DE20014425U1 - Mechanisms for control buttons and other interface devices - Google Patents
Mechanisms for control buttons and other interface devicesInfo
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Description
MECHANISMEN FÜR STEUERKNOPFE UND ANDERE SCHNITTSTELLENVORRICHTUNGENMECHANISMS FOR CONTROL BUTTONS AND OTHER INTERFACE DEVICES
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Bedienknopf-Steuervorrichtungen und insbesondere auf SteuerknopfVorrichtungen mit Kraftrückkopplung (Force Feedback) und/oder zusätzlicher Eingabefunktionsvielfalt.This invention relates generally to control knob controllers and more particularly to control knob controllers having force feedback and/or additional input functionality.
Steuerknöpfe werden für viele verschiedene Funktionen an vielen unterschiedlichen Gerätetypen verwendet. Oft bieten Drehregler einem Benutzer einen Steuerungsgrad, der in anderen Formen von Steuervorrichtungen, wie z. B. Tasten- oder Schaltsteuerungen, nicht erreicht wird. Zum Beispiel bevorzugen viele Benutzer die Verwendung eines Drehsteuerknopfes zum Einstellen der Lautstärke der Akustikausgabe von einem Stereogerät oder anderen Tonausgabegerät, da mit dem Bedienknopf sowohl eine feine als auch grobe Lautstärkeregelung relativ mühelos möglich ist, ganz besonders im Vergleich zu Tastensteuerungen. Sowohl Drehknöpfe als auch lineare Bedienknöpfe (Schieberegler) werden bei einer Vielfalt von anderen Gerätetypen verwendet, z. B. bei Küchen- und anderen Wohnungsgerätschaften, Bildausgabe-/ Abspielgeräten, Fernsteuerungen, Fernsehapparaten, Computerschnittstellen-Steuerungseinrichtungen etc.. Es gibt auch viele Arten von Bedienknöpfen, zu deren Funktionsvielfalt das Hineindrücken oder Herausziehen gehört, um dem Benutzer eine zusätzliche Kontrolle über ein Gerät zu ermöglichen.Control knobs are used to perform many different functions on many different types of devices. Often, rotary controls provide a user with a level of control not available with other forms of controls, such as button or switch controls. For example, many users prefer to use a rotary control knob to adjust the volume of the acoustic output from a stereo or other sound output device because the control knob provides both fine and coarse volume control with relative ease, particularly when compared to button controls. Both rotary knobs and linear control knobs (slider controls) are used on a variety of other types of devices, such as kitchen and other household appliances, video output/players, remote controls, televisions, computer interface controllers, etc. There are also many types of control knobs that have a variety of functions that include being pushed in or pulled out to provide the user with additional control over a device.
Einige Steuerknöpfe sind mit einer Kraftrückkopplung (kinästhetisches Feedback) oder einer taktilen Rückkopplung ausgestattet, auf die hierin kollektiv als "haptisches Feedback" Bezug genommen wird. Haptische Rückkopplungsvorrichtungen können dem Benutzer, der den Bedienknopf betätigt, körperliche Empfindungen liefern. Typischerweise ist ein Motor an den Bedienknopf angeschlossen und mit einer Steuerungseinheit, wie z. B. einemSome control buttons are equipped with force feedback (kinesthetic feedback) or tactile feedback, referred to collectively herein as "haptic feedback". Haptic feedback devices can provide physical sensations to the user who operates the control button. Typically, a motor is connected to the control button and is connected to a control unit, such as a
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Mikroprozessor, verbunden. Der Mikroprozessor empfängt Positions- und Richtungssignale des Bedienknopfes vom Bedienknopfsensor und sendet entsprechende Force-Feedback-Steuersignale an den Motor, so daß der Motor Kräfte auf dem Bedienknopf bereitstellt. Auf diese Weise kann eine Vielfalt von programmierbaren Gefühlsempfindungen auf dem Bedienknopf ausgegeben werden, z. B. Anschläge, Federkräfte oder dergleichen.Microprocessor. The microprocessor receives position and direction signals of the control button from the control button sensor and sends corresponding force feedback control signals to the motor so that the motor provides forces on the control button. In this way, a variety of programmable tactile sensations can be output on the control button, e.g. stops, spring forces or the like.
Ein Problem, das bei Steuerknöpfen des Standes der Technik auftritt, besteht darin, daß die Bedienknöpfe auf eine grundsätzliche Drehbewegung und/oder Druck-Zug-Bewegung beschränkt sind. Dies beschränkt die Steueroptionen des Benutzers auf eine einfache Vorrichtung, die eine Vielfalt von Wahloptionen nicht erlaubt. Die meisten mechanischen Bedienknöpfe weisen ein sehr begrenztes Gefühlsempfinden auf, d. h. sie sind nicht dazu geeignet, sich abhängig vom Schnittstellenkontext unterschiedlich anzufühlen. Wenn auf dem Bedienknopf eine Kraftrückkopplung bereitgestellt ist, schränkt zudem die begrenzte Steuerfunktionalität des Bedienknopfes den Benutzer in der umfassenden Ausnutzung der Kraftrückkopplung ein, um mehr Kontrolle über gewünschte Funktionen bereitzustellen. Des weiteren sind viele der bekannten Force-Feedback-Empfindungen unzulänglich bei der Verbindung mit einigen der von einem Bedienknopf verlangten Wahlfunktionen, wo oft eine komplexe Steuerung über Funktionen und Optionen mit einer begrenzten Bedienknopfbewegung bereitgestellt sein muß.A problem encountered with prior art control knobs is that the control knobs are limited to basic rotary motion and/or push-pull motion. This limits the user's control options to a simple device that does not allow for a variety of selection options. Most mechanical control knobs have very limited tactile sensation, i.e., they are not designed to feel different depending on the interface context. Furthermore, when force feedback is provided on the control knob, the limited control functionality of the control knob limits the user from fully exploiting the force feedback to provide more control over desired functions. Furthermore, many of the known force feedback sensations are inadequate in combining with some of the selection functions required of a control knob, where often complex control over functions and options must be provided with limited control knob movement.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Bedienknopf-Steuerschnittstelle bereit, die es einem Benutzer ermöglicht, Funktionen eines Geräts auf viele verschiedene Arten zu steuern. Ausführungsbeispiele der Bedienknopf-Steuerungsvorrichtung schließen Mechanismen ein, die zusätzliche Freiheitsgrade für den Bedienknopf ermöglichen.The present invention provides a control knob control interface that allows a user to control functions of a device in many different ways. Embodiments of the control knob control device include mechanisms that allow additional degrees of freedom for the control knob.
Insbesondere schließt in einem Ausführungsbeispiel eine Bedienknopf-Steuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung einen Bedienknopf ein, der in einem Rotationsfreiheitsgrad um eine Achse drehbar ist, die sich durch den Bedienknopf hindurch erstreckt. Der Bedienknopf ist auch in einer Querebene beweglich, die annähernd lotrecht zu der Achse ist. Ein Mechanismus stellt der Bewegung des Bedienknopfes in der Querebene eine bestimmte Seitenrichtung zur Verfügung. Der Mechanismus kann ein Durchlaßelement und ein Tauchkolbenelement einschließen. Das Tauchkolbenelement greift an einer Seite des Durchlaßelementes an, um die bestimmte Seitenrichtung zur Verfügung zu stellen. Der Mechanismus kann auch zwei Schieberelemente einschließen, die so eingesetzt sind, daß sie quer zueinander gleiten und die Bewegung in der Querebene ermöglichen. Ein Drehsensor erfaßt eine Position des Bedienknopfes in dem Rotationsfreiheitsgrad, und ein Seitenmeßfühler erfaßt eine Position des Bedienknopfes in der bestimmten Seitenrichtung. Das Durchlaßelement schließt vorzugsweise eine Vielzahl von Spurnuten ein, wobei jede der Spurnuten einer der vorbestimmten Seitenrichtungen entspricht, wobei das Tauchkolbenelement in eine der Spurnuten eingreift. In einigen Ausführungsbeispielen sind das Durchlaß- und das Tauchkolbenelement versetzt von der durch den Bedienknopf hindurch verlaufenden Achse angeordnet, und es können zweite Durchlaß- und Tauchkolbenelemente auf einer anderen Seite der Achse angeordnet sein und für zusätzliche Stabilität sorgen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist ein Aktuator an den Bedienknopf gekoppelt und gibt eine Kraft im Rotationsfreiheitsgrad um die Achse aus.More particularly, in one embodiment, a control knob control apparatus of the present invention includes a control knob rotatable in one rotational degree of freedom about an axis extending through the control knob. The control knob is also movable in a transverse plane approximately perpendicular to the axis. A mechanism provides a predetermined lateral direction for movement of the control knob in the transverse plane. The mechanism may include a gate member and a plunger member. The plunger member engages a side of the gate member to provide the predetermined lateral direction. The mechanism may also include two slider members mounted to slide transversely to each other and enable movement in the transverse plane. A rotation sensor detects a position of the control knob in the rotational degree of freedom, and a lateral sensor detects a position of the control knob in the predetermined lateral direction. The gate member preferably includes a plurality of track grooves, each of the track grooves corresponding to one of the predetermined lateral directions, with the plunger member engaging one of the track grooves. In some embodiments, the port and plunger elements are offset from the axis passing through the control knob, and second port and plunger elements may be located on another side of the axis and provide additional stability. In preferred embodiments, an actuator is coupled to the control knob and outputs a force in rotational degrees of freedom about the axis.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt einen neuartigen Aktuator oder eine Vorrichtung bereit, die einen solchen einschließt. Ein Gerät schließt eine Benutzer-Handhabungsvorrichtung ein, wie z. B. ein Bedienknopf, der in einem Rotationsfreiheitsgrad um eine Drehachse drehbar und entlang der Drehachse linear beweglich ist. Ein an das Handhabungsgerät gekoppelter Aktuator gibt eine Kraft imAnother embodiment of the present invention provides a novel actuator or device including one. A device includes a user manipulation device, such as a control knob, that is rotatable in one degree of rotational freedom about a rotational axis and linearly movable along the rotational axis. An actuator coupled to the manipulation device applies a force in the
Rotationsfreiheitsgrad um die Achse aus, wobei der Aktuator eine Welle einschließt, die koaxial mit der Drehachse ist. Die Welle des Aktuators kann linear entlang der Drehachse bewegt werden, um die lineare Bewegung des Handhabungsgeräts aufzunehmen. Ein Drehsensor erfaßt eine Drehstellung des Handhabungsgeräts, und ein Meßfühler erfaßt die lineare Bewegung des Handhabungsgeräts entlang der Drehachse. Die Welle des Aktuators kann starr an einen Rotor des Aktuators gekuppelt sein, so daß der Rotor und die Welle sich zugleich linear entlang der Drehachse bewegen können, wo ein Stator des Aktuators fest angebracht ist. Magnete des Stators können bis zu einer Länge ausgedehnt sein, die größer ist als die Länge eines Ankers des Rotors, und Kollektorstangen des Aktuators können ebenfalls länger ausgebildet sein, um die Translation der Welle aufzunehmen.Rotational degree of freedom about the axis, the actuator including a shaft coaxial with the axis of rotation. The shaft of the actuator can be moved linearly along the axis of rotation to accommodate linear movement of the handling device. A rotation sensor detects a rotational position of the handling device, and a probe detects linear movement of the handling device along the axis of rotation. The shaft of the actuator can be rigidly coupled to a rotor of the actuator so that the rotor and the shaft can simultaneously move linearly along the axis of rotation where a stator of the actuator is fixedly attached. Magnets of the stator can be extended to a length greater than the length of an armature of the rotor, and collector rods of the actuator can also be made longer to accommodate translation of the shaft.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schließt eine Steuervorrichtung ein Handhabungsgerät, wie z. B. einen Bedienknopf, für körperlichen Kontakt und Betätigung durch einen Benutzer ein, wobei das Handhabungsgerät um eine Drehachse gedreht und entlang der Drehachse parallel verschoben werden kann. Ein Meßfühler erfaßt die Rotation des Handhabungsgeräts und einer Getriebeanordnung mit zwei ineinandergreifenden Zahnrädern. Die Zahnräder übertragen die Drehbewegung von dem Bedienknopf zum Meßfühler, und die ineinandergreifenden Zahnräder übersetzen gegenseitig, wenn der Bedienknopf parallel verschoben wird. In der Vorrichtung kann ein Aktuator enthalten sein, um eine Rotationskraft auf den Bedienknopf auszugeben.In another embodiment of the present invention, a control device includes a manipulator, such as a control knob, for physical contact and actuation by a user, the manipulator being capable of being rotated about an axis of rotation and translated parallel along the axis of rotation. A sensor senses rotation of the manipulator and a gear assembly having two intermeshing gears. The gears transmit rotational motion from the control knob to the sensor, and the intermeshing gears mutually translate when the control knob is translated parallel. An actuator may be included in the device to output a rotational force to the control knob.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Steuerschnittstellen-Vorrichtung bereit, die eine größere Steuerfunktionsvielfalt für den Benutzer bereitstellt. Die linearen und quer verlaufenden Freiheitsgrade des Bedienknopfes ermöglichen dem Benutzer eine wesentlich mühelosere Wahl von Funktionen, Einstellungen, Betriebsarten oder Optionen, ohne die Hand von einem Handhabungsgerät, wie z. B. einem Bedienknopf, nehmen zuThe present invention provides a control interface device that provides a greater variety of control functions to the user. The linear and transverse degrees of freedom of the control knob allow the user to select functions, settings, modes or options much more effortlessly without removing the hand from a manipulating device such as a control knob.
müssen. Das Handhabungsgerät kann zusätzlich auch Force Feedback aufweisen, um dem Benutzer eine bessere Steuerung zur Verfügung zu stellen und den Benutzer über den Tastsinn über Optionen und Auswahlen zu informieren. Die Neuerungen bezüglich Aktuator und Übertragung ermöglichen eine Bewegung des Handhabungsgeräts in den zusätzlichen Freiheitsgraden und sorgen für wenig Spiel und Reibung, wodurch die Force-Feedback-Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verbessert werden.The manipulator may also additionally include force feedback to provide the user with greater control and to inform the user of options and selections via the sense of touch. The actuator and transmission innovations allow the manipulator to move in the additional degrees of freedom and provide little play and friction, thereby improving the force feedback embodiments of the present invention.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten auf diesem Gebiet beim Durchlesen der folgenden Beschreibung der Erfindung und beim Studium der einzelnen Figuren der Zeichnung klar werden.These and other advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art upon reading the following description of the invention and upon studying the individual figures of the drawing.
Fig. 1Fig.1
Fig. 2Fig.2
Fig. 3aFig. 3a
Fig. 3bFig. 3b
Fig. 3cFig. 3c
ist eine Perspektivansicht einesis a perspective view of a
Ausführungsbeispiels eines Geräts, das einenEmbodiment of a device that has a
Steuerknopf der vorliegenden ErfindungControl button of the present invention
einschließt;includes;
ist eine Perspektivansicht einesis a perspective view of a
Ausführungsbeispiels eines Mechanismus zurEmbodiment of a mechanism for
Realisierung der Steuerknopfvorrichtung derRealization of the control button device of the
vorliegenden Erfindung;present invention;
ist eine Perspektivansicht eines zweitenis a perspective view of a second
Ausführungsbeispiels eines Mechanismus zurEmbodiment of a mechanism for
Realisierung der Steuerknopfvorrichtung derRealization of the control button device of the
vorliegenden Erfindung;present invention;
ist eine Perspektivansicht eines Durchlaß- undis a perspective view of a passage and
Tauchkolbenmechanismus, der in den erfinderischenPlunger mechanism used in the inventive
Ausführungsbeispielen des Steuerknopfes verwendetExamples of the control button used
werden kann;can be;
ist eine Perspektivansicht eines drittenis a perspective view of a third
Ausführungsbeispiels eines Mechanismus zurEmbodiment of a mechanism for
Realisierung der Steuerknopfvorrichtung derRealization of the control button device of the
vorliegenden Erfindung;present invention;
Fig. 4a und 4b sind Perspektivansichten derFig. 4a and 4b are perspective views of the
Steuerknopfvorrichtungen in einem Gehäuse;Control button devices in a housing;
Fig. 5 ist eine Seiten-Querschnittansicht eines Motors des Standes der Technik mit seinen Innenteilen;Fig. 5 is a side cross-sectional view of a prior art engine with its internal parts;
Fig. 6 ist eine Seiten-Querschnittansicht eines Motors der vorliegenden Erfindung, wobei eine Axialverschiebung der Welle des Motors ermöglicht ist;Fig. 6 is a side cross-sectional view of a motor of the present invention allowing axial displacement of the shaft of the motor;
Fig. 7 ist eine Seiten-Querschnittansicht des Motors gemäß Fig. 6 und eines Bedienknopfes und Schalters zur Erfassung der Axialbewegung des Bedienknopfes;Fig. 7 is a side cross-sectional view of the motor of Fig. 6 and a control knob and switch for detecting axial movement of the control knob;
Fig. 8 ist eine Perspektivansicht einer Bedienknopf-Steuervorrichtung, die eine Zahnradübertragung bereitstellt, die dem Bedienknopf eine axial fortschreitende Bewegung ermöglicht; undFig. 8 is a perspective view of a control knob control device providing a gear transmission that allows the control knob to move axially progressively; and
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems fürFig. 9 is a block diagram of a control system for
die Steuervorrichtung der vorliegenden Erfindung.the control device of the present invention.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunasbeispiele Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines Beispiels eines Bedienungsfeldes 12 für ein elektronisches Gerät, wobei das Bedienungsfeld einen Steuerknopf der vorliegenden Erfindung aufweist. Der Steuerknopf wird von dem Benutzer betätigt, um verschiedene Funktionen des Geräts zu steuern. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Gerät eine Steuerungseinheit für verschiedene Kraftfahrzeugsysteme, z. B. eine Steuerungseinheit, die Akustikausgabefunktionen von Lautsprechern steuert, die an das Gerät angeschlossen sind, Umgebungsfunktionen für das Kraftfahrzeug (Klimatisierung, Wärme, etc.), mechanische Funktionen zur Einstellung und Bewegung von Kraftfahrzeugteilen (Spiegel, Sitze, Schiebedach etc.), optische Funktionen, die innerhalb des Kraftfahrzeugs verwendet werden können (Landkartenanzeige, Fahrzeugzustandsanzeige, Menü- oder Listenauswahl, Web-Page-Anzeige und -Navigation etc.) und andere Funktionen wie z. B. Detailed Description of Preferred Embodiments Fig. 1 is a perspective view of an example of a control panel 12 for an electronic device, the control panel including a control button of the present invention. The control button is operated by the user to control various functions of the device. In the described embodiment, the device is a control unit for various automotive systems, e.g., a control unit that controls acoustic output functions of speakers connected to the device, environmental functions for the automotive vehicle (air conditioning, heat, etc.), mechanical functions for adjusting and moving automotive parts (mirrors, seats, sunroof, etc.), optical functions that can be used within the automotive vehicle (map display, vehicle status display, menu or list selection, web page display and navigation, etc.), and other functions such as, for example,
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ein Sicherheits- oder Alarmsystem für das Kraftfahrzeug. Zum Beispiel ist eine allgemeine Funktion des Geräts das Tonabspielen von einem oder mehr Medien oder Signalen wie Tonbandcassetten, digitale Tonübertragungs-(DAT)-Bänder, Kompaktbildplatten (CDs) oder andere Bildplatten, oder Funkoder andere Signale, die von einem Rundfunksender oder einer drahtlosen Netzverbindung über die Atmosphäre übertragen werden. Das Gerät kann die Möglichkeit einschließen, Informationen von solchen anderen Systemen in einem Fahrzeug anzuzeigen und/oder diese zu beeinflussen.a security or alarm system for the motor vehicle. For example, a general function of the device is to play sound from one or more media or signals such as audio cassettes, digital audio transfer (DAT) tapes, compact discs (CDs) or other video discs, or radio or other signals transmitted through the atmosphere from a broadcast transmitter or wireless network connection. The device may include the ability to display and/or affect information from such other systems in a vehicle.
