DE102008023953B4 - Manually operable actuator and its use - Google Patents
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Abstract
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, wobei das Betätigungsorgan und der stationäre Abschnitt mittels einer elektromagnetischen Einheit 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 (50) 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...Manually operable actuating device (60) with an actuating member (18; 46) designed for manual movement relative to a stationary section (12, 14; 22, 24; 26, 28; 34, 38) along at least one direction of movement and means (62) for Generating an electronically evaluable actuation output signal associated with at least one position of the movement element relative to the stationary section, the actuation element and the stationary section being implemented by means of an electromagnetic unit, the actuation element cooperating with an armature unit (18; 42) of the electromagnetic unit or part of it the same and the stationary section is realized by a core area of the electromagnetic unit, means (50) are provided for detecting the position of the armature unit relative to the core area and an electronic control unit (62) cooperates with the means (50) for detecting the distance that, depending on a first elect ronically evaluable distance 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 ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine manuell bedienbare Betätigungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The present invention relates to a manually operable actuating device 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 Gerte, Fahrzeuge, Maschinen oder dergleichen eingesetzt.Such a device is well known in the art and is widely used, for example, as a command input or interface device for manually actuating virtually any electronic device, vehicle, machine, or the like.
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 military technology come so-called forced feedback systems, which, in response to a person operating the actuator, impose this force, which typically, in the manner of an actuation resistance or a counterforce, a current operating situation (eg: rudder force of an aircraft ) corresponds. This could then be simulated, without effective mechanical connection, acting on the operating element counterforce.
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.Specifically, for the purpose of generating such a force as feedback to the actuator, various approaches are known and also dealt with in the patent literature; So there are in addition to the force (resistance) generation by so-called rheological fluids, also forced feedback systems by friction systems, eg. 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.As a result, in addition to consumer electronics applications (eg, driving or flight simulators where a joystick to be manipulated by the player (operator) has been provided with appropriate technology), numerous automotive applications in particular are taking advantage of this technology. By way of example only, this application may be mentioned as a shift lever of an automatic transmission, a (mechanically decoupled) accelerator pedal or a universal selection and actuation button (iDrive from BMW).
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.However, all of these principles have in common that they are typically mechanically and constructively involved in the realization, in particular with regard to the haptic responsible, controlled force generation, and in addition, it proves to be potentially disadvantageous that practically has a separate system for each application a specific actuation and force behavior (ie a specific force-displacement characteristic in the operation) must be developed and implemented.
Aus der
Aus der
Zum weiteren relevanten Stand der Technik wird auf die
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.Object of the present invention is therefore to improve a generic, especially tactile effective actuator for manual handling by an operator in terms of a simple mechanical-constructive feasibility and universal applicability (thus suitable configurability for any purpose).
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 9.The object is achieved by the device having the features of the main claim; advantageous developments are described in the subclaims. Independent protection within the scope of the invention is claimed for the use according to independent claim 9.
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 an advantageous manner according to the invention, first the stationary section and the actuating member guided relative thereto along a path in the direction of movement are realized as parts of an electromagnetic unit, wherein the actuating member designed for engagement or actuation by the operator is part of the movable armature acting on this) and the armature then interacts electromagnetically 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, means for detecting the position of the armature unit are provided such that along the path at least one position detection signal (position signal) can be generated, preferably a path-proportional, electronically processable signal for the downstream electronic control unit is available along the entire effective path. This is initially able to generate from the (first) electronically evaluable position detection signal, a control signal for the electromagnetic unit, which imposes a counterforce (resistance) of the armature unit, according to a predetermined (ideally as preset or presettable according to a table or function) force -way characteristic. For example, it is possible to generate at a predetermined position along the way a mechanically noticeable pressure point, namely a local force maximum in the force-displacement curve, which by controlling the electronic Control unit, according to predetermined (preferably stored) parameters by suitable control of the electromagnetic unit (in particular imprinting a correspondingly 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.Additionally and in accordance with the invention, the control unit is capable of detecting the occurrence of a predetermined event in response to a received (second) path detection signal, e.g. B. the intended triggering of a switching operation after reaching a predetermined shift stroke (corresponding travel), whereupon then in the intended manner, 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.In this way, the possibility arises to advantageously configure a generic and for many different applications non-specific to be provided electromagnetic unit only by appropriate programming (specification or imprinting the intended force-displacement characteristic) for a specific application or even, depending on other Parameters to vary the haptic effective behavior of the device in the manner described.
