanent magnet 12 again sits an iron cover 38 (Accordingly in this respect the cover portion of the soft iron housing 14 in 1 ), on which optionally a Spi ral compression spring 40 in a suitably sized recess in the lid 38 can be placed.

Wie die Gegenüberstellung der 4 und 5 verdeutlicht, ist das Vorsehen der Feder 40 eine bevorzugte, jedoch keine notwendige Variante bei der Realisierung des Ausführungsbeispiels.Like the juxtaposition of 4 and 5 clarifies, is the provision of the spring 40 a preferred, but not necessary variant in the realization of the embodiment.

Die aus den Einheiten 34, 12, 36, 38 gebildete stationäre Einheit wirkt zusammen mit einer bewegbaren Einheit, bestehend aus einem Kunststoff-Spulenträger 42, welcher in der in 4 bzw. 5 gezeigten seitlichen Schnittansicht einen hohlzylindrischen Spulenabschnitt mit aufsitzender Wicklung 44 sowie einen axial sich aufwärts erstreckenden Betätigungsabschnitt 46 einstückig ansitzend aufweist. Eine in Richtung auf den Gehäusedeckel 32 auf dem Spulenträger aufsitzende scheibenförmige Leiterplatte 48 trägt einen (entsprechend mit einer Tauchbewegung des Spulenträgers 42 relativ zum Permanentmagneten 12 bewegbaren) Hallsensor 50 und ist so bemessen, dass der Eingriffsabschnitt 46 des Spulenträgers eine zentrische Bohrung in der Leiterplatte 48 durchgreift und über eine weitere zentrische Bohrung 52 im Gehäusedeckel 32 aus dem Gehäuse heraustritt.The from the units 34 . 12 . 36 . 38 formed stationary unit cooperates with a movable unit consisting of a plastic bobbin 42 , which in the in 4 respectively. 5 shown lateral sectional view of a hollow cylindrical coil section with seated winding 44 and an axially upwardly extending operating portion 46 having one piece sitting. One in the direction of the housing cover 32 on the spool carrier seated disc-shaped circuit board 48 carries one (corresponding to a plunger movement of the bobbin 42 relative to the permanent magnet 12 movable) Hall sensor 50 and is sized so that the engaging portion 46 of the bobbin a central hole in the circuit board 48 passes through and another center hole 52 in the housing cover 32 emerges from the housing.

In der in 6 gezeigten Weise entsteht im montierten Zustand der Komponenten eine zylindrische Einheit, aus welcher zum Bewegen (Betätigen) des Spulenträgers der Abschnitt 46 herausragt. In in den 4 bis 7 nicht näher gezeigter Weise ist zudem die Spuleneinheit 44 zur externen Kontaktierung verdrahtet, ebenso wie eine elektrische Kontaktierung des Hallsensors 50 vorgesehen ist.In the in 6 As shown in the assembled state of the components, a cylindrical unit, from which for moving (operating) of the bobbin of the section 46 protrudes. In the 4 to 7 not shown in detail is also the coil unit 44 wired for external contacting, as well as an electrical contact of the Hall sensor 50 is provided.

Die 8 verdeutlicht eine mögliche Beschaltung der mit den Bezugszeichen 60 repräsentierten und dem Ausführungsbeispiel der 4 bis 7 entsprechenden Betätigungsvorrichtung. Diese ist, wie dem Blockschaltbild der 8 entnommen werden kann, zunächst mit einer zentralen elektronischen Steuereinheit 62 (z. B. realisiert mittels eines Mikroprozessors bzw. Controllers) verbunden, welcher einerseits das positionsabhängige Magnetfeldsignal x(t) des Hallsensors 50 empfängt und andererseits eine Steuerspannung U(x, t) erzeugt, welche über eine Verstärker- bzw. Treibereinheit 64 und eine Temperatur-Kompensationseinheit 66 an der Spuleneinheit 44 der Betätigungsvorrichtung 60 anliegt. Ferner empfängt die Steuereinheit (Prozessor) 62 aus einer (Parameter-)Speichereinheit 68 Steuer- bzw. Betätigungsparameter, eingeschlossen Daten betreffend eine Federkennlinie (im Fall des Einsatzes einer Feder 40 (vgl. 4), ferner digital gespeicherte Aktorenkennlinien in Form eines Kraft-Weg-Diagramms der Einheit 60 sowie eine (geeignet vorgegebene) beabsichtigte Kraftkennlinie zur Realisierung der gewünschten Haptik F(x).The 8th illustrates a possible wiring of the reference numerals 60 represented and the embodiment of the 4 to 7 corresponding actuator. This is how the block diagram of 8th can be removed, first with a central electronic control unit 62 (For example, realized by means of a microprocessor or controller), which on the one hand, the position-dependent magnetic field signal x (t) of the Hall sensor 50 receives and on the other hand generates a control voltage U (x, t), which via an amplifier or driver unit 64 and a temperature compensation unit 66 at the coil unit 44 the actuator 60 is applied. Furthermore, the control unit (processor) receives 62 from a (parameter) memory unit 68 Control parameters, including data related to a spring characteristic (in the case of using a spring 40 (see. 4 ), digitally stored actuator characteristics in the form of a force-displacement diagram of the unit 60 and a (suitably predetermined) intended force characteristic for realizing the desired haptic F (x).