Alternativ kann das gesteuerte Gerät aus einer Vielfalt von anderen Elektronik- oder Rechnergeräten bestehen. Zum Beispiel kann das Gerät ein Heimgerät wie ein Fernsehapparat, ein Mikrowellenherd oder andere Küchengeräte sein, eine Waschmaschine oder ein Trockner, eine Heim-Stereokomponente oder -system, ein Heim-Computer, ein persönlicher digitaler Assistent, ein Netztelefon, ein Aufsetzkasten für ein Fernsehgerät, eine Videospielkonsole, eine Fernsteuerung für ein beliebiges Gerät, eine Steuerungseinheit oder Schnittstellenvorrichtung für einen Personalcomputer oder Konsolenspiele, ein Heimautomatisierungssystem (zur Steuerung solcher Vorrichtungen wie Beleuchtung, Garagentore, Schließvorrichtungen, Apparaturen etc.), ein Telefon, Fotokopierer, eine Steuervorrichtung für ferngesteuerte Geräte wie z. B. Modellfahrzeuge, Spielzeuge, ein Video- oder Filmausgabe- oder -abspielsystem etc.. Das Gerät kann körperlich mit dem Bedienungsfeld (Panel) 12 verbunden sein, oder das Panel 12 kann von dem Gerät körperlich entfernt sein und mit dem Gerät unter Verwendung von Signalen kommunizieren, die über Leitungsdrähte, Kabel, drahtlose Sender/Empfänger etc. übertragen werden. Das Gerät kann in einer Umgebung wie z. B. einem Fahrzeug, zu Hause, im Büro, im Labor, in einer Passage, im Krankenhaus oder einer anderen Szenerie verwendet werden.Alternatively, the controlled device may be a variety of other electronic or computing devices. For example, the device may be a home appliance such as a television, microwave oven, or other kitchen appliance, a washer or dryer, a home stereo component or system, a home computer, a personal digital assistant, a network telephone, a television set-top box, a video game console, a remote control for any device, a control unit or interface device for a personal computer or console game, a home automation system (for controlling such devices as lighting, garage doors, locking devices, appliances, etc.), a telephone, a photocopier, a control device for remote controlled devices such as a remote control, a video game console, a remote control for any device, a control unit or interface device for a personal computer or console game, a home automation system (for controlling such devices as lighting, garage doors, locking devices, appliances, etc.), a telephone, a photocopier, a control device for remote controlled devices such as a remote control. B. model vehicles, toys, a video or movie output or playback system, etc. The device may be physically connected to the control panel 12, or the panel 12 may be physically remote from the device and communicate with the device using signals transmitted via lead wires, cables, wireless transmitters/receivers, etc. The device may be used in an environment such as a vehicle, home, office, laboratory, arcade, hospital, or other setting.
Das Bedienungsfeld 12 ist für den Benutzer zugänglich, um die Funktionen des gesteuerten Geräts zu betätigen. Das Panel 12The control panel 12 is accessible to the user to operate the functions of the controlled device. The panel 12
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kann &zgr;. B. auf der Innenseite eines Fahrzeugs befestigt sein, beispielsweise auf oder unter dem Armaturenbrett, auf der Mittelkonsole des Kraftfahrzeugs oder auf irgendeiner anderen geeigneten Fläche. Alternativ kann das Panel 12 die Oberfläche des Außengehäuses des gesteuerten Geräts selbst bilden, wie z. B. bei einer Stereoanlage.For example, the panel 12 may be mounted on the inside of a vehicle, for example on or under the dashboard, on the center console of the vehicle, or on any other suitable surface. Alternatively, the panel 12 may form the surface of the outer casing of the controlled device itself, such as in a stereo system.
Eine Anzeige 14 kann an das gesteuerte Gerät und/oder Panel 12 gekoppelt sein, um dem Benutzer Informationen hinsichtlich des gesteuerten Geräts oder Systems und/oder anderer an das Gerät angeschlossener Systeme zu zeigen. Zum Beispiel können Optionen oder Betriebsarten 20 angezeigt werden, um anzugeben, welche Funktion(en) des Geräts momentan gewählt sind und durch Betätigung des Bedienknopfes eingestellt werden. Solche Optionen können u. a. "Ton", "Landkarte", "Internet", "Telefon", Leistung etc. sein, und die Wahl einer Betriebsart kann zu einem Menü von Unterbetriebsarten führen. Andere Informationen 22 wie z. B. die momentane Tonlautstärke, Tonbalance, Funkfrequenz eines Radioabstimmers (Tuners) etc. können auch angezeigt werden. Des weiteren können auch mit einer zusätzlichen Funktionsvielfalt des Gerätes verbundene beliebige Informationen angezeigt werden, beispielsweise eine Liste 24 mit Elementen, aus denen der Benutzer durch Betätigen des Bedienungsfeldes 12 auswählen kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine Landkarte oder ähnliche graphische Anzeige auf der Anzeige 14 gezeigt sein, um dem Benutzer die Navigation des Fahrzeugs zu ermöglichen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Anzeige 14 ein separater Monitor sein, der eine graphische Benutzeroberfläche oder andere graphische Umgebung anzeigt, wie sie durch einen Host-Computer gesteuert wird. Die Anzeige 14 kann jede geeignete Anzeigevorrichtung sein, beispielsweise eine LED-Anzeige, eine LCD-Anzeige, ein Plasmabildschirm, eine Kathodenstrahlröhre oder andere Vorrichtung. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Anzeige 14 eine berührungsempfindliche Fläche aufweisen, um es einem Benutzer zu ermöglichen, angezeigte Bilder direkt aufA display 14 may be coupled to the controlled device and/or panel 12 to present information to the user regarding the controlled device or system and/or other systems connected to the device. For example, options or modes 20 may be displayed to indicate which function(s) of the device are currently selected and can be adjusted by operating the control knob. Such options may include "sound", "map", "internet", "phone", power, etc., and selection of a mode may lead to a menu of sub-modes. Other information 22 such as the current sound volume, sound balance, radio frequency of a radio tuner, etc. may also be displayed. Furthermore, any information associated with additional functionality of the device may also be displayed, such as a list 24 of items from which the user may select by operating the control panel 12. In some embodiments, a map or similar graphical display may be shown on the display 14 to enable the user to navigate the vehicle. In other embodiments, the display 14 may be a separate monitor that displays a graphical user interface or other graphical environment as controlled by a host computer. The display 14 may be any suitable display device, such as an LED display, an LCD display, a plasma screen, a cathode ray tube, or other device. In some embodiments, the display 14 may include a touch-sensitive surface to enable a user to directly
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der Oberfläche der Anzeige 14 zu "berühren", um diese Bilder und eine zugeordnete Einstellung oder Funktion auszuwählen.the surface of the display 14 to select these images and an associated setting or function.
Der Steuerknopf 26 gestattet dem Benutzer eine direkte Handhabung der Funktionen und Einstellungen des Geräts. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Bedienknopf 26 annähernd ein zylindrischer Gegenstand, den der Benutzer greifen kann. Alternativ kann der Bedienknopf 26 in Form von vielerlei verschiedenen Gegenständen realisiert sein, darunter konische Formen, Kugelformen, Wählscheiben, Würfelformen, Stangen etc., die viele verschiedenartige Strukturen auf ihren Oberflächen aufweisen können, u. a. Höcker, Linien oder andere Griffstücke oder Vorsprünge oder Elemente, die sich von der Umfangsflache weg erstrecken. Zudem können beliebig verschiedene unterschiedlich große Bedienknöpfe vorgesehen sein; falls beispielsweise hochgradige Kräfte auf den Bedienknopf ausgegeben werden, ist ein zylindrischer Bedienknopf mit größerem Durchmesser für einen Benutzer oft leichter mit dem Gerät zu verbinden. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel dreht sich der Bedienknopf 2 6 in einem einzigen Rotationsfreiheitsgrad um eine aus dem Bedienknopf heraus verlaufende Achse, beispielsweise die Achse A, wie durch den Pfeil 28 gezeigt. Der Benutzer greift oder berührt vorzugsweise die Umfangsflache 30 des Bedienknopfes 26 und dreht ihn um einen bestimmten Betrag. In einigen Ausführungsbeispielen kann in diesem Rotationsfreiheitsgrad eine Kraftrückkopplung vorgesehen sein, wie nachstehend in größerer Einzelheit beschrieben. In wechselnden Ausführungsbeispielen können Mehrfach-Bedienknöpfe 26 auf dem Panel 12 vorgesehen sein, wobei jeder Bedienknopf eine unterschiedliche oder ähnliche Steuerfunktion bereitstellt.The control knob 26 allows the user to directly manipulate the functions and settings of the device. In the embodiment described, the control knob 26 is approximately a cylindrical object that the user can grasp. Alternatively, the control knob 26 can be implemented in the form of a wide variety of objects, including conical shapes, spherical shapes, dials, cube shapes, rods, etc., which can have many different structures on their surfaces, including bumps, lines or other grips or projections or elements extending from the peripheral surface. In addition, any number of different sized control knobs can be provided; for example, if high forces are applied to the control knob, a cylindrical control knob with a larger diameter is often easier for a user to connect to the device. In the embodiment described, the control knob 26 rotates in a single rotational degree of freedom about an axis extending out from the control knob, for example axis A, as shown by arrow 28. The user preferably grasps or touches the peripheral surface 30 of the control knob 26 and rotates it a certain amount. In some embodiments, force feedback may be provided in this rotational degree of freedom, as described in more detail below. In alternate embodiments, multiple control knobs 26 may be provided on the panel 12, with each control knob providing a different or similar control function.
Des weiteren ermöglicht der Steuerknopf 2 6 der vorliegenden Erfindung dem Benutzer zusätzliche Steuerfunktionsvielfalt. Der Bedienknopf 26 kann von dem Benutzer vorzugsweise in eine oder mehr Richtungen in einer Ebene bewegt werden, die annähernd lotrecht (orthogonal) zur Drehachse A ist ("quer verlaufende"Furthermore, the control knob 26 of the present invention provides the user with additional control functionality. The control knob 26 can preferably be moved by the user in one or more directions in a plane that is approximately perpendicular (orthogonal) to the axis of rotation A ("transverse"
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oder "seitliche" Bewegung). Diese Seitenbewegung ist durch Pfeile 32 angedeutet. Beispielsweise kann der Bedienknopf 26 in den gezeigten vier orthogonalen und vier diagonalen Richtungen bewegt werden oder kann in anderen Ausführungsbeispielen in weniger oder mehr Richtungen beweglich sein, z. B. nur zwei der gezeigten Richtungen etc.. In einem Ausführungsbeispiel ist jede Seitenrichtung des Bedienknopfes federbeaufschlagt, so daß sich der Bedienknopf nach der Bewegung in eine Richtung 32 in seine zentrierte Ruhestellung zurückbewegt, sobald der Benutzer nachläßt oder aufhört, genügend Kraft auf den Bedienknopf auszuüben. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Bedienknopf ohne eine derartige Federvorspannung vorgesehen sein, so daß der Bedienknopf 26 in jeder Position bleibt, in die er bewegt wird, bis der Benutzer ihn aktiv in eine neue Stellung bewegt.or "lateral" movement). This lateral movement is indicated by arrows 32. For example, the control knob 26 may be moved in the four orthogonal and four diagonal directions shown, or in other embodiments may be movable in fewer or more directions, e.g., only two of the directions shown, etc. In one embodiment, each lateral direction of the control knob is spring-loaded so that after movement in one direction 32, the control knob returns to its centered rest position as soon as the user relaxes or ceases to apply sufficient force to the control knob. In other embodiments, the control knob may be provided without such spring bias so that the control knob 26 remains in whatever position it is moved to until the user actively moves it to a new position.
Diese Seitenbewegung des Bedienknopfes 2 6 kann dem Benutzer die Wahl zusätzlicher Einstellungen oder Funktionen des gesteuerten Geräts ermöglichen. In einigen Ausführungsbeispielen ermöglichen die zusätzlich vom Bedienknopf 26 bereitgestellten Steueroptionen eine Reduzierung anderer Tasten und anderer Steuerungen, da die Funktionen, die diesen Tasten normalerweise zugeordnet sind, dem Bedienknopf 26 zugeordnet sein können. Beispielsweise kann der Benutzer eine Schreibmarke (Cursor) 34 oder einen anderen optischen Zeiger auf der Anzeige 14 (z. B. Zeiger, Auswahlkästchen, Pfeil oder Markieren von ausgewähltem Text/Bild) zu einer gewünschten Auswahl auf der Anzeige bewegen.This lateral movement of the control knob 26 may allow the user to select additional settings or functions of the controlled device. In some embodiments, the additional control options provided by the control knob 26 allow for a reduction in other buttons and other controls, as the functions normally associated with those buttons may be associated with the control knob 26. For example, the user may move a cursor 34 or other optical pointer on the display 14 (e.g., pointer, check box, arrow, or highlighting of selected text/image) to a desired selection on the display.
Neben einem derartigen Schreibmarken-Setzmodus kann die Seitenbewegung des Bedienknopfes 26 Einstellwerte oder -großen auch direkt steuern. Zum Beispiel kann die Bewegung des Bedienknopfes 26 nach links einen Funkstation-Frequenzwert herabsetzen oder den Lautstärkepegel einstellen, wobei der Wert in einem vorbestimmten Verhältnis heruntergeht, wenn der Benutzer den Bedienknopf 26 ohne Unterbrechung in der linken Richtung hält. Auf ähnliche Weise kann die Bewegung desIn addition to such a cursor setting mode, the sideways movement of the control knob 26 can also directly control setting values or amounts. For example, the movement of the control knob 26 to the left can decrease a radio station frequency value or adjust the volume level, with the value decreasing in a predetermined ratio when the user continuously holds the control knob 26 in the left direction. Similarly, the movement of the
Bedienknopfes 26 nach rechts einen Wert heraufsetzen. In einem anderen Beispiel kann ein Untermenü angezeigt werden, sobald eine der Informationseinstellungen gewählt ist, und die Richtungen 32 des Bedienknopfes 2 6 können die Lufttemperatur, einen Zeitschalter, einen Cursor auf einer angezeigten Landkarte etc. einstellen.control knob 26 to the right to increase a value. In another example, a submenu may be displayed once one of the information settings is selected, and the directions 32 of the control knob 26 may adjust the air temperature, a timer, a cursor on a displayed map, etc.
In einer anderen Implementierung entspricht jede der acht Richtungen einer Untermenükategorie, und jede Seitenrichtung wird nur zur Menüneuwahl verwendet, während eine Drehung des Bedienknopfes zur Auswahl von Optionen in dem gewählten Menü verwendet wird. Zum Beispiel können im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen Kategorien wie "Ton", "Landkarte", "Temperatur" und "Netztelefon" vorgesehen und den Seitenrichtungen zugeordnet sein. Sobald der Bedienknopf in eine der Seitenrichtungen bewegt wird, wird die Untermenükategorie ausgewählt, und der Bedienknopf kann beispielsweise zur Bewegung eines Cursors durch eine Liste, Auswahl einer Funktion und Einstellung eines Wertes etc. gedreht werden. Auch andere Steuerschemata können verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel kann sich der Bedienknopf um eine geringe Distanz seitlich aus der Mittelstellung heraus in jede der acht Richtungen bewegen. In anderen Ausführungsbeispielen können andere Hubabstände implementiert sein.In another implementation, each of the eight directions corresponds to a submenu category, and each side direction is used only for menu re-selection, while rotation of the control knob is used to select options in the selected menu. For example, in the context of automobiles, categories such as "sound," "map," "temperature," and "network phone" may be provided and associated with the side directions. As the control knob is moved in one of the side directions, the submenu category is selected, and the control knob may be rotated to, for example, move a cursor through a list, select a function, adjust a value, etc. Other control schemes may also be used. In one embodiment, the control knob may move a small distance laterally from the center position in each of the eight directions. In other embodiments, other travel distances may be implemented.
Es können auch unterschiedliche Betriebsarten implementiert sein; beispielsweise ermöglicht der Standardmodus dem Benutzer die Steuerung der Schreibmarke 34 unter Verwendung der Richtungen 32 des Bedienknopfes. Sobald sich der Cursor an einer gewünschten Einstellung befindet, wie z. B. der Lautstärkeneinstellung, kann der Benutzer die Betriebsart umschalten, damit die Richtungen 32 die Einstellung selbst steuern können, wie z. B. die Einstellung des Wertes. Zur Betriebsartumschaltung kann jede geeignete Steuerung verwendet werden. Zum Beispiel kann der Benutzer den Bedienknopf 2 6 drücken, um die Betriebsart zu wählen (nachstehend beschrieben). In anderen Ausführungsbeispielen kann derDifferent modes of operation may also be implemented; for example, the standard mode allows the user to control the cursor 34 using the directions 32 of the control knob. Once the cursor is at a desired setting, such as the volume setting, the user can switch the mode of operation to allow the directions 32 to control the setting itself, such as setting the value. Any suitable control may be used to switch the mode of operation. For example, the user may press the control knob 2 6 to select the mode of operation (described below). In other embodiments, the
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Benutzer eine separate Taste drücken, um eine Betriebsart fest einzustellen, oder es können einige oder alle Richtungen 32 zur Auswahl von Betriebsarten verwendet werden. Beispielsweise könnte die Abwärtsrichtung in den "Lautstärke"-Modus umschalten, damit der Benutzer den Bedienknopf zum Einstellen der Lautstärke drehen kann; die Aufwärtsrichtung kann in den Modus "Radiofrequenzeinstellung" umschalten, und die Linksrichtung kann in den "Balance"-Modus (zum Einstellen des Lautsprecher-Stereoabgleichs bei der Akustikausgabe mittels Drehung des Bedienknopfes 26) umschalten.Users may press a separate button to fix an operating mode, or some or all of the directions 32 may be used to select operating modes. For example, the downward direction may switch to the "volume" mode, allowing the user to rotate the control knob to adjust the volume; the upward direction may switch to the "radio frequency adjustment" mode, and the left direction may switch to the "balance" mode (for adjusting the speaker stereo balance in the acoustic output by rotating the control knob 26).