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.Since the generation of the counter force according to the invention works on the basis of an electromagnetic actuator, also the mechanical realization is relatively simple and proven, in addition, high reliability can be combined with a large usable range of forces.
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 context of the present invention, it has initially proved to be advantageous for further development according to the invention to embody the anchor unit according to the invention as a plunger anchor, in addition to realize this plunger anchor by means of a coil unit which cooperates magnetically with the stationary core area.
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.In terms of design, it is particularly preferred to provide a permanent magnet unit in the core region, which then acts on the coil as a conductor through which current flows, based on the otherwise known principle of the Lorentz force, 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.Especially the continuing education chosen principle of the plunger coil offers many advantages in view of the intended use; not only allows the small moving mass (ie the coil armature) high accelerations and thus favorable dynamic properties, also a comparatively compact, short in the stroke direction realization, and in particular when further training the coil length (anchor length) is set up so that regardless of the Anchor position is always the same number of coil turns in the air gap, a virtually linear force characteristic can be achieved (so that then the force generation is not dependent on the position of the actuator along the actuation path). However, embodiments of the invention are also included, in which an actuator characteristic with current and coil position dependent force is 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 umschließt. 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, the coil unit which preferably acts as an armature engages over the core-side permanent magnet unit at least in sections (ie at least partially surrounds a centric-internal permanent magnet section in the manner of a pot), it is alternatively preferred and advantageous that, more preferably radially magnetized , Annular form permanent magnet unit and provide so that this surrounds the outside of the shell side of the armature coil. It is also not excluded in principle within the scope of the invention that the armature has a permanent magnet unit which cooperates with a stationary coil unit. In general, moreover, the permanent magnet unit can 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.In order to achieve a suitably aspired force-displacement characteristic, it may be advantageous according to the invention to bias the actuating member against the force of a restoring spring (eg designed as a compression spring), which in this respect, even in an energized state of an armature coil, a disengaged position as an 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 is within the scope of preferred embodiments of the invention to provide the movement according to the invention along the direction of movement in one dimension, it is equally encompassed by the invention to detect multi-dimensional movements according to the invention and to provide them with predetermined counterforces, for example using a two-dimensional in one plane operable joysticks as 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 in the context of the present invention, the force-travel characteristic to be set by the control unit or to be impressed on the actuator can be arbitrarily complex and, in extension of the example described above, a plurality of force maxima following one another along the actuation path (eg for generating a plurality of successive pressure points). Similarly, it is contemplated by the present invention to predetermine a plurality of digital or analog events to be triggered by the (at least one) second path detection signal.
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 of the present invention thus makes the manually operable actuator of the present invention ideally suited for a variety of different applications and uses, even within the same use by appropriately predetermined, selectable or (re) programmable parameterization, adapting to different operating conditions is possible; 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 control lever for a computer game make a (pre-) adjustment to different individual user needs, such as desired drag, 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 from the following description of preferred embodiments and from the drawings; these show in
Die
Genauer gesagt zeigt die erste Variante gemäß
Im Gegensatz zur
Als weitere mögliche Variante gegenüber
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 variants shown for the electromagnetic unit (which are not to be provided as a final extent) have the advantageous feature in common that with a favorable high power consumption and simplified integrated path detection (eg via a Hall sensor as an 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 minimizing the housing dimensions - both in the axial and in the radial direction - allows.
Unter Bezug auf die
In einem zweigeteilten hohlzylindrischen Gehäuse bestehend aus einer unteren Gehäuseschale
Auf dem Permanentmagneten
Wie die Gegenüberstellung der
Die aus den Einheiten
In der in
Die
Dies verdeutlicht ein Betriebsdiagramm in
Durch geeignete Parametrisierung der Einheit in
Bemerkenswert ist, dass durch diese Technologie im Prinzip beliebige, entsprechend haptisch wirksame Schalt- bzw. Betätigungswege eingerichtet werden können, wobei der Spulenträger (bzw. dessen Abschnitt
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
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
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.This results in that the device shown is suitable for a large number of setting, actuation and / or operating purposes, the spectrum of applications of switching tasks in automotive, automation, computer or medical technology to any (especially the haptic effect exploiting) applications such as in the field of simulation, device control, computer games od. Like. Enough.
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Also Published As
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