DE112018003575T5

DE112018003575T5 - Benutzeroberflächengeräte mit induktiver Abtastung

Info

Publication number: DE112018003575T5
Application number: DE112018003575.1T
Authority: DE
Inventors: Frederick Johannes Bruwer; Douw Gerbrandt Van Der Merwe; Daniel Barend RADEMEYER; Regardt BUSCH; Jakobus Daniel VAN WYK
Original assignee: Azoteq Pty Ltd
Current assignee: Azoteq Holdings Ltd Cy
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-10-29
Also published as: US20200166376A1; US11624633B2; WO2019014690A1; CN111094901A

Abstract

Eine induktive abtast-basierte Benutzerschnittstelleneinrichtung, die eine leitende Barriere mit zumindest einer Apertur, einen magnetischen Flussveränderer, der an einem Rotationselement an einer Seite von der Barriere angebracht ist und eine induktive Struktur auf einer gegenüberliegenden Seite von der Barriere mit der Apertur ausgerichtet ist, die magnetisch mit dem magnetischen Flussveränderer gekoppelt ist, beinhaltet, wobei eine Änderung der gemessenen Induktivität genutzt wird, um Rotationseingaben zu bestimmen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Benutzerschnittstelleneinrichtungen (UI) auf der Basis von induktiver Abtastung bieten eine Reihe von einzigartigen Vorteilen, wie z.B. Resistenz gegen Schmutz und Verunreinigungen, die Fähigkeit, durch nichtleitende und nichtmagnetische Materialien hindurch zu messen, und so weiter. Der Stand der Technik enthält zahlreiche Hinweise auf Ul-Einrichtungen auf der Basis von induktiver Abtastung. In der US 8,847,892 lehren Kreit et al. Ul-Tasten, bei denen ein Element aus leitendem oder hochmagnetischem Material gegen eine Spule gedrückt wird, eine messbare Änderung der Induktivität zu bewirken. Das '892-Patent lehrt auch zwei induktive Komponenten, d.h. eine Sende- und eine Empfangsantenne, die näher zueinander hin gedrückt werden, eine messbare Änderung der Induktivität bewirkt. In der US 2011/0187204 von Lacey et al. wird eine Ul-Einrichtung in Form einer induktiven Berührungstaste vorgestellt, bei dem ein leitendes Ziel näher an eine Spule gedrückt wird und bei dem eine Frontplatte sowohl das Ziel als auch die Spulenanordnung abdeckt, wobei die Frontplatte typischerweise aus Edelstahl besteht. In der US 2013 / 0187742 von Porter et al. werden induktive Berührungssensoren vorgestellt, die eine Änderung der physischen Form des Sensorinduktors aufgrund einer Benutzer-Drückaktionerkennen. Ein drehbares Ul-Element mit einem Druckknopfschalter ist in 9 von US 8,020,453 von Kreit et al. dargestellt, wobei das drehbare Element ein rotierendes elektrisches Zwischengerät (EID) enthält und wobei seine Drehung durch ein Antennenteil an der Unterseite einer undurchlässigen Frontplatte gemessen wird. Gemäß dem ‚453-Patent enthalten EID‘s typischerweise einen Schwingkreis, der eine induktive Spule und einen Kondensator umfasst, oder können ganz aus leitfähigem Material bestehen, wobei die Position des EID die Kopplung zwischen einer Sende- und Empfangsspule oder -wicklung im Antennenelement beeinflusst. Der in 9 des '453-Patents dargestellte Druckknopfschalter wird als normal offen beschrieben und schließt, wenn ein Benutzer ihn drückt, wodurch die Spule und der Kondensator des EID in Resonanz treten können.
Die US 8,854,309 von Deokar et al. lehrt eine UI in Form einer Tastatur, die mit Hilfe von Induktivitätsabtastung bestimmt, wann Tasten gedrückt werden, mit haptischer Rückmeldung aufgrund der Magnetwirkung, die durch eine magnetische Struktur der Tasten bereitgestellt wird, die aus einer Spule besteht, die sandwichartig zwischen einer Anzahl von magnetischen Schichten eingeschlossen ist. Matthews et al. lehren in WO 2008 / 035041 eine Reihe von Uls mit induktiver Abtastung für tragbare Geräte, die alle auf der Verwendung von Sende- und Empfangsantennen oder -spulen und einem EID basieren. In der US 7,196,604 lehren Sills et al. eine Reihe von Druckknopfausgestaltungen mit induktiver Abtastung sowie eine Drehschalterausgestaltung (10 von '604), bei der eine Drehung Auf- oder Abwärtsbewegungen eines Ferritbuchsenelements in einer Spule bewirkt.
Für Anwendungen mit induktiver Abtastung, die durch oder über leitende Barrieren hinweg abtasten müssen, wird die Frequenz der Signale durch Wirbelstromverluste und die Dicke des Overlays begrenzt. Bei 1 MHz beträgt beispielsweise die Eindringtiefe bei Kupfer 65 µm und bei Aluminium 85 µm, wodurch die Dicke des leitfähigen Overlays auf Bruchteile dieser Werte begrenzt wird, wenn die Magnetfelder die Overlays richtig durchdringen sollen. In der oben erwähnten US 8,020,453 von Kreit et al. geben die Erfinder an, dass eine Metallbarriere zwischen einem EID und einer Antenne (d.h. zwischen einem resonanten Ziel und Sende- und Empfangsspulen) platziert werden kann, solange die Anregungs- oder Resonanzfrequenz niedrig genug ist, um Signale durch die Eindringtiefe des Metalls zu leiten. Ein Beispiel für eine Barriere aus 2 mm dickem, nichtmagnetischem Edelstahl 316, die immer noch ein Signal von 40 kHz durchlässt, ist im '453-Patent enthalten. Die US 7,016,744 von Howard et al lehrt eine große Anzahl von Ul-Tasten, Schiebereglern, Marker-Pucks und Knöpfen, die mit einer Schnittstelle mit induktiver Abtastung über ein(en) abgedichtetes/n Gehäuse oder Körper (z.B. das Gehäuse einer Waschmaschine) verwendet werden, lehrt aber nicht, ob das Gehäuse leitfähig ist und was die Auswirkungen auf die Abtastung sind, wenn es leitfähig ist, wie z.B. die maximale Gehäusewandstärke im Verhältnis zur Eindringtiefe usw. In der WO 2014 / 053835 lehren Howard et al., dass die Dicke einer Trennwand zwischen einer Wicklung und einem leitfähigen Objekt geringer sein sollte als die Eindringtiefe bei der Betriebsfrequenz des Detektors. Howard et al. erörtert außerdem mit Bezug auf 7 der '835-Anmeldung, dass die Dicke einer gezeigten Trennwand typischerweise weniger als 1 mm betragen sollte und dass die Anregungsfrequenz für eine Wicklung so gewählt werden sollte, dass das induktive Feld durch die Eindringtiefe von Metallmaterialien hindurchragt, z.B. sollte sie bei Edelstahl so gewählt werden, dass sie weniger als 30 kHz beträgt.
Eine Möglichkeit zur Überwindung der obigen Grenze, wie durch die vorliegende Erfindung im Detail offenbart wird, kann die Verwendung von Löchern, Langlöchern oder Aperturen in dem/r leitfähigen Overlay oder Barriere und die Verwendung von magnetischen Elementen sein, um den magnetischen Fluss durch diese Löcher, Langlöcher oder Aperturen zu lenken und zu fokussieren. Obwohl die US 8,314,610 von Urano et al. einen induktiven Resolver lehrt, der Statorstifte (d.h. Magnetelementstifte) verwendet, die durch Spulen und Löcher in einer Resolverabdeckung vorstehen, so dass sie einem rotierenden Metallteil zugewandt sind, wird im '610-Patent nicht angegeben, ob die Resolverabdeckung aus einem leitenden oder nichtleitenden Material besteht. Außerdem enthält zwar der Stand der Technik zahlreiche Hinweise auf die Verwendung von Aperturen oder Langlöchern in leitfähigen Elementen und induktiver Abtastung, wie unten beschrieben, aber es scheint, dass sich keine(r) davon auf Ul-Geräten mit einem statischen, d.h. nicht ablenkend und fest positioniert, leitfähigen Overlay mit Löchern oder Aperturen befindet, und wobei Magnetelemente verwendet werden, um den magnetischen Fluss durch die Löcher oder Aperturen zu fokussieren und zu lenken.
Zum Beispiel lehren Hachtel et al. zwei leitfähige Scheiben in der US 4,356,732 mit entsprechenden Ausschnitten oder Aperturen in den Scheiben, wobei eine Spule der ersten Scheibe zugewandt ist, wobei die Spuleninduktivität maximal ist, wenn die Aperturen in beiden Scheiben ausgerichtet sind, d.h. wenn die Spule einer minimalen Metallmenge zugewandt ist. In der US 5,126,665 , ebenfalls von Hachtel et al., wird ein Stand der Technik diskutiert, der zwei geschlitzte konzentrische Hülsen über einer Spule benutzt, um den Drehwinkel zu bestimmen. Das '665-Patent offenbart ferner die Verwendung von zwei oder mehr Spulen auf einem geteilten Rundkern innerhalb einer rotierenden äußeren leitfähigen Hülse mit asymmetrischen Aperturen zur Messung des Drehwinkels.
Ward offenbart eine Erfindung zur Messung von axialen Bewegungen in der US 4,406,999 mit einer Bobbine, einer Spule und einem Magnetkern sowie ersten und zweiten leitfähigen Röhren, die über diese gleiten. In der ersten Röhre befindet sich ein dreieckiges Langloch (2 von '999). Wenn die zweite Röhre nach oben/unten gleitet, öffnet/schließt sie mehr von diesem Langloch, wodurch die Induktivität der Spule messbar beeinflusst wird. Ward lehrt auch eine Rotationsausgestaltung in 4 und 5 des '999-Patents, bei der sowohl die inneren als auch die äußeren leitfähigen Röhren Langlöcher enthalten und bei der die Spuleninduktivität maximal ist, wenn die Langlöcher fluchten.
Die EP 0 365 758 von Dobler et al. offenbart einen zylindrischen Metallkern mit Ausschnitten, der von einer Metallhülse mit Aperturen bedeckt ist. Ein Spulenkörper, der zwei verschiedene Spulen trägt, gleitet über den Kern und die Hülse und wird zum Messen der Drehung des Kerns verwendet. Dobler et al. lehren eine ähnliche Erfindung in der US 5,083,468 , bei der zwei Spulen um zwei leitfähige, rotierende und geschlitzte Hülsen herum angeordnet sind. Die Langlöcher der äußeren Hülse sind gleichmäßig über ihren Radius verteilt, während die innere Hülse gestaffelte Langlöcher aufweist, wodurch die Induktivität der einen Spule zunimmt, während die der anderen Spule bei der Rotation abnimmt. Eine Scheibenausgestaltung ist auch in den 8 und 9 des '468-Patents dargestellt.
In der EP 0 452 803 von Kottwitz et al. zeigt 1 einen runden Magnetkern mit einem Metallelement in seiner Mitte, wobei das Metallelement ein Langloch aufweist. Die Spannung an einer auf den Kern gewickelten Sekundärspule ist aufgrund minimaler Wirbelstromverluste maximal, wenn das Langloch mit den Mittelschenkeln des Kerns fluchtet. Das '803-Patent lehrt auch einen geteilten rechteckigen Magnetkern, der ein geschlitztes Magnetelement in der Spaltung enthält (4 von '803). Die Ausrichtung des Langlochs im Magnetelement und des Kerns führt zu einer maximalen Sekundärspulenspannung.
Die US 6,646,433 von Milvich lehrt ein Maßband mit verschiedenen Aperturformen und Positionen auf einem Metallband, wobei Sende- und Empfangsspulen zur Messung der Bandbewegung verwendet werden. Mit Hilfe von Aperturen werden der induzierte Stromfluss und die Richtung beeinflusst, wie in den 2 bis 4 des '433-Patents dargestellt.
Masaki et al. lehren in ihrer US 6,926,115 eine Reihe von Anwendungen zur Messung der differentiellen Induktivität, wobei ein Magnetelement durch nichtmagnetische Elemente in entgegengesetzter Weise abgeschirmt wird, d.h. wenn die Abschirmung für das eine nach oben geht, fällt die Abschirmung für das andere ab, was entsprechende differentielle Änderungen der Induktivitäten verursacht. Das '115-Patent offenbart eine Anzahl von Ausgestaltungen, die Öffnungen oder Zähne/Vorsprünge verwenden, um die Abschirmung zu bewirken.
In der US 7,705,585 lehrt Howard ein Ziel oder EID aus magnetisch permeablem oder leitfähigem Material mit einer Reihe von Löchern oder Aperturen entlang seiner Länge, um die Kopplung zwischen Sende- und Empfangswicklungen zu beeinflussen.
In der WO 2013 / 089206 von Goto et al. wird Rotationsmessung mit zwei Scheiben, eine aus Eisen und eine aus Aluminium, beschrieben. Die Scheiben enthalten Aperturen, die in bestimmten Drehwinkeln fluchten. Die Induktivität von zwei planaren Spulen wird durch diese Fluchtung messbar beeinflusst.
Die US 9,157,768 von Reitsma et al. präsentiert zahlreiche Formen für bewegliche leitfähige Ziele (4 von '768) für Anwendungen der Induktivitätsmultiplikation mit in Reihe geschalteten Spulen und lehrt auch, dass jede leitende Zielform durch ein entsprechendes umgekehrtes Langlochgegenstück ersetzt werden kann (Sp. 12 von '768).
Die US 9,347,764 von Gilmore lehrt zwei Sensorspulen über einem leitfähigen Ziel, mit gegenüberliegenden V-förmigen Öffnungen im Ziel. Wenn sich das Ziel bewegt, dann steigt die Wirbelstrombelastung für eine Spule, während die andere aufgrund der V-Formen abnimmt. Es werden auch andere Formen von leitfähigen Zielen mit gegenüberliegenden schrägen Oberflächen offenbart.
In den 16 und 17 der US 6,479,086 lehrt Knepler die Verwendung einer Spule zum Übertragen oder Lesen von Daten durch eine Metallwand, wobei eine Apertur in der Wand die Übertragung oder das Lesen erleichtert und wobei die Apertur mit einem Kunststoffeinsatz gefüllt ist. Knepler erörtert nicht die Auswirkungen von Eindringtiefe, Frequenz und Metalldicke auf die Notwendigkeit der Verwendung des Einsatzes. Das '086-Patent lehrt auch nicht die Verwendung von flussmodifizierender Elementbewegung auf der Benutzerseite der Metallwand, um eine Benutzeroberfläche zu erleichtern.
In der US 2017 / 0146256 lehren Alexander et al. einen induktiven Sensor 526, der durch eine Öffnung 522 in der Frontplatte 518 einem leitfähigen Ziel 532 zugewandt ist. Sensor und Ziel werden verwendet, um die Position eines HVAC-Systemstellantriebs zu lesen, wobei dieser Stellantrieb von einem Motor auf der Basis eines Steuersignals bewegt wird. Die '526-Anmeldung erörtert weder die Materialart oder Zusammensetzung der Platte 518 noch die Motivation für die oder die Auswirkungen der Verwendung der Öffnung 522. Ferner lehrt die '526-Anwendung die Verwendung der Schalter 514 und 516 (6 und 7) zum Einstellen der Betriebsarten des Stellantriebs und listet mögliche Schaltertypen wie Potentiometer, Druckknöpfe, Drehscheiben, Kippschalter usw. auf, aber sie lehrt nicht und impliziert oder deutet auch nicht an, dass mittels der Kombination eines induktiven Sensors, eines leitfähigen oder magnetischen Ziels und einer Apertur ein Ul-Gerät über eine leitfähige Barriere von erheblicher Dicke geschaffen werden kann, um die Betriebsarten des Stellantriebs einzustellen.
Ul-Geräte auf der Basis von induktiver Abtastung können auch von der Messung von Linearbewegung oder Drehwinkel und -richtung durch Verarbeiten der Phasenverschiebung zwischen Signalen von zwei oder mehr Spulen profitieren. Der Stand der Technik enthält eine Reihe von Hinweisen auf die Nutzung der Phasenverschiebung von induktiven Messungen zur Bestimmung der Bewegung, wie unten beschrieben.
In der US 6,304,076 von Madni et al. wird ein Rotationsmesssystem offenbart, das sechs Sende- und Empfangsspulenpaare zusammen mit einem halbmondförmigen leitfähigen Spoiler auf einer Scheibe verwendet, die sich zwischen den genannten Sende- und Empfangspaaren befindet. Das System ist so ausgelegt, dass die Summierung der Empfangsspulensignale ein sinusförmiges Signal ergibt, dessen Phase die Winkelposition anzeigt. Madni et al. lehren einen ähnlichen Ansatz in der US 6,448,759 , allerdings zur Messung von Linearbewegung.
US 7,053,602 von Jin et al lehrt einen Drehsensor, der ein leitfähiges Band mit ständig variierender Breite umfasst. Zur Bestimmung des Drehwinkels mit minimalem Rauscheinfluss wird ein Differenzsignal D1 von zwei Sensorspulen gewonnen. Die Verwendung von drei Spulen und einem Signal S3 von der dritten Spule mit dem Signal D1 zum Bestimmen von Drehwinkel und -richtung wird ebenso gelehrt wie die Verwendung von vier Spulen und zwei Differenzsignalen D1 und D2, um den Drehwinkel genauer zu bestimmen. Jin et al. offenbaren ferner die Verwendung eines leitfähigen Bandes mit sich ständig ändernder Breite und plötzlichem Breitensprung (11 von '602) und dass ein Ring aus magnetischem Material mit sich ständig ändernder Breite anstelle eines leitfähigen Bandes verwendet werden kann.
