DE19922638A1 - Eingabevorrichtung für eine Steuerung, insbesondere handbetätigter Positionsgeber - Google Patents

Eingabevorrichtung für eine Steuerung, insbesondere handbetätigter Positionsgeber

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Eingabevorrichtung für eine Steuerung, insbesondere handbetätigbarer Positionsgeber (1), mit einem gegenüber einem Stator (2), der an einem Trägerteil, insbesondere einer Frontplatte (3) eines Gehäuses, festgelegt ist, um eine Drehachse (4) drehbar gelagerten Geberelement (5), einer die Position und/oder die Bewegung des Geberelements (5) in elektrische Signale umwandelnde Sensoreinrichtung (6, 8) und einer magnetisch wirkenden Rasteinrichtung (8,9), durch die das Geberelement (5) in definierten ineinander überführbaren Winkelpositionen rastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement (5) abnehmbar ist und an seiner dem Stator (2) zugewandten Außenfläche (10) auf einer mit der Drehachse (4) koaxialen Kreislinie (33) verteilt eine die Teilung der Rasteinrichtung (8, 9) bestimmende Anzahl von Permanentmagneten (8) umfaßt und daß der Stator (2) an seiner dem Geberelement (5) zugewandten Außenfläche (11) auf der Kreislinie (33) mindestens ein magnetisierbares und in Zusammenwirkung mit den Permanentmagneten (8) die Rasteinrichtung bildendes taktiles Element (9) umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Eingabevorrichtung für eine Steuerung, insbesondere einen handbetätigbaren Positionsgeber, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise zur Positionsveränderung eines Werkzeugträgers einer Werkzeugmaschine, für die Auswahl eines Sollwerts einer Steuerung oder Regelung oder für die Positionierung eines Zeigers auf der graphischen Benutzeroberfläche eines Computerprogramms einsetzbar.
Die DE 196 27 089 C1 zeigt einen handbetätigbaren Winkelgeber mit einem gegenüber einem Stator, der an einer Frontplatte eines Gehäuses festgelegt ist, um eine Drehachse drehbar gelagerten Geberelement, dessen Drehbewegung mittels einer durch die Frontplatte hindurchtretenden Welle in das Innere des Gehäuses übertragbar ist und dort mittels einer optisch wirkenden Sensoreinrichtung in elektrische Signale umwandelbar ist. Außerhalb des Gehäuses ist eine magnetisch wirkende Rasteinrichtung festgelegt, die auf der Seite der Welle des Geberelements einen in axialer Richtung polarisierten Ringmagneten und an dessen axialen Enden je eine in radialer Richtung auf ihrer äußeren Umfangsfläche gezahnte Scheibe umfaßt, denen statorseitig auf ihrer Innenumfangsfläche entsprechend gezahnte Ringe gegenüberliegen, die in axialer Richtung den magnetischen Fluß leitend miteinander verbunden sind.
Die durch die Frontseite des Gehäuses hindurchtretende drehbare Welle erfordert eine aufwendige Abdichtung, um ein Eindringen von Verunreinigungen und Flüssigkeiten zuverlässig zu verhindern. Dies gilt insbesondere in Anwendungsfällen, in denen besondere Hygieneanforderungen gestellt werden, beispielsweise in der Medizintechnik, die ein häufiges und gründliches Reinigen der zugänglichen Oberflächen der Vorrichtung erfordern. In diesen Fällen ist auch von Nachteil, daß ein unbeabsichtigtes oder nicht autorisiertes Betätigen der Eingabevorrichtung, insbesondere beim Reinigen, möglich ist.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Eingabevorrichtung für eine Steuerung bereitzustellen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile überwindet. Insbesondere soll die Vorrichtung einfach zu reinigen sein und dabei ein unbeabsichtigtes oder nicht autorisiertes Betätigen der Vorrichtung zuverlässig verhinderbar sein.