Zudem ist der Steuerknopf 2 6 vorzugsweise so ausgelegt, daß er in einem Freiheitsgrad entlang der Achse A (oder annähernd parallel zur Achse A) gedrückt (und/oder gezogen) werden kann, und diese Bewegung wird von einem Axialschalter oder -sensor abgefühlt. Dies versorgt den Benutzer mit zusätzlichen Möglichkeiten, Funktionen oder Einstellungen zu wählen, ohne den Griff vom Bedienknopf lösen zu müssen. Zum Beispiel kann der Benutzer in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Schreibmarke 34 oder einen anderen Zeiger unter Verwendung der Querrichtungen 3 2 oder der Drehung des Bedienknopfes 2 6 auf der Anzeige 14 bewegen; wenn der Cursor zu einer gewünschten Einstellung oder Fläche auf der Anzeige bewegt worden ist, kann der Benutzer den Bedienknopf 2 6 drücken, um die gewünschte Einstellung auszuwählen, fast so, wie eine Maustaste ein Bildsymbol in einer graphischen Benutzeroberfläche eines Computers auswählt. Oder die Druck- oder Zugfunktion kann zur Steuerung der oben erörterten Betriebsarten nützlich sein, da der Benutzer einfach den Bedienknopf drücken und den Bedienknopf drehen oder bewegen kann, während er in der gedrückten Betriebsart ist, dann den Bedienknopf loslassen oder zurückbewegen kann, um die andere Betriebsart zu wählen. Die oben erörterten Betriebsarten können auch durch Drücken oder Ziehen des Bedienknopfes 26 fest eingestellt werden. Die Druck- und/oder Zugfunktion des Bedienknopfes 26 kann mit einer Federruckholspannung versehen sein, so daß der Bedienknopf in seine Ruhestellung zurückkehrt, wenn der Benutzer denIn addition, the control knob 2 6 is preferably designed to be pushed (and/or pulled) in one degree of freedom along the axis A (or approximately parallel to the axis A), and this movement is sensed by an axial switch or sensor. This provides the user with additional options for selecting functions or settings without having to release the grip from the control knob. For example, in a preferred embodiment, the user can move the cursor 34 or other pointer on the display 14 using the transverse directions 3 2 or rotation of the control knob 2 6; once the cursor has been moved to a desired setting or area on the display, the user can push the control knob 2 6 to select the desired setting, much like a mouse button selects an icon in a computer graphical user interface. Or the push or pull function may be useful for controlling the modes of operation discussed above, as the user can simply push the control knob and rotate or move the control knob while in the pushed mode, then release or move the control knob back to select the other mode of operation. The modes of operation discussed above may also be fixed by pushing or pulling the control knob 26. The push and/or pull function of the control knob 26 may be provided with a spring return tension so that the control knob returns to its rest position when the user
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Bedienknopf losläßt. Alternativ kann der Bedienknopf so ausgeführt sein, daß er in einer gedrückten oder gezogenen Stellung bleibt, bis der Benutzer den Bedienknopf aktiv in eine neue Stellung bewegt.control knob. Alternatively, the control knob may be designed to remain in a pressed or pulled position until the user actively moves the control knob to a new position.
Der Bedienknopf 26 ist vorzugsweise zumindest im Rotationsfreiheitsgrad des Bedienknopfes mit Force Feedback (Kraftrückkopplung) ausgestattet. Ein Ziel der hierin beschriebenen taktilen Bedienknopf-Schnittstelle ist es, dem Benutzer eine intuitive Steuerung mehrerer Schnittstellen-Betriebsarten mit einem einzigen haptischen Bedienknopf zu ermöglichen. Das heißt, durch Einstellen des Gefühlseindrucks des Bedienknopfes derart, daß er deutlich dem Kontext der Benutzeroberfläche entspricht, können Benutzer leichter durch komplexe Menüs und Betriebsarten steuern. Beispielsweise können manche Schnittstellen-Betriebsarten den taktilen Gefühlseindruck von Anschlägen aufweisen, während andere Betriebsarten den federzentrierten Gefühlseindruck eines Vibrationskörpers aufweisen können. Durch Bereitstellen vertrauter haptischer Metaphern gewährt dieses variable Feedback ein reineres, reicheres Benutzererlebnis. Der verwendete Aktuator ist vorzugsweise so ausgelegt, daß er ein maximales Drehmoment bereitstellt und gleichzeitig die Spannung und Strorabeschränkungen der Leistungselektronik und Verstärker berücksichtigt, die den Aktuator antreiben.The control knob 26 is preferably provided with force feedback at least in the rotational degree of freedom of the control knob. A goal of the tactile control knob interface described herein is to allow the user to intuitively control multiple interface modes with a single haptic control knob. That is, by adjusting the feel of the control knob to clearly correspond to the context of the user interface, users can more easily navigate through complex menus and modes. For example, some interface modes may have the tactile feel of detents, while other modes may have the spring-centered feel of a vibrating body. By providing familiar haptic metaphors, this variable feedback provides a cleaner, richer user experience. The actuator used is preferably designed to provide maximum torque while taking into account the voltage and current limitations of the power electronics and amplifiers driving the actuator.
Es können auch zusätzliche Steuertasten (nicht gezeigt) oder andere Steuervorrichtungen auf dem Panel 12 vorgesehen sein, um dem Benutzer die Auswahl unterschiedlicher Funktionen oder Einstellungen des Geräts zu ermöglichen, darunter Wählscheiben, Bedienknöpfe, lineare Schiebeknöpfe, Kappenschalter etc.. Diese zusätzlichen Steuerungen können auch in Verbindung mit dem Steuerknopf 26 verwendet werden, um zusätzliche Wahl- und Einstellungsfunktionen bereitzustellen.Additional control buttons (not shown) or other control devices may also be provided on the panel 12 to allow the user to select different functions or settings of the device, including dials, control knobs, linear slide buttons, cap switches, etc. These additional controls may also be used in conjunction with the control knob 26 to provide additional selection and setting functions.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt eine der hierin beschriebenen Implementierungen des haptischenAn embodiment of the present invention provides one of the implementations of the haptic
Bedienknopfes in Verbindung mit Spracherkennung und Befehlsfunktion bereit. Software/Firmware zur Spracherkennung/ Interpretation kann auf einem oder mehr Prozessoren der Vorrichtung oder Schnittstelle laufen, wie Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt ist. Einige Funktionsarten können sehr gut zur Steuerung mit einer Kombination aus Stimme und haptisch verbesserter Berührung angepaßt werden. Zum Beispiel können Betriebsarten wie Tonmodus, Temperatursteuerungsmodus etc. mit der Stimme gewählt werden. Dann kann der Benutzer jedoch den haptischen Bedienknopf benutzen, um einen Wert einer Funktion wie Radiolautstärke, Temperatureinstellung etc. einzustellen. Dieses Ausführungsbeispiel erkennt an, daß manche Wahlmöglichkeiten oder Einstellungen leichter mit der Stimme vorzunehmen sind, während andere typischerweise leichter unter Verwendung einer manuellen Steuerung vorzunehmen sind. Zudem kann ein solches Ausführungsbeispiel die Kontrolle über ein Gerät optimieren, während die Aufmerksamkeit eines Benutzers von anderen Aufgaben, z. B. dem Fahren, nur sehr wenig abgelenkt wird.control knob in conjunction with voice recognition and command functionality. Software/firmware for voice recognition/interpretation may run on one or more processors of the device or interface, as is well known to those skilled in the art. Some types of functions may be well adapted for control with a combination of voice and haptic enhanced touch. For example, operating modes such as sound mode, temperature control mode, etc. may be selected by voice. However, the user may then use the haptic control knob to adjust a value of a function such as radio volume, temperature setting, etc. This embodiment recognizes that some choices or settings are easier to make with voice, while others are typically easier to make using manual control. Moreover, such an embodiment may optimize control of a device while diverting a user's attention very little from other tasks, such as driving.
Der für den Bedienknopf verwendete Meßfühler hat zwei Hauptbestimmungen: Positions- und Richtungsinformationen (und in einigen Ausführungsbeispielen Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsinformationen) an einen örtlichen oder Host-Prozessor bereitzustellen, um realistische haptische Effekte zu erzeugen (für solche Effekte, die auf der Position beruhen); und Bedienknopf-Positionsinformationen für Auswahlen und Betätigung in der hostimplementierten Umgebung an den Host-Computer oder Prozessor zu übertragen. Die haptischen Effekte funktionieren am besten, wenn ein hochauflösender Meßfühler verwendet wird, mit z. B. zumindest 1000 Zählungen pro ganzer Umdrehung. Da der Bedienknopf vorzugsweise ein Endlosdrehinstrument mit unendlichem Drehbereich ist, ist eher eine Codiereinrichtung als ein Endlosdrehpotentiometer ein geeigneter Meßfühler, weil die Codiereinrichtung beim Übergang zwischen Maximum- und Minimumwerten exakt ist und weniger Fehler macht. Natürlich können in anderen AusführungsbeispielenThe sensor used for the control knob has two primary purposes: to provide position and direction information (and in some embodiments, velocity and/or acceleration information) to a local or host processor to create realistic haptic effects (for such effects based on position); and to communicate control knob position information to the host computer or processor for selections and actuation in the host-implemented environment. The haptic effects work best when a high resolution sensor is used, e.g., with at least 1000 counts per complete revolution. Since the control knob is preferably a continuously rotating instrument with an infinite range of rotation, an encoder rather than a continuously rotating potentiometer is a suitable sensor because the encoder is accurate and makes fewer errors when transitioning between maximum and minimum values. Of course, in other embodiments,
andere Meßfühlertypen verwendet werden, u. a. Magnetsensoren, analoge Potentiometer etc.. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine Übertragung mit hoher Verstärkung benutzt werden, um eine größere Auflösung bereitzustellen, z. B. ein Riementrieb, Capstan-Antrieb etc., wie unten mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben.other types of sensors may be used, including magnetic sensors, analog potentiometers, etc. In some embodiments, a high gain transmission may be used to provide greater resolution, e.g., a belt drive, capstan drive, etc., as described below with reference to Fig. 2.
Unter Verwendung der hierin beschriebenen Bedienknopfmechanismen können viele unterschiedliche Arten von Krafteffekten und Empfindungen an den Benutzer ausgegeben werden, z. B. Federkräfte, Dämpfungskräfte, Schwellenkräfte, Vibrationen, Anschläge, Anziehungskräfte etc.. Einige fundamentale Kraftempfindungen sind im US-Patent 5,734,373 beschrieben.Using the control knob mechanisms described herein, many different types of force effects and sensations can be delivered to the user, such as spring forces, damping forces, threshold forces, vibrations, stops, attractive forces, etc. Some fundamental force sensations are described in U.S. Patent 5,734,373.
Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele des Bedienknopfmechanismus beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, daß die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht die einzige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind. Beispielsweise können manche Ausführungsbeispiele nur die Querbewegung des Bedienknopfes 26 einschließen und nicht die Druck- und/oder Zugfunktion oder die Force-Feedback-Funktionsvielfalt. Wieder andere Ausführungsbeispiele können nur die Kraftrückkopplung bei Querbewegung des Bedienknopfes oder eine Kraftrückkopplung mit Druck- und/oder Zugfunktionen einschließen.Some embodiments of the control knob mechanism are described below. It should be noted that the embodiments described below are not the only embodiment of the present invention. For example, some embodiments may only include transverse movement of the control knob 26 and not the push and/or pull function or the force feedback functionality. Still other embodiments may only include force feedback upon transverse movement of the control knob or force feedback with push and/or pull functions.
Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines ersten Ausführungsbeispiels 50 des Mechanismus des Steuerknopfes 26 der vorliegenden Erfindung, der auch haptisches Feedback an den Benutzer liefern kann. Das Ausführungsbeispiel 50 verwendet eine Riemenübertragung für ein verbessertes Drehmoment, z. B. kann in einem realisierten Ausführungsbeispiel eine synchrone 4:1-Riemenübertragung erreicht werden. Dies wirkt sich günstig auf die Erzeugung von Effekten mit steifen Endanschlageffekten aus.Fig. 2 is an exploded perspective view of a first embodiment 50 of the control knob 26 mechanism of the present invention, which can also provide haptic feedback to the user. The embodiment 50 uses a belt transmission for improved torque, e.g., in one realized embodiment, a 4:1 synchronous belt transmission can be achieved. This is beneficial for creating stiff end stop effects.
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Der Steuerknopf 26 bewegt eine vertikale Welle oder Achse 53, die sich durch eine Schaltplatte 52, ein oberes Gehäuse 54, einen oberen Schiebering 56, eine obere Kupplung 58 und eine mittlere Kupplung 60 erstreckt. Eine parallele Versetzungskupplung, bestehend aus der oberen Kupplung 58, der mittleren Kupplung 60 und einer unteren Kupplung 62 ermöglicht es einem Aktuator und einem fest angebrachten Teil des Bedienknopfmechanismus, ortsfest zu bleiben, während der Bedienknopf 26 seitlich bewegt werden kann. Die vertikale Welle 53 ist an einem Ende an der Schaltplatte 52 und am anderen Ende an der oberen Kupplung 58 starr befestigt, und die Welle wirkt als Führung für die lineare Axialbewegung des Bedienknopfes. Ausschnitte in dem Bedienknopf 2 6 sind auf Zapfen abgestimmt, die sich von der Schaltplatte 52 weg erstrecken, was dem Bedienknopf die Bereitstellung eines Drehmoments auf der Platte 52 erlaubt, aber dem Bedienknopf gestattet, sich hinsichtlich der Platte 52 axial zu bewegen. Die mittlere Kupplung 60 weist Nuten 61 auf, die mit Keilen der oberen Kupplung 58 in Eingriff gehen und die Bewegung des Bedienknopfes in einem Seitenfreiheitsgrad (zwei Richtungen) ermöglichen. Auf ähnliche Weise weist die mittlere Kupplung zwei um 90° von den ersten Nuten beabstandete andere Nuten 65 auf, die mit Keilen 67 in Eingriff gehen, die auf der unteren Kupplung 62 vorgesehen sind und dem Bedienknopf eine Bewegung in dem anderen Seitenfreiheitsgrad ermöglichen. Die durch den Bedienknopf 26 bereitgestellten Seitenfreiheitsgrade sind "echte" Seitenfreiheitsgrade, d. h. der Bedienknopf gleitet linear quer und nähert sich der Seitenbewegung nicht durch kreisendes Einschwenken des Bedienknopfes an. Eine solche echte Seitenbewegung fühlt sich eher besser an, wenn ein im Verhältnis längerer Hubabstand in den Seitenrichtungen vorgesehen ist.The control knob 26 moves a vertical shaft or axle 53 that extends through a switch plate 52, an upper housing 54, an upper slide ring 56, an upper clutch 58, and a middle clutch 60. A parallel displacement clutch consisting of the upper clutch 58, the middle clutch 60, and a lower clutch 62 allows an actuator and a fixed part of the control knob mechanism to remain stationary while the control knob 26 can be moved laterally. The vertical shaft 53 is rigidly attached to the switch plate 52 at one end and to the upper clutch 58 at the other end, and the shaft acts as a guide for the linear axial movement of the control knob. Cutouts in the control knob 26 are matched to pins that extend from the switch plate 52, allowing the control knob to provide torque on the plate 52, but allowing the control knob to move axially with respect to the plate 52. The middle clutch 60 has grooves 61 which engage with splines of the upper clutch 58 and allow movement of the control knob in one lateral degree of freedom (two directions). Similarly, the middle clutch has two other grooves 65 spaced 90° from the first grooves which engage with splines 67 provided on the lower clutch 62 and allow movement of the control knob in the other lateral degree of freedom. The lateral degrees of freedom provided by the control knob 26 are "true" lateral degrees of freedom, i.e. the control knob slides linearly transversely and does not approximate lateral movement by pivoting the control knob in a circular motion. Such true lateral movement tends to feel better when a relatively longer stroke distance is provided in the lateral directions.
Am Ende der vertikalen Welle, die sich von dem Bedienknopf 26 weg nach unten erstreckt, ist ein abgerundeter Abschnitt oder Tauchkolben (nicht gezeigt) vorgesehen und greift in einen Durchlaß 64 ein, der mittig auf der Drehachse angeordnet istAt the end of the vertical shaft extending downward from the control knob 26, a rounded portion or plunger (not shown) is provided and engages a passage 64 which is located centrally on the axis of rotation.
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und eine Reihe von Spurnuten aufweist, die den Bedienknopf, ähnlich wie der weiter unten mit Bezug auf Fig. 3b beschriebene Durchlaß und Tauchkolben, in die gewünschten acht Seitenrichtungen zwingen. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Durchlaß weniger oder eine größere Anzahl von Spurnuten für eine andere Anzahl zulässiger Querrichtungen des Bedienknopfes aufweisen. Die Bauteile 26, 52, 56, 58, 60 und 62 sind an zumindest ein anderes dieser Teile entweder angekuppelt oder damit in Eingriff, so daß bei Drehen irgendeines dieser Teile (z. B. Bedienknopf 26) alle diese Bauteile unisono gedreht werden. Vorzugsweise sind auch Meßfühler (nicht gezeigt) enthalten, um die Bewegung des Bedienknopfes in den Seitenrichtungen zu erfassen. Derartige Seitenmeßfühler können beliebige Standardmeßfühler sein, die zur Bewegungserfassung verwendet werden, wie z. B. optische Meßfühler, Hall-Effekt-Sensoren, Kontaktschalter, Steuerknüppel-Steuerungsschalter etc.. Zum Beispiel können die Seitenmeßfühler Kontaktschalter sein, die dicht am Umfang des oberen Schieberings 56 um 90° beabstandet angeordnet sind; wenn der Schiebering 56 mit dem Bedienknopf seitlich bewegt wird, werden ein oder zwei der Kontaktschalter in der Bahn des Bedienknopfes geschlossen.and a series of track grooves that constrain the control knob in the desired eight lateral directions, similar to the passage and plunger described below with reference to Figure 3b. In other embodiments, the passage may have fewer or a greater number of track grooves for a different number of allowable transverse directions of the control knob. Components 26, 52, 56, 58, 60, and 62 are either coupled to or engaged with at least one other of these members such that when any one of these members (e.g., control knob 26) is rotated, all of these members are rotated in unison. Preferably, sensors (not shown) are also included to sense movement of the control knob in the lateral directions. Such lateral sensors may be any standard sensors used for motion sensing, such as a rotary encoder. B. optical sensors, Hall effect sensors, contact switches, joystick control switches, etc. For example, the side sensors can be contact switches arranged close to the circumference of the upper sliding ring 56 at 90° intervals; when the sliding ring 56 is moved laterally with the control knob, one or two of the contact switches in the path of the control knob are closed.
Eine Antriebsriemenscheibe 66 ist durch einen Riemen 68 mit der unteren Kupplung 62 verbunden, und die Antriebsriemenscheibe ist an eine Antriebswelle eines fest angebrachten Aktuators gekoppelt, z. B. eines Gleichstrommotors, eines Aktuators mit beweglichem Magnet, einer Schwingspule, einer passiven Bremse oder eines anderen Aktuatortyps. Der Aktuator 70 treibt demnach die Antriebsriemenscheibe 66 rotierend an (oder bewirkt den Rotationswiderstand, falls der Aktuator 70 eine Bremse ist), die die untere Kupplung 62 und den Bedienknopf 2 6 dreht. Eine Codiereinrichtungsscheibe 72 kann an die Antriebsriemenscheibe 66 gekoppelt sein und dreht sich im Gleichgang mit der Antriebsriemenscheibe 66. Die Codiereinrichtungsscheibe 72 weist einen Rand auf, der innerhalb eines optischen Codiereinrichtungssensors 74 gedreht wird, um eine Bestimmung der Bedienknopf-Drehstellung durchA drive pulley 66 is connected to the lower clutch 62 by a belt 68, and the drive pulley is coupled to a drive shaft of a fixed actuator, such as a DC motor, a moving magnet actuator, a voice coil, a passive brake, or other type of actuator. The actuator 70 thus drives the drive pulley 66 in rotation (or provides rotational resistance if the actuator 70 is a brake), which rotates the lower clutch 62 and the control knob 26. An encoder disk 72 may be coupled to the drive pulley 66 and rotates in unison with the drive pulley 66. The encoder disk 72 has a rim that is rotated within an optical encoder sensor 74 to enable determination of the control knob rotation position by
einen Mikroprozessor oder eine andere Steuerungseinheit dadurch zu ermöglichen, daß das Vorbeilaufen von Markierungen oder Nuten auf dem Scheibenrad abgefühlt wird. Zwischen dem Aktuator 70 und der Antriebsriemenscheibe 66 kann ein unteres Gehäuse 76 angeordnet sein, wobei das untere Gehäuse 76 am oberen Gehäuse 54 anschließt, um ein Gehäuse um die meisten der anderen Teile zu bilden.to enable a microprocessor or other control unit to sense the passage of marks or grooves on the disc wheel. A lower housing 76 may be disposed between the actuator 70 and the drive pulley 66, the lower housing 76 joining the upper housing 54 to form a housing around most of the other parts.