Die US 7,183,761 von Watanabe et al lehrt einen Drehsensor unter Verwendung von zwei Spulenpaaren, die mit einem ringähnlichen leitfähigen Element ausgerichtet sind, das sich zwischen den Spulen jedes Paares befindet, wobei die Breite des leitfähigen Elements um seinen Umfang ständig variiert, wobei die beiden Spulenpaare in einem bevorzugten Winkel von 90° relativ zueinander angeordnet sind und wobei der Drehwinkel anhand einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Spulenpaaren bestimmt wird. Das Verfahren zur Bestimmung des Drehwinkels, das durch das '761-Patent gelehrt wird, ist jedoch ziemlich komplex und scheint keine Bestimmung der Drehrichtung zu beinhalten.
Drehencoder gehören auch zu Ul-Geräten auf der Basis von induktiver Abtastung. Der Stand der Technik lehrt zahlreiche Drehencoderlösungen auf der Basis von induktiver Abtastung. Zum Beispiel lehrt Pike einen induktiven digitalen Encoder in der US 5,109,193 , der vier Spulen und fünf Platten umfasst, die deutlich winkelmäßig um einen Umfang herum angeordnet sind, um zehn eindeutige Drehpositionen zu erfassen. Die '193 zeigt auch eine lineare Encoderausgestaltung. Ein weiterer Drehencoder mit Trägermodulation wird von Wingate et al. in der US 5,939,879 gelehrt.
Die US 4,494,109 von Bernin lehrt Transformatorenschalter, die Elemente aus magnetischem oder leitfähigem Material oder eine Kombination davon verwenden, um die Kopplung zwischen einer Primär- und einer Sekundärwicklung zu beeinflussen. Die Verwendung von U-förmigen Ferritelementen wird ebenfalls von Bernin gelehrt.
Der Stand der Technik enthält zahlreiche Lehren für Ul-Geräte mit induktiver Abtastung in Form von Tastaturen (siehe z.B. US 3,757,068 ; US 3,129,418 ; US 3,683,371 ; US 3,740,746 und US 4,529,967 ).
Der Stand der Technik kann von UI-Geräten profitieren, die induktive Abtastung nutzen können, um Benutzereingaben durch/über leitfähige Overlays zu erfassen, die aber keine Ablenkung oder Bewegung des Overlay erfordern, wobei die leitfähigen Overlays eine erhebliche Dicke relativ zur Eindringtiefe des leitenden Materials bei der für induktive Abtastung verwendeten Frequenz aufweisen. Eine Option, wie oben erwähnt und durch die vorliegende Erfindung gelehrt, ist die Verwendung von Löchern oder Aperturen in den genannten leitfähigen Overlays und Magnetelementen, um den Magnetfluss durch die Löcher zu lenken und zu fokussieren. Für physisch kleine UI-Geräte ist die praktische Spulengröße entsprechend begrenzt. Bei solch kleinen Spulen sind Messsignale typischerweise stark in der Amplitude begrenzt, da die Verwendung großer Ströme zur Erhöhung des von den Spulen erzeugten Magnetflusses normalerweise unpraktisch ist, besonders bei tragbaren Geräten, bei denen die Lebensdauer der Batterie ein wichtiger Faktor ist. Folglich müssen alle zusätzlichen Verluste durch Wirbelströme, die durch die Löcher oder Aperturen in dem leitfähigen Overlay verursacht werden, so weit wie möglich vermieden werden. Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung für dieses Hindernis.
Azoteq (Pty) Ltd entwickelte kostengünstige, integrierte Niedrigleistungsschaltungen zum Implementieren von Induktivitätsmessungen in Konfigurationen mit einem oder mehreren Induktoren (Gegeninduktivität). Abmessungen und Leistung der Schaltungen ermöglichen die Nutzung induktiver Messungen in innovativen und neuartigen Uls, speziell für physisch kleine Ul-Geräte. Diese integrierten Schaltungen nutzen auf Ladungsübertragung basierende Schaltungen und Methoden zur Messung der Induktivität, wie sie in der US 2016 / 0282393 und der WO 2016 / 138546 gelehrt werden, die mit der vorliegenden Offenbarung gemeinsame Erfinder haben. Bei solchen Schaltungen und Methoden kann die inhärente oder parasitäre Kapazität von zu messenden Spulen oder induktiven Strukturen Messgenauigkeit und / oder - bereich negativ beeinflussen. Es wurde beobachtet, dass die Kapazität von einzelnen Spulen oder induktiven Strukturen, die für Eigeninduktivitätsmessungen verwendet werden, ein größeres Problem darstellt als die Kapazität zwischen gemeinsamen Spulen oder Induktoren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung lehrt die Verwendung von Aperturen in einem/r nicht ablenkenden, leitfähigen Overlay oder Barriere zur Erfassung von linearen, rotatorischen oder translatorischen Bewegungen von Ul-Einrichtungen mit induktiven Sensoren, wobei die UI-Einrichtungen auf einer Seite des/r leitfähigen Overlays oder Barriere angeordnet sind und für die induktive Erfassung verwendete Spulen oder induktive Strukturen auf der anderen Seite des/r Overlays oder Barriere angeordnet sind. Sie lehrt ferner eine Reihe von Encoderstrukturen, um lineare, rotatorische oder translatorische Bewegungen von Ul-Einrichtungen in digitale Codes umzuwandeln.
Figurenliste
Die Erfindung wird anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, in denen:

1 typische Anordnungen von planaren Sende- und Empfangsspulen zeigt, wie sie im Stand der Technik bekannt sind;
2 eine beispielhafte Ausgestaltung mit zwei gekoppelten Luftspulen zeigt, wobei sich ein Drehelement, das eine Anzahl von flussmodifizierenden Elementen enthält, dazwischen befindet;
3A eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der die Drehung einer Scheibe mittels zweier Spulen auf einem U-förmigen Magnetelement überwacht wird;
3B eine Schnittansicht der Ausgestaltung in 3A zeigt;
3C zwei Variationen der beispielhaften Ausgestaltung von 3A und 3B zeigt;
4 eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der ein Magnetelement verwendet wird, um den Magnetfluss durch ein leitendes Overlay von erheblicher Dicke zu fokussieren und zu lenken;
5A ein beispielhaftes flussmodifizierendes Drehelement mit einem sich wiederholenden Muster aus drei verschiedenen Ebenen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5B eine Variation des Drehelement aus 5A, mit einem Außenring zeigt;
5C noch eine weitere beispielhafte Ausgestaltung umfassend ein flussmodifizierendes Drehelement mit zwei Flächen und ständig wechselnden Höhen mit zwei Stufen vorstellt;
5D eine Schnittansicht der Kombination des Drehelements in 5C und der Ausgestaltung von 4 zeigt;
5E eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die eine Variation von 4 ist, mit drei Löchern durch das leitfähige Element und zwei in einem Winkel angeordneten Langlöchern zeigt;
5F eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung von Winkel und Drehrichtung einer gezahnten Scheibe, die den Magnetfluss verändern zeigt;
5G eine Variation von 5F zeigt, die ein leitfähiges oder magnetisch durchlässiges Band mit sich ständig änderner Breite verwendet;
6A eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer UI-Einrichtung zum Eingeben einer Dreh- und einer Drückaktion zeigt;
6B eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung für eine UI-Einrichtung zum Eingeben einer Dreh- und einer Drückaktion zeigt;
7A eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung für eine Ul-Einrichtung zum Eingeben einer Dreh- und einer Drückaktion zeigt, ohne dass eine Dichtung um eine axial bewegliche Welle erforderlich ist;
7B eine weitere beispielhafte Ausgestaltung für eine UI-Einrichtung zum Eingeben einer Dreh- und einer Drückaktion zeigt, die keine Dichtung um eine axial bewegliche Welle erfordert, unter Verwendung einer speziellen Spule zur Überwachung eines Druckknopfes;
7C eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der ein Ul-Gerät mit vereinfachtem Aufbau die Dreh- und Drückeingabe ermöglicht;
7D eine weitere beispielhafte Ausgestaltung für ein UI-Gerät zum Eingeben einer Dreh- und einer Drückaktion zeigt, die jedoch zwei separate Magnetelemente zum Fokussieren und Lenken des Flusses verwenden;
7E eine weitere beispielhafte Ausgestaltung für ein UI-Gerät zum Eingeben einer Dreh- und einer Drückaktion mit zwei Magnetelementen, einer geteilten Sendespule und einem Knopf und einer konzentrischen Außenringstruktur, zeigt;
7F eine Variation der in 4 und 5E gezeigten beispielhaften Ausgestaltungen mit einem Loch zeigt, das sich näher an einem Mittelloch in dem/r leitfähigen Overlay oder Barriere befindet, sowie ein beispielhaftes UI-Gerät zum Eingeben einer Dreh- und einer Drückaktion;
7G ein vereinfachtes, beispielhaftes UI-Gerät zum Eingeben einer Dreh- oder einer Drückaktion mit getrennter Knopf- und Drehstruktur zeigt;
8A eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer induktiven Encoderscheibe zur absoluten Drehpositionsmessung mit fünf induktiven Sensoren und einem fünfstelligen binären Code zeigt;
8B eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer induktiven Encoderscheibe zur absoluten Drehpositionsmessung mit drei induktiven Sensoren und einem dreistelligen ternären Code zeigt;
8C eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer induktiven Encoderscheibe zur absoluten Drehpositionsmessung mit vier induktiven Sensoren, einem dreistelligen ternären Code und einer Sektionsmarkierung zeigt;
9A eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer induktiven Encoderscheibe zur absoluten Drehpositionsmessung mit zwei induktiven Sensoren, sequentiellen Messungen und Markierungselementen zum Erhalten eines dreistelligen ternären Code zeigt;
9B eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer induktiven Encoderscheibe zur absoluten Drehpositionsmessung mit zwei induktiven Sensoren, sequentiellen Messungen, Markierungselementen und einem zweistelligen quinären Code zeigt;
9C eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer vereinfachten induktiven Encoderscheibe zur Drehpositionsmessung mit einem gemeinsamen induktiven Sensorpaar und einem zweistelligen binären Code zeigt;
9D eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer induktiven Encoderscheibe zur absoluten Drehpositionsmessung mit einem gemeinsamen induktiven Sensorpaar und einem dreistelligen binären Code zeigt;
9E eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer induktiven Encoderscheibe zur absoluten Drehpositionsmessung mit zwei in einem Winkel von 180° zueinander angeordneten gegenseitigen induktiven Sensorpaaren und einem zweistelligen binären Code zeigt;
9F eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer induktiven Encoderscheibe zur absoluten Drehpositionsmessung mit zwei in einem Winkel von 180° zueinander angeordneten gegenseitigen induktiven Sensorpaaren und einem vierstelligen binären Code zeigt;
9G eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer induktiven Encoderscheibe mit 32 Positionen zur absoluten Drehpositionsmessung mit zwei in einem Winkel von 180° zueinander angeordneten gegenseitigen induktiven Sensorpaaren und einem vierstelligen binären Code zeigt;
10 eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer Encoderscheibe mit mehrlagiger Leiterplatte zeigt;
11 die siebenundzwanzig eindeutige Werte zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem sequentiellen, dreistelligen, ternären Code auf der Basis der Höhe eines flussmodifizierenden Elements erhalten werden können;
12 die sechsunddreißig eindeutige Werte zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem sequentiellen, zweistelligen senären Code auf der Basis der Höhe eines leitfähigen oder eines magnetisch permeablen Elements erzielt werden können;
13A zeigt beispielhafte, auf Eigeninduktivitätsmessung basierende Variationen der in 5D und 7A gezeigten Ausgestaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
13B zeigt eine beispielhafte, auf Eigeninduktivitätsmessung basierende Variation der in 7E dargestellten Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
13C zeigt eine beispielhafte, auf Eigeninduktivitätsmessung basierende Variation der in 7F gezeigten Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
13D zeigt eine beispielhafte, auf Eigeninduktivitätsmessung basierende Variation der in 7G gezeigten Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSGESTALTUNGEN
1 präsentiert beispielhafte gekoppelte planare Spulenpaare auf dem Substrat 1.1, zum Beispiel einer Leiterplatte (PCB). Solche Spulenpaare können vorteilhaft zur Umsetzung der Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispielsweise sind auf dem Substrat 1.1 Spulen oder Induktoren 1.2 und 1.3 nebeneinander angeordnet, unter Angabe ihrer Magnetachsen 1.7 und 1.6. Die Spule 1.2 kann ein(e) Sendespule oder -induktor mit den Anschlüssen 1.4 sein, und die Spule 1.3 kann ein(e) Empfangs- oder Abtastspule oder -induktor mit den Anschlüssen 1.4 sein. Alternativ können die beiden Spulen dieselbe Magnetachse haben, wie bei den Spulen 1.8 und 1.9 mit der gemeinsamen Achse 1.12 gezeigt. In diesem Fall kann die Spule 1.9 eine Sende- oder Antriebsspule und die Spule 1.8 ein(e) Empfangsspule oder -induktor sein, mit den Anschlüssen 1.11 bzw. 1.10. Eine dritte Alternative ist bei 1.19 dargestellt, wobei die Sendespule 1.13 mit der Empfangsspule 1.14, die die gleiche Magnetachse haben, mit den Sendeanschlüssen 1.16 und 1.17 und den Empfangsanschlüssen 1.15 und 1.18 gemeinsam gewickelt ist. Ein Vorteil der dritten Alternative ist die Erhöhung der gemeinsamen Magnetflussmenge zwischen den beiden Spulen.
Eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit gekoppelter Luftspule ist in 2 bei 2.1 dargestellt. Zwischen einer ersten Luftspule 2.3 und einer zweiten Luftspule 2.4 befindet sich ein(e) rotierende(s) Scheibe oder Element 2.2. Die Scheibe 2.2 dreht sich um eine Achse 2.5 und enthält eine Anzahl von magnetflussmodifizierenen Elementen 2.6, 2.7, 2.8 und 2.9. Diese flussmodifizierenden Elemente können aus leitfähigem Material oder Material mit hoher relativer magnetischer Permeabilität bestehen. Leitfähiges Material verursacht typischerweise Wirbelstromverluste, die das zwischen den beiden Spulen gekoppelte Magnetfeld schwächen. Material mit hoher relativer magnetischer Permeabilität sollte typischerweise das gekoppelte Magnetfeld aufgrund der geringeren Reluktanz für den Magnetflusspfad verstärken. Gemäß der vorliegenden Erfindung können die flussmodifizierenden Elemente auf verschiedene Weisen eingesetzt werden. Zum Beispiel können die Elemente 2.6 und 2.7 zur Messung der Drehgeschwindigkeit verwendet werden. Elemente 2.8, die eine in einer bestimmten Richtung abnehmende Breite haben, können zur Messung von Drehgeschwindigkeit und - richtung verwendet werden. Das Element 2.9 kann ebenso zur Messung von Drehgeschwindigkeit und -richtung verwendet werden. Natürlich kann die Scheibe 2.2 nur einen Typ und eine beliebige Anzahl von magnetflussmodifizierenden Elementen verwenden, sie kann z.B. nur die Elemente 2.6 und 2.7 oder nur das Element 2.8 oder nur das Element 2.9 in beliebiger Anzahl oder Kombination verwenden.
3A stellt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dar, die zur Messung von Drehgeschwindigkeit und -richtung für ein UI-Gerät verwendet werden kann. Bei 3.1 ist eine Scheibe 3.2 dargestellt, die sich in Richtung 3.7 um die Achse 3.8 dreht. Unter der Scheibe 3.2 befindet sich ein U-förmiges Magnetelement 3.3, z.B. ein Ferritkern, wie dargestellt, mit zwei gekoppelten Spulen 3.4 und 3.5, die auf das Element 3.3 gewickelt sind. Die Spule 3.4 kann z.B. ein(e) Sendespule oder -induktor sein, und die Spule 3.5 kann ein(e) Empfangsspule oder -induktor sein. Die Scheibe 3.2 kann aus magnetischem Material, z.B. Eisen oder Ferrit, gefertigt sein und eine Reihe von dreieckförmigen Aperturen 3.6, 3.9, 3.10 und 3.11 enthalten, die so ausgerichtet werden können, dass sie mit den vertikalen Armen des Elements 3.3 zusammenfallen. Wenn sich zwei dieser Aperturen über den beiden Enden des U-förmigen Elements 3.3 befinden, dann geht der Magnetfluss von einem Ende teilweise durch Luft zum anderen Ende. Aufgrund der geringeren magnetischen Permeabilität von Luft im Vergleich zu der des Magnetelements 3.3 sollte die Kopplung zwischen den Spulen 3.4 und 3.5 entsprechend geringer sein, was zu einer verringerten gemessenen gegenseitigen Induktivität führt. Andererseits, wenn keine Aperturen mit den beiden Enden des Elements 3.3 fluchten, dann sollte die gemessene gegenseitige Induktivität entsprechend zunehmen, da das magnetische Material der Scheibe 3.2 einen reduzierten Reluktanzweg für den Magnetfluss zwischen den beiden Enden bietet. Aufgrund der dreieckigen Form der Aperturen 3.6, 3.9, 3.10 und 3.11 ist es möglich, nicht nur die Drehgeschwindigkeit der Scheibe 3.2, sondern auch ihre Bewegungsrichtung auf der Basis der Änderung der gegenseitigen Induktivität zu messen. In Richtung 3.7 sollte die gemessene gegenseitige Induktivität ohne einen erheblichen Schritt von einem Maximum auf ein Minimum sinken. In einer Drehrichtung entgegengesetzt zu 3.7 sollte die gemessene gegenseitige Induktivität von einem Maximum auf ein Minimum sinken und danach allmählich auf den Maximalwert ansteigen.