Das Problem ist durch die im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
Die Vorrichtung bzw. die Sensoreinrichtung kann die Eingaben absolut, beispielsweise unter Verwendung einer entsprechenden Codescheibe, oder inkremental auswerten. Dementsprechend ist von der Sensoreinrichtung, die beispielsweise magnetische und/oder optische Sensoren umfaßt, die Position bzw. die Bewegung des Geberelements erfaßbar. Dadurch, daß das Geberelement abnehmbar ist, ist die Oberfläche der Vorrichtung und insbesondere des Gehäuses einfach zu reinigen und darüber hinaus ein unbeabsichtigtes Betätigen der Vorrichtung und eine Betätigung der Vorrichtung durch nicht autorisierte Personen zuverlässig verhindert. Der Stator bzw. das Trägerteil ist gegenüber der Umgebung vollständig abgedichtet. Durch das Vorsehen von Zentriermitteln am Stator bzw. Trägerteil und/oder am Geberelement ist das Geberelement hinsichtlich seiner Drehbewegung zentriert und geführt. Zwischen den Permanentmagneten des Geberelements und den taktilen Elementen des Stators befindet sich ein Luftspalt und gegebenenfalls das Trägerteil, das in diesem Fall nicht magnetisch ist. Der Abstand zwischen den Permanentmagneten und den taktilen Elementen ist vorzugsweise so klein wie möglich. Die Verteilung der Permanentmagneten ist vorzugsweise gleichmäßig. Als taktile Elemente sind vorzugsweise zylindrische magnetisierbare Stahlstifte einsetzbar. Die Permanentmagnete und die taktilen Elemente sind vorzugsweise axial ausgerichtet. Die Rastkräfte können radial oder axial wirken.
Dadurch, daß der Stator auf der Kreislinie einen Magnetfeldsensor umfaßt, ist auf der Seite des Geberelements sowohl die Rast- als auch die Sensoreinrichtung von den Permanentmagneten gebildet. Vorzugsweise umfaßt der Stator zwei Magnetfeldsensoren, die in Bezug auf die Verteilung der Permanentmagneten eine Phasenverschiebung von etwa 90° aufweisen. Dadurch ist eine Drehrichtungserkennung möglich. Durch eine entsprechende Anzahl und Anordnung von Magnetfeldsensoren in Zusammenwirkung mit einer entsprechenden Bestückung des Geberelements mit Permanentmagneten, gegebenenfalls mit unterschiedlicher polarer Ausrichtung, ist auch die Erkennung der absoluten Drehposition des Geberelements durch die magnetische Sensoreinrichtung mögt ich.
Durch die Anzahl der vorzugsweise axial ausgerichteten taktilen Elemente ist die von der Rasteinrichtung ausgeübte Rastkraft einstellbar.
Vorzugsweise sind die taktilen Elemente gleichmäßig verteilt. Durch die teilweise oder vollständige Verwendung von Permanentmagneten als taktile Elemente ist die Rastkraft erhöhbar. Bei entsprechender polarer Ausrichtung der Permanentmagnete des Geberelements und des Stators sind die Rastkräfte in verschiedenen Rastpositionen unterschiedlich einstellbar. Gegebenenfalls ist auf diese Weise auch die Einnahme bestimmter Positionen des Geberelements verhinderbar.
Dadurch, daß das Trägerteil bzw. der Stator Aufnahmen für die taktilen Elemente ausbilden, ist der Abstand zwischen den Permanentmagneten und den taktilen Elementen weiter reduzierbar. Beispielsweise ist für jedes taktile Element am Stator bzw. am Trägerteil ein Sack- oder Durchgangsloch vorgesehen. Im letzteren Fall schließen die taktilen Elemente bündig mit der dem Geberelement zugewandten Außenfläche des Stators bzw. des Trägerteils ab. In diesem Fall ist diese Fläche vorzugsweise mit einer abdichtenden und nicht magnetisierbaren Folie oder Platte abgedeckt, die zum Zwecke der Ableitung elektrostatischer Aufladungen elektrisch leitfähig ausgebildet sein kann. Alternativ zu den Löchern kann auch eine Ringnut für die Aufnahme der kreisförmig verteilten taktilen Elemente vorgesehen sein.
Dadurch, daß das Trägerteil oder der Stator einen Achszapfen ausbildet, an dem das Geberelement lösbar festlegbar ist, ist das Geberelement einfach auf die Vorrichtung aufsetzbar und von dieser abnehmbar. Der Achszapfen ist nicht drehbar und beispielsweise einstückig vom Stator ausgebildet und mittels eines in eine axiale Ringnut eingelegten Dichtrings in dichtender Anlage an dem Trägerelement. Der Achszapfen kann die Form eines Hohlzylinders aufweisen für die Aufnahme eines von dem Geberelement ausgebildeten Lagerzapfens. Für die Festlegung des Geberelements ist eventuell die von der Rasteinrichtung ausgeübte Anziehungskraft ausreichend. Alternativ zur Ausbildung eines Achszapfens am Trägerteil oder Stator kann das Trägerteil oder der Stator auch eine Aufnahme für einen am Geberelement angebrachten Achszapfen oder für das vorzugsweise kreisrunde Geberelement insgesamt bilden. Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Dichtheit der Vorrichtung ist eine einstückige Ausbildung des Achszapfens bzw. der Aufnahme durch das Trägerteil, beispielsweise mittels einer tiefgezogenen beispielsweise zylindrischen oder kegel(stumpf)förmigen Aus- bzw. Einformung der Frontplatte des Gehäuses. Dies führt zu einer vollständig geschlossenen Oberfläche des Trägerteils, hinter der der Stator angeordnet ist, wobei die Sensor- und die Rasteinrichtung durch das nicht-magnetisierbare Trägerteil hindurchwirken.