Der Bedienknopf 26 ist geeignet, hinsichtlich der Schaltplatte 52 linear-axial bewegt zu werden, z. B. kann der Bedienknopf mit der Schaltplatte mit Zapfen in Eingriff gehen, wie gezeigt. Auf der Schaltplatte 52 kann ein Kontaktschalter (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um zu erfassen, wenn der Bedienknopf 26 gegen die Platte 52 geschoben wird. Die zugehörige Feder in dem mechanischen Schalter kann eine Federrückstellkraft auf dem Bedienknopf bereitstellen, um ihn in der "Hoch"-Stellung zu halten, wenn keine Kraft vom Benutzer bereitgestellt wird. Auch andere Meßfühlertypen und/oder zusätzliche Federn können verwendet werden.The control knob 26 is adapted to be moved linearly-axially with respect to the switch plate 52, e.g., the control knob may engage the switch plate with pins as shown. A contact switch (not shown) may be provided on the switch plate 52 to detect when the control knob 26 is pushed against the plate 52. The associated spring in the mechanical switch may provide a spring return force on the control knob to hold it in the "up" position when no force is provided by the user. Other types of sensors and/or additional springs may also be used.
Ein Vorteil des Mechanismus 50 ist die Anordnung der Codiereinrichtung 72 und 74 bezüglich des Bedienknopfes 26. Die Riementriebübertragung verstärkt die Drehung des Bedienknopfes und bringt eine Erhöhung der Auflösung der Codiereinrichtung ein, beispielsweise liefert eine Umdrehung des Bedienknopfes 26 vielfache Umdrehungen des Codiereinrichtung-Scheibenrads 72. In anderen Ausführungsbeispielen können andere Übertragungsarten zum Verstärken von Auflösung und Kraftausgabe verwendet werden; es können z. B. Capstan-Seilzugantriebe, Getriebe, Reibräder und O-Ring- oder Taktriementriebe verwendet werden.An advantage of mechanism 50 is the location of encoders 72 and 74 with respect to control knob 26. The belt drive transmission amplifies the rotation of the control knob and provides an increase in encoder resolution, e.g., one revolution of control knob 26 provides multiple revolutions of encoder disk gear 72. In other embodiments, other types of transmission may be used to increase resolution and power output; e.g., capstan cable drives, gears, friction wheels, and O-ring or timing belt drives may be used.
Andere Vorteile des Ausführungsbeispiels 50 sind u. a. ein hohes Haltedrehraoment, eine gut skalierbare mechanische Ausführung, ein kleinerer/weniger teurer Aktuator dank der Verwendung von Übertragungsverstärkung und eine verbesserte Auflösung der Codiereinrichtung dank der Antriebsübertragungsverstärkung. Es gibt auch einige Nachteile:Other advantages of embodiment 50 include high holding torque, highly scalable mechanical design, smaller/less expensive actuator thanks to the use of transmission gain, and improved encoder resolution thanks to the drive transmission gain. There are also some disadvantages:
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der Mechanismus benötigt eine erhebliche Tiefe in einem Gehäuse, um ihn aufzunehmen; die Riemenübertragung weist eine Eigenreibung auf; die Antriebsübertragung erhöht die Komplexität der Vorrichtung; und mehr Gelenkpunkte in den beweglichen Teilen führen zu einem größeren Leergang in der Vorrichtung. Des weiteren ist dieses Ausführungsbeispiel nicht so für die hierin beschriebene Erfindung einer axial beweglichen Motorwelle geeignet wie andere Ausführungsformen.the mechanism requires a significant depth in a housing to accommodate it; the belt transmission has inherent friction; the drive transmission increases the complexity of the device; and more pivot points in the moving parts result in more backlash in the device. Furthermore, this embodiment is not as suitable for the axially movable motor shaft invention described herein as other embodiments.
In einer anderen alternativen Ausführungsform können eine oder mehr der Quer- oder Seitenbewegungen des Bedienknopfes 2 6 betätigt werden. Beispielsweise kann ein linearer oder rotierender Aktuator vorgesehen sein, um Kräfte in dem quer verlaufenden Freiheitsgrad in einer oder beiden Richtungen (zur Mittelstellung des Bedienknopfes hin und von der Mittelstellung weg) auszugeben. Es können z. B. ein oder mehr magnetische Aktuatoren oder Solenoide zur Bereitstellung von Kräften in diesen Querrichtungen verwendet werden. Auf ähnliche Weise kann in anderen Ausführungsbeispielen die Zug- und oder Druck-Bewegung des Bedienknopfes 26 entlang der Achse A betätigt werden. Zum Beispiel kann eine Stoßkraft im linearen Freiheitsgrad entlang der Achse A auf den Bedienknopf ausgegeben werden, wenn der Benutzer den Bedienknopf drückt. Stattdessen kann die vom Federelement 64 bereitgestellte Federrückstellkraft auch unter Verwendung eines durch einen Mikroprozessor gesteuerten Aktuators ausgegeben werden.In another alternative embodiment, one or more of the transverse or lateral movements of the control knob 26 may be actuated. For example, a linear or rotary actuator may be provided to output forces in the transverse degree of freedom in one or both directions (towards and away from the central position of the control knob). For example, one or more magnetic actuators or solenoids may be used to provide forces in these transverse directions. Similarly, in other embodiments, the pulling and/or pushing movement of the control knob 26 along the axis A may be actuated. For example, a pushing force in the linear degree of freedom along the axis A may be output to the control knob when the user presses the control knob. Alternatively, the spring return force provided by the spring element 64 may also be output using a microprocessor controlled actuator.
Fig. 3a ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels 8 0 eines Mechanismus für den Bedienknopf 26. Der Mechanismus 80 realisiert einen Achsmotor für eine reduzierte Reibung und höhere Wiedergabenauigkeit. Anders als das Ausführungsbeispiel 50 gemäß Fig. 2 weist diese Ausführung keine Übertragungs- oder Kupplungsteile auf und beseitigt dadurch die Auswirkungen sowohl von Leergang als auch von Reibung. Jedoch führt dies i. a. zu einer niedrigeren Drehmomentausgabe und Meßauflösung als beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Die reduzierte Drehmomentausgabe dieserFig. 3a is an exploded perspective view of a second embodiment 80 of a mechanism for the control knob 26. The mechanism 80 implements an axle motor for reduced friction and higher accuracy. Unlike the embodiment 50 according to Fig. 2, this embodiment has no transmission or coupling parts and thereby eliminates the effects of both backlash and friction. However, this generally leads to a lower torque output and measurement resolution than the embodiment according to Fig. 2. The reduced torque output of this
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Ausführung kann von Stromsteueralgorithmen Gebrauch machen, die geeignetere kurzzeitige Ströme höherer Ordnung gestatten.Implementation may make use of current control algorithms that allow more appropriate higher order transient currents.
Der Bedienknopf 26, der vom Benutzer berührt wird, ist direkt an ein Bedienknopf-Übersetzungsrad 82 angekuppelt, das seinerseits, ähnlich wie beim Aktuator 70 gemäß Fig. 2, direkt an eine Schwenkwelle 86 eines Aktuators 84 angekuppelt ist. Zwischen dem Bedienknopf-Übersetzungsrad 82 und dem Motor ist in einer Schaltkonsole 90 ein Ansteuerschalter 88 vorgesehen; der Ansteuerschalter 88 wird durch das Übersetzungsrad 82 geschlossen, wenn der Benutzer auf den Bedienknopf drückt und ihn linear entlang der Drehachse bewegt, so daß die gesteuerte Vorrichtung erfassen kann, wenn der Bedienknopf gedrückt wird. Ein Beispiel des Ansteuerschalters ist in größerer Einzelheit im Hinblick auf Fig. 7 beschrieben. Durch den Ansteuerschalter 88 wird vorzugsweise eine Federzentrierkraft auf die Axialbewegung des Bedienknopfes bereitgestellt.The control button 26 which is touched by the user is directly coupled to a control button gear 82 which in turn is directly coupled to a pivot shaft 86 of an actuator 84, similar to the actuator 70 of Fig. 2. A drive switch 88 is provided between the control button gear 82 and the motor in a switch console 90; the drive switch 88 is closed by the gear 82 when the user presses the control button and moves it linearly along the axis of rotation so that the controlled device can sense when the control button is pressed. An example of the drive switch is described in more detail with respect to Fig. 7. The drive switch 88 preferably provides a spring centering force on the axial movement of the control button.
Ein Codiereinrichtung-Antriebsriemen 92 ist mit dem Bedienknopf-Übersetzungsrad verbunden und treibt eine Codiereinrichtung-Riemenscheibe 94, die zwischen einem Emitter und einem Detektor auf einer fest angebrachten PC-Platinenanordnung 96 der Codiereinrichtung gedreht wird. Ein oberer Schiebering 98 ist um das Gehäuse des Aktuators 84 angeordnet und schließt einen nach unten weisenden Durchlaß ein, der mit einem Tauchkolben 102 in Eingriff geht. Der Durchlaß 100 und der Tauchkolben 102 sind mit Bezug auf Fig. 3b beschrieben. Der Tauchkolben 102 ist vorzugsweise in einem Ausschnitt im unteren Gehäuse 104 federbeaufschlagt, und zwischen dem unteren Gehäuse 104 und dem oberen Schiebering ist ein unterer Schiebering 106 angeordnet. Der untere Schiebering 106 und der obere Schiebering 98 gleiten quer zueinander, damit der Bedienknopf 2 6 und der Aktuator 84 zusammen in acht Seitenrichtungen (lotrecht zur Drehachse des Bedienknopfes) bewegt werden können. Der Eingriff von Nuten und Keilen 103 in den Schieberelementen und in dem unterenAn encoder drive belt 92 is connected to the control knob translation wheel and drives an encoder pulley 94 which is rotated between an emitter and a detector on a fixedly mounted encoder PC board assembly 96. An upper slide ring 98 is disposed about the housing of the actuator 84 and includes a downwardly facing passageway which engages a plunger 102. The passageway 100 and plunger 102 are described with reference to Figure 3b. The plunger 102 is preferably spring loaded in a cutout in the lower housing 104 and a lower slide ring 106 is disposed between the lower housing 104 and the upper slide ring. The lower sliding ring 106 and the upper sliding ring 98 slide transversely to each other so that the control button 26 and the actuator 84 can be moved together in eight lateral directions (perpendicular to the axis of rotation of the control button). The engagement of grooves and wedges 103 in the sliding elements and in the lower
Gehäuse 104 erlauben diese Querbewegung, wobei die Nuten und Keile die Querbewegung gestatten. Die Wechselwirkung zwischen dem Tauchkolben 102 und dem Durchlaß 100, wie nachfolgend geschildert, beschränkt den Bedienknopf auch auf die gewünschten Seitenrichtungen.Housing 104 allows this transverse movement, with the grooves and keys allowing the transverse movement. The interaction between the plunger 102 and the passage 100, as described below, also restricts the control knob to the desired lateral directions.
Anders als der Durchlaß und Tauchkolben vom Ausführungsbeispiel 50 gemäß Fig. 2 sind der Tauchkolben 102 und der Durchlaß 100 von der mittigen Drehachse des Mechanismus versetzt. In einigen Ausführungsbeispielen kann der versetzte Verlauf dieser Bauteile ein gewisses Rotationsspiel des Bedienknopfes um das Zentrum des Durchlasses einleiten. In diesen Ausführungsbeispielen ist bevorzugt zu dem vorhandenen Durchlaß und Tauchkolben dazu ein zweiter Durchlaß (nicht gezeigt) und federbeaufschlagter Tauchkolben 105 auf der gegenüberliegenden Seite der Schieber 98 und 106 vorgesehen, um für größere Stabilität sowie weniger Spiel und Vibration in dem Mechanismus zu sorgen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist nur einer der Durchlässe Spurnuten für Führungszwecke auf; der andere Durchlaß kann eine glatte, konkave oder konusförmige Unterseite haben.Unlike the passage and plunger of embodiment 50 of Figure 2, plunger 102 and passage 100 are offset from the central axis of rotation of the mechanism. In some embodiments, the offset of these components may introduce some rotational play of the control knob about the center of the passage. In these embodiments, in addition to the existing passage and plunger, a second passage (not shown) and spring-loaded plunger 105 is preferably provided on the opposite side of slides 98 and 106 to provide greater stability and less play and vibration in the mechanism. In a preferred embodiment, only one of the passages has track grooves for guiding purposes; the other passage may have a smooth, concave or conical bottom.
Unter dem Bedienknopf 26 kann ein oberes Gehäuse 108 angeordnet und an dem unteren Gehäuse 104 angekuppelt sein, um ein Gehäuse um einen Großteil des Mechanismus bereitzustellen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der obere Schiebering 98 abgerundete Oberflächen auf vorstehenden Elementen 109 auf, wobei die abgerundeten Oberflächen die Unterseite des oberen Gehäuses 108 berühren, um Stabilität für die gleitende Seitenbewegung des Bedienknopfmechanismus bereitzustellen.An upper housing 108 may be disposed beneath the control knob 26 and coupled to the lower housing 104 to provide housing around a majority of the mechanism. In a preferred embodiment, the upper sliding ring 98 has rounded surfaces on protruding members 109, the rounded surfaces contacting the underside of the upper housing 108 to provide stability for the sliding sideways movement of the control knob mechanism.
Zur Aufnahme der Schaltung und anderer benötigter elektronischer Bauteile für den Mechanismus 80 kann eine Hauptplatinenanordnung 110 verwendet werden. Zudem kann ein Seitenmeßfühler zum Abfühlen der Bewegung des Bedienknopfes in den acht Seitenrichtungen die Form einer kompakten Stabsteuerungseinheit 112 annehmen. Die Steuerungseinheit 112A main board assembly 110 may be used to house the circuitry and other necessary electronic components for the mechanism 80. In addition, a side sensor for sensing the movement of the control knob in the eight side directions may take the form of a compact rod control unit 112. The control unit 112
schließt eine Basis ein, die an der fest angebrachten gedruckten Leiterplattenanordnung 110 und einem Stababschnitt befestigt ist, der sich in eine Aufnahme im oberen Schiebering 98 hinein erstreckt. Wenn sich der obere Schiebering 98 in die acht Seitenrichtungen bewegt, bewegt sich der Stab der Steuerungseinheit 112 in entsprechende Richtungen, und ein Meßfühler in der Steuerungseinheit 112 fühlt diese Bewegung ab. In anderen Ausführungsbeispielen können andere Meßfühlertypen als Seitenmeßfühler verwendet werden, z. B. Lichtstrahlsensoren, Kontaktschalter oder -sensoren, Hall-Effekt-Sensoren, optische Codiereinrichtungen etc..includes a base attached to the fixed printed circuit board assembly 110 and a rod portion that extends into a receptacle in the upper slide ring 98. As the upper slide ring 98 moves in the eight lateral directions, the rod of the control unit 112 moves in corresponding directions and a sensor in the control unit 112 senses this movement. In other embodiments, other types of sensors may be used as lateral sensors, e.g., light beam sensors, contact switches or sensors, Hall effect sensors, optical encoders, etc.
Vorteile des Ausführungsbeispiels 80 sind u. a. die geringe Reibung, die zu einem homogenen Gefühlseindruck der Kräfte und des Bedienknopfes führt; dies ist darauf zurückzuführen, daß der Aktuator 84 den Bedienknopf 26 ohne jegliche Antriebsübertragung direkt antreibt. Zudem wird aufgrund der Riementriebübertragung (mit dem Riemen 92), die mit der Codiereinrichtung verwendet wird, eine hohe Meßauflösung erhalten, daß nämlich eine Umdrehung des Bedienknopfes mehreren Umdrehungen des Codiereinrichtung-Scheibenrads 94 entspricht. Der Mechanismus ist auch einfacher als das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und braucht weniger Platz in einem Gehäuse, was in so raumlimiterten Anordnungen wie einer Armlehnenkonsole in einem Automobil oder einem anderen Fahrzeug vorteilhaft ist. Des weiteren kann das Ausführungsbeispiel 80 direkt mit der mit Bezug auf Fig. 6 beschriebenen Erfindung eines Motors mit axial beweglicher Welle verwendet werden. Zu den Nachteilen gehört ein niedrigeres Haltedrehmoment, und die Vorrichtung kann eine höher entwickeltere (und damit teurere) Elektronik zum Überwachen der Motortemperatur erfordern.Advantages of embodiment 80 include low friction, which results in a homogeneous feel of the forces and the control knob, due to the fact that actuator 84 directly drives control knob 26 without any drive transmission. In addition, due to the belt drive transmission (with belt 92) used with the encoder, high measurement resolution is obtained, namely that one revolution of the control knob corresponds to several revolutions of encoder disk gear 94. The mechanism is also simpler than the embodiment of Fig. 2 and requires less space in a housing, which is advantageous in space-constrained arrangements such as an armrest console in an automobile or other vehicle. Furthermore, embodiment 80 can be used directly with the axially movable shaft motor invention described with reference to Fig. 6. Disadvantages include lower holding torque, and the device may require more sophisticated (and thus more expensive) electronics for monitoring motor temperature.
Fig. 3b stellt den Durchlaß 100 und den Tauchkolben 102 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3a dar. Der Durchlaß 100 weist eine konkave Unterseite und eine Reihe von Spurnuten 12 0 auf, die in die Unterseite gebohrt und vom Mittelpunkt der Unterseite des Durchlasses sternförmig nach außen gerichtetFig. 3b shows the passage 100 and the plunger 102 of the embodiment according to Fig. 3a. The passage 100 has a concave bottom and a series of track grooves 12 0 which are drilled into the bottom and directed outwards in a star shape from the center of the bottom of the passage.
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sind. Der Durchlaß 100 ist so ausgerichtet, daß eine Spitze des Tauchkolbens 102 mit den Spurnuten in Kontakt gebracht, d. h. in eine der Spurnuten oder den Mitteltopf 122 zwischen den Spurnuten hineingedrückt wird. Die Spurnuten 120 sind in den zur seitlichen Arbeitsbewegung des Bedienknopfes 26 gewünschten Richtungen vorgesehen. Wenn also acht Richtungen erwünscht sind, werden acht unterschiedliche Spurnuten in den gewünschten Richtungen zur Verfügung gestellt. Der Tauchkolben 102 ist vorzugsweise federbeaufschlagt, um jederzeit einen guten Kontakt zwischen dem Tauchkolben 102 und den Durchlaß-Spurnuten 120 bereitzustellen und die Führungsfunktion des Durchlasses besser zu ermöglichen.The passage 100 is oriented so that a tip of the plunger 102 is brought into contact with the track grooves, i.e., pressed into one of the track grooves or the center cup 122 between the track grooves. The track grooves 120 are provided in the directions desired for lateral working movement of the control knob 26. Thus, if eight directions are desired, eight different track grooves are provided in the desired directions. The plunger 102 is preferably spring loaded to provide good contact between the plunger 102 and the passage track grooves 120 at all times and to better enable the guiding function of the passage.