Die Scheibe 3.2 kann auch aus einem isolierenden, nichtmagnetischen Material hergestellt werden, z.B. aus einem Leiterplattenmaterial wie FR4, und die Elemente 3.6, 3.9, 3.10 und 3.11 können elektrisch leitfähige Pads sein, wodurch Wirbelstromverluste entstehen, wenn sie dem Magnetfluss des Elements 3.3 ausgesetzt werden. In diesem Fall kann der Gesamtsignalpegel niedriger sein als der gemessene, wenn die Scheibe 3.2 aus magnetischem Material besteht, obwohl das Funktionsprinzip in Bezug auf die gemessene gegenseitige Induktivität ähnlich ist. Wenn sich zwei Elemente, z.B. 3.6 und 3.10, über den beiden Enden des U-förmigen Magnetelements 3.3 befinden, dann belasten Wirbelstromverluste im leitfähigen Material das Magnetfeld und verursachen eine Verringerung der gegenseitigen Induktivität. Entsprechend sollte, wenn sich keines der Elemente 3.6, 3.9, 3.10 oder 3.11 in der Nähe der beiden Enden befindet, die Wirbelstrombelastung auf einem Minimum und die gemessene gegenseitige Induktivität auf einem Maximum sein. Die Drehrichtung kann in ähnlicher Weise bestimmt werden wie für den Fall beschrieben ist, in dem die Scheibe 3.2 aus magnetischem Material gefertigt ist.
3B zeigt eine Querschnittsansicht entlang AA' bei 3.12 für die in 3A dargestellte Ausgestaltung, wobei gleiche Zahlen auf gleiche Elemente verweisen. Die Zeichnung ist im Hinblick auf die obige Beschreibung selbsterklärend. 3C zeigt zwei alternative beispielhafte Ausgestaltungen. In der ersten Ausgestaltung bei 3.13, ist ein U-förmiges Element mit extrem kurzen vertikalen Armen dargestellt, was eine kompaktere Montage ermöglicht. Bei 3.14 befinden sich die Spulen 3.4 und 3.5 an den vertikalen Armen des U-förmigen Elements 3.3. Dies kann den Betrag an Kopplung zwischen den beiden Spulen aufgrund einer Änderung der Streuflussmenge beeinflussen. Es ist eine Reihe weiterer Alternativen für die Ausgestaltungen von 3A und 3B möglich, die auf dem gleichen Grundprinzip beruhen.
Um die Beschränkungen des Standes der Technik zu überwinden und UI-Einrichtungen mit induktiver Abtastung durch eine statische, nicht ablenkende leitende Barriere mit einer Dicke zu ermöglichen, die nicht durch die Eindringtiefe bei der Abtastfrequenz begrenzt ist, lehrt die vorliegende Erfindung die Verwendung von Löchern oder Aperturen in der leitfähigen Barriere in Verbindung mit Magnetelementen, um den Magnetfluss durch die Aperturen oder Löcher zu lenken und zu fokussieren. Form und Abmessungen dieser Löcher oder Aperturen sind nicht begrenzt. In einer bevorzugten Ausführung kann die Apertur die Form eines schmalen Schlitzes in der leitfähigen Barriere haben, wobei die Enden des Schlitzes über oder in der Nähe von Spulen oder induktiven Strukturen liegen, die sich unterhalb der Barriere befinden. 4 stellt eine nicht begrenzende beispielhafte Ausgestaltung der vorhergehenden Lehre bei 4.1 dar. Element 4.2 ist ein(e) leitfähige(s) Barriere oder Overlay, z.B. ein Aluminiumblech, mit zwei Löchern oder Aperturen 4.6 und 4.7, die sich über den beiden Enden eines Magnetelements 4.3 befinden, wobei die Dicke von 4.2 wesentlich größer als die Eindringtiefe für die verwendete Abtastfrequenz sein kann. Ähnlich wie in den in 3B und 3C gezeigten Ausgestaltungen, sind auf das Magnetelement 4.3 zwei leitfähige Spulen 4.4 und 4.5 gewickelt, wobei zum Beispiel 4.4 eine Sendespule und 4.5 eine Empfangsspule sein kann. Das Magnetelement kann, wie gezeigt, im Wesentlichen U-förmig sein, obwohl es in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist, und kann aus Ferrit oder dem einen oder anderen Material mit einer hohen relativen Permeabilität µ_r hergestellt sein. Aufgrund der relativen Lage des Elements 4.3 und der Löcher 4.6 und 4.7 kann der von der Sende- und Empfangsspule gemeinsam genutzte Magnetfluss durch diese Löcher gelenkt und fokussiert werden. Um die Wirbelstromverluste im leitfähigen Element 4.2 zu reduzieren, lehrt die vorliegende Erfindung, dass eine Aussparung 4.8 wie gezeigt in das Element 4.2 geschnitten werden kann. Insbesondere für physisch kleine UI-Geräte mit entsprechend kleinen Spulen und Signalwerten erweist sich eine solche Aussparung als sehr vorteilhaft. Die vorliegende Erfindung lehrt ferner, dass die Löcher 4.6 und 4.7 sowie die Aussparung oder den Schlitz 4.8 mit dem einen oder anderen nichtmagnetischen, nichtleitenden Material, z.B. Expoxy oder Klebstoff, gefüllt werden können, um das Element 4.2 gegen das Eindringen von Flüssigkeiten, Staub, Schmutz usw. abzudichten und / oder die strukturelle Integrität zu erhalten. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass nur kleine Bereiche abgedichtet oder mit zusätzlichem Material gefüllt werden müssen, was den Fertigungsaufwand reduziert. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Löcher 4.6 und 4.7 und der Schlitz 4.8 ein und dasselbe. Das heißt, die Löcher 4.6 und 4.7 sind rechteckig und haben die gleiche Breite wie der Schlitz 4.8, so dass sich ein Schlitz über dem Magnetelement und den Spulen befindet.
5A bis 5C stellen Drehelemente dar, die zum induktiven Erfassen der Drehrichtung von Ul-Einrichtungen verwendet werden können, z.B. bei einer Konstruktion oder einem Aufbau wie in 4 gezeigt. Ein erstes beispielhaftes Element 5.2 ist bei 5.1 in 5A dargestellt. Das Drehelement 5.2 kann aus einem magnetischen Material, z.B. Ferrit, oder aus einem leitfähigen Material, z.B. Aluminium, gefertigt sein. Wie dargestellt, hat das Element 5.2 ein sich wiederholendes Muster von Stufen oder Ebenen um seinen Umfang herum. Für das gezeigte Beispiel hat 5.2 drei Stufen in einem Muster, das sich viermal wiederholt, nämlich die oberen Stufen 5.3, 5.4, 5.5 und 5.6, die mittleren Stufen 5.7, 5.8, 5.9 und 5.10 und die unteren Stufen 5.11, 5.12, 5.13 und 5.14. Das Element 5.2 kann eine hohle Mittelwellensäule 5.15 zur Aufnahme einer Achse (nicht abgebildet), um die es sich dreht, oder einen Stift (nicht abgebildet) z.B. für eine Druckknopfkonstruktion haben. Wenn das Element 5.2 mit einer Ausgestaltung wie in 4 dargestellt verwendet wird, kann es so dimensioniert werden, dass sich zwei ausgerichtete Ebenen, z.B. 5.4 und 5.6, über den beiden runden Löchern in der leitfähigen Barriere befinden. In diesem Fall sollte die Drehung des Elements 5.2 durch einen Benutzer zu einer Wiederholung von drei verschiedenen Signalpegeln führen, mit einer Rate von vier Wiederholungen pro Umdrehung. Wenn z.B. das Element 5.2 aus einem magnetischen Material mit sinnvoll hoher relativer Permeabilität besteht, dann sollte die Anordnung der Ebenen 5.3 - 5.6 über den Löchern zu einem maximalen Signalwert, die Anordnung der Ebenen 5.7 - 5.10 über den Löchern zu einem Mittelwertsignal und die Anordnung der Ebenen 5.11 - 5.14 über den Löchern zu einem minimalen Signal führen. Es ist zu beachten, dass das Element 5.2 auch aus einem nichtmagnetischen, nichtleitenden Material wie Kunststoff hergestellt werden kann und nur Magnetstreifen oder -kissen verwenden kann, die auf die einzelnen Ebenen oder Flächen 5.3 - 5.14 geklebt werden. Umgekehrt, wenn das Element 5.2 aus einem leitfähigen Material wie Aluminium oder aus einem elektrisch isolierenden Material mit leitfähigen Pads auf den genannten Ebenen hergestellt ist, dann sollte die Anordnung der Ebenen 5.3 - 5.6 über den Löchern zu einem minimalen Signalpegel führen, die Anordnung der Ebenen 5.7 - 5.10 über den Löchern sollte zu einem Mittelwertsignal führen und die Anordnung der Ebenen 5.11 - 5.14 über den Löchern sollte aufgrund von Wirbelstromverlusten zu einem maximalen Signalwert führen. Die in 5A gezeigte Ausgestaltung kann z.B. zur Implementierung eines ternären Codes verwendet werden, wie später in der vorliegenden Offenbarung erörtert wird.
5B zeigt eine alternative, beispielhafte Ausgestaltung des Drehelements von 5A, wobei gleiche Zahlen auf gleiche Elemente verweisen. Der einzige Unterschied zwischen dem Element 5.2 von 5A und 5.2b von 5B ist die Hinzufügung eines Außenrings 5.17, der für die strukturelle Integrität, eine vereinfachte Herstellung usw. hinzugefügt werden kann.
Eine dritte alternative, aber beispielhafte Ausgestaltung zu 5A ist in 5C bei 5.18 dargestellt und umfasst ein Drehelement 5.19 mit einer Hohlwellensäule 5.24, zur Aufnahme einer Achse (nicht dargestellt) oder eines Druckknopfstiftes (nicht dargestellt), wie zuvor. Das Element 5.19 weist zwei kontinuierlich geneigte Flächen 5.20 und 5.21 sowie zwei Stufen 5.22 und 5.23 auf und kann aus magnetischem Material mit hoher relativer Permeabilität gefertigt sein. Alternativ kann das Element 5.19 aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Aluminium, gefertigt sein. Oder es kann aus einem isolierenden Material, z.B. Kunststoff, gefertigt sein, wobei sich auf den Flächen 5.20 und 5.21 leitfähige oder magnetische Streifen befinden. Das Element 5.19 kann mit einer Struktur ähnlich der in 4 dargestellten verwendet werden, um es einem UI-Gerät auf der Basis von induktiver Abtastung zu erleichtern, Dreh- oder andere Befehle einzugeben. 5D zeigt einen Schnitt entlang AA' einer solchen beispielhaften Ausführung bei 5.25 unter Einbeziehung des/r leitfähigen Overlays oder Barriere 5.32, der magnetischen Elemente 5.27, 5.29 und 5.31, der Spulen 5.26, 5.28 und 5.30 und der Löcher 5.34, 5.35 und 5.36. Das magnetische Element 5.27 ist mit dem Loch 5.34, das magnetische Element 5.29 mit dem Loch 5.36 und das magnetische Element 5.31 mit dem Loch 5.35 ausgerichtet, um den Magnetfluss durch diese Löcher zu leiten. Die Spule 5.30 kann eine Sendespule sein, und die Spulen 5.26 und 5.28 können beispielsweise Empfangsspulen sein, die mit der Sendespule gekoppelt sind.
Wie aus 5C und 5D ersichtlich ist, sollte die Drehung des Elements 5.19 um die Achse 5.33 dazu führen, dass sich die beiden Flächen 5.20 und 5.21 weiter von den Empfangsspulen weg oder näher zu ihnen hin bewegen. Folglich sollte sich die gegenseitige Induktivität der beiden Spulenpaare (5.30 & 5.26; 5.30 & 5.28) entsprechend ändern, wenn das Element 5.19 gedreht wird, bis die Schritte 5.22 und 5.23 erreicht sind, was einen gleichzeitigen Abfall oder Sprung der beiden gegenseitigen Induktivitäten bewirkt, was die Beendigung einer halben Umdrehung bedeutet. Die Tatsache, dass beide gegenseitigen Induktivitäten in gleicher Weise zu- oder abnehmen sollen, kann erfindungsgemäß vorteilhaft genutzt werden, um Fertigungstoleranzen, thermische Drift, Alterung usw. zu kompensieren. Wenn der Aufbau wie vorgesehen funktioniert, dann sollte eine Subtraktion der beiden gegenseitigen Induktivitätswerte (d.h. die Induktivität zwischen Spule 5.30 und Spule 5.26 und die Induktivität zwischen Spule 5.30 und Spule 5.28) einen Nullwert ergeben. Ist die eine Induktivität jedoch größer, bedingt durch eine verbogene Achse, durch Alterung, Herstellungsfehler usw., dann sollte ein Ergebnis von ungleich Null erzielt werden, das dann zur Kalibrierung verwendet werden kann. Die absolute Drehposition innerhalb einer beliebigen halben Umdrehung kann entweder aus einem der beiden gegenseitigen Induktivitätswerte oder aus der Summe der beiden Werte bestimmt werden, was einen Signal-Rausch-Verhältnis(SNR)-Vorteil ergeben kann.
5E präsentiert eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bei 5.37, die sich auf die vorherige bezieht. Anstatt die drei Löcher in dem/r leitfähigen Overlay oder Barriere auszurichten, kann ein Loch in einem Winkel versetzt werden, um eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Induktivitätssignalen während der Drehung zu ermöglichen. Zum Beispiel können die Löcher 5.40 und 5.41 in der leitfähigen Platte 5.38 aufeinander ausgerichtet werden, mit einem wirbelstromreduzierenden Schlitz dazwischen, ähnlich wie der zuvor erörterte, während das Loch 5.39 wie in 5E gezeigt in einem Winkel mit einem zweiten Schlitz angeordnet sein kann. Unter jedem Loch kann sich ein Magnetelement befinden, um den Magnetfluss durch das Loch zu fokussieren und zu lenken, wie durch 5.42, 5.43 und 5.44 dargestellt. Mit anderen Worten, die Magnetachsen 5.45 und 5.46 befinden sich auf einer Linie und die Achsen 5.46 und 5.47 befinden sich auf einer anderen Linie. Gemäß der vorliegenden Erfindung können, wenn z.B. eine Sendespule (nicht gezeigt) um das Magnetelement 5.43 gewickelt und mit zwei Empfangsspulen (nicht gezeigt) gekoppelt ist, die um die Magnetelemente 5.42 bzw. 5.44 gewickelt sind, und sich ein flussmodifizierendes Element über diesen Löchern dreht, zwei phasenverschobene gegenseitige Induktivitätssignale erhalten werden, die zum Bestimmen der Drehrichtung für ein UI-Gerät benutzt werden könnten.
Zur weiteren Verdeutlichung des Obigen zeigt 5F qualitativ eine beispielhafte Ausgestaltung, die solche phasenverschobenen Gegeninduktivitätssignale erzeugt. Ein(e) rotierende(s) Scheibe oder Rad 5.49, die/das Teil einer Ul-Einrichtung für die Dreheingabe sein kann, ist bei 5.48 dargestellt und kann sich im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen, wie bei 5.50 gezeigt. Die Scheibe 5.49 kann aus einem isolierenden Material, z.B. PCB-Material, hergestellt sein und eine Anzahl von Vorsprüngen oder Zähnen, z.B. 5.51, 5.52 und 5.53, aufweisen, wobei die Vorsprünge oder Zähne leitfähig sein können oder leitfähige Pads, z.B. Kupferpads, enthalten können. Ein(e) leitende(s) Overlay oder Barriere (nicht gezeigt) befindet sich unter der Scheibe 5.49, mit drei Löchern im leitfähigen Overlay, von denen eines in einem Winkel wie abgebildet und ähnlich der Darstellung in 5E angeordnet ist. Die drei Löcher können wie dargestellt durch zwei Schlitze verbunden werden, um Wirbelstrombahnen zu unterbrechen. Drei Magnetelemente, z.B. Ferritelemente, 5.54, 5.55 und 5.57, können unter dem Overlay und den Löchern positioniert werden, wie bereits erwähnt. Eine Sendespule (nicht gezeigt) mit der magnetischen Achse 5.56 kann auf das Magnetelement 5.55 gewickelt werden, und zwei Empfangsspulen (nicht gezeigt), die mit der Sendespule gekoppelt sind, können auf die Magnetelemente 5.54 bzw. 5.57 gewickelt werden. Typische qualitative gegenseitige Induktivitätssignale, die von einer Drehung der Scheibe 5.49 im Uhrzeigersinn resultieren, wie durch 5.i gezeigt, sind bei 5.58 dargestellt, wobei das Signal 5.60 die gegenseitige Induktivität der auf die Magnetelemente 5.54 und 5.55 gewickelten Spulen und das Signal 5.61 die gegenseitige Induktivität der auf die Magnetelemente 5.57 und 5.55 gewickelten Spulen darstellen.
Wenn sich ein Scheibenvorsprung oder Zahn über dem Magnetelement 5.54 oder 5.57 befindet, dann sollte das dem jeweiligen Element zugeordnete gekoppelte Spulenpaar aufgrund von Wirbelströmen, die in dem leitfähigen Vorsprung oder Zahn fließen, belastet werden. Wenn sich also die Scheibe 5.49 im Uhrzeigersinn dreht, dann deckt der Zahn 5.52 das Magnetelement 5.54 ab, was eine Verringerung der gegenseitigen Induktivität bewirkt, wie das Signal 5.60 zeigt. Außerdem wird bei einer Drehung im Uhrzeigersinn der Zahn 5.53 eine Zeit lang über dem Magnetelement 5.57 bleiben und sich dann davon entfernen, was aus dem gegenseitigen Induktivitätssignal 5.61 ersichtlich ist, das auf einem Minimum bleibt und dann abrupt auf ein Maximum ansteigt. Zu dem Zeitpunkt, an dem das Signal 5.61 auf ein Maximum ansteigt, bleibt das Signal 5.60 noch auf einem minimalen Pegel, auf dem es so lange bleibt, bis sich der Zahn 5.52 vom Magnetelement 5.54 entfernt. Mit anderen Worten, bei einer Drehung im Uhrzeigersinn sollte die Phasenverschiebung zwischen den Signalen 5.60 und 5.61 so sein, dass das Signal 5.61 immer zuerst auf einen maximalen Pegel zurückkehrt.