Durch das federbelastete Eingriffselement, beispielsweise eine federkraftbelastete Kugel, ist das Geberelement in jeder Montagelage sicher an der Vorrichtung festlegbar. Alternativ zum federbelasteten Eingriffselement kommen sonstige Rastverbindungen, Schraub-/­ Klemmverbindungen, beispielsweise mittels eines Gewindestifts, oder dergleichen in Betracht.
Dadurch, daß das Geberelement eine gegen die Wirkung eines Kraftspeichers vorzugsweise axial betätigbare Taste umfaßt, ist eine durch die Drehbewegung des Geberelements ausgewählte Eingabe bestätigbar und damit eine Fehleingabe zuverlässig verhinderbar. Die Taste ist vorzugsweise mit einer Schutzkappe, beispielsweise aus einem Elastomer, abgedeckt und gegenüber der Umgebung dicht in dem Geberelement angeordnet.
Dadurch, daß die Taste ein erstes Signalübertragungsmittel umfaßt, das beim Betätigen der Taste berührungslos mit einem zweiten Signalübertragungsmittel des Stators zusammenwirkt, ist keine elektrische Kontaktierung zwischen Geberelement und Stator erforderlich. Die Signalübertragung kann beispielsweise magnetisch, aber auch optisch erfolgen. Die Signalübertragung mittels eines weiteren Permanentmagneten und eines weiteren Magnetfeldsensors ist unempfindlich gegenüber Verunreinigungen der Oberflächen.
Die Signalübertragung mittels eines Transpondersystems erhöht weiterhin die Sicherheit gegen eine gegebenenfalls unbeabsichtigte Fehlbedienung und/oder nicht autorisierte Bedienung der Vorrichtung. Insbesondere läßt sich mittels eines in einem elektronischen Speicher des Geberelements abgespeicherten Codeworts eine Eingabeberechtigung für die Steuerung hinterlegen, die von dem zweiten Signalübertragungsmittel des Stators abfragbar ist und die Vorrichtung und/oder die Steuerung entsprechend der Auswertung der Abfrage für eine Eingabe freischaltbar ist. Die ersten und zweiten Signalübertragungsmittel sind dabei an den einander zugewandten Flächen des Geberelements bzw. des Stators angeordnet. Durch das Betätigen der Taste ist der Abstand der beiden Signalübertragungsmittel in einem Maße reduzierbar, daß eine Signalübertragung möglich ist. Beispielsweise ist das erste Signalübertragungsmittel am stirnseitigen Ende der in einem hohlzylindrischen Lagerzapfen des Geberelements geführten Taste angeordnet. Der hohlzylindrische Lagerzapfen besteht dabei ebenso wie die Abdeckung des Stators aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im einzelnen erläutert ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 2 zeigt eine Hälfte eines weiteren Schnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und
Fig. 3 zeigt einen Schnitt III-III durch das Geberelement der Fig. 2.
Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere durch einen handbetätigbaren Positionsgeber 1 mit einem gegenüber einem Stator 2, der an einer Frontplatte 3 eines Gehäuses festgelegt ist, um eine Drehachse 4 drehbar gelagerten Geberelement 5, einer die Position und/oder die Bewegung des Geberelements 5 detektierenden (in der Fig. 1 nur teilweise dargestellten) Sensoreinrichtung 6, 8 und einer magnetisch wirkenden Rasteinrichtung 8, 9, durch die das Geberelement 5 in definierten ineinander überführbaren Winkelpositionen einrastet. Das Geberelement 5 umfaßt an seiner dem Stator 2 zugewandten Außenfläche 10 auf einer mit der Drehachse 4 koaxialen Kreislinie verteilt eine die Teilung der Rasteinrichtung bestimmende Anzahl von Permanentmagneten 8, und der Stator 2 umfaßt auf seiner dem Geberelement 5 zugewandten Außenfläche 11 auf der Kreislinie mindestens ein magnetisierbares und in Zusammenwirkung mit den Permanentmagneten 8 die Rasteinrichtung 8, 9 bildendes taktiles Element 9.