Im Betrieb bewegt sich der Durchlaß 100 mit dem Bedienknopf und dem Aktuator 84, wenn der Benutzer den Bedienknopf 2 6 in eine Seitenrichtung bewegt. Der fest angebrachte Tauchkolben 102, der mit dem Durchlaß 100 in einer Spurnut in Eingriff ist, erzwingt die Bewegung des Durchlasses 100, so daß der Tauchkolben 102 in einer der acht Spurnuten 12 0 verbleibt. Auf diese Weise kann der Durchlaß nur in eine der acht gewünschten Richtungen bewegt werden, was wiederum die Verschiebung des Bedienknopfes 2 6 in eine dieser acht Seitenrichtungen erzwingt.In operation, the passage 100 moves with the control knob and actuator 84 when the user moves the control knob 26 in a lateral direction. The fixed plunger 102, which engages the passage 100 in a track groove, forces the passage 100 to move so that the plunger 102 remains in one of the eight track grooves 120. In this way, the passage can only be moved in one of the eight desired directions, which in turn forces the movement of the control knob 26 in one of those eight lateral directions.
Ein alternative Ausführungsform 130 des Ausführungsbeispiels ist in Fig. 3c gezeigt, die einen anderen Abfühlmechanismus für den Bedienknopfmechanismus bereitstellt. Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel 80 ist der Bedienknopf 26 direkt an die Antriebswelle eines Aktuators 132 gekoppelt. Ein oberer Schiebering 134 und unterer Schiebering 136 sind vorgesehen, um die Seitenbewegung des Bedienknopfes in acht Richtungen zu ermöglichen, wobei Ausschnitte 138 in den Schieberingen die Schieberinge bezüglich Haltern 139 gleiten lassen, die sich durch die Ausschnitte hindurch erstrecken. Ein Kugelrastknopf 140 ist im Halter 141 befestigt und erstreckt sich nach oben, um, ähnlich wie bei dem in Fig. 3a und 3b gezeigten Durchlaß und Tauchkolben, in einen Durchlaß in derAn alternative embodiment 130 of the present invention is shown in Fig. 3c, which provides a different sensing mechanism for the control knob mechanism. Similar to embodiment 80, the control knob 26 is coupled directly to the drive shaft of an actuator 132. An upper sliding ring 134 and lower sliding ring 136 are provided to allow lateral movement of the control knob in eight directions, with cutouts 138 in the sliding rings allowing the sliding rings to slide relative to brackets 139 extending through the cutouts. A ball detent button 140 is mounted in the bracket 141 and extends upwardly to engage a passage in the
Unterseite des Schieberings 136 einzugreifen und die Bewegung des Bedienknopfes in die gewünschten Seitenrichtungen zu erzwingen. Da der Durchlaß und der Tauchkolben, ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a, von der mittigen Drehachse versetzt sind, kann ein zweiter Tauchkolben und (vorzugsweise nicht profilierter) Durchlaß auf der gegenüberliegenden Seite des Mechanismus vorgesehen sein, um Stabilität und eine straffere Bewegung bereitzustellen.bottom of the sliding ring 136 and force movement of the control knob in the desired lateral directions. Since the passage and plunger are offset from the central axis of rotation, similar to the embodiment of Fig. 3a, a second plunger and (preferably non-profiled) passage can be provided on the opposite side of the mechanism to provide stability and tighter movement.
An der Unterseite der Aktuatorantriebswelle ist eine Codiereinrichtungsscheibe 142 montiert. Die Ausschnitte oder Markierungen der Codiereinrichtungsscheibe sind vertikal (axial) ausgerichtet, um die Abtastung der Bedienknopfposition während der Arbeitsbewegung der Codiereinrichtungsscheibe im Hinblick auf einen Meßfühler, wie z. B. einen Emitter/Detektor (nicht gezeigt) zu ermöglichen, d. h. an allen axiallinearen Positionen des Bedienknopfes. Zum Beispiel kann ein schmales Band mit Markierungen oder Ausschnitten mit einem Emitter und Detektor zum Erfassen des Vorbeilaufens der Ausschnitte oder Markierungen vorgesehen sein. Demnach kann dieses Ausführungsbeispiel für solche Ausführungsformen geeignet sein, die eine axiale Arbeitsbewegung des Bedienknopfes bereitstellen, wobei der Meßfühler (und in einigen Ausführungsbeispielen der Aktuator) sich axial mit dem Bedienknopf verschiebt. In anderen Ausführungsbeispielen kann anstelle von Ausschnitten oder Markierungen auf einem schmalen Band ein durchlässiges, geriffeltes Material in dem Meßfühler verwendet werden, wobei der Detektor Änderungen in dem emittierten Strahl aus dem Vorbeilaufen der Erhebungen erfaßt. Die Firma Kärna in San Francisco, Kalifornien, liefert beispielsweise einen optischen Meßfühler mit annähernd sägezahnartigen Erhebungen, die ähnlich funktionieren wie Markierungen oder Ausschnitte, aus denen sich aber leichter ein kreisförmiges Band formen läßt, und die für die vorliegende Erfindung geeignet sein können. Da keine Antriebsübertragung verwendet wird, ist die Meßauflösung des Ausführungsbeispiels 130 i. a. kleiner als beimAn encoder disk 142 is mounted on the underside of the actuator drive shaft. The encoder disk cutouts or markings are vertically (axially) aligned to allow sensing of the control knob position during the operating movement of the encoder disk with respect to a sensor such as an emitter/detector (not shown), i.e., at all axially linear positions of the control knob. For example, a narrow band of markings or cutouts may be provided with an emitter and detector for detecting the passage of the cutouts or markings. Accordingly, this embodiment may be suitable for those embodiments that provide for an axial operating movement of the control knob, with the sensor (and in some embodiments, the actuator) translating axially with the control knob. In other embodiments, instead of cutouts or markings on a narrow band, a transparent, corrugated material can be used in the sensor, with the detector detecting changes in the emitted beam from the passage of the bumps. For example, Kärna of San Francisco, California, supplies an optical sensor with approximately sawtooth-like bumps that function similarly to marks or cutouts, but from which a circular band can be more easily formed, and which may be suitable for the present invention. Since no drive transmission is used, the measurement resolution of the embodiment 130 is generally lower than that of the
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Ausführungsbeispiel 80. Ein oberes Gehäuse 144 ist an ein unteres Gehäuse 146 angekuppelt, um ein Gehäuse um den Mechanismus bereitzustellen.Embodiment 80. An upper housing 144 is coupled to a lower housing 146 to provide a housing around the mechanism.
Fig. 4a ist eine Perspektivansicht, die ein Beispiel des zusammengebauten haptischen Bedienknopfmechanismus 50 gemäß Fig. 2 und seine Bauraumbeschränkung zeigt. Der haptische Bedienknopf kann in einem Fahrzeug verwendet werden, beispielsweise auf dem vorderen Segment einer Mittelarmlehne eines Kraftfahrzeugs oder auf einer Mittelkonsole. Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel 50 liefert ein ausreichendes Drehmoment, ist aber aufgrund der Riementriebübertragung größer dimensioniert als das Ausführungsbeispiel 80. Beim Ausführungsbeispiel 50 kann vom Originalbauraum unter und hinter dem Bedienknopf für den Aktuator Gebrauch gemacht werden, wie in Fig. 4a gezeigt.Fig. 4a is a perspective view showing an example of the assembled haptic control button mechanism 50 of Fig. 2 and its installation space limitation. The haptic control button can be used in a vehicle, for example on the front segment of a center armrest of a motor vehicle or on a center console. The embodiment 50 shown in Fig. 2 provides sufficient torque, but is larger in size than the embodiment 80 due to the belt drive transmission. In the embodiment 50, the original installation space below and behind the control button can be used for the actuator, as shown in Fig. 4a.
Fig. 4b ist eine Perspektivansicht zur Darstellung eines anderen Beispiels des zusammengebauten Gehäuses, das für das Ausführungsbeispiel 80 gemäß Fig. 3a oder das Ausführungsbeispiel 130 gemäß Fig. 3c verwendet werden kann. Das Ausführungsbeispiel 80 oder 130 benötigt etwas mehr Seitenbauraum als das Ausführungsbeispiel 50, aber es wird nur eine kürzere Anordnung benötigt, da es keine Übertragung durchführt, wie in Fig. 4b gezeigt. Natürlich kann es sein, daß solche Bauraumbeschränkungen in anderen Ausführungsbeispielen, in denen der Bedienknopf andere Geräte in anderen Zusammenhängen steuert, nicht vorhanden sind oder daß andere Einschränkungen existieren.Fig. 4b is a perspective view showing another example of the assembled housing that can be used for the embodiment 80 of Fig. 3a or the embodiment 130 of Fig. 3c. The embodiment 80 or 130 requires slightly more side space than the embodiment 50, but only a shorter assembly is required because it does not perform transmission as shown in Fig. 4b. Of course, such space limitations may not exist in other embodiments in which the control knob controls other devices in other contexts, or other limitations may exist.
Die Realisierung der axialen Übersetzung des Bedienknopfes oder anderen Handhabungsgeräts kann unterschiedliche Formen annehmen. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt einen Motor (oder anderen Aktuatortyp) mit einer Welle ein, die entlang der Drehachse der Motorwelle verschoben werden kann. Diese Ausführung ist in dem taktilen Bedienknopf derThe realization of the axial translation of the control knob or other manipulation device can take different forms. One aspect of the present invention includes a motor (or other type of actuator) with a shaft that can be translated along the axis of rotation of the motor shaft. This embodiment is in the tactile control knob of the
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vorliegenden Erfindung eine große Hilfe, da sie eine fortschreitende Bewegung des Bedienknopfes entlang der Drehachse ohne den Einsatz irgendwelcher Kupplungen ermöglicht. Falls eine derartige Bewegung des Bedienknopfes erwünscht wäre, würde typischerweise eine teure Axialkupplungsvorrichtung, wie z. B. ein Balg, eine spiralförmige, elastische Verbindung oder eine Mitnehmerwelle in einem Nutenhohlraum, zwischen dem beweglichen Bedienknopf und der Motorwelle vorgesehen, wie z. B. in dem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8. Dies ermöglichte dem Bedienknopf eine Axialbewegung im Hinblick auf die Motorwelle und ermöglichte dem Motor trotzdem noch die Ausübung einer Kreisbewegungskraft auf den Bedienknopf. Die Kupplung ist jedoch teuer und kann Leergang oder Federung in das System einbringen, was den Realismus der Ausgabekräfte an den Benutzer vermindert. Alternativ konnten frühere Systeme den gesamten Motor entlang der Drehachse des Bedienknopfes bewegen; dies ist jedoch oft ineffizient, weil der Motor typischerweise schwer und sperrig ist (ganz besonders ein Statorabschnitt mit Permanentmagneten).This is a great help to the present invention as it allows progressive movement of the control knob along the axis of rotation without the use of any couplings. If such movement of the control knob were desired, an expensive axial coupling device, such as a bellows, a spiral elastic connection or a drive shaft in a grooved cavity, would typically be provided between the movable control knob and the motor shaft, such as in the embodiment of Figure 8 described below. This allowed the control knob to move axially with respect to the motor shaft and still allowed the motor to exert an orbital force on the control knob. However, the coupling is expensive and can introduce backlash or bounce into the system, reducing the realism of the output forces to the user. Alternatively, previous systems could move the entire motor along the axis of rotation of the control knob; however, this is often inefficient because the motor is typically heavy and bulky (especially a stator section with permanent magnets).
Ein Beispiel eines Motors 200 des Standes der Technik ist in der Seiten-Querschnittansicht gemäß Fig. 5 gezeigt. Es ist ein gewöhnlicher Gleichstrommotor des Bürstentyps gezeigt, der ortsfeste Abschnitte (Stator) bezüglich des Motorgehäuses und einen rotierenden Abschnitt (Rotor) aufweist. Ein Gehäuse 202 des Motors ist typischerweise zylindrisch und sorgt für eine Abstützung des Stators des Motors und funktioniert auch als Magnetflußführung. Das Gehäuse 202 schließt zwei Magnete 204 ein, die an der Innenseite des Gehäuses befestigt und typischerweise auf gegenüberliegenden Seiten der Innenseite des Gehäuses vorgesehen sind. Die Magnete 204 weisen typischerweise zueinander entgegengesetzte Magnetpole auf, die nach innen zum Mittelpunkt des Gehäuses gerichtet sind (z. B. ist eine Nordseite N eines Magnets nach innen gerichtet, und eine Südseite S des anderen Magnets ist nach innen gerichtet). Die Welle 206 des Rotors ist drehbar an das Gehäuse 202 angekuppelt, so daß der Rotor um die Achse A rotieren kann.An example of a prior art motor 200 is shown in the side cross-sectional view of Figure 5. A conventional brush-type DC motor is shown having stationary portions (stator) with respect to the motor housing and a rotating portion (rotor). A housing 202 of the motor is typically cylindrical and provides support for the stator of the motor and also functions as a magnetic flux guide. The housing 202 includes two magnets 204 attached to the inside of the housing and typically located on opposite sides of the inside of the housing. The magnets 204 typically have opposing magnetic poles facing inward toward the center of the housing (e.g., a north side N of one magnet faces inward and a south side S of the other magnet faces inward). The shaft 206 of the rotor is rotatably coupled to the housing 202 so that the rotor can rotate about the axis A.
Beispielsweise können Buchsen 208, wie z. B. Kugellager, die Welle 206 halten. Der Rotor schließt auch einen Anker mit einer Reihe von Zähnen 210 mit Halterungen ein, um die ein leitfähiger Draht oder eine Spule gewickelt ist (nicht gezeigt).For example, bushings 208, such as ball bearings, may support the shaft 206. The rotor also includes an armature having a series of teeth 210 with supports around which a conductive wire or coil is wound (not shown).
In einem Motor des Bürstentyps ist die Welle 206 an eine Reihe von Kollektorstangen 212 gekoppelt, die zylindrisch um die Welle 206 angeordnet sind, und an die die Spulen angeschlossen sind. An die Kollektorstangen sind Bürsteneinheiten 214 leitfähig gekoppelt; beispielsweise können Bürsten 216 durch Spiral- oder Blattfedern 218 gegen die Kollektorstangen federbeaufschlagt sein. Strom wird einer Bürste 216 zugeführt, die den Strom zu einer Kollektorstange leitet, durch die Spule hindurch und durch die andere Kollektorstange 212 und die Bürste 216 wieder hinaus.In a brush-type motor, the shaft 206 is coupled to a series of commutator rods 212 which are cylindrically arranged about the shaft 206 and to which the coils are connected. Brush units 214 are conductively coupled to the commutator rods; for example, brushes 216 may be spring-loaded against the commutator rods by spiral or leaf springs 218. Current is supplied to a brush 216 which conducts the current to one commutator rod, through the coil and out through the other commutator rod 212 and the brush 216.
Wie Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt ist, erzeugen die Permanentmagnete 204 ein statisches Magnetfeld, das in Wechselwirkung mit einem veränderlichen Magnetfeld steht, welches durch elektrischen Strom erzeugt wird, der durch die Spule des Rotors fließt. Die Magnetfelder werden i. a. unter Verwendung eisenhaltiger Strukturen wie Eisen durch den Stator und den Rotor gerichtet. Der Rotor rotiert um die Achse A im Gehäuse 2 02 in einer Richtung, die durch die Richtung des Stroms durch die Spulen bestimmt wird. Die Welle 206 ist in dem Freiheitsgrad entlang der Achse A fixiert und läßt sich nicht parallel verschieben.As is well known to those skilled in the art, the permanent magnets 204 generate a static magnetic field that interacts with a variable magnetic field generated by electric current flowing through the coil of the rotor. The magnetic fields are generally directed through the stator and rotor using ferrous structures such as iron. The rotor rotates about the axis A in the housing 202 in a direction determined by the direction of the current through the coils. The shaft 206 is fixed in the degree of freedom along the axis A and cannot be translated parallel.
Fig. 6 ist eine Seiten-Querschnittansicht eines Beispiels des Motors 230 der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 5 ist ein Gleichstrommotor des Bürstentyps gezeigt, obwohl auch andere Motortypen oder Aktuatoren mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden können. Anstatt eine Axialkupplungsvorrichtung zwischen Bedienknopf und Motor vorzusehen, ist die Axialfederung in den Motor 23 0 eingebaut.Fig. 6 is a side cross-sectional view of an example of the motor 230 of the present invention. As in Fig. 5, a brush type DC motor is shown, although other types of motors or actuators may be provided with the features of the present invention. Rather than providing an axial coupling device between the control knob and the motor, the axial suspension is built into the motor 230.
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Wie der Motor gemäß Fig. 5 schließt der Motor 230 einen Stator ein, der ein Gehäuse 232 und Magnete 234 aufweist. In dem Gehäuse ist ein Rotor angeordnet, der durch Buchsen 2 38 gehalten wird und eine Welle 236 und einen Anker 240 aufweist. Der Anker 240 weist Zähne 242 und eine Spule auf, wie oben beschrieben. Die Zähne 242 können parallel zu den Seiten des Gehäuses 232 angeordnet sein oder in einer spiralförmigen Anordnung abgeschrägt sein, um einen "Verzahnungs"-Effekt zu verringern, der von den Magnetfeldern erzeugt und an den Benutzer übertragen wird, wenn der Rotor gedreht wird. Derartige abgeschrägte Rotorimplementierungen sind im US-Patent Nr. 6,050,718 beschrieben.Like the motor of Figure 5, the motor 230 includes a stator having a housing 232 and magnets 234. Disposed within the housing is a rotor supported by bushings 238 and having a shaft 236 and an armature 240. The armature 240 has teeth 242 and a coil as described above. The teeth 242 may be arranged parallel to the sides of the housing 232 or beveled in a spiral arrangement to reduce a "toothing" effect created by the magnetic fields transmitted to the user as the rotor is rotated. Such beveled rotor implementations are described in U.S. Patent No. 6,050,718.
Der Motor 230 weist auch an den Rotor gekoppelte Kollektorstangen 244 und an den Stator gekoppelte Bürsteneinheiten 24 6 auf, wobei die Bürsteneinheiten Bürsten 248 und Federelemente 250 einschließen, die Blattfedern, Spiralfedern, Falten oder andere Arten von nachgiebigen Elementen sein können.The motor 230 also includes commutator bars 244 coupled to the rotor and brush assemblies 246 coupled to the stator, where the brush assemblies include brushes 248 and spring elements 250, which may be leaf springs, coil springs, pleats, or other types of compliant elements.