Dreht sich die Scheibe 5.49 jedoch gegen den Uhrzeigersinn, wie durch 5.ii gezeigt, dann sollten sich qualitative gegenseitige Induktivitätssignale wie bei 5.59 ergeben. Auch hier stellt das Signal 5.60 die gegenseitige Induktivität der Spulen (nicht gezeigt) dar, die auf die Magnetelemente 5.54 und 5.55 gewickelt sind, und das Signal 5.61 stellt die gegenseitige Induktivität der Spulen (nicht gezeigt) dar, die auf die Magnetelemente 5.57 und 5.55 gewickelt sind. Wenn sich die Scheibe 5.49 aus der bei 5.48 gezeigten Ausgangsstellung gegen den Uhrzeigersinn dreht, dann bleibt das Magnetelement 5.54 unbedeckt und befindet sich in der Lücke zwischen den Zähnen 5.51 und 5.52. Dementsprechend bleibt das gegenseitige Induktivitätssignal 5.60 eine Zeit lang auf einem Maximum. Entsprechend bleibt das gegenseitige Induktivitätssignal 5.60 eine Zeit lang maximal. Ebenso wird bei einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn das Magnetelement 5,57 nach kurzer Zeit unbedeckt, so dass das gegenseitige Induktivitätssignal 5.61 für eine kurze Zeit minimal ist und dann auf ein Maximum ansteigt. Daher sollte bei einer Rotation gegen den Uhrzeigersinn die Phasenverschiebung zwischen den Signalen 5.60 und 5.61 so sein, dass das Signal 5.60 immer zuerst auf einen Maximalwert zurückkehrt. Daraus lässt sich offensichtlich die Drehrichtung bestimmen, je nachdem, welches Signal zuerst auf einen maximalen Wert zurückkehrt. Es ist zu beachten, dass die Signalverläufe in 5F rein qualitativ sind und zur Veranschaulichung dienen. Zum Beispiel können realistischere Signalgrafiken weniger vertikale Flanken haben, da sich die Zähne des Rades 5.49 über oder weg von einer bestimmten Spule und einem bestimmten Magnetelement bewegen.
Für die in 5F gezeigte beispielhafte Ausgestaltung braucht die Scheibe 5.49 nicht wie beschrieben aus einem isolierenden Material mit leitfähigen Zähnen gefertigt zu sein. Sie kann auch aus einem magnetischen Material, z.B. Ferrit, Eisen oder ähnlichem, oder aus einem Material wie Kunststoff, mit magnetischen Zähnen oder Vorsprüngen oder Pads, hergestellt sein. In diesem Fall sollte die Anordnung eines Zahns, eines Vorsprungs oder eines Magnetkissens über einer bestimmten Spule zu einer Erhöhung der gemessenen gegenseitigen Induktivität führen, und das Fehlen eines Zahnes sollte eine messbare Verringerung der gegenseitigen Induktivität bewirken. Dennoch gilt das oben beschriebene Gesamtkonzept oder -prinzip: Die Drehrichtung kann durch Überwachen bestimmt werden, welches der beiden gegenseitigen Induktivitätssignale zuerst auf einen Maximalwert zurückkehrt.
Eine weitere verwandte beispielhafte Ausführungsform ist bei 5.62 in 5G gezeigt, wobei die Scheibe 5.63 ein leitfähiges Band 5.67 von sich ständig ändernder Breite enthält, wobei die Scheibe 5.63 aus einem isolierenden Material wie PCB besteht. Die Scheibe 5.63 befindet sich wie zuvor über einem/r leitfähigen Overlay oder Barriere (nicht gezeigt), wobei sich drei Löcher in dem Overlay befinden. Die Magnetelemente 5.64, 5.65 und 5.66 befinden sich jeweils unterhalb der drei Löcher und fluchten, wie gezeigt, mit einem der drei Löcher, um den Magnetfluss durch diese Löcher zu fokussieren und zu lenken. Zwei Schlitze, wie abgebildet, können verwendet werden, um Wirbelstrombahnen in dem/r leitfähigen Overlay oder Barriere zu unterbrechen (nicht gezeigt). Auch hier sind die beiden Paare der Magnetelemente (5.64 & 5.65; 5.66 & 5.65) nicht ausgerichtet und in einem Winkel zueinander, was eine Phasenverschiebung der relevanten gegenseitigen Induktivitätssignale verursacht. Zum Beispiel kann eine Sendespule (nicht gezeigt) auf das Magnetelement 5.65 gewickelt und mit zwei Empfangsspulen (nicht gezeigt) gekoppelt werden, die auf die Magnetelemente 5.64 und 5.66 gewickelt sind. Wenn sich die Scheibe 5.63, wie durch 5.69 dargestellt, im Uhrzeigersinn dreht, können sich gegenseitige Induktivitätssignale ergeben, wie bei 5.68 qualitativ dargestellt. Das Signal 5.70 repräsentiert das gegenseitige Induktivitätssignal für das gekoppelte Spulenpaar (nicht gezeigt), das auf die Magnetelemente 5.64 und 5.65 gewickelt ist, während das Signal 5.71 die gegenseitige Induktivität für das gekoppelte Spulenpaar (nicht gezeigt) repräsentiert, das auf die Magnetelemente 5.66 und 5.65 gewickelt ist. Umgekehrt kann sich bei Drehung der Scheibe 5.63 gegen den Uhrzeigersinn, dargestellt durch 5.73, gegenseitige Induktivität ergeben, wie qualitativ bei 5.72 dargestellt. Wie man sieht, kann die Drehrichtung erkannt werden, indem bestimmt wird, welches Signal zuerst einen maximalen Induktivitätswert erreicht. So erreicht z.B. im Uhrzeigersinn das Signal 5.70 zuerst einen maximalen Induktivitätswert und umgekehrt.
Benutzerschnittstelleneinrichtungen benötigen oft die eine oder andere Struktur, um es einem Benutzer zu erlauben, eine Auswahl anzuzeigen, z.B. eine Druckknopfstruktur. Zu diesem Zweck werden im Folgenden einige beispielhafte Ausgestaltungen beschrieben, die sowohl eine rotatorische als auch eine Druckknopf- oder translatorische Eingabe ermöglichen. 6A zeigt im Querschnitt bei 6.1 eine erste beispielhafte Ausgestaltung, die es einem Benutzer gestatten kann, sowohl einen Drehbefehl als auch einen Druckknopfauswahlbefehl einzugeben. Auf ein U-förmiges Magnetelement 6.3 ist ein Sende- und Empfangsspulenpaar 6.4 und 6.5 gewickelt. Das Element 6.3 befindet sich unter einem/r leitfähigen Overlay oder Barriere 6.6, so dass die beiden Enden des Elements 6.3 mit Löchern 6.7 und 6.8 ausgerichtet sind, so dass der Magnetfluss durch das leitfähige Overlay fokussiert und gelenkt werden kann, auch wenn seine Dicke im Verhältnis zur Eindringtiefe bei der verwendeten induktiven Abtastfrequenz erheblich ist. Ein Element 6.2, z.B. eine Scheibe oder ein Rad, befindet sich über dem leitfähigen Overlay 6.6 und dreht sich um die Achse 6.b. Element 6.2 kann aus leitfähigem oder magnetischem Material gefertigt sein oder kann Teile oder Abschnitte davon, z.B. die Abschnitte 6.9 und 6.10, aus leitfähigem oder magnetischem Material aufweisen und dazu verwendet werden, den aus den Löchern 6.7 und 6.8 austretenden Magnetfluss in ähnlicher Weise zu modifizieren, wie an anderer Stelle in der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die Flussmodifikation durch das Element 6.2 kann zum Messen oder Überwachen der Rotation verwendet werden. Eine Druckknopf-Stiftkonstruktion 6.12, die durch die Feder 6.13 oder durch eine andere flexible Struktur federnd gelagert wird, dringt über die Hohlwelle 6.11 durch das Element 6.2 und auch durch das leitende Overlay 6.6. Wenn der Stift 6.12 in Richtung 6.a gedrückt wird, kann er sich in diese Richtung bewegen und nach dem Loslassen aufgrund der Federwirkung von 6.13 in seine Ruhestellung zurückkehren. Ein(e) leitfähige(s) oder magnetische(s) Platte oder Element 6.15 ist am Ende des Stiftes 6.12 unterhalb des leitfähigen Overlays 6.6 angebracht. Wenn der Stift 6.12 in Richtung 6.a geschoben wird, dann bewegt sich die Platte 6.15 näher an eine Spule 6.16, die, wie dargestellt, eine planare Spule auf der Leiterplatte 6.14 sein kann, aber darauf sicherlich nicht beschränkt ist. Die Spule 6.16 kann zur Messung der Eigeninduktivität verwendet werden, oder sie kann ein Spulenpaar sein, das zur Messung der gegenseitigen Induktivität des Paares verwendet wird. Wenn sich die Platte 6.15 näher an die Spule 6.16 bewegt, dann sollte die Induktivität messbar beeinflusst werden, entweder durch eine erhöhte Wirbelstrombelastung (falls die Platte 6.15 leitfähig ist) oder durch einen verbesserten oder veränderten Magnetflusspfad (falls die Platte 6.15 aus magnetischem Material hergestellt ist). Auf diese Weise kann mit der in 6A dargestellten Ausgestaltung ein Drück- oder Translationseingang in Verbindung mit einem Dreheingang erkannt werden.
Eine ähnliche, aber alternative Ausgestaltung zu 6A ist beispielhaft in 6B bei 6.19 dargestellt. Gleiche Zahlen beziehen sich auf gleiche Elemente und werden nicht weiter ausgeführt. Der Hauptunterschied zwischen 6A und 6B besteht darin, dass das U-förmige Ferritelement in zwei Sektionen 6.3 und 6.18 unterteilt wurde. Folglich entsteht ein Luftspalt 6.20 zwischen den Spulen 6.4 und 6.5. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann am Ende des Druckknopfstiftes 6.12, wie gezeigt, ein magnetisches Element 6.17, z.B. aus Ferrit, angebracht werden. Wenn ein Benutzer 6.12 in Richtung 6.a drückt, dann tritt das Magnetelement 6.17 in den Spalt 6.20 ein. Dies kann zu einer messbaren Änderung der Reluktanz des Magnetflusspfades und damit der gegenseitigen Induktivität der beiden Spulen führen.
Ein Nachteil der in 6A und 6B gezeigten beispielhaften Ausgestaltungen ist die Tatsache, dass der Druckknopfstift das/die leitfähige Overlay oder Barriere durchdringt. Bei abgedichteten Anwendungen kann dies eine Dichtung erfordern, die die Translationsbewegung des Stifts beherrscht, was die Kosten und die Fertigungskomplexität erhöhen und die Lebensdauer verringern kann. Es kann besonders vorteilhaft sein, die ein oder mehrere(n) bewegliche(n) Teile(n) der Druckknopfstruktur auf einer Seite des/der leitfähigen Overlays oder Barriere zu platzieren, um die Anforderungen an die Abdichtung zu erleichtern. Es werden nachfolgend einige Ausgestaltungen präsentiert, die eine solche Lösung erleichtern.
7A zeigt eine Schnittansicht durch eine beispielhafte Ausgestaltung ähnlich der in 5D dargestellten. Bei 7.1 wird ein Element 7.2 gezeigt, das um die Achse 7.9 rotiert. Das Element 7.2 kann, wie zuvor erörtert, ein Rad oder eine Scheibe sein und befindet sich über einem/r leitfähigen Overlay oder Barriere 7.6, das/die bei der verwendeten Induktivitätsabtastfrequenz eine erhebliche Dicke im Verhältnis zur Eindringtiefe aufweisen kann. Das Overlay 7.6 kann mit drei Löchern oder Schlitzen 7.7a, 7.7b und 7.8 perforiert sein, die bei Bedarf mit einer nichtmagnetischen, nichtleitenden Substanz, z.B. mit Epoxy, versiegelt werden können. Drei Magnetelemente, z.B. Ferritkerne, 7.4a, 7.4b und 7.5a, sind auf die genannten Löcher oder Schlitze ausgerichtet und dienen dazu, den Magnetfluss durch die Löcher oder Schlitze zu fokussieren und zu lenken. Die Spulen 7.3a, 7.3b und 7.5b sind auf die Magnetelemente 7.4a, 7.4b bzw. 7.5a gewickelt. Die Spule 7.3a kann z.B. eine Empfangsspule sein und mit der Spule 7.5b, die eine Sendespule sein kann, ein gegenseitiges Induktivitätspaar bilden. Ebenso kann die Spule 7.3b eine Empfangsspule sein und mit der Spule 7.5b, die eine Sendespule sein kann, ein gegenseitiges Induktivitätspaar bilden. Messung oder Erkennung der Drehung des Elements 7.2 kann ähnlich wie bei 5D erfolgen und wird nicht weiter erläutert. Zur Erleichterung der Erkennung einer Translation oder einer Drückaktion in Richtung 7.12 kann das Element 7.2, wie gezeigt, durch die Feder 7.10, die sich im Bund 7.11 befindet, elastisch unterstützt werden. Wenn das Element 7.2 einer Drückaktion in Richtung 7.12 ausgesetzt wird, dann sollte die gegenseitige Induktivität für die beiden Spulenpaare einen entsprechenden Schritt oder Sprung erfahren, der die Erkennung der Drückaktion ermöglicht.
7B stellt eine alternative beispielhafte Ausgestaltung im Schnittansichtsformat für ein UI-Gerät vor, um sowohl rotatorische als auch translatorische Eingaben bei 7.13 zu erkennen. Ein Scheiben- oder Radelement 7.14 befindet sich über einem/r leitenden Overlay oder Barriere 7.18, wobei sich das Element 7.14 um die Achse 7.27 dreht. Das leitende Overlay 7.18 kann bei der verwendeten Induktivitätsabtastfrequenz eine erhebliche Dicke im Verhältnis zur Eindringtiefe haben und ist mit drei Löchern oder Schlitzen 7.19, 7.20 und 7.22b perforiert. Die Löcher oder Schlitze können bei Bedarf mit einem im Wesentlichen nichtmagnetischen, nichtleitenden Material abgedichtet werden, z.B. mit Epoxy. Wie bisher werden die Löcher oder Schlitze 7.19, 7.20 und 7.22b verwendet, um den Magnetfluss durch das leitfähige Overlay 7.18 dringen zu lassen. Ein U-förmiges magnetisches Element 7.15, z.B. ein Ferritkern, befindet sich unter dem leitfähigen Overlay und ist so positioniert, dass seine beiden Enden mit den Löchern oder Schlitzen 7.19 und 7.20 ausgerichtet sind, um den Magnetfluss durch die Löcher oder Schlitze zu fokussieren und zu lenken. Zwei Spulen 7.16 und 7.17 können auf das Element 7.15 gewickelt werden und ein gegenseitiges Induktivitätspaar bilden. Wie bereits erörtert, wird die Drehung des Elements 7.14 über Induktivitätsmessungen, beispielsweise über Messungen der gegenseitigen Induktivität, überwacht oder gemessen, wobei die Induktivität durch spezifische flussmodifizierende Merkmale der Scheibe 7.14, die mit den Löchern oder Schlitzen 7.19 und 7.20 ausgerichtet sind, beispielsweise durch das Merkmal 7.26, beeinflusst wird. Die flussmodifizierenden Elemente können leitfähig oder magnetisch sein, wie für den Fachmann offensichtlich sein wird.
Zur Erkennung von Translations- oder Drückeingaben enthält die Ausgestaltung von 7B eine Druckknopf-Stiftstruktur 7.24, die durch eine Feder oder eine federnde Struktur 7.23 federnd gelagert ist. Der Stift 7.24 kann leitfähig oder magnetisch sein oder Teile oder Abschnitte haben, die leitfähig oder magnetisch sind. Das untere Ende von Stift 7.24 kann sich in einer/m durch das Element 7.14 gebildeten Kammer oder Hohlraum 7.25 befinden. Wenn ein Benutzer auf die Struktur 7.24 in Richtung 7.b drückt, dann bewegt sich das untere Ende von 7.24 wesentlich näher an eine Spule 7.22, die sich unter der Öffnung 7.22b befindet, wobei die Induktivität der Spule überwacht wird. Die Spule 7.22 kann planar sein, sich wie gezeigt auf einer Leiterplatte 7.21 befinden und für Eigeninduktivitätsmessungen verwendet werden. Oder es kann ein gekoppeltes Spulenpaar sein, das für gegenseitige Induktivitätsmessungen verwendet wird. Aufgrund der flussmodifizierenden Natur der Struktur 7.24 kann eine Bewegung näher an die Spule 7.22 erkannt und zur Erkennung einer Drück- oder translatorischen Benutzereingabe oder -aktion verwendet werden. Wenn z.B. die Struktur 7.24 oder zumindest ihr unteres Ende leitfähiges Material umfasst, dann sollte eine erhebliche Bewegung näher an die Spule 7.22 die Wirbelstrombelastung der Spule erhöhen, was zu einer messbaren Änderung der Spuleninduktivität führt.