Die Permanentmagnete 8 schließen bündig mit der Außenfläche 10 ab und sind axial polarisiert. Die Permanentmagnete 8 und das taktile Element 9 sind kreiszylindrisch. Die taktilen Elemente 9 stehen gegenüber der Außenfläche 11 hervor, ragen in entsprechende Bohrungen in der Frontplatte 3 hinein, schließen bündig mit der auf das Geberelement 5 gerichteten Oberfläche der Frontplatte 3 ab und sind aus einem magnetisierbaren und insbesondere ferromagnetischen Werkstoff und können insbesondere auch Permanentmagnete sein. Die einander zugewandten Außenflächen 10 des Geberelements 5 und der Frontplatte 3 sind jeweils mit einer vorzugsweise selbstklebenden Folie 12 abgedeckt, die eine vollständige Abdichtung des Geberelements 5 bzw. der Frontplatte 3 und damit des Stators 2 gegenüber der Umgebung bewirkt. Der axiale Abstand zwischen dem Permanentmagneten 8 und dem taktilen Element 9 beträgt beispielsweise 0,2 bis 3 mm, insbesondere auch 0,5 bis 1 mm.
Der Stator 2 bildet einstückig einen hohlzylindrischen Achszapfen 13 aus, der an seiner Außenumfangsfläche eine umlaufende radiale Ringnut 14 aufweist. Der Achszapfen 13 greift durch eine im Durchmesser an den Achszapfen 13 angepaßte Öffnung 15 der Frontplatte hindurch. Ein in eine axiale Ringnut 16 eingelegter Dichtring 17 ist in Anlage mit dem Stator 2 und der Frontplatte 3 und dichtet die Öffnung 15 nach außen ab. Der Stator 2 ist mittels einer einen Gewindebolzen 18 und eine Sechskant-Mutter 19 umfassenden Schraubverbindung an der Frontplatte 3 festgelegt.
Das Geberelement 5 umfaßt einen Grundkörper 20, der eine buchsenförmige Aufnahme 21 für den hohlzylindrischen Achszapfen 13 sowie einen in diesen eingreifenden ebenfalls hohlzylindrischen Lagerzapfen 22 bildet. Der Lagerzapfen 22 bildet eine Aufnahme für eine axial gegen die Wirkung einer Schraubenfeder 23 betätigbaren Taste 24, die einen Tastenstößel 24a umfaßt. Die Schraubenfeder 23 stützt sich an einem Ende an der Bodenfläche 22a des Lagerzapfens ab und an ihrem gegenüberliegenden Ende an einem ringförmigen Absatz 24b des Tastenstößels 24a. Bündig mit der Stirnfläche 24c des Tastenstößels 24a abschließend umfaßt die Taste 24 ein erstes Signalübertragungsmittel in Form eines weiteren Permanentmagneten 25. Beim Betätigen der Taste 24. nähert sich der weitere Permanentmagnet 25 dem auf einer Platine 26 angeordneten weiteren Magnetfeldsensor 27 des Stators 2 soweit an, daß dieser ein Signal detektieren kann, welches beispielsweise als Eingabebestätigung interpretierbar ist. Die Taste 24 ist mittels einer Schutzkappe 28 aus einem weichelastischen Elastomer, das an der äußeren Umfangsfläche in Anlage mit dem Grundkörper 20 ist, gegenüber der Umgebung abgedichtet. Der Grundkörper 20, die Taste 24, der Stator 2 und die Frontplatte 3 sind aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff, beispielsweise Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff.
Die Fig. 2 zeigt eine Hälfte eines weiteren Schnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung. In dieser Darstellung ist die den Magnetfeldsensor 6 und den Permanentmagneten 8 umfassende Sensoreinrichtung 6, 8 sichtbar. Der Sensor 6 ist dabei auf der weiteren Platine 29 angeordnet, die mit der Platine 26 elektrisch verbunden ist. Gegebenenfalls kann auf der weiteren Platine 29 mittel weiterer elektronischer Bauteile eine Signalvorverarbeitung erfolgen. Die Signalabgabe erfolgt mittels einer statorseitig eine Steckbuchse 30 umfassenden Steckverbindung. Ein zweiter (nicht dargestellter) Magnetfeldsensor ist mit einem Phasenversatz von etwa 90° in Bezug auf die Verteilung der Permanentmagneten 8 senkrecht zur Zeichenebene versetzt angeordnet und ermöglicht eine Drehrichtungserkennung.