Dies verdeutlicht ein Betriebsdiagramm in 9, wobei auf der linken Vertikalachse die auf einen Betätiger wirkende Kraft, sowohl beim „Drücken”, d. h. Hineinbewegen des Betätigungsabschnitts 46 in das Gehäuse, als auch beim „Loslassen” (d. h. Rausbewegen) in der Art einer Hysteresekurve bewirkt, und wobei die rechte Vertikalachse eine exemplarisch aufgetragene Schalterspannung wiedergibt, welche zum gezeigten Ein- und Ausschaltzeitpunkt einen Einschaltzustand durch entsprechenden Spannungspegel anzeigt, während zu den verbleibenden Zeitpunkten (bzw. zugehörigen Wegepositionen des Spulenträgers) ein Ausschalten mit 0 Volt angedeutet wird.This is illustrated by an operating diagram in 9 in which, on the left vertical axis, the force acting on an actuator, both when "pushing", ie moving in the operating portion 46 in the housing, as well as when "releasing" (ie Rausbewegen) effected in the manner of a hysteresis curve, and wherein the right vertical axis represents an exemplary plotted switch voltage indicating the on and off timing shown a switch-on state by corresponding voltage level, while the remaining Times (or associated path positions of the bobbin) a switch off with 0 volts is indicated.

Durch geeignete Parametrisierung der Einheit in 8 ist entsprechend der in 9 gezeigte Kraft-Weg-Verlauf realisiert, wobei durch entsprechende Kraftvorgabe ein mechanischer Schaltpunkt (ca. 0,075 cm Weg) eingestellt ist und bei ca. 0,21 cm ein Schließen des Schalters durch entsprechend Prozessorfunktionalität bewirkt wird. Die vorbestimmte Hysterese sorgt dann dafür, dass beim Loslassen (d. h. Heraustreten des Eingriffsbereichs 46 aus der Betätigungsvorrichtung) der Schalter (zu einem kürzeren Schaltweg) öffnet.By suitable parameterization of the unit in 8th is according to the in 9 Realized force-displacement curve realized by a corresponding force specification, a mechanical switching point (about 0.075 cm way) is set and at about 0.21 cm closing the switch is effected by corresponding processor functionality. The predetermined hysteresis then ensures that upon release (ie emergence of the engagement area 46 from the actuator) of the switch (to a shorter switching path) opens.

Bemerkenswert ist, dass durch diese Technologie im Prinzip beliebige, entsprechend haptisch wirksame Schalt- bzw. Betätigungswege eingerichtet werden können, wobei der Spulenträger (bzw. dessen Abschnitt 46) als Betätiger nur auf dem Magnet geführt ist und allein durch seine magnetische Haltekraft gehalten ist.It is noteworthy that in principle any, corresponding haptically effective switching or actuating paths can be set up by this technology, wherein the coil carrier (or its section 46 ) is guided as an actuator only on the magnet and is held solely by its magnetic holding force.

Wie beschrieben erzeugt die Linearbewegung ein elektrisch veränderliches Signal, welches – in Abhängigkeit vom jeweiligen Weg bzw. einer jeweiligen (Eintauch-)Position – in der Auswerteelektronik weiterverarbeitet wird. Entspricht diese aktuelle Position bzw. der Weg einem vorbestimmten Wert, so kann daraufhin ein Signal oder eine andere Funktionalität (z. B. das in der 8 gezeigte „el.Signal”) ausgelöst werden, wobei, entlang des Betätigungsweges, beliebig viele Punkte definierbar sind, bei welchen etwa der Prozessor an das Umfeld elektrische Signale abgibt. Dies ist sowohl beim Betätigen (Drücken), als auch beim Loslassen möglich.As described, the Linearbewe generates tion an electrically variable signal, which - depending on the particular path or a respective (immersion) position - further processed in the evaluation. If this current position or the path corresponds to a predetermined value, then a signal or another functionality (for example, that in the 8th shown "el.Signal") are triggered, along the actuation path, any number of points are definable, in which about the processor emits electrical signals to the environment. This is possible both when pressing (pressing) and when releasing.