Eine vereinfachte beispielhafte Ausgestaltung, die weniger Spulen benötigt, ist in 7C im Schnittansichtsformat bei 7.28 dargestellt. Auch hier befindet sich ein Rad- oder Scheibenelement 7.29, das sich um die Achse 7.39 dreht, über einem/r leitfähigen Overlay oder Barriere 7.35, wobei das Overlay mit Löchern, Schlitzen oder Aperturen 7.33 und 7.34 perforiert ist, die verwendet werden, um Magnetfluss durch das Overlay zu ermöglichen, wie zuvor in der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die Aperturen 7.33 und 7.34 können mit einem im Wesentlichen nichtmagnetischen und nichtleitenden Material gefüllt werden, wenn dies für die Abdichtung erforderlich ist, beispielsweise mit Epoxid. Das Overlay 7.35 kann bei der verwendeten Induktivitätserfassungsfrequenz eine erhebliche Dicke im Verhältnis zur Eindringtiefe aufweisen. Ein U-förmiges magnetisches Element 7.30, z.B. ein Ferritkern, befindet sich unter dem leitfähigen Overlay, wobei die beiden Enden des Magnetelements 7.30 mit den Löchern, Schlitzen oder Aperturen 7.33 und 7.34 ausgerichtet sind und dazu verwendet werden, den Magnetfluss durch die Löcher oder Schlitze zu fokussieren und zu lenken. Zwei Spulen, zum Beispiel ein gegenseitiges Induktionspaar 7.31 und 7.32, sind auf das Magnetelement 7.30 gewickelt. Die rotierende Scheibe 7.29 kann mehrere magnetflussmodifizierende Sektionen oder Teile haben, z.B. wie 7.41 und 7.42. Diese flussmodifizierenden Sektionen können leitfähiges oder magnetisches Material sein, wie für den Fachmann offensichtlich ist, und können so positioniert werden, dass eine Drehung des Elements 7.29 bewirkt, dass die flussmodifizierenden Sektionen über das Loch 7.33 passieren, z.B. ähnlich wie bei 7.41 dargestellt. Die Drehung des Elements 7.29 kann durch Überwachen oder Messen des Einflusses der flussmodifizierenden Sektionen auf die Induktivität der Spulen 7.31 und 7.32, z.B. auf ihre gegenseitige Induktivität, bestimmt werden, ähnlich wie an anderer Stelle in der vorliegenden Offenbarung erörtert wird.
Um eine Benutzer-Drückeingabe oder -aktion in Richtung 7.43 zu erkennen, lehrt die vorliegende Erfindung, dass ein Druckknopf oder eine ähnliche Struktur 7.38 durch eine Feder oder eine andere flexible Struktur 7.40 federnd gelagert sein kann, wobei die Struktur 7.38 die rotierende Scheibe 7.29, aber nicht das Overlay 7.35 durchdringt. Das untere Ende der Struktur 7.38 kann ein leitfähiges oder magnetisches Element 7.37 umfassen, das sich in dem von der Scheibe 7.29 gebildeten Hohlraum 7.36 befindet. Wenn 7.38 in Richtung 7.43 gedrückt wird, kann sich das untere Ende 7.37 erheblich näher an das Loch, den Schlitz oder die Apertur 7.34 und das eine Ende des Magnetelements 7.30 heranbewegen und eine messbare Änderung der gegenseitigen Induktivität oder einer anderen Induktivität oder eines anderen Parameters der Spulen 7.31 und 7.32 bewirken.
7D zeigt eine ähnliche Ausgestaltung wie die von 7C, wobei gleiche Ziffern auf gleiche Elemente verweisen und nicht weiter ausgeführt werden. Wie ersichtlich, ist der Hauptunterschied zwischen den beiden beispielhaften Ausgestaltungen die Verwendung von zwei separaten Magnetelementen 7.30a und 7.30b in 7D. Die Spulen 7.31 und 7.32 können für Eigeninduktivitätsmessungen oder gegenseitige Induktivitätsmessungen oder für beides verwendet werden. Die Funktionsweise der Ausgestaltung in 7D ist der soeben für 7C beschriebenen ähnlich und wird der Kürze halber nicht im Detail beschrieben.
Eine weitere beispielhafte Ul-Einrichtung auf der Basis von Induktivitätsabtastung für die Rotations- und Translationseingabe (Drücken) durch einen Benutzer, die mit denen aus 7A - 7D verwandt ist, wird in 7E im Schnittansichtsformat bei 7.45 und in einer dreidimensionalen Ansicht bei 7.60 dargestellt, wobei sich die Einrichtung dadurch unterscheidet, dass es ein(e) äußere/s rotierende/s Sektion oder Element 7.46 und eine innere Drücksektion 7.57 umfasst, die nicht rotierend sein kann. Die äußere rotierende Sektion 7.46 kann von einem festen oder nicht rotierenden Bund 7.47 getragen werden und sich wie gezeigt, um eine Achse 7.39 drehen. Wenn also die äußere Sektion 7.46 vom Benutzer gedreht wird, dann kann die Drücksektion 7.57 statisch bleiben. Ähnlich wie zuvor, kann das rotierende Teil 7.46 flussmodifizierende Elemente enthalten, die aus leitfähigem oder magnetischem Material bestehen, wie z.B. 7.55 und 7.56. Wenn das Element 7.46 gedreht wird, dann können seine flussmodifizierenden Elemente mit dem Loch, der Öffnung oder der Apertur 7.33 im leitfähigen Overlay 7.35 ausgerichtet werden, wobei Letztere bei der verwendeten Induktivitätsabtastfrequenz eine erhebliche Dicke im Verhältnis zur Eindringtiefe aufweisen kann. Ein magnetisches Element, zum Beispiel ein Ferritkern 7.30a, kann sich unterhalb der Öffnung oder des Schlitzes 7.33 befinden und damit ausgerichtet werden und kann mit den Spulen 7.48 und 7.51 bewickelt sein, wobei die beiden Spulen ein gegenseitiges Induktivitätspaar bilden, wobei Spule 7.48 die Empfangsspule und 7.51 die Sendespule ist. Wenn die magnetflussmodifizierenden Elemente, z.B. 7.55 und 7.56, über der Öffnung, dem Schlitz oder dem Loch 7.33 rotieren, können sie eine messbare Änderung der gegenseitigen Induktivität zwischen den Spulen 7.48 und 7.51 verursachen, so dass zum Beispiel Drehwinkel, Geschwindigkeit und Richtung für das Element 7.46 bestimmt werden können.
Das Drückelement 7.57 kann durch eine Feder oder eine andere flexible Struktur, z.B. durch die Feder 7.58 wie gezeigt, innerhalb eines Bundes wie 7.47 gelagert sein. Am unteren Ende des Drückelements 7.57 kann sich ein flussmodifizierendes Element 7.59 befinden, das aus leitfähigem oder magnetischem Material bestehen kann, wie in der Technik bekannt ist. Alternativ kann das gesamte Drückelement 7.57 flussmodifizierendes Material umfassen. Wenn ein Benutzer das Element 7.57 in Richtung 7.b drückt, bewegt sich das flussmodifizierende Material näher an das Loch 7.34 und an das Magnetelement 7.30b, wobei Letzteres sich unter dem Loch oder Schlitz 7.34 befindet und mit diesem ausgerichtet ist. Dies kann eine messbare Änderung der Induktivität, beispielsweise der gegenseitigen Induktivität, der auf das Magnetelement 7.30b gewickelten Spulen 7.49 und 7.53 bewirken. Spule 7.49 kann z.B. eine Empfangsspule und 7.53 eine Sendespule sein. An der messbaren Änderung der Induktivität lässt sich also die Drückaktion eines Benutzers erkennen. Wie aus 7E ersichtlich ist, sind die Sendespulen 7.51 und 7.53 in Reihe geschaltet und teilen sich die Anschlüsse 7.50 und 7.54. Dies ist rein beispielhaft, um die Anzahl der Sendespulen zu reduzieren, und die vorliegende Erfindung kann auch mit den Spulen 7.51 und 7.53 nicht in Reihe, d.h. separat an die Treiberschaltung angeschlossen, praktiziert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch eine Ul-Einrichtung auf der Basis von Induktivitätsabtastung für Benutzer-Rotations- und Translationseingaben (Drücken) realisiert werden, bei der sich flussmodifizierende Elemente des Drehteils mit einem ersten Radius drehen und flussmodifizierende Elemente des Drück- oder Druckknopfteils sich mit einem zweiten, kleineren Radius drehen oder über diesem liegen oder umgekehrt. 7F zeigt ein(e) leitende(s) Overlay oder Barriere 7.62 für eine solche Ausgestaltung bei 7.61. Drei Löcher, Schlitze, Aperturen oder Öffnungen 7.63, 7.64 und 7.65 perforieren das/die leitfähige Overlay oder Barriere 7.62. Wie bisher, kann die Dicke des Overlays 7.62 bei der verwendeten Induktivitätsabtastfrequenz ziemlich unabhängig von der Eindringtiefe sein. Zwei Aussparungen oder Schlitze können diese Löcher verbinden, um Wirbelstrompfade zu unterbrechen und unbeabsichtigte Verluste zu reduzieren. Das heißt, anstatt drei verschiedene runde Löcher mit Schlitzen dazwischen zu verwenden, wie dargestellt, kann die Erfindung auch durch Ersetzen der Löcher durch Schlitze praktiziert werden, was effektiv zu einem längeren Schlitz oder Langloch führt. Ein erstes Element, zum Beispiel für die Dreheingabe durch den Benutzer, dreht sich um die Achse 7.66, wobei flussmodifizierende Elemente am ersten Element befestigt sind oder einen Teil davon bilden, und dreht sich mit einem ersten Radius oder Weg 7.67 und bewegt sich offensichtlich über die Apertur 7.65. Ein(e) zweite(s) Element oder Struktur, zum Beispiel zum Empfangen von Drückaktionen oder Gesten eines Benutzers, dreht sich ebenfalls um die Achse 7.66, wobei flussmodifizierende Elemente auf dem zweiten Element, oder die einen Teil davon bilden, mit einem zweiten, kleineren Radius oder Weg 7.68 rotieren oder sich darüber befinden und sich offensichtlich über die Apertur 7.63 bewegen oder sich darüber befinden. Es ist zu beachten, dass sich das zweite Element gemäß der vorliegenden Erfindung typischerweise, aber nicht unbedingt, mit dem ersten Element bewegt, wenn das erste Element gedreht wird, da das zweite Element primär für eine Drückeingabe bestimmt ist.
Eine detailliertere Schnittansicht der vorliegenden beispielhaften Ausgestaltung wird bei 7.69 in 7F bereitgestellt, mit dem ersten rotierenden Element 7.70 und dem zweiten Drückelement 7.80. Die Magnetelemente 7.72, 7.74 und 7.76 befinden sich unter dem leitfähigen Overlay 7.62 und sind mit Löchern, Schlitzen oder Aperturen 7.63, 7.64 bzw. 7.65 ausgerichtet. In einer bevorzugten Ausführung sind die Magnetelemente Ferritkerne. Spulen 7.71, 7.73 und 7.75 sind auf die Magnetelemente 7.72, 7.74 bzw. 7.76 gewickelt und können gegenseitige Induktivitätspaare bilden. Spule 7.71 kann z.B. eine Empfangsspule und mit der Spule 7.73 gekoppelt sein, die als Sendespule fungiert und die auch mit der Spule 7.75 gekoppelt ist, die als Empfangsspule fungiert. Das Drehelement 7.70 kann sich um die Achse 7.66 drehen und kann um seinen Umfang mehrere flussmodifizierende Elemente haben, wie z.B. die Elemente 7.78 und 7.79, die leitfähiges oder magnetisches Material enthalten können, wie in der Technik bekannt ist. Die genannte Mehrzahl von flussmodifizierenden Elementen des Drehelements 7.70 kann verwendet werden, um die Drehung des Elements 7.70 während einer Dreheingabeaktion durch den Benutzer zu überwachen oder zu messen. Zum Beispiel können die Elemente 7.78 und 7.79 leitfähig und Teil einer Mehrzahl von flussmodifizierenden Elementen (nicht gezeigt) sein, die den absoluten Drehwinkel in Abhängigkeit von der Höhe codieren. Wenn diese Elemente über das Loch, den Schlitz oder die Apertur 7.65 passieren, dann ändert sich die Wirbelstrombelastung auf der gegenseitigen Induktivität zwischen den Spulen 7.73 und 7.75 messbar, so dass zum Beispiel Drehwinkel, Geschwindigkeit und Richtung bestimmt werden können.
Zusätzlich kann, wenn ein Benutzer einen Drückbefehl eingeben will, um z.B. eine Auswahl zu treffen, das Element 7.80 in Richtung 7.b gedrückt werden. Dies kann dazu führen, dass das flussmodifizierende Element 7.83 näher an das Loch oder den Schlitz 7.63 und an das Magnetelement 7.72 herankommt, wodurch die gegenseitige Induktivität zwischen den Spulen 7.71 und 7.73 messbar verändert wird, so dass die Drückaktion erkannt werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das flussmodifizierende Element 7.83 ein ringförmiger Leiter.
Für Ul-Geräteanwendungen, bei denen die Dreheingabestruktur und die Druckknopf- bzw. Drückeingabestruktur nicht auf der gleichen Achse liegen müssen, d.h. sie können getrennt sein, kann eine stark vereinfachte Struktur verwendet werden, wie die beispielhafte Ausgestaltung bei 7.85 und 7.93 in 7G zeigt. Ein(e) leitfähige(s) Overlay oder Barriere 7.86, dessen/deren Dicke bei der verwendeten Induktivitätsabtastfrequenz nicht wesentlich durch die Eindringtiefe begrenzt ist, ist mit zwei Öffnungen, Schlitzen oder Löchern 7.87 und 7.88 dargestellt, wobei die Öffnungen den Magnetfluss von einer Seite des leitfähigen Overlays zur anderen ohne übermäßige Verluste zulassen. Ein Schlitz oder Langloch 7.89 wird verwendet, um Wirbelstrompfade in dem/der leitfähigen Overlay oder Folie 7.86 zu unterbrechen, wie zuvor erörtert. Löcher oder Schlitze 7.87, 7.88 und der Schlitz 7.89 können mit einem im Wesentlichen nichtmagnetischen, nichtleitenden Material, z.B. Epoxid oder Klebstoff, gefüllt werden, wenn es die Dichtigkeitsanforderungen erfordern. Ein Drehelement 7.94 kann sich um eine erste Achse 7.90 drehen, wobei mehrere flussmodifizierende Elemente an dem Drehelement befestigt sind oder einen Teil davon bilden, die sich entlang der Bahn oder des Radius 7.92 drehen. Zum Beispiel sind zwei aus der Mehrzahl von flussmodifizierenden Elementen 7.96 und 7.97 bei 7.93 in 7G gezeigt. Vorzugsweise umfassen die Elemente 7.96 und 7.97 leitfähiges Material, können aber auch aus magnetischem Material mit einer hohen relativen magnetischen Permeabilität hergestellt sein können. Ähnlich wie bei der Erörterung von 7E, können die Elemente 7.96 und 7.97 und mehrere flussmodifizierende Elemente (nicht gezeigt), die an dem Drehelement 7.94 befestigt sind oder einen Teil davon bilden, verwendet werden, um die absolute Drehposition und Richtung des Elements 7.94 zu codieren. Wenn sich das Element 7.94 um die Achse 7.90 auf der Welle 7.95 dreht, dann können sich die flussmodifizierenden Elemente über das Loch, den Schlitz oder die Apertur 7.87 in verschiedenen Höhen bewegen. Ein U-förmiges Magnetelement 7.98, z.B. ein Ferritkern, kann sich so unter dem leitfähigen Overlay 7.86 befinden, dass sein eines Ende mit dem Loch, dem Schlitz oder der Apertur 7.87 ausgerichtet ist. Auf das Magnetelement 7.98 können zwei Spulen 7.99 und 7.100 gewickelt werden, die ein gekoppeltes oder gegenseitiges Induktivitätspaar bilden können. Während sich die flussmodifizierenden Elemente über dem Loch, dem Schlitz oder der Apertur 7.87 bewegen, kann die gegenseitige Induktivität der Spulen 7.99 und 7.100 messbar beeinflusst werden, was die Messung von Drehwinkel, Richtung und Geschwindigkeit für das Element 7.94 ermöglicht.
Ein Druckknopf oder Drückeingabeelement 7.101 ist mit der Achse 7.91 und dem Loch oder Schlitz 7.88 ausgerichtet und wird über dem leitfähigen Overlay 7.86 durch die Feder 7.103 federnd gelagert. Am Boden ist ein magnetflussmodifizierendes Element 7.102 befestigt oder bildet Teil des Elements 7.101. In einer Ausführung kann das Element 7.102 aus leitfähigem Material hergestellt werden. Wenn der Benutzer das Element 7.101 niederdrückt, dann nähert es sich dem Loch oder Schlitz 7.88 und dem Magnetelement 7.98. Dies kann eine messbare Änderung der gegenseitigen Induktivität zwischen den Spulen 7.99 und 7.100 verursachen, wodurch das Drückereignis erkannt werden kann. Es kann vorteilhaft sein, Zeitschalt- oder andere Filtertechniken oder -methoden anzuwenden, um zwischen Änderungen der gegenseitigen Induktivität aufgrund einer Drehung des Elements 7.94 und der aufgrund von Drückaktionen auf dem Element 7.101 zu unterscheiden. So kann z.B. das Element 7.102 aus magnetischem Material, z.B. Ferrit, gefertigt sein und typischerweise eine Erhöhung der gegenseitigen Induktivität bewirken, während die flussmodifizierenden Elemente des Elements 7.94 aus leitfähigem Material gefertigt sein können, wodurch typischerweise eine Verringerung der gegenseitigen Induktivität bewirkt wird. Es ist auch zu verstehen, dass die Form des Magnetelements 7.98 in 7G rein beispielhaft ist, und die vorliegende Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
Zur Erfassung der absoluten Drehposition und Richtung von UI-Einrichtungen mit induktiver Abtastung ist eine große Zahl von Encoderschemata und -lösungen möglich. Eine Reihe von beispielhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die zur digitalen Codierung der Drehrichtung und -position eines Drehelements verwendet werden können, werden im Folgenden erörtert.