In der vorliegenden Erfindung kann der gesamte Rotor entlang der Drehachse B parallel verschoben werden, wodurch der Welle 236 eine Bewegung entlang der Achse B ermöglicht wird und dem Bedienknopf (oder anderen durch einen Benutzer bedienbaren Gegenstand), der an die Welle angeschlossen ist, die nötige Bewegung verschafft wird. Um diese Bewegung aufzunehmen, wurden einige der Bauteile des Aktuators modifiziert. Die Spaltweite zwischen den Kollektorstangen 244/Bürsteneinheiten 246 und den rückwärtigen Buchsen 2 3 8b wurde vergrößert, um die Bewegung des Rotors aufzunehmen. In einigen Ausführungsbeispielen (abhängig von der Größenordnung der axialen Translation) sollten die Kollektorstangen 244 verlängert werden, um einen stetigen Kontakt zwischen den Bürsten 248 und den Kollektorstangen 244 in allen Stellungen des Rotors zu gewährleisten. Falls große Bürsten verwendet werden, können die Bürsten 248 entlang der Achse B gekürzt werden, um alternativ (oder zusätzlich) die Axialbewegung des Rotors aufzunehmen.In the present invention, the entire rotor can be translated parallel along the axis of rotation B, thereby allowing the shaft 236 to move along the axis B and providing the necessary movement to the control knob (or other user-operable object) connected to the shaft. To accommodate this movement, some of the components of the actuator have been modified. The gap between the collector rods 244/brush units 246 and the rear bushings 238b has been increased to accommodate the movement of the rotor. In some embodiments (depending on the magnitude of the axial translation), the collector rods 244 should be lengthened to ensure consistent contact between the brushes 248 and the collector rods 244 in all positions of the rotor. If large brushes are used, the brushes 248 can be shortened along the axis B to alternatively (or additionally) accommodate the axial movement of the rotor.
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Die Magnete 234 können ebenfalls verlängert werden, wie in Fig. 6 gezeigt, z. B. in dem gezeigten Beispiel zu den Bürsteneinheiten hin verlängert werden, so daß sich der Anker an allen Positionen im Bereich der Axialbewegung des Rotors innerhalb des Magnetfeldes der Magnete 234 befindet. Falls sich ein Abschnitt des Ankers von den Magneten 234 heraus erstrecken dürfte, kann die Folge ein Drehmoment- oder Leistungsverlust der Drehmomentausgabe sein. Die Buchsen 238 sind vorzugsweise ein Buchsentyp von hoher Qualität, beispielsweise BronzeBuchsen, die ihre Qualität trotz des von der axialen Translation der Welle 236 ausgehenden Verschleißes über eine lange Zeit behalten.The magnets 234 may also be extended as shown in Fig. 6, e.g. in the example shown extended towards the brush units so that the armature is within the magnetic field of the magnets 234 at all positions in the range of axial movement of the rotor. If a portion of the armature is allowed to extend out from the magnets 234, a loss of torque or power of the torque output may result. The bushings 238 are preferably a high quality bushing type, for example bronze bushings, which will retain their quality over a long period of time despite the wear resulting from the axial translation of the shaft 236.
Falls ein Bedienknopf direkt an die Welle 236 gekoppelt ist, ermöglicht die Axialbewegung des Rotors die Abtastung des Bedienknopfes in einem linearen Freiheitsgrad parallel zur Achse B des Motors. Des weiteren kann das Drehmoment auf den Bedienknopf direkt durch Drehen der Welle 236 ausgegeben werden und ohne Einsatz einer nachgiebigen Kupplung überwältigende fühlbare Empfindungen an den Benutzer bereitstellen. Darüber hinaus sind die von der vorliegenden Erfindung geforderten Änderungen an einem serienmäßigen Motor einfach und preisgünstig, was eine leichte Herstellung der Motoren der vorliegenden Erfindung ermöglicht.If a control knob is coupled directly to shaft 236, the axial movement of the rotor allows the control knob to be scanned in a linear degree of freedom parallel to the B axis of the motor. Furthermore, torque can be applied to the control knob directly by rotating shaft 236, providing overwhelming tactile sensations to the user without the use of a compliant coupling. Furthermore, the modifications to a standard motor required by the present invention are simple and inexpensive, allowing the motors of the present invention to be easily manufactured.
Alternative Ausführungsformen können andere Implementierungen vorsehen, um eine Axialbewegung der Welle 236 bezüglich der anderen Abschnitte des Motors 230 zu ermöglichen. Zum Beispiel kann die Welle 236 sowohl im Hinblick auf den Rotor als auch den Stator des Motors axial fortschreitend verschoben werden, die bezüglich des Untergrunds oder einer Bezugsfläche ortsfest bleiben. In einem derartigen Ausführungsbeispiel kann die Welle 236 axial in einer Nut verschoben werden, die in der Mitte des Ankers 240 vorgesehen ist. Um die Drehung der Welle 236 durch den Anker zu ermöglichen, kann eine feste Verkeilung oder ein anderer Eingriffmechanismus verwendet werden. Zum Beispiel können eine zylindrische Welle und einAlternative embodiments may provide other implementations to allow axial movement of the shaft 236 with respect to the other portions of the motor 230. For example, the shaft 236 may be progressively axially translated with respect to both the rotor and the stator of the motor, which remain stationary with respect to the ground or a reference surface. In such an embodiment, the shaft 236 may be axially translated in a groove provided in the center of the armature 240. To allow rotation of the shaft 236 by the armature, a fixed key or other engagement mechanism may be used. For example, a cylindrical shaft and a
Ausschnitt einen Keil in einem bereitstellen, der in eine Nut in dem anderen Abschnitt eingreift. Oder ein hexagonaler oder anderer mehrseitiger Querschnitt der Welle kann an einem ähnlich geformten Ausschnitt angreifen. Solche Lösungen sind jedoch bei billigen Vorrichtungen wie dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel eher nicht so wünschenswert, da hierbei beträchtliche Änderungen an der Konstruktion vorhandener Motoren erforderlich sein können. Eine Federrückstellkraft auf der Welle 236 spannt die Welle vorzugsweise zur auseinandergezogenen Position. Diese Federrückstellkraft kann entweder intern und/oder extern sein. Zum Beispiel ist aufgrund der magnetischen Eigenschaften eine Eigen-Rückstellkraft auf dem Rotor bezüglich der Magnete bereitgestellt. Externe Bauteile wie Federn können ebenfalls verwendet werden.cutout may provide a key in one which engages a groove in the other section. Or a hexagonal or other multi-sided cross-section of the shaft may engage a similarly shaped cutout. However, such solutions are less desirable in low cost devices such as the embodiment shown in Fig. 6, as they may require significant changes to the design of existing motors. A spring return force on the shaft 236 preferably biases the shaft toward the extended position. This spring return force may be either internal and/or external. For example, due to the magnetic properties, an inherent return force is provided on the rotor with respect to the magnets. External components such as springs may also be used.
Fig. 7 ist eine Seiten-Querschnittansicht einer Vorrichtung 260, die den Motor 230 und einen an den Motor angeschlossenen Bedienknopf 26 einschließt. Zum Beispiel kann das Ausführungsbeispiel 80 gemäß Fig. 3a mit dem Aktuator 23 0 verwendet werden oder das Ausführungsbeispiel 50 gemäß Fig. 2. Die axial bewegliche Kraftabgabewelle 236 des Motors 230 ist starr mit dem Bedienknopf 26 verbunden, so daß der Bedienknopf 26 gedreht wird, wenn die Welle 236 gedreht wird. Der Bedienknopf 26 kann auch entlang der Achse B parallel verschoben werden; in dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Bedienknopf um eine Gesamtdistanz von 1,5 mm von der dargestellten obersten Stellung nach unten bewegt werden. In anderen Ausführungsbeispielen können andere Abstände vorgesehen sein.Fig. 7 is a side cross-sectional view of an apparatus 260 including the motor 230 and a control knob 26 connected to the motor. For example, the embodiment 80 of Fig. 3a may be used with the actuator 230, or the embodiment 50 of Fig. 2. The axially movable power output shaft 236 of the motor 230 is rigidly connected to the control knob 26 so that the control knob 26 is rotated when the shaft 236 is rotated. The control knob 26 may also be translated parallel along the axis B; in the embodiment shown, the control knob may be moved downward a total distance of 1.5 mm from the uppermost position shown. In other embodiments, other distances may be provided.
Die Vorrichtung 260 schließt auch vorzugsweise einen oder mehr Meßfühler zum Erfassen zumindest einer Position des Bedienknopfes 26 in seiner Linearachse ein. In dem Beispiel gemäß Fig. 7 ist der Meßfühler ein Schalter 262, der am entgegengesetzten Ende des Motors 23 0 zum Bedienknopf 26 angeordnet ist. Der Schalter ist ein Kontaktschalter, der sich schließt, wenn die Welle 236 auf den Schalter herunterdrückt,The device 260 also preferably includes one or more sensors for sensing at least one position of the control knob 26 in its linear axis. In the example of Fig. 7, the sensor is a switch 262 located at the opposite end of the motor 230 from the control knob 26. The switch is a contact switch that closes when the shaft 236 presses down on the switch.
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was dadurch verursacht wird, daß der Benutzer den Bedienknopf 26 um den erforderlichen Abstand herunterdrückt. Der Schalter ist an einen Mikroprozessor oder eine andere Steuerungseinheit gekoppelt, die auf diese Weise erfassen kann, wenn der Benutzer den Bedienknopf drückt, um eine Auswahl vorzunehmen oder den Betrieb des gesteuerten Geräts anderweitig zu beeinflussen. Der Schalter 2 62 kann in anderen Ausführungsbeispielen auch in Form von anderen Meßfühler- oder Schaltertypen verwirklicht sein, z. B. als optischer Meßfühler, magnetischer Meßfühler, Druckfühler oder anderer Meßfühleroder Schaltertyp.which is caused by the user depressing the control button 26 the required distance. The switch is coupled to a microprocessor or other control unit which can thus detect when the user depresses the control button to make a selection or otherwise affect the operation of the controlled device. The switch 2 62 may also be implemented in other embodiments in the form of other types of sensors or switches, e.g. as an optical sensor, magnetic sensor, pressure sensor or other type of sensor or switch.
In anderen Ausführungsbeispielen kann der Schalter an anderen Stellen der Vorrichtung 2 60 angeordnet sein. Zum Beispiel kann ein Schalter 264, der dem Schalter 262 ähnelt, auf der Oberseite des Gehäuses des Motors 230 und unter dem Bedienknopf 2 6 angeordnet sein. Wenn der Bedienknopf 2 6 von dem Benutzer heruntergedrückt wird, berührt die Unterseite 266 des Bedienknopfes den Schalter 264, um den Schalter zu schließen. Es können auch Mehrfach-Schalter 262 und 264 verwendet werden; beispielsweise können zwei Schalter 264 auf der Oberseite des Motors 23 0 angeordnet sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann ein Schalter an anderen Stellen vorgesehen sein, wie z. B. der Schalter 265.In other embodiments, the switch may be located at other locations on the device 260. For example, a switch 264 similar to switch 262 may be located on the top of the housing of the motor 230 and below the control knob 26. When the control knob 26 is depressed by the user, the bottom 266 of the control knob contacts the switch 264 to close the switch. Multiple switches 262 and 264 may also be used; for example, two switches 264 may be located on the top of the motor 230. In other embodiments, a switch may be provided at other locations, such as switch 265.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Position des Bedienknopfes (oder der Welle) in der Axialrichtung unter Verwendung eines Endlosreichweiten- oder Analogsensors abgetastet werden, und die lineare Axialposition kann von einem Mikroprozessor (oder einer anderen Steuerungseinheit) verwendet werden, um eine Proportionalsteuerung über einen Wert, einen rechnergenerierten Gegenstand oder eine andere Gerätefunktion zu liefern. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Bewegung parallel zur Achse B beispielsweise auch unter Verwendung eines Reibungsrollenaktuators oder linearen Aktuators aktiviert werden, was die Ausgabe unterschiedlicher Kraftempfindungen in dem linearen Freiheitsgrad ermöglicht, wie z. B. Federn,In some embodiments, the position of the control knob (or shaft) in the axial direction may be sensed using an endless range or analog sensor, and the linear axial position may be used by a microprocessor (or other control unit) to provide proportional control over a value, computer generated item, or other device function. In some embodiments, the motion parallel to the B axis may also be enabled using, for example, a friction roller actuator or linear actuator, allowing the output of different force sensations in the linear degree of freedom, such as springs,
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Dämpfung, Trägheit, Anschläge, Strukturen, Vibrationen, Rucke oder Impulse etc..Damping, inertia, impacts, structures, vibrations, jerks or impulses etc.
Obwohl die hierin offenbarten Ausführungsbeispiele auf Drehknöpfe bezogen sind, können auch andere durch einen Benutzer bedienbare Drehgegenstände an die Ubersetzungsaktuatorwelle der vorliegenden Erfindung angeschlossen sein. Zum Beispiel kann ein Joystick, Lenkrad, Billard-Queue, medizinisches Instrument oder ein anderes Griffstück anstelle eines Bedienknopfes vorgesehen sein.Although the embodiments disclosed herein relate to rotary knobs, other user-operable rotary objects may be connected to the transmission actuator shaft of the present invention. For example, a joystick, steering wheel, pool cue, medical instrument, or other handle may be provided in place of a control knob.
In anderen Ausführungsbeispielen kann ein Meßfühler zum Abtasten eines Positionsradius des Bedienknopfes 26 oder einer kontinuierlichen Bewegung des Bedienknopfes 2 6 linear entlang der Achse B vorgesehen sein. Zum Beispiel kann ein Hall-Effekt-Schalter auf dem Bedienknopf oder einem Anbauteil vorgesehen sein, der die Position der Welle 236 bezüglich eines fest angebrachten Magnets mißt. Oder ein optischer Meßfühler (wie z. B. eine Photodiode) oder eine andere Art Meßfühler kann die Position der Welle 236 und/oder des Bedienknopfes 26 erfassen. In so einem Ausführungsbeispiel kann die Stellung des Bedienknopfes entlang der Achse B eine Schreibmarken- bzw. Cursorposition oder Funktion oder Einstellung des gesteuerten Geräts proportional steuern. Zum Beispiel kann eine solche Bewegung die Lautstärke der Akustikausgabe des Geräts, die Bewegung eines Cursors über eine Anzeige oder die Helligkeit von Lichtquellen im Inneren eines Fahrzeugs steuern.In other embodiments, a sensor may be provided for sensing a position radius of the control knob 26 or a continuous movement of the control knob 26 linearly along the axis B. For example, a Hall effect switch may be provided on the control knob or an attachment that measures the position of the shaft 236 relative to a fixed magnet. Or an optical sensor (such as a photodiode) or other type of sensor may sense the position of the shaft 236 and/or the control knob 26. In such an embodiment, the position of the control knob along the axis B may proportionally control a cursor position or function or setting of the controlled device. For example, such movement may control the volume of the device's audio output, the movement of a cursor across a display, or the brightness of light sources inside a vehicle.
Zwischen den Bedienknopf und eine Basisfläche kann auch ein Federelement gekuppelt sein, um eine Rückstellkraft an den Bedienknopf bereitzustellen und den Bedienknopf zu einer Ausgangsstellung vorzuspannen, wenn der Benutzer genügend Druck von dem Bedienknopf wegnimmt.A spring element may also be coupled between the control button and a base surface to provide a restoring force to the control button and to bias the control button to an initial position when the user removes sufficient pressure from the control button.
Fig. 8 ist eine Perspektivansicht einer unterschiedlichen Ausführungsform 270 eines Mechanismus für die Bedienknopf-Schnittstellenvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die eine Axialbewegung des Bedienknopfes ermöglicht. DieFig. 8 is a perspective view of a different embodiment 270 of a mechanism for the control knob interface device of the present invention that allows axial movement of the control knob. The
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Ausführungsform 270 schließt Zahnräder ein, um die Drehbewegung abzufühlen und die fortschreitende Bewegung des Bedienknopfes zu ermöglichen. Der Bedienknopf 26 kann auf dem Bedienfeld auf der Vorderseite eines elektronischen Geräts oder Computerbausteins angeordnet sein, wie oben beschrieben. Um eine Eingabe an das elektronische Gerät zu liefern, kann der Bedienknopf vom Benutzer vorzugsweise um eine Achse Z gedreht werden. In anderen Ausführungsformen kann der Bedienknopf 26 eine andere Steuerung sein, wie z. B. eine Wählscheibe oder andere Arten von Griffstücken, wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen.Embodiment 270 includes gears to sense the rotational motion and facilitate progressive movement of the control knob. The control knob 26 may be located on the control panel on the front of an electronic device or computer package, as described above. To provide input to the electronic device, the control knob may be rotated by the user, preferably about an axis Z. In other embodiments, the control knob 26 may be another control, such as a dial or other types of handles, as in the embodiments described above.
Der Bedienknopf 26 ist starr mit einer ersten Welle 274 verbunden, die ein Zahnrad 276 aufweist, das an einem Abschnitt der Welle zwischen deren zwei Enden starr mit der Welle 274 verbunden ist. Alternativ kann das Zahnrad 276 direkt an dem Bedienknopf 26 befestigt oder um diesen herum angeordnet sein. Wenn der Benutzer den Bedienknopf 2 6 dreht, werden demzufolge auch die Welle 274 und das Zahnrad 276 gedreht. Die Welle 274 erstreckt sich von der anderen Seite des Zahnrads 276 aus und ist starr mit einem Ende einer körperlichen Feder oder Torsionskupplung 280 verbunden. Die Feder 280 ist starr an einer zweite Welle 278 am anderen Ende der Feder befestigt.The control knob 26 is rigidly connected to a first shaft 274 having a gear 276 rigidly connected to the shaft 274 at a portion of the shaft intermediate its two ends. Alternatively, the gear 276 may be attached directly to or disposed around the control knob 26. Consequently, when the user rotates the control knob 26, the shaft 274 and gear 276 are also rotated. The shaft 274 extends from the other side of the gear 276 and is rigidly connected to one end of a physical spring or torsion coupling 280. The spring 280 is rigidly attached to a second shaft 278 at the other end of the spring.
Die Feder 280 ermöglicht, daß die Welle 274 auf die Welle 278 zu- oder davon wegbewegt wird (wenn die Feder nicht ganz zusammengedrückt oder auseinandergezogen ist) und ermöglicht dadurch, daß der Bedienknopf 26, die Welle 274 und das Zahnrad 276 entlang der Z-Achse parallel verschoben werden. Die von der Feder bereitgestellte Federkraft verursacht eine Federrückholspannung auf den Bedienknopf 26, wenn der Bedienknopf 26 aus einer neutralen oder ursprünglichen Federposition heraus entlang der Z-Achse bewegt wird. Vorzugsweise ist in der Nähe des Bedienknopfes 2 6 eine Führung (nicht gezeigt) vorgesehen (wie z. B. an der Welle 274 direkt hinter dem Bedienknopf), um eine Bewegung des Bedienknopfes lotrecht zur Achse Z zu verhindern, die durch die Feder 280The spring 280 allows the shaft 274 to be moved toward or away from the shaft 278 (when the spring is not fully compressed or expanded) and thereby allows the control knob 26, shaft 274 and gear 276 to be translated in parallel along the Z axis. The spring force provided by the spring causes a spring return tension on the control knob 26 when the control knob 26 is moved along the Z axis from a neutral or original spring position. Preferably, a guide (not shown) is provided near the control knob 26 (such as on the shaft 274 directly behind the control knob) to prevent movement of the control knob perpendicular to the Z axis caused by the spring 280.
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erinöglicht wird. Eine derartige Führung kann z. B. ein Ausschnitt in einem Bedienfeld auf der Vorderseite eines Geräts sein, durch das sich die Welle 274 erstreckt. Auch körperliche Anschläge können in dem linearen Freiheitsgrad des Bedienknopfes vorgesehen sein, um den Bedienknopf auf einen gewünschten Translationsbewegungsbereich zu beschränken.Such a guide can be, for example, a cutout in a control panel on the front of a device through which the shaft 274 extends. Physical stops can also be provided in the linear degree of freedom of the control knob in order to restrict the control knob to a desired range of translational movement.