Der Grundkörper 20 des Geberelements 5 weist eine in Richtung auf die Drehachse 4 eine radiale Gewindebohrung 31 auf, in die ein Gewindestift 32 einschraubbar ist, der mit seinem teilkugelförmigen Endabschnitt in die Ringnut 14 des Achszapfens 13 eingreift und dadurch den Grundkörper 20 und damit das Geberelement 5 am Achszapfen 13 und damit an der Vorrichtung lösbar festlegt.
Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt III-III durch das Geberelement der Fig. 2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind insgesamt 40 Permanentmagnete 8 gleichmäßig auf einer mit der Drehachse 4 koaxialen Kreislinie 33 verteilt angeordnet. Die Abmessungen der kreiszylindrischen Permanentmagnete 8 betragen beispielsweise 3 × 3 mm2 (Durchmesser × Länge).

Claims (12)

1. Eingabevorrichtung für eine Steuerung, insbesondere handbetätigbarer Positionsgeber (1), mit einem gegenüber einem Stator (2), der an einem Trägerteil, insbesondere einer Frontplatte (3) eines Gehäuses, festgelegt ist, um eine Drehachse (4) drehbar gelagerten Geberelement (5), einer die Position und/oder die Bewegung des Geberelements (5) in elektrische Signale umwandelnde Sensoreinrichtung (6, 8) und einer magnetisch wirkenden Rasteinrichtung (8, 9), durch die das Geberelement (5) in definierten ineinander überführbaren Winkelpositionen rastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement (5) abnehmbar ist und an seiner dem Stator (2) zugewandten Außenfläche (10) auf einer mit der Drehachse (4) koaxialen Kreislinie (33) verteilt eine die Teilung der Rasteinrichtung (8, 9) bestimmende Anzahl von Permanentmagneten (8) umfaßt und daß der Stator (2) an seiner dem Geberelement (5) zugewandten Außenfläche (11) auf der Kreislinie (33) mindestens ein magnetisierbares und in Zusammenwirkung mit den Permanentmagneten (8) die Rasteinrichtung bildendes taktiles Element (9) umfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (2) auf der Kreislinie (33) mindestens einen in Zusammenwirkung mit den Permanentmagneten (8) die Sensoreinrichtung (6, 8) bildenden Magnetfeldsensor (6) umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (2) über die Kreislinie (33) verteilt eine die Höhe der Rastkraft bestimmende Anzahl von vorzugsweise axial ausgerichteten taktilen Elementen (9) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das taktile Element (9) ein Permanentmagnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil zwischen dem Stator (2) und dem Geberelement (5) angeordnet ist und eine den Abstand zu den Permanentmagneten (8) des Geberelements (5) reduzierende Aufnahme für das taktile Element (9) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil oder der Stator (2) einen Achszapfen (13) ausbildet, an dem das Geberelement (5) lösbar festlegbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement (5) ein radial in Richtung auf den Achszapfen (13) federbelastetes Eingriffselement (32) umfaßt, das in eine entsprechende Ausnehmung des Achszapfens (13) eingreift, insbesondere in eine auf dessen Außenmantelfläche umlaufende Nut (16).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement (5) eine gegen die Wirkung eines Kraftspeichers (23) vorzugsweise axial betätigbare Taste (24) umfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Taste (24) ein erstes Signalübertragungsmittel umfaßt, das beim Betätigen der Taste (24) berührungslos mit einem zweiten Signalübertragungsmittel des Stators (2) zusammenwirkt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signalübertragungsmittel ein weiterer Permanentmagnet (25) und das zweite Signalübertragungsmittel ein weiterer Magnetfeldsensor (27) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Signalübertragungsmittel ein Transpondersystem bilden, bei dem ein vom zweiten Signalübertragungsmittel ausgesandtes Signal vom ersten Signalübertragungsmittel empfangbar und unverändert oder verändert zum zweiten Signalübertragungsmittel zurücksendbar ist und daß die, gegebenenfalls benötigte Energie für den Betrieb des ersten Signalübertragungsmittels vom zweiten Signalübertragungsmittel bereitstellbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signalübertragungsmittel einen elektronischen Speicher umfaßt, entsprechend dessen Inhalt das vom zweiten Signalübertragungsmittel empfangene Signal veränderbar ist.
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