In einer beispielhaften Ausgestaltung zeigt 8A bei 8.1 eine Scheibe 8.2, die sich um eine Achse 8.3 in Richtung 8.4 dreht. Diese Scheibe kann aus einem leitfähigen Material, z.B. Aluminium, bestehen oder aus einem isolierenden Material, z.B. PCB-Material, gefertigt sein. Wenn die Scheibe aus Aluminium hergestellt ist, dann kann sie eine Reihe von Aperturen enthalten, die zum Codieren von Positionswerten dienen. Wenn die Scheibe aus PCB-Material hergestellt ist, dann können alternativ Kupferpads oder Pads aus anderen leitfähigen Materialien anstelle der Aperturen zum Codieren von Positionswerten verwendet werden. Wenn die Scheibe 8.2 vollständig aus einem leitfähigen Material wie Aluminium hergestellt ist, dann sollte sie aufgrund von in der Scheibe induzierten Wirbelströmen ständig alle darunter liegenden Induktionsspulen speisen, außer an Stellen, an denen Aperturen vorhanden sind, die den Weg der Wirbelströme unterbrechen und eine erkennbare Änderung der Induktivität der Spulen verursachen. Umgekehrt, wenn die Scheibe 8.2 aus PCB-Material mit Kupferpads zum Codieren von Positionswerten hergestellt wird, werden Spulen unterhalb der Scheibe nur dann durch Wirbelströme gespeist, wenn ein Kupferpad über oder in der Nähe einer bestimmten Spule liegt. Im Folgenden soll, wo immer ein Kupferpad (auf einer PCB-Scheibe) verwendet wird, darauf hingewiesen werden, dass gemäß der vorliegenden Erfindung auch eine Apertur in einer Aluminiumscheibe verwendet werden kann, um das offenbarte Konzept zu praktizieren. Der Einfachheit halber werden im Folgenden hauptsächlich Kupferpads auf einer PCB-Scheibe zur Beschreibung von Ausgestaltungen verwendet, was aber keineswegs als Einschränkung zu verstehen ist.
Die Scheibe 8.2 kann sich über mehrere stationären induktiven Sensoren, in diesem Fall fünf induktiven Sensoren, befinden und darüber drehen. Die induktiven Sensoren können aus fünf Einzelspulen bestehen, die zur Messung der Eigeninduktivität verwendet werden, oder aus fünf Spulenpaaren, die zur Messung der gegenseitigen Induktivität verwendet werden. Die in 8A verwendeten Symbole sind unter 8.1b erläutert und bei 8.11, 8.12, 8.13 und 8.14 hervorgehoben. Zur Erleichterung der absoluten Rotationsmessungen kann die Scheibe 8.2 in mehrere Sektionen unterteilt werden, die durch Sektionsgrenzen 8.14 abgegrenzt sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung gibt jeder der fünf induktiven Sensoren 8.11 oder die an diese Sensoren angeschlossene Schaltung (nicht gezeigt) einen binären Wert zurück, d.h. eine Eins oder eine Null, je nachdem, ob sich ein Kupferpad darüber befindet oder nicht. Daher kann ein fünfstelliger Binärwert zur Beschreibung der absoluten Drehposition der Scheibe 8.2 verwendet werden, und die Drehrichtung kann aus dem zuvor gelesenen fünfstelligen Binärwert bestimmt werden. Theoretisch können mit fünf Binärziffern zweiunddreißig eindeutige Werte zur Beschreibung der Drehposition von Scheibe 8.2 verwendet werden. In 8A sind der Übersichtlichkeit halber nur sechs der 32 Werte oder Sektionen dargestellt, nämlich die ersten vier und die letzten zwei Sektionen. Mit anderen Worten, es sind nur die Werte ‚00000‘ bis ‚00011‘, ‚11110‘ und ‚11111‘ dargestellt, obwohl alle anderen Werte dazwischen zur AusÜbung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Bei 8.1 ist die Scheibe 8.2 an einer ersten Position dargestellt, wobei sich über den fünf induktiven Sensoren in Sektion 8.5 keine Kupferpads befinden, so dass der Wert ‚00000‘ gelesen wird. Wie gezeigt, wird die Sektion oder Position 8.6 durch den Wert ‚00001‘, die Sektion oder Position 8.7 durch den Wert ‚00010‘, die Sektion oder Position 8.8 durch den Wert ‚00011‘, die Sektion oder Position 8.9 durch den Wert ‚11110‘ und die Sektion oder Position 8.10 durch den Wert ‚11111‘ repräsentiert. Wenn sich die Scheibe 8.2 zwei Sektionen im Uhrzeigersinn dreht, dann sollte sich die Position 8.9 über den fünf induktiven Sensoren befinden und für die absolute Position den Wert ‚11110‘ liefern, wie bei 8.15 gezeigt.
Wenn zusätzlich zu den oben beschriebenen Kupferpads Pads aus Ferrit oder magnetischem Material verwendet werden, um die absolute Drehposition einer Scheibe oder eines Rades zu codieren, dann können gemäß der vorliegenden Erfindung ternäre Zahlen verwendet werden, um diese Position in einem digitalen Format zu beschreiben. Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von ternären Zahlen zur reinen Beschreibung der Drehposition beschränkt, sondern sie kann auch zur Beschreibung einer linearen Bewegung oder einer Position in anderen Koordinatensystemen, z.B. einer dreidimensionalen Position, verwendet werden. 8B zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in 8.16, die ternäre Zahlen zum Codieren der Drehposition einer Scheibe oder eines Rades in eine digitale Zahl benutzt. Die in 8B verwendeten Symbole haben die gleiche Bedeutung wie in 8A, werden bei 8.16b erläutert und das neue Symbol für einen Ferrit oder ein Magnetfeld ist bei 8.23 hervorgehoben. In der gezeigten Ausgestaltung dreht sich eine Scheibe oder ein Rad 8.2 über drei induktive Sensoren um eine Achse 8.3 in Richtung 8.4. Die drei induktiven Sensoren können wie bisher aus drei Einzelspulen bestehen, die für die Messung der Eigeninduktivität verwendet werden, oder aus drei Spulenpaaren, die für die Messung der gegenseitigen Induktivität verwendet werden. Für jeden induktiven Sensor kann die Abwesenheit eines Kupferpads oder eines magnetischen Pads als ternärer Wert ‚0‘ interpretiert werden; die Anwesenheit eines Kupferpads kann als ternärer Wert ‚1‘ und die Anwesenheit eines magnetischen (Ferrit-)Pads als ternärer Wert ‚2‘ interpretiert werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Interpretationen beschränkt. Die drei in 8B dargestellten induktiven Sensoren können verwendet werden, um einen dreistelligen ternären Wert zurückzugeben oder zu erzeugen. Theoretisch liefern drei Ziffern einer ternären Zahl siebenundzwanzig eindeutige Werte. Der Übersichtlichkeit halber stellt 8B nur sieben dieser Werte dar, obwohl gelehrt wird, dass alle siebenundzwanzig Werte zur Beschreibung der absoluten Drehposition der Scheibe 8.2 verwendet werden können.
Wie in 8.19 gezeigt, ergibt die Abwesenheit jeglicher Kupferpads oder magnetischer Pads über den drei induktiven Sensoren den ternären Wert ‚000‘. Sektion 8.20 zeigt eine beispielhafte Kupferpad-Position für den Wert ‚001‘, Sektion 8.21 zeigt eine beispielhafte Ferritpad-Position für den Wert ‚002‘, Sektion 8.22 zeigt eine beispielhafte Kupferpad-Position für den Wert ‚010‘ und Sektion 8.24 zeigt eine beispielhafte Ferritpad-Position für den Wert ‚020‘. Wie in Sektion 8.17 gezeigt, wenn zwei Ferritpads und ein Kupferpad in der veranschaulichten beispielhaften Weise angeordnet sind, dann kann der ternäre Wert ‚221‘ realisiert werden, und bei drei Ferrit- (oder anderen Magnetmaterial-) Pads kann ein ternärer Wert von ‚222‘ zur Beschreibung der absoluten Drehposition verwendet werden.
Einer der Nachteile der in 8A und 8B dargestellten beispielhaften Ausgestaltungen ist das Fehlen eines Indikators, der erkennt, wann die induktiven Sensoren für die Messung optimal auf eine bestimmte Sektion ausgerichtet sind. Die in 8C bei 8.25 gezeigte beispielhafte ternäre Zahlencodierer-Ausgestaltung überwindet diese Hürde durch die Einführung der Sektionsmarkierungen 8.26. Die in 8C verwendeten Symbole haben die gleiche Bedeutung wie bisher und werden in 8.25b verdeutlicht, wobei die beiden neuen Symbole für Sektionsmarkierungen und ein induktiver Sektionsmarkierungssensor in 8.26 bzw. 8.27 hervorgehoben sind. Gleiche Ziffern in 8B und 8C beziehen sich auf gleiche Elemente. Die Ausgestaltung in 8C ist weitgehend selbsterklärend und wird nur kurz beschrieben. Wenn der in 8.27 gezeigte induktive Sektionsmarkierungssensor die Anwesenheit eines Sektionsmarkierungspads erkennt, wie z.B. in 8.26, dann kann man davon ausgehen, dass die spezifische Sektion im Wesentlichen mit den drei verbleibenden induktiven Sensoren ausgerichtet ist, und es kann eine ternäre Zahlenmessung wie zuvor beschrieben durchgeführt werden, um die Drehposition und -richtung zu ermitteln.
Gemäß der vorliegenden Erfindung dürfen bei Verwendung von Lesemarkierungen nur zwei induktive Sensoren erforderlich sein, um eine Encoderscheibe auf der Basis einer dreistelligen ternären Zahl zu realisieren, d.h. eine Scheibe mit siebenundzwanzig eindeutigen ternären Zahlen zur Beschreibung der Drehposition und Drehrichtung, im Gegensatz zu den drei oder vier induktiven Sensoren, die bei den in 8B und 8C gezeigten Ausgestaltungen erforderlich sind. Eine beispielhafte Ausgestaltung dieser Lehre ist bei 9.1 in 9A dargestellt. Die verwendeten Symbole haben im Wesentlichen die gleiche Bedeutung wie die in 8B und 8C verwendeten, mit dem einzigen neuen Symbol, das für ein magnetisches Material (Ferrit) Markierungen lesen kann, wie unter 9.1b erläutert und unter 9.16 hervorgehoben. Wie dargestellt, kann jede Sektion oder Drehposition durch eine dreistellige ternäre Zahl dargestellt werden, die wie bisher siebenundzwanzig eindeutige Zahlen oder Positionen ergibt. Der Deutlichkeit halber sind nur fünf der siebenundzwanzig Positionen bei 9.6 („000“), 9.7 („001“), 9.8 („002“), 9.9 („010“) und 9.5 („222“) abgebildet. Zwei induktive Sensoren, wie bei 9.10 und 9.17 gezeigt, werden verwendet, um die dreistellige ternäre Zahl in der folgenden beispielhaften Weise zu erhalten. Wenn sich eine Sektionsmarkierung, wie die in 9.15 gezeigte, über den induktiven Sensor bei 9.17 bewegt, weil sich die Scheibe 9.2 in Richtung 9.4 um die Achse 9.3 dreht, dann stellt die mit den induktiven Sensoren verbundene Rotationsmessschaltung (nicht gezeigt) fest, dass eine neue Sektion oder Position begonnen hat, und kann den ternären Rotationspositionswert löschen. Scheibe 9.2 kann aus einem isolierenden Material wie PCB-Material, z.B. FR4, gefertigt werden. Nach dem Löschen des ternären Drehpositionswertes wird jeweils eine Stelle des dreistelligen Positionswertes vom induktiven Sensor bei 9.10 ermittelt, wenn sich eine Lesemarke, wie bei 9.16 gezeigt, über den induktiven Sensor bei 9.17 bewegt. Wie ersichtlich, sollte die Rotationsmessschaltung (nicht gezeigt) nach dem Passieren von drei Lesemarken über den Sensor bei 9.17 einen dreistelligen ternären Wert haben, der den Drehwinkel von Scheibe oder Rad 9.2 absolut beschreibt. Ist der zuvor abgelesene dreistellige ternäre Wert vorhanden, kann auch die Drehrichtung bestimmt werden.
Mit induktiven Sensoren und zugehörigen Schaltungen, die leicht zwischen vollen und halblangen leitfähigen (Kupfer-)Pads und zwischen vollen und halblangen Pads aus Magnetmaterial (Ferrit) unterscheiden können, lehrt die vorliegende Erfindung, dass ein zweistelliger, quinärer (Basis 5) Zahlenencoder realisiert werden kann. Theoretisch kann, da Quinärzahlstellen einen von fünf Werten (im Gegensatz zu nur zwei Werten bei Binärzahlenstellen), nämlich ‚0‘, ‚1‘, ‚2‘, ‚3‘ und ‚4‘, haben, ein Drehencoder auf der Basis einer zweistelligen Quinärzahl eine von fünf hoch zwei oder fünfundzwanzig Positionen melden. Nur zwei Ziffern auf einer Drehscheibe oder Rad zu implementieren, kann platzsparend sein und ist besonders vorteilhaft für physisch kleine Implementierungen. 9B zeigt bei 9.20 eine beispielhafte Ausgestaltung eines solchen Drehencoders auf der Basis einer zweistelligen Quinärzahl, der induktive Abtastung und voll- und halblange leitfähige (Kupfer-) Pads sowie voll- und halblange Pads aus magnetischem Material (Ferrit) benutzt. Die in 9B verwendeten Symbole werden in 9.20b erläutert, wobei die einzigen neuen Symbole in Bezug auf 9A das für ein Kupferpad halber Länge wie bei 9.18 hervorgehoben und das Symbol für ein Ferritpad halber Länge wie bei 9.19 hervorgehoben sind. Die Funktionsweise des in 9B dargestellten Encoders ist im Wesentlichen ähnlich der in 9A dargestellten, wobei Kupfersektionspads für Sektionsmarkierungen und Ferritpads für Lesemarkierungen verwendet werden, mit dem Hauptunterschied, dass nur zwei Stellen an die zugehörige Rotationsmessschaltung (nicht gezeigt) gemeldet werden und dass jede Stelle einen von fünf digitalen Werten haben kann. Gleiche Ziffern in 9A und 9B beziehen sich auf gleiche Elemente. Wie zuvor, werden der Übersichtlichkeit halber nur die ersten vier und die letzte der möglichen fünfundzwanzig Positionen bei 9.21 („00“), bei 9.22 („01“), bei 9.23 („02“), bei 9.24 („03“), bei 9.25 („04“) und bei 9.26 („44“) dargestellt. Die in 9B dargestellte Ausgestaltung ist relativ selbsterklärend und wird nicht weiter erläutert.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass bei Verwendung von zwei gekoppelten Spulen, d.h. einem Paar mit gegenseitiger Induktivität, mit zwei durch einen Schlitz verbundenen Löchern, einem sogenannten „Hundeknochen“-Muster, wie in 4 und anderswo dargestellt, leitende Pads, die sich über den Schlitz bewegen, eine ausgeprägte Wirkung auf die gemessene gegenseitige Induktivität für das Paar haben, was typischerweise eine erhebliche Reduzierung aufgrund von Wirbelstrombelastung verursacht. Dieser Effekt kann vorteilhaft in erfindungsgemäßen Drehpositionscodierern genutzt werden, wie die folgenden Abbildungen beispielhaft zeigen.
9C zeigt bei 9.27 eine Scheibe oder ein Rad 9.44, z.B. aus FR4-Material, das sich in Richtung 9.45 über ein(e) leitfähige(s) Platte oder Overlay 9.28 dreht, wobei die verwendeten Symbole unter 9.27b verdeutlicht werden. Die Scheibe 9.44 befindet sich über dem Overlay 9.28, das bei der verwendeten Induktivitätsmessfrequenz eine erhebliche Dicke im Verhältnis zur Eindringtiefe aufweisen kann. Zwei runde Löcher 9.29 und 9.30 existieren in dem Metalloverlay 9.28 und sind durch einen Schlitz oder ein Langloch 9.31 wie zuvor beschrieben verbunden, wobei die Löcher und der Schlitz das sogenannte Hundeknochenmuster bilden. Es ist zu verstehen, dass das Hundeknochenmuster auch aus einem einzigen rechteckigen Schlitz oder einer ähnlichen Öffnung bestehen kann, wie bereits weiter oben in der vorliegenden Offenbarung besprochen. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung separater runder Löcher an den beiden Enden eines zusammenhängenden Schlitzes beschränkt, sondern kann auch mit einem einzigen Schlitz anstelle des Hundeknochenmusters praktiziert werden. Das Rad oder die Scheibe 9.44 ist in zwölf Sektionen 9.32 bis 9.43 unterteilt, wobei die Sektionsgrenzen wie bei 9.47 gezeigt sind. Ein gegenseitiges Induktivitätsspulenpaar befindet sich unter dem Overlay 9.28, wie in 9.46 gezeigt, und ist auf die beiden Löcher des Hundeknochenmusters ausgerichtet. Jede Sektion wird durch eine zweistellige Binärzahl dargestellt, wobei die erste Stelle durch die An- oder Abwesenheit eines Kupferpads (oder einer Apertur, wenn die Scheibe aus einem Leiter wie Aluminium, im Gegensatz zu PCB-Material, hergestellt ist) über dem Schlitz 9.31 bestimmt wird, und die zweite Stelle durch die An- oder Abwesenheit eines Kupferpads (oder einer Apertur) über Loch 9.30 und der darunter befindlichen gegenseitigen Induktivitätsspule bestimmt wird. Zum Beispiel ist die Anwesenheit eines Kupferpads bei 9.49 und die Abwesenheit eines Pads bei 9.48 dargestellt. Wie aus 9C ersichtlich ist, wiederholen sich die binären Sektionswerte viermal um den Umfang der Scheibe, was zusätzliche Zählschaltungen (nicht gezeigt) erforderlich machen kann, um die absolute Drehposition und -richtung zu verfolgen.