Gleichzeitig kann der Benutzer beim Betätigen (bzw. beim Loslassen) eine Gegenkraft spüren, welche nahezu beliebig im Rahmen des Arbeitsbereichs der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung eingestellt werden kann. Diese ist abhängig von Betrag und Richtung des Spulenstroms, welche wiederum in der in 8 gezeigten Weise über die Steuereinheit eingestellt (aufgeprägt) wird. Zusätzlich kann die fakultative Druckfeder 40, etwa in Form einer überlagerten Federkennlinie, weitere Funktionalität ermöglichen.At the same time, the user when pressing (or when releasing) feel a counterforce, which can be set almost anywhere within the scope of the electromagnetic actuator. This depends on the magnitude and direction of the coil current, which in turn is in the in 8th shown manner via the control unit (impressed) is. Additionally, the optional compression spring 40 , in the form of a superimposed spring characteristic, allow further functionality.

Damit ergibt sich, dass die gezeigte Vorrichtung für eine große Anzahl von Einstell-, Betätigungs- und/oder Bedienzwecken geeignet ist, wobei das Spektrum der Einsatzgebiete von Schaltaufgaben im Kraftfahrzeug-, Automations-, Computer- oder Medizintechnikbereich bis hin zu beliebigen (insbesondere auch die haptische Wirkung ausnutzenden) Anwendungen etwa im Bereich der Simulation, Gerätesteuerung, Computerspiele od. dgl. reicht.In order to shows that the device shown for a large number of adjustment, actuation and / or Operating purposes is suitable, the spectrum of applications of switching tasks in the automotive, automation, computer or Medical technology up to any (especially the Haptic effect exploiting) applications such as in the field of Simulation, device control, Computer games od. Like. Enough.

Claims (12)