Die Feder 280 ermöglicht auch die Übertragung einer Drehbewegung zwischen der Welle 278 und der Welle 274 (und damit dem Bedienknopf 26 und dem Zahnrad 276). Die Feder 280 ist in Umfangsrichtung vorzugsweise starr und läßt keine Torsionsbewegung zu, so daß eine Rotation der Welle 278 durch den Aktuator 282 (nachstehend erörtert) ohne übermäßiges Spiel oder Federung so getreu wie möglich auf die Welle 274 und den Bedienknopf 26 übertragen wird. Für die Feder 280 können spiralförmige oder andere Arten von Federn oder andere Kupplungen verwendet werden, die eine Translation ermöglichen und eine Rotation übertragen können, wie z. B. ein Balg, eine spiralförmige elastische Verbindung oder eine Mitnehmerwelle im Inneren eines Nutenhohlraums. In wieder anderen Ausführungsbeispielen ist keine Feder 280 oder andere Kupplung vorgesehen, und die Welle 278 ist stattdessen in der Lage, axial bezüglich des Motors bewegt zu werden, um dem Bedienknopf eine Axialbewegung wie in dem oben in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel 230 zu ermöglichen. In alternativen Ausführungsformen kann die Bewegung entlang der Achse Z unter Verwendung eines Aktuators aktiviert werden, um Kräfte im linearen Freiheitsgrad auszugeben, wie z. B. mit einem linearen Aktuator oder einem rotierenden Aktuator, dessen Rotationsausgabe in eine lineare Richtung übersetzt wird. Ein derartiger Aktuator kann ein Motor, ein Schwingspulenaktuator, eine passive Bremse etc. sein.Spring 280 also allows rotational motion to be transmitted between shaft 278 and shaft 274 (and hence control knob 26 and gear 276). Spring 280 is preferably circumferentially rigid and does not allow torsional motion so that rotation of shaft 278 is transmitted to shaft 274 and control knob 26 by actuator 282 (discussed below) as faithfully as possible without excessive play or springiness. Spring 280 may utilize helical or other types of springs or other couplings that allow translation and can transmit rotation, such as a bellows, a helical elastic connection, or a drive shaft inside a grooved cavity. In still other embodiments, no spring 280 or other coupling is provided, and instead the shaft 278 is capable of being moved axially with respect to the motor to allow the control knob to move axially as in the embodiment 230 shown above in Figure 6. In alternative embodiments, the movement along the Z axis may be enabled using an actuator to output forces in the linear degree of freedom, such as with a linear actuator or a rotary actuator whose rotational output is translated into a linear direction. Such an actuator may be a motor, a voice coil actuator, a passive brake, etc.
In anderen Ausführungsbeispielen können andere Kupplungen zwischen der Welle 274 und der Welle 278 verwendet werden, die eine Gleitbewegung ermöglichen und dennoch die Übertragung einer Drehbewegung von der Welle 278 auf die Welle 274In other embodiments, other couplings may be used between the shaft 274 and the shaft 278 that allow sliding movement and yet allow the transmission of rotary motion from the shaft 278 to the shaft 274.
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erlauben, wie auf dem Fachgebiet der Mechanik gut bekannt ist. In einigen Ausführungsformen kann das Zahnrad 276 selbst so lang sein (parallel zur Z-Achse), daß es als Kupplung wirkt und der Welle 278 die Bewegung um eine gewünschte Distanz bezüglich des Zahnrads 276 und der Welle 274 gestattet. Das Innere der Kupplung, wie z. B. die zentrale Zahnradöffnung, kann eine Verzahnung oder andere Struktur aufweisen, um mit Zähnen auf der Welle 278 zusammenzuwirken, so daß eine Translationsbewegung ermöglicht und dabei gleichzeitig noch eine Drehbewegung übertragen wird.as is well known in the mechanical arts. In some embodiments, the gear 276 itself may be long enough (parallel to the Z axis) to act as a clutch and allow the shaft 278 to move a desired distance relative to the gear 276 and shaft 274. The interior of the clutch, such as the central gear opening, may include gearing or other structure to engage with teeth on the shaft 278 to allow translational motion while still transmitting rotational motion.
Die Welle 278 ist starr an einen feststehenden Aktuator 282 gekoppelt, der dazu dient, eine Rotationskraft auf die Welle 278 und somit eine Rotationskraft auf den Bedienknopf 26 auszugeben. Der Aktuator 282 liefert Kräfte, die basierend auf Steuersignalen von einem Computerbaustein mit einem Mikroprozessor oder einer anderen Steuerungseinheit computermoduliert sind. Der Aktuator 282 kann ein aktiver Aktuator sein, wie z. B. ein Gleichstrommotor, Schwingspulenaktuator oder anderer Motortyp/ oder der Aktuator kann ein passiver Aktuator sein, wie z. B. eine Bremse oder ein passiver Fluidaktuator. Eine Vielfalt von Kraftempfindungen kann auf den Bedienknopf ausgegeben werden, wie weiter unten beschrieben.The shaft 278 is rigidly coupled to a fixed actuator 282 which serves to output a rotational force to the shaft 278 and thus a rotational force to the control button 26. The actuator 282 provides forces that are computer modulated based on control signals from a computer chip with a microprocessor or other control unit. The actuator 282 may be an active actuator, such as a DC motor, voice coil actuator, or other type of motor, or the actuator may be a passive actuator, such as a brake or a passive fluid actuator. A variety of force sensations may be output to the control button, as described further below.
Ein Codiererzahnrad 290 ist drehbar mit einer Stützfläche verbunden und direkt neben dem Zahnrad 276 angeordnet. Das Codiererzahnrad 290 weist eine Verzahnung auf, die mit den Zähnen des Zahnrads 276 in Eingriff ist, so daß eine Drehbewegung des Zahnrads 276 eine Rotation des Codiererzahnrads 290 um eine Achse A verursacht. In einigen Ausführungsbeispielen können andere Übertragungsvorrichtungen zum Übertragen der Rotation von der Welle 274 auf die Welle verwendet werden; beispielsweise kann ein Reibungsantriebssystem verwendet werden, am liebsten, wenn es eine Translation der zwei in Reibung gehaltenen Elemente ermöglicht; demzufolge kann Hartgummi oder ein ähnlichesAn encoder gear 290 is rotatably connected to a support surface and disposed directly adjacent to the gear 276. The encoder gear 290 has a toothing that engages the teeth of the gear 276 such that rotation of the gear 276 causes rotation of the encoder gear 290 about an axis A. In some embodiments, other transmission devices may be used to transmit rotation from the shaft 274 to the shaft; for example, a friction drive system may be used, preferably if it allows translation of the two frictionally held elements; thus, hard rubber or a similar
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Material verwendet werden. Alternativ kann eine Riementriebübertragung verwendet werden, wobei anstelle des Codiererzahnrads 290 eine kleine Riemenscheibe mit geringem Abstand von der großen Riemenscheibe anstelle des Zahnrads 276 angeordnet ist und zwischen den Riemenscheiben ein Riemen geführt ist. Es kann ein O-Ring-Riemen verwendet werden, so daß die Translation der großen Riemenscheibe bezüglich der kleinen Riemenscheibe das Funktionieren des Riementriebs nicht durcheinanderbringt.material may be used. Alternatively, a belt drive transmission may be used, in which a small pulley is arranged at a small distance from the large pulley in place of the encoder gear 290 in place of the gear 276 and a belt is guided between the pulleys. An O-ring belt may be used so that the translation of the large pulley with respect to the small pulley does not disturb the functioning of the belt drive.
Eine Codiererwelle 292 ist starr am Boden und dem Codiererzahnrad 290 befestigt und erstreckt sich durch das Codiererzahnrad hindurch. An das Codiererzahnrad ist ein Meßfühler 293 angeschlossen, um die Drehbewegung des Zahnrads 290 zu erfassen und damit die Kreisbewegung des Zahnrads 276 und des Bedienknopfes 26 zu erfassen (wobei die Kreisbewegung des Zahnrads 276 durch den Benutzer und/oder den Aktuator 282 veranlaßt wird). Der Meßfühler 293 liefert ein oder mehr Signale an die Mikrosteuerungseinheit, um die relative Bewegung des Zahnrads 290 und damit des Bedienknopfes 26 anzuzeigen. Der Meßfühler 293 schließt ein Codescheibenrad 294 ein, das starr mit der Welle 292 verbunden ist und sich in Verbindung mit dem Zahnrad 290 dreht. Der Meßfühler 293 weist auch eine feststehende Emitter/Detektor-Anordnung 296 auf, die so angeordnet ist, daß ein Rand des Scheibenrads 294 zwischen zumindest einem Emitter und zumindest einem Detektor der Anordnung 296 umläuft. Das Scheibenrad weist Nuten oder Markierungen auf, die erfaßt werden können, wenn sie sich an dem Emitter/Detektor vorbeidrehen. Dieser Typus einer optischen Codiereinrichtung ist Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwei oder mehr Detektoren in der Anordnung 296 vorgesehen, um eine Quadraturabtastung oder ähnliches zu ermöglichen, was eine Abtastung der Bewegungsrichtung erlaubt. Alternativ können andere Meßfühlertypen verwendet werden, die die Bewegung eines Scheibenrads oder einer Welle abfühlen können, z. B. ein analoges Potentiometer.An encoder shaft 292 is rigidly attached to the base and encoder gear 290 and extends through the encoder gear. A sensor 293 is connected to the encoder gear to sense the rotational movement of gear 290 and thereby sense the circular movement of gear 276 and control knob 26 (the circular movement of gear 276 being initiated by the user and/or actuator 282). Sensor 293 provides one or more signals to the microcontroller to indicate the relative movement of gear 290 and thereby control knob 26. Sensor 293 includes a code disk wheel 294 which is rigidly connected to shaft 292 and rotates in conjunction with gear 290. The sensor 293 also includes a fixed emitter/detector assembly 296 arranged so that an edge of the disk wheel 294 rotates between at least one emitter and at least one detector of the assembly 296. The disk wheel has grooves or markings which can be sensed as they rotate past the emitter/detector. This type of optical encoder is well known to those skilled in the art. In a preferred embodiment, two or more detectors are provided in the assembly 296 to enable quadrature sensing or the like, allowing sensing of the direction of movement. Alternatively, other types of sensors which can sense the movement of a disk wheel or shaft, such as an analog potentiometer, may be used.
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Wenn der Bedienknopf 26 parallel verschoben wird, werden das Zahnrad 276 und das Codiererzahnrad 290 parallel zueinander verschoben, z. B. wird in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel das Zahnrad 276 im Hinblick auf das Codiererzahnrad 290 bewegt oder verschoben, das entlang der Z-Achse befestigt ist. Durch die ineinandergreifende Verzahnung der zwei Zahnräder ist diese Translation der Zahnräder möglich, aber es ist auch die Übertragung einer Drehbewegung von einem Zahnrad auf das andere möglich (solange zumindest ein Abschnitt der Z-Achsenlänge der Zähne beider Zahnräder verzahnt sind). Dies macht es möglich, daß der Meßfühler 293 im Hinblick auf den Bedienknopf 26 feststehend angeordnet ist und trotzdem noch die Kreisbewegung des Bedienknopfes 2 6 mißt.When the control knob 26 is translated in parallel, the gear 276 and the encoder gear 290 are translated in parallel with each other, e.g. in the embodiment described, the gear 276 is moved or translated with respect to the encoder gear 290 which is fixed along the Z axis. The intermeshing of the two gears allows this translation of the gears, but also the transmission of a rotary motion from one gear to the other is possible (as long as at least a portion of the Z axis length of the teeth of both gears are intermeshed). This makes it possible for the sensor 293 to be fixed with respect to the control knob 26 and still measure the circular motion of the control knob 26.
Vorzugsweise kann der Benutzer den Bedienknopf 2 6 zum Aktuator 282 hindrücken, um einen Meßfühler zu aktivieren und ein Tasten- oder Einschaltsignal einzugeben. Zur Betätigung dieses Merkmals kann in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein elektrischer Schalter wie der Kontakt 297 in der Bahn des Bedienknopfes 2 6 oder Zahnrads 27 6 vorgesehen sein. Beispielsweise ist der Kontakt 297 an Masse angeschlossen und wird gegen einen anderen Kontakt gepreßt, wenn der Bedienknopf 26 an dem Kontakt 297 angreift und ihn drückt. Dies sendet ein Signal an die leitende Mikrosteuerungseinheit oder andere Schaltung. Der Benutzer kann also den Bedienknopf 26 drücken, um das Kontaktsignal zu aktivieren und dadurch eine Selektionseingabe an das elektronische Gerät tätigen oder eine sonstige Eingabe an die elektronische Vorrichtung liefern.Preferably, the user can depress the control button 26 toward the actuator 282 to activate a sensor and input a key or power-on signal. To actuate this feature, in the embodiment described, an electrical switch such as contact 297 may be provided in the path of the control button 26 or gear 276. For example, the contact 297 is connected to ground and is pressed against another contact when the control button 26 engages and depresses the contact 297. This sends a signal to the conductive microcontroller or other circuitry. Thus, the user can depress the control button 26 to activate the contact signal and thereby provide a selection input to the electronic device or other input to the electronic device.
In anderen Ausführungsbeispielen können andere Meßfühlertypen verwendet werden, um eine bestimmte Position des Bedienknopfes im linearen Freiheitsgrad entlang der Achse Z zu erfassen oder eine kontinuierliche Linearbewegung entlang der Achse Z abzutasten. Beispielsweise kann ein optischer Meßfühler einen Detektorstreifen parallel zur Arbeitsbewegung des Bedienknopfes verwenden, um eine bestimmte Position eines Punktes oder einer Fläche auf dem Bedienknopf (oder dem Zahnrad oder derIn other embodiments, other types of sensors may be used to detect a specific position of the control knob in the linear degree of freedom along the Z axis or to sense a continuous linear movement along the Z axis. For example, an optical sensor may use a detector strip parallel to the operating movement of the control knob to detect a specific position of a point or surface on the control knob (or gear or
Welle 274) zu erfassen, der/die einen Strahl emittiert oder reflektiert, der von dem Detektorstreifen erfaßt wird.wave 274) that emits or reflects a beam that is detected by the detector strip.
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines elektromechanischen Systems 3 00, das zur Verwendung mit der durch einen Bedienknopf der vorliegenden Erfindung gesteuerten Vorrichtung geeignet ist. Ein haptisches Feedbacksystem, das viele der nachstehenden Bauteile aufweist, ist im Patent Nr. 5,734,373 im einzelnen beschrieben, das durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin aufgenommen wird.Fig. 9 is a block diagram illustrating an electromechanical system 300 suitable for use with the control knob controlled device of the present invention. A haptic feedback system including many of the following components is described in detail in Patent No. 5,734,373, which is incorporated herein by reference in its entirety.
In einem Ausführungsbeispiel schließt die gesteuerte Vorrichtung einen elektronischen Abschnitt mit einem örtlichen Mikroprozessor 302, einem örtlichen Taktgeber 304, einem örtlichen Speicher 306, einer Sensorschnittstelle 308 und einer Aktuatorschnittstelle 310 ein.In one embodiment, the controlled device includes an electronics portion having a local microprocessor 302, a local clock 304, a local memory 306, a sensor interface 308, and an actuator interface 310.
Der örtliche Mikroprozessor 3 02 wird als "örtlich" zu der Vorrichtung angesehen, wobei "örtlich" sich hierin darauf bezieht, daß der Prozessor 302 ein von allen anderen Mikroprozessoren abgetrennter Mikroprozessor ist, wie z. B. in einem leitenden Host-Computer (siehe unten), und sich darauf bezieht, daß der Prozessor 302 für die Kraftrückkopplung und/oder Meßfühler-Ein-Ausgabe für den Bedienknopf 2 6 reserviert ist. In Force-Feedback-Ausführungsbeispielen liest der Mikroprozessor 302 Sensorsignale und kann entsprechende Kräfte aus diesen Sensorsignalen, Zeitsignalen und Kraftabläufen berechnen, die in Übereinstimmung mit einem Host-Steuerbefehl ausgewählt werden, und entsprechende Steuersignale an den Aktuator ausgeben. Geeignete Mikroprozessoren zur Verwendung als örtlicher Mikroprozessor 3 02 sind u. a. beispielsweise der 8X930AX von der Firma Intel, der MC68HC711E9 von Motorola und der PIC16C74 von Microchip. Der Mikroprozessor 302 kann einen Mikroprozessorchip oder Mehrfachprozessoren und/oder Coprozessorchips aufweisen sowie eine Digitalsignalprozessor-(DSP)-Funktionsvielfalt aufweisen. Es können auch separate Steuerungseinheiten vorgesehen sein, dieThe local microprocessor 302 is considered to be "local" to the device, where "local" herein refers to the processor 302 being a separate microprocessor from all other microprocessors, such as in a host computer (see below), and refers to the processor 302 being dedicated to force feedback and/or sensor input/output for the control knob 26. In force feedback embodiments, the microprocessor 302 reads sensor signals and can calculate appropriate forces from these sensor signals, timing signals and force sequences selected in accordance with a host control command and output appropriate control signals to the actuator. Suitable microprocessors for use as the local microprocessor 302 include, for example, the 8X930AX from Intel, the MC68HC711E9 from Motorola, and the PIC16C74 from Microchip. The microprocessor 302 may comprise a microprocessor chip or multiple processors and/or coprocessor chips and may have a digital signal processor (DSP) functionality. Separate control units may also be provided which
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für die Berechnung von Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder anderen kraftbezogen Daten reserviert sind. Alternativ können feste digitale Logik- und/oder Statusmaschinen zur Bereitstellung einer ähnlichen Funktionsvielfalt verwendet werden.reserved for calculating speed, acceleration and/or other force-related data. Alternatively, fixed digital logic and/or state machines can be used to provide a similar range of functions.
Ein örtlicher Taktgeber 304 kann zur Lieferung von Taktdaten an den Mikroprozessor 302 angeschlossen sein, beispielsweise um Kräfte zu berechnen, die von einem Aktuator 316 ausgegeben werden sollen. Der örtliche Speicher 3 06, beispielsweise ein RAM und/oder ROM, ist vorzugsweise an den Mikroprozessor 302 angeschlossen, um Befehle für den Mikroprozessor 302 als temporäre Daten zu speichern. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Anzeige 14 an den örtlichen Mikroprozessor 302 angeschlossen sein. Alternativ kann ein unterschiedlicher Mikroprozessor oder eine andere Steuerungseinheit die Ausgabe an die Anzeige 14 steuern.A local clock 304 may be coupled to the microprocessor 302 for providing clock data, for example, to calculate forces to be output by an actuator 316. The local memory 306, for example, a RAM and/or ROM, is preferably coupled to the microprocessor 302 for storing instructions for the microprocessor 302 as temporary data. In some embodiments, the display 14 may be coupled to the local microprocessor 302. Alternatively, a different microprocessor or other control unit may control the output to the display 14.