Wenn außerdem eine Messschaltung, die mit einem Spulenpaar mit gegenseitiger Induktivität verbunden ist, ein leitfähiges Pad (oder alternativ eine Apertur, wie bereits erläutert) über jedem der beiden Löcher des Hundeknochenmusters und auch über den Schlitz zwischen den Löchern erkennen kann, lässt sich gemäß der vorliegenden Erfindung ein dreistelliger Binärencoder mit acht eindeutigen Positionen realisieren, wie beispielhaft in 9D bei 9.50 dargestellt, mit Symbolen, die ähnlich wie zuvor verwendet werden, und veranschaulicht bei 9.50b. Die Scheibe oder das Rad 9.59 befindet sich über dem/r leitfähigen Overlay oder Barriere 9.28 und dreht sich in Richtung 9.60 über ein Hundeknochenmuster von Löchern 9.29 und 9.30 und dem Schlitz 9.31, ähnlich wie zuvor. Ein Spulenpaar mit gegenseitiger Induktivität, mit oder ohne Magnetkerne, befindet sich unterhalb der und ausgerichtet mit den Löcher(n) 9.29 und 9.30, wie bei 9.46 gezeigt. Das Rad oder die Scheibe ist in acht Sektionen oder Drehpositionen 9.51 bis 9.58 unterteilt, die jeweils dreistellige, binäre Werte von ‚000‘, ‚001‘, ‚010‘, ‚011‘, ‚100‘, ‚101‘, ‚110‘ und ‚111‘ haben. Die binären Positionswerte werden durch das Spulenpaar mit gegenseitiger Induktivität zur Messschaltung (nicht gezeigt) zurückgeführt, wenn die Kupferpads oder deren Abwesenheit in jeder Sektion, wie gezeigt, über das Paar rotieren, wobei zum Beispiel die Anwesenheit eines leitfähigen Pads einen binären Wert ‚1‘ und seine Abwesenheit einen binären Wert ‚0‘ darstellt. Wie zuvor diskutiert, ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von leitfähigen Pads auf Isolationsmaterial beschränkt, z.B. die Verwendung von Kupferpads auf PCB-Substratmaterial wie FR4. Eine leitfähige Scheibe, z.B. aus Aluminium, mit Aperturen anstelle der Pads zur Darstellung von binären „1“-Symbolen und der Abwesenheit von Aperturen zur Darstellung von binären „0“-Symbolen als Beispiele, kann ebenso gut zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es ist auch zu verstehen, dass sich Scheiben, Räder oder andere Strukturen nicht nur in Richtungen wie in den vorgestellten Zeichnungen beispielhaft dargestellt zu drehen oder bewegen brauchen, sondern sich im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn, linear usw. bewegen können. Die vorliegende Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
Wenn sich zwei Hundeknochenmuster relativ zur Achse einer/s rotierenden Scheibe oder Rades gegenüberliegen, z.B. in hundertachtzig Grad zueinander, dann kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein vorteilhafter Drehencoder realisiert werden, dessen erste beispielhafte Ausgestaltung in 9E bei 9.61 gezeigt ist. Die Scheibe oder das Rad 9.62, z.B. hergestellt aus einem isolierenden PCB-Material wie FR4, dreht sich über das/die leitfähige Overlay oder Barriere 9.28 in Richtung 9.74. Zwei Hundeknochenmuster, die jeweils aus zwei runden Löchern bestehen, die durch einen linearen Schlitz verbunden sind, aber nicht auf diese Konfiguration beschränkt sind, liegen sich gegenüber, wie in 9.63 und 9.72 gezeigt. Unter dem Overlay 9.28 befinden sich wie bisher gegenseitige Induktivitätssensoren in der beispielhaften Form von zwei gekoppelten Spulen, mit oder ohne Magnetkern, die auf diese Löcher ausgerichtet sind, wie die eine Spule in 9.73. Die Scheibe oder das Rad 9.62 hat acht verschiedene Positionen, wie in 9.64 bis 9.71 gezeigt, entlang vier Linien, wo ein Kupferpad (oder umgekehrt eine Apertur, falls die Scheibe aus einem leitfähigen Material besteht) oder die Abwesenheit eines Kupferpads verwendet wird, um einen binären Wert zu codieren, zum Beispiel einen binären ‚l‘-Wert in Anwesenheit eines Kupferpads und eine binäre ‚0‘ in Abwesenheit eines Kupferpads, oder umgekehrt. Gemäß der vorliegenden Erfindung können die induktiven Sensoren aus beiden Hundeknochenmustern zusammen verwendet werden, um einen zweistelligen binären Positionswert zu erzeugen. Vorteilhaft ist jedoch, dass sich bei einer Drehung der Scheibe 9.62 um mehr als 180° die höchst- und niedrigstwertigsten Bits umkehren, d.h. aus einer ‚01‘ wird eine ‚10‘. Als Ergebnis werden die in Tabelle 9.75 in 9E aufgeführten Binärwerte für jede der acht Positionen gelesen, wenn sich die Scheibe 9.62 um dreihundertsechzig Grad dreht. Durch dieses „Bit-Flipping“ können jede der acht Positionen und die Drehrichtung eindeutig identifiziert werden, wenn der Wert der vorherigen Position oder zwei Positionen zurück verfügbar ist, wie in Tabelle 9.76 in 9E gezeigt. Eine Ausgestaltung wie oben dargestellt und beschrieben kann besonders kleine Encoder erleichtern, da nur ein einziger Kreis von Pads (oder Aperturen) am Rand der Scheibe 9.62 und nur ein Loch jedes Hundeknochenmusters vorhanden sein muss.
Werden zur Codierung der Drehposition als vierstellige Binärzahl zwei Positionen pro Seite, statt nur einer in 9E, und nur sechs Positionen verwendet, so ergibt sich gemäß der vorliegenden Erfindung ein Drehencoder, der für jede Position eindeutige Binärwerte liefert und eine Drehrichtungsbestimmung ermöglicht, indem nur die aktuelle und die vorherige Drehposition verwendet werden. Eine beispielhafte Ausgestaltung eines solchen Encoders ist in 9F unter 9.77 dargestellt, wobei die Symbole die gleiche Bedeutung wie bisher haben und bei 9.77b erläutert werden. Die/das rotierende Scheibe oder Rad 9.78 dreht sich in Richtung 9.95 über dem/der leitfähigen Overlay oder Barriere 9.28. Ähnlich wie in 9E, perforieren zwei Hundeknochenmuster, die jeweils aus zwei Löchern und einem Verbindungsschlitz bestehen, aber nicht auf diese Konfiguration beschränkt sind, das Overlay 9.28 an zwei Positionen, die im Wesentlichen hundertachtzig Grad voneinander beabstandet sind, wie bei 9.79 und 9.80 gezeigt. Gegenseitige Induktivitätssensoren, z.B. gekoppelte Spulenpaare, mit oder ohne Magnetkern, befinden sich unter dem Overlay 9.28 und sind mit den Löchern der Hundeknochenmuster ausgerichtet, ähnlich wie bei dem zuvor erörterten, wobei ein Sensor bei 9.85 gezeigt ist. Die Scheibe oder das Rad 9.78 enthält sechs Codierpositionen entlang drei Linien, wie bei 9.81 bis 9.84, 9.86 bis 9.89 und 9.91 bis 9.94 gezeigt. Kupferpads (oder umgekehrt Aperturen, wie bereits erwähnt) oder die Abwesenheit von Kupferpads werden verwendet, um einen vierstelligen binären Wert für die Drehposition an die Messschaltung zurückzugeben (nicht gezeigt), wobei die Anwesenheit eines Kupferpads eine binäre „1“ und die Abwesenheit eines Pads eine binäre „0“ darstellt oder umgekehrt. Wie aus 9F ersichtlich ist, werden zwei der vier Stellen von Codierpositionen über dem einen Hundeknochenmuster erhalten, während die übrigen zwei Stellen von Codierpositionen über dem anderen Hundeknochenmuster erhalten werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden sechs eindeutige vierstellige Binärwerte für die Drehposition erhalten, wenn sich die Scheibe um dreihundertsechzig Grad dreht, aufgrund des Bit-Flippings nach hundertachtzig Grad, wie aus Tabelle 9.96 in 9F ersichtlich ist. Mit anderen Worten, wenn sich die Scheibe um mehr als 180° dreht, dann werden die zwei höchstwertigen Bits und die zwei niedrigstwertigen Bits des vierstelligen binären Positionswerts vertauscht, was sechs eindeutige Werte ergibt. Außerdem sind, wie aus Tabelle 9.97 in 9F ersichtlich, nur zwei Drehpositionswerte zur Bestimmung der Drehrichtung erforderlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Drehencoder auf der Basis von induktiver Abtastung, die zwei Hundeknochenmuster oder Alternativen davon verwenden, die in einem Abstand von im Wesentlichen hundertachtzig Grad zueinander relativ zur Drehachse einer Scheibe angeordnet sind und einen vierstelligen Binärwert haben, nicht auf die Codierung von nur sechs Drehpositionen beschränkt. Wie in 9G beispielhaft dargestellt, können möglicherweise zweiunddreißig verschiedene Drehpositionen codiert werden. Die bei 9.98 in 9G gezeigte Ausgestaltung ist ähnlich wie die oben gezeigte, mit Symbolen, die die gleiche Bedeutung haben, wie bei 9.98b erläutert. Ein(e) Scheibe oder Rad 9.99 aus einem isolierenden PCB-Material wie z.B. FR4 dreht sich in Richtung 9.104 über einem/r leitfähigen Overlay oder Barriere 9.28, wobei die Dicke des Overlays bei der verwendeten induktiven Abtastfrequenz durch die Eindringtiefe nicht erheblich begrenzt wird. Ähnlich wie zuvor, perforieren zwei Hundeknochenmuster 9.100 und 9.101 das leitfähige Overlay und können mit einem im Wesentlichen nicht leitfähigen, nicht magnetischen Material, z.B. Epoxy oder Klebstoff, zu Abdichtungszwecken gefüllt werden. Unterhalb der Hundeknochenmuster befinden sich, wie bereits erwähnt, gegenseitige Induktivitätssensoren, die auf die Löcher der Hundeknochenmuster ausgerichtet sind. Eine Induktivitätssensorspule ist bei 9.102 dargestellt. Die Scheibe 9.99 kann zweiunddreißig Codierpositionen entlang der sechzehn Zeilen aa bis pp haben, wie gezeigt. Jede Codierposition kann leitfähige Pads (oder umgekehrt Aperturen) oder die Abwesenheit derselben verwenden, um zwei Stellen eines vierstelligen binären Drehpositionswertes zu codieren. In den Tabellen 9.105 und 9.106 sind die Werte der Positionen aufgeführt, die von der Schaltung gelesen werden können (nicht gezeigt). Wie ersichtlich, treten sechzehn eindeutige binäre Werte auf. Aufgrund des zuvor erörterten Bit-Flippings bei einer Drehung der Scheibe 9.99 um mehr als 180° können jedoch 28 eindeutige Drehpositionen und Drehrichtungen erkannt werden, wenn der Wert der vorherigen Drehposition bekannt ist. Müssen alle zweiunddreißig Drehpositionen erkannt werden, so werden für vier der zweiunddreißig Positionen die Werte der beiden vorherigen Positionen benötigt. Die in 9G gezeigte beispielhafte Ausgestaltung bietet den wesentlichen Vorteil, dass die theoretisch mögliche Anzahl von Drehencoderpositionen mit vier Binärziffern, also zwei hoch vier oder sechzehn, ohne große zusätzliche Komplexität auf achtundzwanzig oder zweiunddreißig Positionen erweitert werden kann.
In Anbetracht der Natur von magnetischen Materialien wie Ferrit und der potentiellen Schwierigkeiten, ihre Verwendung in kostengünstige PCB-Herstellungsmethoden zu integrieren, könnte es vorteilhaft sein, wenn magnetische Materialien wie Nickel auf PCBs abgesetzt werden könnten, um die Lehren der vorliegenden Erfindung zu praktizieren. In einem typischen kostenarmen PCB-Herstellungsprozess wird Kupfer als Basisleiter verwendet und entsprechend dem gewünschten Muster weggeätzt. In der Regel werden anschließend in einem Veredelungsschritt Materialien wie Gold, Silber oder Nickel abgesetzt, um Korrosion des Kupfers zu verhindern. Speziell kann das so genannte Chemisch-Nickel-Immersionsgold (ENIG) zum Absetzen von Nickel auf diesem Kupfer verwendet werden, wobei eine dünne Immersionsgoldschicht hinzugefügt wird, um eine Nickeloxidation vor dem Löten zu verhindern. Wenn die Nickeldicke wesentlich erhöht werden kann, ohne die Herstellungskosten übermäßig zu erhöhen, kann das ENIG-Verfahren möglicherweise zum Absetzen von Nickel als Magnetmaterialpads verwendet werden, die zum Beispiel zur Realisierung von Drehencodern verwendet werden können, wie bereits erwähnt.
Ein weiteres Veredelungsverfahren ist das sogenannte organische Lötbarkeitskonservierungsmittel (OSP), das das blanke Kupfer mit einer wasserbasierten organischen Verbindung überzieht, die sich selektiv an Kupfer bindet. Eine solche Veredelung kann möglicherweise dann eingesetzt werden, wenn nur Kupferpads ohne zusätzliches Magnetmaterial benötigt werden, um die bereits erwähnten Wirbelstromverluste bei Drehencodern zu realisieren.
Allerdings können zwei Veredelungsprozesse typischerweise nicht auf der gleichen PCB eingesetzt werden, um eine Anzahl von Magnetmaterialpads und nur Kupfer (oder nur leitfähiges Material) auf der gleichen Oberfläche zu realisieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses Hindernis durch eine Struktur wie Schnittansichtsformat 10.1 in 10 dargestellt überwunden werden, wobei eine mehrschichtige PCB verwendet wird, um eine Encoderscheibe 10.2 zu realisieren, die sich auf der Achse 10.6 um die Achse 10.5 über einem zweiten Substrat 10.11, z.B. einer weiteren PCB, dreht, die zwei induktive Sensorspulen 10.12 und 10.13 mit jeweiligen Magnetachsen 10.14 und 10.15 umfasst. Erfindungsgemäß können die Magnetpads, wie 10.7 und 10.8, auf der äußeren Schicht 10.4 realisiert werden, z.B. durch ein normales oder modifiziertes ENIG-Finish. Kupferpads, die zum Bewirken von Wirbelstromverlusten verwendet werden, wie bei 10.9 und 10.10 gezeigt, können auf der Innenschicht 10.3 realisiert werden, wie gezeigt. Aufgrund der geringen Dicke der Innenlagen der Leiterplatte (ein paar µm bis mm) lässt sich der vertikale Versatz, der durch die Kupferpads auf einer Innenlage entsteht, leicht ausgleichen.
Die in 5A und 5B gezeigte beispielhafte Ausgestaltung verwendete drei verschiedene Ebenen zur Codierung der Drehposition. Gemäß der vorliegenden Erfindung können bei Verwendung eines ternären Zahlensystems für diese Codierung siebenundzwanzig eindeutige Positionswerte erzeugt und zur Bestimmung der Drehposition und -richtung verwendet werden, wie in 11 dargestellt. Jeder Höhe oder Ebene in 5A und 5B kann ein ternärer Wert zugeordnet werden, wie in 11.1 gezeigt. Außerdem können die drei verschiedenen Ebenen in siebenundzwanzig eindeutigen Kombinationen auf einer/m Encoderscheibe oder Rad angeordnet werden, wie bei 11.2 bis 11.28 gezeigt.
12 stellt eine weitere Alternative gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wenn, wie bei 12.1 gezeigt, die drei Ebenen oder Höhen entweder mit einem leitfähigen Material, um Wirbelstromverluste in assoziierten induktiven Sensoren zu bewirken (nicht gezeigt), oder mit magnetischem Material bedeckt sind, um Reluktanz im Magnetflusspfad zu reduzieren, können sechs verschiedene Werte der gemessenen Induktivität erhalten werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dies mit einem senaren, oder zur Basis sechs, digitalen Zahlensystem verwendet werden, wobei jede Stelle einen von sechs Werten haben kann, nämlich ‚0‘, ‚1‘, ‚2‘, ‚3‘, ‚4‘ oder ‚5‘. Mit nur zwei senaren Zahlenstellen können möglicherweise sechsunddreißig eindeutige Drehpositionen oder lineare Positionen, wie bei 12.2 bis 12.37 gezeigt, codiert werden.
Die vorangegangene Erörterung konzentrierte sich zwar hauptsächlich auf die Verwendung von Messungen der gegenseitigen Induktivität, aber die vorliegende Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht beschränkt, und es können auch Eigeninduktivitätsmessungen zur Realisierung von UI-Geräten wie offenbart verwendet werden. Zu diesem Zweck zeigen 13A bis 13D eine Reihe der vorhergehenden beispielhaften Ausgestaltungen, die jedoch Einzelspulen und Eigeninduktivitätsmessungen im Gegensatz zu gegenseitigen Induktivitätsspulenpaaren verwenden.
13A zeigt bei 13.1 eine beispielhafte Ausgestaltung ähnlich wie in 5D, mit dem Unterschied, dass die Eigeninduktivitätsmessungen für planare Spulen 13.10 und 13.11, mit den jeweiligen Magnetachsen 13.13 und 13.14 und auf der PCB 13.12 positioniert, verwendet werden, um die Drehung des Elements 13.3 um die Achse 13.4 durch die Löcher 13.7 und 13.8 im leitfähigen Overlay 13.2 zu überwachen, wobei die Drehung eine Änderung der Eigeninduktivität der Spulen 13.10 und 13.11 aufgrund der Bewegung der flussmodifizierenden Oberflächen 13.5 und 13.6 verursacht.
Eine weitere verwandte, beispielhafte Ausgestaltung ist bei 13.15 in 13A zu sehen, wobei gleiche Ziffern auf gleiche Elemente verweisen. Zusätzlich enthält die Ausgestaltung bei 13.15 eine Druckknopfstruktur, die durch das Element 13.3, die Feder 13.16 und den Bund 13.17 gebildet wird, ähnlich der in 7A gezeigten Struktur, und die eine Drückeingabe in Richtung 13.18 ermöglicht. Die beiden in 13A unter 13.1 und 13.15 gezeigten Ausgestaltungen haben gegenüber ihren Gegenstücken mit gegenseitiger Induktivität den Vorteil, dass nur zwei statt drei Spulen erforderlich sind, wie der Vergleich mit 5D und 7A zeigt.