Manuell bedienbare Betätigungsvorrichtung (60) mit einem zum manuellen Bewegen relativ zu einem stationären Abschnitt (12, 14; 22, 24; 26, 28; 34, 38) entlang mindestens einer Bewegungsrichtung ausgebildeten Betätigungsorgan (18; 46) und Mitteln (62) zum Erzeugen eines elektronisch auswertbaren, mindestens einer Position des Bewegungsorgans relativ zum stationären Abschnitt zugeordneten Betätigungs-Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsorgan und der stationäre Abschnitt mittels einer elektromagnetischen Einheit (1; 2; 3) realisiert sind, das Betätigungsorgan kraftschlüssig mit einer Ankereinheit (18; 42) der elektromagnetischen Einheit zusammenwirkt oder Teil derselben ist und der stationäre Abschnitt durch einen Kernbereich der elektromagnetischen Einheit realisiert ist, Mittel (50) zur Wegerfassung der Ankereinheit relativ zum Kernbereich vorgesehen sind und eine elektronische Steuereinheit (62) so mit den Mitteln zur Wegerfassung zusammenwirkt, dass in Abhängigkeit von einem ersten elektronisch auswertbaren Wegerfassungssignal die Steuereinheit ein eine vorbestimmte Kraft entgegen der Bewegungsrichtung auf die Ankereinheit ausübendes Steuersignal an die elektromagnetische Einheit ausgibt und als Reaktion auf ein zweites elektronisch auswertbares Wegerfassungssignal die Steuereinheit das Betätigungs-Ausgangssignal erzeugt.Manually operable actuator ( 60 ) with a manual movement relative to a stationary section ( 12 . 14 ; 22 . 24 ; 26 . 28 ; 34 . 38 ) along at least one direction of movement formed actuator ( 18 ; 46 ) and funds ( 62 ) for generating an electronically evaluable, at least one position of the movement member relative to the stationary portion associated actuating output signal, characterized in that the actuating member and the stationary portion by means of an electromagnetic unit ( 1 ; 2 ; 3 ) are realized, the actuating member frictionally with an anchor unit ( 18 ; 42 ) of the electromagnetic unit or is part thereof and the stationary section is realized by a core region of the electromagnetic unit, means ( 50 ) are provided for detecting the position of the armature unit relative to the core region and an electronic control unit ( 62 ) cooperates with the means for path detection, that in response to a first electronically evaluable position detection signal, the control unit outputs a predetermined force against the direction of movement on the armature unit exerting control signal to the electromagnetic unit and in response to a second electronically evaluable position detection signal, the control unit actuation Output signal generated. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit eine von der Steuereinheit ansteuerbare Spuleneinheit (44) aufweist, die zum elektromagnetischen Zusammenwirken mit dem stationären Kernbereich ausgebildet ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the armature unit can be controlled by the control unit coil unit ( 44 ) formed for electromagnetic interaction with the stationary core region. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit in einem Betätigungszustand des Betätigungsorgans (46) zumindest abschnittsweise den Kernbereich übergreift.Apparatus according to claim 2, characterized in that the coil unit in an operating state of the actuating member ( 46 ) at least partially overlaps the core area. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich eine Permanentmagneteinheit (12; 22; 28) aufweist.Device according to claims 1 to 3, characterized in that the core region is a permanent magnet unit ( 12 ; 22 ; 28 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit (12) im Kernbereich zentrisch und/oder so vorgesehen ist, dass bei einer Betätigung des Betätigungsorgans die Permanentmagneteinheit durch eine Spuleneinheit der Ankereinheit zumindest abschnittsweise umschlossen ist.Device according to claim 4, characterized in that the permanent magnet unit ( 12 ) is centrally provided in the core area and / or so that upon actuation of the actuating member, the permanent magnet unit is at least partially enclosed by a coil unit of the anchor unit. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit (22; 28) im Kernbereich radial randseitig und so vorgesehen ist, dass bei Betätigung des Betätigungsorgans die Permanentmagneteinheit mantelseitig zumindest abschnittsweise eine Spuleneinheit der Ankereinheit umschließt.Device according to claim 4, characterized in that the permanent magnet unit ( 22 ; 28 ) is provided in the core region radially at the edge and is provided such that upon actuation of the actuating member, the permanent magnet unit encloses on the shell side, at least in sections, a coil unit of the armature unit. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit Permanentmagnetmittel aufweist, die zum Zusammenwirken mit einer stationären Spuleneinheit am oder im Kernbereich ausgebildet sind.Device according to claim 1, characterized in that in that the armature unit has permanent magnet means which cooperate with one another with a stationary one Coil unit are formed on or in the core area. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit gegen die Stellkraft einer Rückstellfeder (40), insbesondere Druckfeder, in einer einem unbetätigten Zustand entsprechender Ausrückposition gehalten ist.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the armature unit against the actuating force of a return spring ( 40 ), in particular pressure spring, is held in an unactuated state corresponding disengagement position. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Wegerfassung als bevorzugt an der Ankereinheit vorgesehene, weiter bevorzugt mit dieser bewegbare Magnetfelderfassungsmittel (50) ausgebildet sind, die zum Umsetzen eines detektierten Magnetfeldsignals des Kernbereichs in das wegproportionale Wegerfassungssignal eingerichtet sind.Device according to claims 1 to 8, characterized in that the means for position detection as preferably provided on the anchor unit, more preferably with this movable magnetic field detecting means ( 50 ) configured to convert a detected magnetic field signal of the core region into the path-proportional path detection signal. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als haptische Schnittstelle so ausgebildet ist, dass eine Betätigung des Betätigungsorgans in der Bewegungsrichtung an mindestens einer Position entlang des Weges ein vorbestimmtes, manuell spürbares lokales Kraftmaximum in einer Kraft-Weg-Charakteristik der Betätigungsvorrichtung entsteht.Device according to one of claims 1 to 9, characterized that the device is designed as a haptic interface is that an actuation of the actuator in the direction of movement at at least one position along the Way a predetermined, manually perceptible local force maximum arises in a force-displacement characteristic of the actuator. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Kraftmaximum durch elektronische Konfiguration, insbesondere Ansteuerung und/oder Programmierung der Steuereinheit, einstell- und/oder veränderbar ist.Device according to claim 10, characterized in that that the local force maximum through electronic configuration, in particular control and / or programming of the control unit, adjustable and / or changeable is. Verwendung der manuell bedienbaren Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Bedienelement, insbesondere Schalter, in Kraftfahrzeugen, zur Bedienung von Schaltschränken, in Geräten der Unterhaltungselektronik und Computertechnik oder der Medizintechnik.Use of the manually operable actuator according to one of the claims 1 to 11 as a control element, in particular switches, in motor vehicles, for the operation of control cabinets, in devices consumer electronics and computer engineering or medical technology.
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