Eine Eigeninduktivitätsvariante der in 7E gezeigten Ul-Geräteausgestaltung ist in 13B bei 13.19 exemplarisch dargestellt. Das Rad- oder Scheibenelement 13.20 kann sich um die Achse 13.22 und den Bund 13.23 drehen und hat magnetflussmodifizierende Elemente, um die Codierung oder Messung der Drehposition und -richtung zu erleichtern, wie bei 13.27 und 13.28 gezeigt. Das Element 13.20 befindet sich über einem/r leitfähigen Overlay oder Barriere 13.26, dessen/deren Dicke bei der verwendeten induktiven Abtastfrequenz nicht wesentlich durch die Eindringtiefe begrenzt ist, und wobei das Overlay 13.26 mit zwei Löchern 13.29 und 13.30 perforiert ist. Eine erste planare Spule 13.31, die für Eigeninduktivitätsmessungen verwendet wird, befindet sich unterhalb des Lochs 13.29 auf dem Substrat 13.34, wobei die Magnetachse 13.33 der Spule 13.31 mit dem Loch 13.29 ausgerichtet ist, und wobei die flussmodifizierenden Elemente die Eigeninduktivität der Spule 13.31 auf messbare Weise beeinflussen, wenn sich das Element 13.20 dreht. Ferner ist das Element 13.21 zur Ermöglichung einer Drück- oder Druckknopfeingabe durch den Benutzer in Richtung 13.i durch die Feder 13.25 über dem leitfähigen Overlay federnd gelagert. Eine zweite Spule 13.32 auf dem Substrat 13.34 befindet sich unter dem Loch 13.30 und dem Druckknopfelement 13.21, mit seiner Magnetachse bei 13.22. Anhand von Messungen der Eigeninduktivität der Spule 13.32 kann erkannt werden, wenn das flussmodifizierende Element 13.24 von einem Benutzer in Richtung 13.i gedrückt wird, was die Drückeingabe erleichtert.
13C stellt eine weitere beispielhafte Ul-Geräteausgestaltung zur Eingabe von Dreh- und Drückbefehlen vor, aber unter Verwendung von Eigeninduktivitätsspulen und Messungen. Die im Schnittansichtsformat bei 13.35 gezeigte beispielhafte Ausgestaltung ähnelt der von 7F, abgesehen davon, dass für Eigeninduktivitätsmessungen nur zwei Spulen anstatt zwei gekoppelte Spulenpaare verwendet werden. Das Element 13.40 dreht sich um die Achse 13.39 und befindet sich über dem/r leitfähigen Overlay oder Barriere 13.36, wobei Letztere mit zwei Löchern 13.37 und 13.38 perforiert ist. Element 13.40 kann mehrere flussmodifizierende Elemente um seinen Umfang herum haben, um die Drehposition und die Richtung des Elements 13.40 zu codieren oder zu messen, wie bei 13.41 und 13.42 gezeigt. Diese flussmodifizierenden Elemente bewegen sich über das Loch 13.38 und modifizieren den Magnetfluss der Spule 13.53, wobei Letztere auf das Magnetelement 13.52 gewickelt ist, das vorzugsweise ein Ferritkern ist. Anhand von Messungen der Eigeninduktivität der Spule 13.53 können Drehwinkel und -richtung des Elements 13.40 bestimmt werden. Zur Erleichterung einer/s Drückeingabe oder - befehls durch den Benutzer ist das Element 13.43 vorgesehen, das über dem Element 13.40 durch die Feder 13.44 elastisch abgestützt ist. Ein ringförmiges flussmodifizierendes Element 13.45 ist am Element 13.43 befestigt. Wenn das Element 13.43 in Richtung 13.i gedrückt wird, dann bewegt sich das flussmodifizierende Element 13.45 näher an die Spule 13.50, die sich unter dem Loch 13.37 befindet und darauf ausgerichtet ist. Die Spule 13.50 ist, muss es aber nicht sein, auf ein Magnetelement 13.51, z.B. einen Ferritkern, gewickelt. Anhand von Messungen der Eigeninduktivität der Spule 13.50 kann festgestellt werden, wann das Element 13.43 ausreichend in Richtung 13.i gedrückt wird, um gemäß der vorliegenden Erfindung einen Drückbefehl zu erzeugen. Man wird verstehen, dass die Verwendung von nicht planaren Spulen, wie in 13C, oder planaren Spulen, wie in 13B, nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung auszulegen ist, und es können beide Spulentypen oder andere induktive Strukturen verwendet werden.
Die in 7G dargestellte beispielhafte Ausgestaltung kann auch alternativ mit ungekoppelten oder eigeninduktiven Spulen verwendet werden, wie in 13D bei 13.54 gezeigt. Ein Drehelement 13.56 befindet sich über einem/r leitfähigen Overlay oder Barriere 13.58 und dreht sich um eine Achse 13.55 auf einer Welle oder einem Träger 13.59. Diese(s) leitfähige Overlay oder Barriere ist mit ersten und zweiten Löchern 13.61 und 13.66 perforiert. Das Element 13.56 kann mehrere flussmodifizierende Elemente haben, ähnlich denen, die an anderer Stelle in der vorliegenden Offenbarung erörtert werden, die sich um seinen Umfang herum befinden, wie bei 13.57 und 13.60 gezeigt. Diese flussmodifizierenden Elemente können sich über das Loch 13.61 bewegen und den Fluss der planaren Spule 13.64 auf dem Substrat 13.63 beeinflussen, wobei die Magnetachse 13.62 der Spule 13.64 mit dem Loch 13.61 ausgerichtet sein kann. Drehwinkel und -richtung des Elements 13.56 können aus Messungen der Eigeninduktivität der Spule 13.64 gemäß der vorliegenden Erfindung auf ähnliche Weise wie oben beschrieben bestimmt werden. Um dem Benutzer Drückeingaben oder -befehle zu erleichtern, befindet sich auch ein Druckknopf wie das Element 13.69 über dem leitfähigen Overlay 13.58 über dem zweiten Loch 13.66 und kann durch eine Feder 13.67 federnd gelagert werden. Wenn ein Benutzer das Element 13.69 in Richtung 13.i nach unten drückt, dann kann sich ein flussmodifizierendes Element 13.68, das am unteren Ende des Elements 13.69 befestigt ist, näher an die auf dem Substrat 13.63 befindliche planare Spule 13.65 bewegen, wobei die Magnetachse 13.70 der Spule 13.65 auf das Loch 13.66 ausgerichtet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann anhand von Eigeninduktivitätsmessungen für die Spule 13.65 erkannt werden, wann sich das flussmodifizierende Element 13.68 und damit das Element 13.69 ausreichend in Richtung 13.i bewegt haben, um einen Benutzer-Drückbefehl zu signalisieren.
Aus der vorhergehenden Offenbarung ist ersichtlich, dass sich ein flussmodifizierendes Element (d.h. ein leitfähiges oder ein magnetisches Element) aufgrund einer Benutzer-Drückaktion oder Geste translatorisch bewegen kann, was eine messbare Änderung der Induktivität verursacht. Dies kann zum Beispiel verwendet werden, um eine druckknopfähnliche Vorrichtung mit Ausgestaltungen wie offenbart zu implementieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung können kapazitive Sensorstrukturen, die den von einem Benutzer ausgeübten Druck erfassen können, auch in Verbindung mit den hierin offenbarten Ausgestaltungen verwendet werden, um translatorische Bewegungen zu messen oder zu erkennen, z.B. Bewegungen, die durch eine Drückaktion des Benutzers verursacht werden. Insbesondere können Methoden und Schaltungen wie in der US 2013 / 0093500 offenbart, die Erfinder mit der vorliegenden Offenbarung gemeinsam haben, in Verbindung mit den derzeit offenbarten Ausgestaltungen verwendet werden, um Translationsbewegungen in UI-Einrichtungen zu messen oder zu erkennen.
Die vorliegende Erfindung lehrt ferner, dass Ausgestaltungen wie offenbart mit Hilfe von auf Ladungsübertragung basierenden Messschaltungen und -methoden praktiziert werden können und dass Kompensations- und Kalibrationstechniken verwendet werden können, um den Einfluss von auf die Messung der von gemessenen oder überwachten Spulen oder induktiven Strukturen inhärenter Kapazität zu negieren. Die vorliegende Erfindung lehrt auch, dass es vorteilhaft sein kann, auf gegenseitiger Induktivität basierende Ausgestaltungen zu verwenden, da diese eine geringere Anfälligkeit für negative Effekte haben, die durch die Kapazität von Spulen oder induktiven Strukturen verursacht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Benutzerschnittstelleneinrichtung (5.25; 5.48; 5.62; 6.1; 6.19; 7.1; 7.13; 7.28; 7.44; 7.45; 7.69; 7.93; 9.27; 9.50; 9.61; 9.77; 9.98; 13.1; 13.15; 13.19; 13.35; 13.54) zur Dreheingabe, wobei die Einrichtung gekennzeichnet ist durch die Verwendung von induktiven Sensoren und Elementen, die sich auf gegenüberliegenden Seiten einer leitfähigen Barriere (4.2; 5.32; 5.38; 6.6; 7.6; 7.18; 7.35; 7.62; 7.86; 9.28; 13.2; 13.26; 13.36; 13.58) befinden; wobei Elemente auf der Benutzerseite der leitfähigen Barriere ein Drehelement (2.2; 3.2; 5.2; 5.2b; 5.19; 5.51; 5.63; 6.2; 7.2; 7.14; 7.29; 7.46; 7.70; 7.94; 8.2; 9.2; 9.44; 9.59; 9.62; 9.78; 9.99; 10.2; 13.3; 13.20; 13.40; 13.56) und mehrere magnetflussmodifizierende Elemente (2.6 - 2.9; 3.6; 3.9 - 3.11; 5.3 - 5.14; 5.20; 5.21; 5.51; 5.52; 5.53; 5.67; 6.9; 6.10; 7.26; 7.41; 7.42; 7.55; 7.56; 7.78; 7.79; 7.96; 7.97; 7.102; 8.12; 8.13; 8.23; 8.26; 9.11; 9.12; 9.13; 9.15; 9.16; 9.18; 9.19; 9.48; 9.49; 9.64 - 9.71; 9.81 - 9.84; 9.86 - 9.89; 9.91 - 9.94; 10.7 -10.10; 13.27; 13.28; 13.41; 13.42; 13.45; 13.57; 13.60; 13.68) umfassen, wobei das Drehelement durch den Benutzer zur Eingabe einer Dreheingabe in Eingriff gebracht wird und die flussmodifizierenden Elemente an dem Drehelement angebracht sind; wobei Elemente auf der anderen Seite der leitfähigen Barriere mindestens eine induktive Struktur (2.3; 2.4; 3.4; 3.5; 4.4; 4.5; 5.26; 5.28; 5.30; 6.4; 6.5; 7.3a; 7.3b; 7.5b; 7.16; 7.17; 7.31; 7.32; 7.48; 7.49; 7.51; 7.53; 7.71; 7.73; 7.75; 7.99; 7.100; 8.11; 8.27; 9.10; 9.17; 9.46; 9.73; 9.85; 9.102; 10.12; 10.13; 13.10; 13.11; 13.31; 13.32; 13; 50; 13.53; 13.64; 13.65) umfassen, die für die induktive Abtastung verwendet werden; wobei die leitfähige Barriere mindestens eine Apertur (4,6 - 4,8; 5,34 - 5,36; 5,39 - 5,41; 6,7; 6,8; 7,7a; 7,7b; 7,8; 7,19; 7,20; 722b; 7.33; 7.34; 7.63 - 7.65; 7.87; 7.88; 7.89; 9.29 - 9.31; 9.63; 9.72; 9.79; 9.80; 9.100; 9.101; 13.7; 13.8; 13.29; 13.30; 13.37; 13.38; 13.61; 13.66) hat, wobei jede Apertur mit einer der mindestens einen induktiven Strukturen ausgerichtet ist, um die Kopplung von Magnetfluss von der mindestens einen Struktur durch die mindestens eine Apertur zu den flussmodifizierenden Elementen zu ermöglichen, wobei Änderungen der Induktivität, die für die mindestens eine Struktur aufgrund der Rotation der rotierenden und flussmodifizierenden Elemente erfasst werden, verwendet werden, um die Dreheingabe zu bestimmen.
Benutzeroberflächengerät nach Anspruch 1, wobei die Benutzerdreheingabe Drehwinkel und/oder Drehrichtung umfasst.
Benutzeroberflächengerät nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Apertur einen rechteckigen Schlitz oder Schlitze umfasst.
Benutzeroberflächengerät nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Barriere eine Dicke hat, die wesentlich größer ist als die Eindringtiefe einer für die induktive Abtastung verwendeten Frequenz.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Drehelement elastisch gelagert ist (6.13; 7.10; 7.23; 7.40; 7.58; 7.82; 7.103; 13.16; 13.25; 13.44; 13.67) und wobei eine Benutzer-Drückaktion auf das Drehelement in Richtung der leitfähigen Barriere bewirkt, dass sich mindestens eines der mehreren flussmodifizierenden Elemente näher an die Barriere bewegt, wobei eine entsprechende Änderung der Induktivität für die mindestens eine induktive Struktur erfasst wird, wobei die Änderung dazu verwendet wird, die Drückaktion zu erfassen.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine erste Struktur der mindestens einen induktiven Struktur zur Bestimmung der Dreheingabe verwendet wird und eine zweite Struktur der mindestens einen induktiven Struktur verwendet wird, um eine Benutzer-Drückaktion auf das Drehelement in Richtung der leitfähigen Barriere zu erkennen, wobei das Drehelement federnd gelagert ist und wobei die Drückaktion des Benutzers bewirkt, dass sich mindestens eines der mehreren flussmodifizierenden Elemente näher an die Barriere bewegt, wobei eine entsprechende Änderung der Induktivität für die zweite induktive Struktur erfasst wird, und wobei die Änderung der erfassten Induktivität für die zweite induktive Struktur verwendet wird, um die Drückaktion zu erkennen.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Drehelement ferner eine Sektion (7.57; 7.80; 13.21; 13.43) aufweist, die elastisch gelagert ist, wobei eine erste Struktur der mindestens einen induktiven Struktur zur Bestimmung der Dreheingabe verwendet wird und eine zweite Struktur der mindestens einen induktiven Struktur verwendet wird, um eine Drückaktion auf die Sektion in Richtung der leitfähigen Barriere zu erkennen, die bewirkt, dass sich an der Sektion befestigte magnetflussmodifizierende Elemente näher an die Barriere bewegen, mit einer entsprechenden Änderung der für die zweite induktive Struktur erfassten Induktivität, und wobei die Änderung der erfassten Induktivität für die zweite induktive Struktur verwendet wird, um die Drückaktion zu erkennen.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine induktive Struktur mindestens ein Magnetelement (3.3; 4.3; 5.27; 5.29; 5.31; 5.42; 5.43; 5.44; 5.54; 5.55; 5.57; 5.64; 5.65; 5.66; 6,3; 7,4a; 7,4b; 7,5a; 7,15; 7,30; 7,30a; 7,30b; 7,72; 7,74; 7,76; 7,98; 13,51; 13,52) und mindestens eine leitfähige Spule umfasst, die um das eine Magnetelement oder die Elemente gewickelt ist.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten induktiven Strukturen mindestens ein Magnetelement und mindestens eine leitfähige Spule umfassen, die um die ein oder mehreren Magnetelemente gewickelt ist/sind.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 7, wobei die ersten und zweiten induktiven Strukturen mindestens ein Magnetelement und mindestens eine leitfähige Spule umfassen, die um das eine Magnetelement oder die Elemente gewickelt ist.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren flussmodifizierenden Elemente entweder leitfähiges Material oder magnetisches Material umfassen.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 7, wobei die flussmodifizierenden Sektionselemente entweder leitfähiges Material oder magnetisches Material umfassen.
Benutzerschnittstelleneinrichtungt nach Anspruch 1, wobei mehrere induktive Strukturen verwendet werden, wobei die mindestens eine Apertur zwei Schlitze aufweist, deren längsgerichteten Mittellinien in einem Winkel zueinander angeordnet sind, so dass sie sich schneiden, wobei die Drehung der flussmodifizierenden Elemente über den Schlitzen eine Phasendifferenz zwischen erfassten Induktivitätssignalen für die mehreren induktiven Strukturen verursacht und wobei die Phasendifferenz verwendet wird, um die Drehrichtung für das Drehelement zu bestimmen.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 1 mit mehreren induktiven Strukturen, wobei das Drehelement und die flussmodifizierenden Elemente einen Teil eines Encoders (5.2; 5.2b; 8.1; 8.15; 8.16; 8.25; 9.1; 9.20; 9.27; 9.50; 9.61; 9.77; 9.98) bilden, um die erfassten Induktivitätswerte der induktiven Strukturen in einen digitalen Wert umzuwandeln, der die Dreheingabe repräsentiert.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 14, wobei der Encoder binäre Digitalwerte erzeugt, die die Dreheingabe repräsentieren.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 14, wobei der Encoder ternäre Digitalwerte erzeugt, die die Dreheingabe repräsentieren.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 14, wobei der Encoder quinäre Digitalwerte erzeugt, die die Dreheingabe repräsentieren.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 14, wobei der Encoder senare Digitalwerte erzeugt, die die Dreheingabe repräsentieren.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 14, wobei der Encoder einen vierstelligen Binärwert erzeugt, der die Dreheingabe repräsentiert, wobei der Encoder durch eine umgekehrte Reihenfolge der vierstelligen Werte für beliebige zwei Drehpositionen gekennzeichnet ist, die um hundertachtzig Grad getrennt sind.
Benutzerschnittstelleneinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erfasste Induktivität ein Eigeninduktivitätswert ist.
Benutzeroberflächengerät nach Anspruch 1, wobei die erfasste Induktivität ein Wert der gegenseitigen Induktivität ist.