Wahlweise kann die Sensorschnittstelle 3 08 enthalten sein, um Sensorsignale in Signale umzusetzen, die vom Mikroprozessor interpretiert werden können. Beispielsweise kann die Sensorschnittstelle 308 Signale von einem Digitalsensor wie einer Codiereinrichtung empfangen und die Signale in eine digitale Binärzahl umsetzen. Es kann auch ein Analog-Digital-Wandler (ADC) verwendet werden. Alternativ kann der Mikroprozessor 3 02 diese Schnittstellenfunktionen durchführen* Die Aktuatorschnittstelle 310 kann fakultativ zwischen den Aktuator und den Mikroprozessor 302 geschaltet werden, um Signale vom Mikroprozessor 302 in Signale umzusetzen, die zum Antreiben der Aktuatoren geeignet sind. Die Aktuatorschnittstelle 310 kann Leistungsverstärker, Schalter, Digital-Analog-Steuereinrichtungen (DAC), und andere Komponenten aufweisen. In alternativen Ausführungsformen kann die Schaltung mit der Aktuatorschnittstelle 310 im Mikroprozessor 3 02 oder in dem/den Aktuator(en) vorgesehen sein. Eine Stromversorgung 312 kann elektrische Leistung liefern, oder die Leistung kann dem Aktuator 316 und allenOptionally, the sensor interface 308 may be included to convert sensor signals into signals that can be interpreted by the microprocessor. For example, the sensor interface 308 may receive signals from a digital sensor such as an encoder and convert the signals into a digital binary number. An analog-to-digital converter (ADC) may also be used. Alternatively, the microprocessor 302 may perform these interface functions.* The actuator interface 310 may optionally be connected between the actuator and the microprocessor 302 to convert signals from the microprocessor 302 into signals suitable for driving the actuators. The actuator interface 310 may include power amplifiers, switches, digital-to-analog controllers (DACs), and other components. In alternative embodiments, the circuitry comprising the actuator interface 310 may be provided in the microprocessor 302 or in the actuator(s). A power supply 312 may provide electrical power, or the power may be provided to the actuator 316 and all
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anderen Komponenten durch einen Schnittstellenbus zugeführt werden.other components via an interface bus.
Der mechanische Teil des Systems kann einige oder alle Bauteile enthalten, die zur Drehbewegung des Bedienknopfes 26, Querbewegung des Bedienknopfes 26, Druck- und/oder Zugbewegung des Bedienknopfes 26 und haptischen Rückkopplung in irgendeinem oder allen dieser Freiheitsgrade des Bedienknopfes benötigt werden, wie oben beschrieben. Meßfühler 314 fühlen die Position, Bewegung und/oder andere Eigenschaften des Bedienknopfes 26 entlang einem oder mehr Freiheitsgraden ab und liefern Signale an den Mikroprozessor 302, die diese Merkmale darstellende Informationen enthalten. Typischerweise ist ein Meßfühler 314 für jeden Freiheitsgrad vorgesehen, an dem der Bedienknopf 26 entlangbewegt werden kann, oder es kann ein einziger zusammengesetzter Meßfühler für mehrfache Freiheitsgrade verwendet werden. Beispiele geeigneter Meßfühler sind u. a. optische Codiereinrichtungen, analoge Meßfühler wie Potentiometer, Hall-Effekt-Magnetsensoren, optische Meßfühler wie Seitenwirkung-Photodioden, Tachometer und Beschleunigungsmesser. Es können entweder absolute oder relative Meßfühler verwendet werden.The mechanical portion of the system may include some or all of the components needed to provide rotational movement of the control knob 26, transverse movement of the control knob 26, push and/or pull movement of the control knob 26, and haptic feedback in any or all of these degrees of freedom of the control knob, as described above. Sensors 314 sense the position, movement, and/or other characteristics of the control knob 26 along one or more degrees of freedom and provide signals to the microprocessor 302 containing information representative of these characteristics. Typically, one sensor 314 is provided for each degree of freedom along which the control knob 26 can be moved, or a single composite sensor may be used for multiple degrees of freedom. Examples of suitable sensors include optical encoders, analog sensors such as potentiometers, Hall effect magnetic sensors, optical sensors such as side-effect photodiodes, tachometers, and accelerometers. Either absolute or relative sensors can be used.
In diesen Ausführungsbeispielen mit Kraftrückkopplung überträgt/übertragen (ein) Aktuator(en) 316 Kräfte an den Bedienknopf 26 in einer oder mehr Richtungen in einem Rotationsfreiheitsgrad unter Ansprechen auf vom Mikroprozessor 302 oder einer anderen elektronischen Logik oder Vorrichtung ausgegebene Signale, d. h. er ist "elektronisch gesteuert." Der Aktuator 316 erzeugt elektronisch modulierte Kräfte, was bedeutet, daß der Mikroprozessor 302 oder ein anderes elektronisches Gerät die Anlegung der Kräfte steuert. Typischerweise ist ein oder mehr Aktuatoren 316 für jeden Bedienknopf 26 vorgesehen, der eine Force-Feedback-Funktionsvielfalt aufweist. In einigen Ausführungsbeispielen können auch zusätzlich Aktuatoren für die anderen Freiheitsgrade des Bedienknopfes 26 vorgesehen sein, wie z. B.In these force feedback embodiments, actuator(s) 316 impart forces to the control knob 26 in one or more directions in a rotational degree of freedom in response to signals output by the microprocessor 302 or other electronic logic or device, i.e., it is "electronically controlled." The actuator 316 generates electronically modulated forces, meaning that the microprocessor 302 or other electronic device controls the application of the forces. Typically, one or more actuators 316 are provided for each control knob 26 that has a force feedback capability. In some embodiments, additional actuators may also be provided for the other degrees of freedom of the control knob 26, such as
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die Querbewegung des Bedienknopfes 2 6 und/oder die Druck- oder Zugbewegung des Bedienknopfes. Der Aktuator 316 kann ein aktiver Aktuator, wie z. B. ein Gleichstrommotor, linearer Stromsteuermotor, Schrittmotor, aktiver Pneumatik-/ Hydraulikaktuator, ein Drehmomenterzeuger (Motor mit beschränktem Winkelbereich), Schwingspulenaktuator etc. sein. Es können auch passive Aktuatoren verwendet werden, darunter Magnetpulverbremsen, Reibungsbremsen oder passive Pneumatik-/ Hydraulikaktuatoren, und einen Dämpfungswiderstand oder Reibung in einem Bewegungsgrad erzeugen.the transverse movement of the control knob 26 and/or the push or pull movement of the control knob. The actuator 316 may be an active actuator such as a DC motor, linear current control motor, stepper motor, active pneumatic/hydraulic actuator, torque generator (limited angle motor), voice coil actuator, etc. Passive actuators may also be used, including magnetic powder brakes, friction brakes, or passive pneumatic/hydraulic actuators, and create a damping resistance or friction in a degree of movement.
Zum Übersetzen der Bewegung des Bedienknopfes 26 in eine Form, die von Meßfühlern 314 gelesen werden kann und, in den Ausführungsbeispielen mit Kraftrückkopplung, zum Übertragen von Kräften vom Aktuator 316 zum Bedienknopf 26 wird ein Mechanismus 318 verwendet. Beispiele für den Mechanismus 318 sind oben gezeigt. Auch ein Antriebsmechanismus wie ein Riementrieb, Zahnradgetriebe oder Capstan-Antriebsmechanismus kann verwendet werden, um den vom Aktuator 316 ausgegebenen Kräften einen Arbeitsgewinn zu verschaffen.A mechanism 318 is used to translate the movement of the control knob 26 into a form that can be read by sensors 314 and, in the force feedback embodiments, to transmit forces from the actuator 316 to the control knob 26. Examples of the mechanism 318 are shown above. A drive mechanism such as a belt drive, gear drive or capstan drive mechanism may also be used to provide work gain to the forces output by the actuator 316.
Es können auch andere Eingabevorrichtungen 320 enthalten sein, um Eingabesignale an den Mikroprozessor 302 zu senden. Solche Eingabevorrichtungen können Tasten oder andere Steuerungen einschließen, die zum Ergänzen der Eingabe von dem Bedienfeld (Panel) an das gesteuerte Gerät verwendet werden. Ferner können auch Wählscheiben, Schalter, Hardware zur Spracherkennung (z. B. ein Mikrophon mit vom Mikroprozessor 302 implementierter Software) oder andere Eingabemechanismen zum Bereitstellen einer Eingabe an den Mikroprozessor 3 02 oder den Aktuator 316 eingeschlossen sein. In einigen Ausführungsformen kann auf oder neben dem Bedienknopf ein Sicherheitsschalter 322 enthalten sein, um ein Aufhören der Kraftausgabe zu veranlassen, wenn der Benutzer den Bedienknopf nicht wunschgemäß berührt, um zu verhindern, daß sich der Bedienknopf von selbst dreht, wenn der Benutzer ihn nicht berührt.Other input devices 320 may also be included to send input signals to the microprocessor 302. Such input devices may include buttons or other controls used to supplement the input from the control panel to the controlled device. Dials, switches, voice recognition hardware (e.g., a microphone with software implemented by the microprocessor 302), or other input mechanisms for providing input to the microprocessor 302 or the actuator 316 may also be included. In some embodiments, a safety switch 322 may be included on or adjacent to the control knob to cause the force output to cease if the user does not touch the control knob as intended, to prevent the control knob from rotating on its own when the user is not touching it.
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In einigen Ausführungsformen kann ein anderer Mikroprozessor 324 zur Kommunikation mit dem örtlichen Mikroprozessor 302 enthalten sein. Die Mikroprozessoren 302 und 324 sind vorzugsweise durch einen bidirektionalen Bus 326 zusammengekoppelt. Es können auch zusätzliche elektronische Komponenten zur Kommunikation über Standardprotokolle auf dem Bus 32 6 eingeschlossen sein. Diese Komponenten können in der Vorrichtung oder einem anderen angeschlossenen Gerät enthalten sein. Der Bus 326 kann ein beliebiger aus einer Vielfalt von unterschiedlichen Datenübertragungsbussen sein; so kann z. B. ein serieller oder paralleler bidirektionaler Bus, eine drahtlose Verbindung, eine Netzwerkarchitektur (wie z. B. CANBus) oder ein unidirektionaler Bus verwendet werden.In some embodiments, another microprocessor 324 may be included for communicating with the local microprocessor 302. The microprocessors 302 and 324 are preferably coupled together by a bidirectional bus 326. Additional electronic components may also be included for communicating via standard protocols on the bus 326. These components may be included in the device or other connected equipment. The bus 326 may be any of a variety of different data transmission buses; for example, a serial or parallel bidirectional bus, a wireless connection, a network architecture (such as CANBus), or a unidirectional bus may be used.
Der andere Mikroprozessor 324 kann ein separater Mikroprozessor in einem anderen Gerät oder System sein, der Operationen oder Funktionen mit der gesteuerten Vorrichtung koordiniert. Zum Beispiel kann der andere Mikroprozessor 324 in einem separaten Teilsteuersystem in einem Fahrzeug oder Haus vorgesehen sein, wobei der andere Mikroprozessor das Temperatursystem in dem Wagen oder Haus oder die Position von mechanischen Teilen (Wagenspiegel, Sitze, Garagentor etc.) oder eine zentrale Anzeigevorrichtung steuert, die Informationen von verschiedenen Systemen anzeigt. Oder der andere Mikroprozessor 3 24 kann eine zentralisierte Steuerungseinheit für viele Systeme sein, die die gesteuerte Vorrichtung aufweisen. Die zwei Mikroprozessoren 302 und 324 können Informationen austauschen, wie sie benötigt werden, um die Steuerung verschiedener Systeme zu erleichtern, Ereignismitteilungen an den Benutzer auszugeben etc.. Wenn der andere Mikroprozessor 324 beispielsweise bestimmt hat, daß sich das Fahrzeug überhitzt, kann der andere Mikroprozessor 324 diese Information dem örtlichen Mikroprozessor 3 02 übermitteln, der dann eine bestimmte Signalmeldung auf der Anzeige 14 ausgeben kann, um den Benutzer zu warnen. Oder falls der Bedienknopf 2 6 die Möglichkeit unterschiedlicher Betriebssteuerarten hat, dann kann der andere Mikroprozessor 324 eine unterschiedliche Betriebsart steuern.The other microprocessor 324 may be a separate microprocessor in another device or system that coordinates operations or functions with the controlled device. For example, the other microprocessor 324 may be provided in a separate sub-control system in a vehicle or home, where the other microprocessor controls the temperature system in the car or home, or the position of mechanical parts (car mirrors, seats, garage door, etc.), or a central display device that displays information from various systems. Or, the other microprocessor 324 may be a centralized control unit for many systems that include the controlled device. The two microprocessors 302 and 324 can exchange information as needed to facilitate control of various systems, provide event notifications to the user, etc. For example, if the other microprocessor 324 has determined that the vehicle is overheating, the other microprocessor 324 can communicate this information to the local microprocessor 302, which can then provide a particular signal message on the display 14 to alert the user. Or, if the control button 26 has the capability of different modes of operation control, then the other microprocessor 324 can control a different mode of operation.
Wenn also der Bedienknopf 26 in der Lage ist, sowohl die Ton-Stereoausgabe zu steuern als auch die Temperatursteuerung durchzuführen, dann kann der örtliche Mikroprozessor 3 02 die Tonfunktionen abhandeln, aber alle Bedienknopf-Meßfühlerdaten an den anderen Mikroprozessor 324 abgeben, um die Temperatursystemeinstellungen zu steuern, wenn die Vorrichtung im Temperatursteuerungsmodus ist.Thus, if the control knob 26 is capable of controlling both the audio stereo output and performing temperature control, then the local microprocessor 302 can handle the audio functions but pass all control knob sensor data to the other microprocessor 324 to control the temperature system settings when the device is in the temperature control mode.
In anderen Ausführungsformen kann der andere Mikroprozessor beispielsweise ein Host-Mikroprozessor sein, der dem örtlichen Mikroprozessor 202 befiehlt, Kraftempfindungen auszugeben, indem er Host-Steuerbefehle an den örtlichen Mikroprozessor sendet. Der Host-Mikroprozessor kann ein einzelner Prozessor sein oder in einem Rechner wie einem Personalcomputer, einem Arbeitsplatzrechner (Workstation), einer Videospielkonsole, einem mobilen Computer oder einer anderen Rechen- oder Anzeigevorrichtung, einem Aufsetzkasten, einem "Netzrechner" etc. vorgesehen sein. Neben dem Mikroprozessor 224 kann der Host-Computer einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festspeicher (ROM), eine Ein-Ausgabe-(I/O)-Schaltung und andere Komponenten von Rechnern einschließen, die Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt sind. Der Host-Prozessor kann ein Host-Anwendungsprogramm implementieren, mit dem ein Benutzer unter Verwendung des Bedienknopfes 2 6 und/oder anderer Steuerungen und Peripheriegeräte in Dialog tritt. Das Host-Anwendungsprogramm kann auf Signale vom Bedienknopf 2 6 ansprechen, wie z. B. die Querbewegung des Bedienknopfes, die Druck- oder Zugbewegung und die Drehung des Bedienknopfes (z. B. kann der Bedienknopf 26 auf einer Spielesteuerungseinheit oder einer Schnittstellenvorrichtung wie einer Spielunterlage, einem Joystick, einem Lenkrad oder einer Maus vorgesehen sein, die an den Host-Computer angeschlossen ist). In Force-Feedback-Ausführungsbeispielen kann das Host-Anwendungsprogramm Force-Feedback-Steuerbefehle an den örtlichen Mikroprozessor 202 und den Bedienknopf 26 ausgeben. In einem Host-Prozessor-Ausführungsbeispiel oder einer anderen ähnlichen Ausführungsform kann derIn other embodiments, the other microprocessor may, for example, be a host microprocessor that commands the local microprocessor 202 to output force sensations by sending host control commands to the local microprocessor. The host microprocessor may be a single processor or may be included in a computer such as a personal computer, workstation, video game console, mobile computer or other computing or display device, set-top box, "network computer," etc. In addition to the microprocessor 224, the host computer may include random access memory (RAM), read only memory (ROM), input/output (I/O) circuitry, and other computer components well known to those skilled in the art. The host processor may implement a host application program with which a user may interact using the control knob 26 and/or other controls and peripherals. The host application program may respond to signals from the control knob 26, such as, for example, a command to output force sensations. B. the transverse movement of the control button, the push or pull movement, and the rotation of the control button (e.g., the control button 26 may be provided on a game controller or an interface device such as a game pad, joystick, steering wheel, or mouse connected to the host computer). In force feedback embodiments, the host application program may issue force feedback control commands to the local microprocessor 202 and the control button 26. In a host processor embodiment or other similar embodiment, the
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Mikroprozessor 202 mit Softwarebefehlen ausgestattet sein, so daß er auf Steuerbefehle oder Anfragen von dem Host-Prozessor wartet, den Steuerbefehl oder die Anfrage analysiert/decodiert und Eingabe- und Ausgabesignale gemäß dem Steuerbefehl oder der Anfrage abhandelt/steuert.Microprocessor 202 may be provided with software instructions so that it waits for control commands or requests from the host processor, analyzes/decodes the control command or request, and handles/controls input and output signals in accordance with the control command or request.
Zum Beispiel kann der Host-Mikroprozessor 324 in einem Force-Feedback-Ausführungsbeispiel niedrigere Kraftsteuerbefehle über den Bus 326 liefern, die der Mikroprozessor 302 direkt zu den Aktuatoren überträgt. In einem anderen Ausführungsbeispiel einer örtlichen Kraftrückkopplungssteuerung liefert der Host-Mikroprozessor 324 höhere Kontrollsteuerbefehle über den Bus 326 an den Mikroprozessor 302, und der Mikroprozessor 302 wickelt niedrigere Kraftsteuerschleifen an die Meßfühler und Aktuatoren in Übereinstimmung mit den höheren Steuerbefehlen und unabhängig vom Host-Computer ab. In der örtlichen Steuerungsausführung kann der Mikroprozessor 3 02 Sensorsignale unabhängig verarbeiten, um entsprechende Ausgabe-Aktuatorsignale zu bestimmen, indem er den Instruktionen eines "Kraftprozeßablaufes11 folgt, der im örtlichen Speicher 3 06 gespeichert sein kann und Rechenbefehle, Formeln, Kraftgrößen (Kraftprofile) und/oder andere Daten enthält. Der Kraftprozeßablauf kann ausgeprägte Kraftempfindungen wie Vibrationen, Strukturen, Rucke oder sogar simulierte Wechselwirkungen zwischen angezeigten Objekten steuern, wie im Patent 5,734,373 in größerer Einzelheit beschrieben.For example, in a force feedback embodiment, host microprocessor 324 may provide lower level force control commands over bus 326 which microprocessor 302 transmits directly to the actuators. In another local force feedback control embodiment, host microprocessor 324 provides higher level control commands over bus 326 to microprocessor 302, and microprocessor 302 handles lower level force control loops to the sensors and actuators in accordance with the higher level control commands and independently of the host computer. In the local control embodiment, the microprocessor 302 may independently process sensor signals to determine corresponding output actuator signals by following the instructions of a "force processing" sequence 11 which may be stored in the local memory 306 and may contain calculation instructions, formulas, force quantities (force profiles) and/or other data. The force processing sequence may control distinct force sensations such as vibrations, textures, jolts or even simulated interactions between displayed objects as described in more detail in patent 5,734,373.
In einer alternativen Ausführungsform ist kein örtlicher Mikroprozessor 302 in der Schnittstellenvorrichtung enthalten, und ein entfernter Mikroprozessor, wie z. B. der Mikroprozessor 324, steuert und verarbeitet alle Signale an die und von den Komponenten der Schnittstellenvorrichtung. Oder eine festverdrahtete digitale Logik kann beliebige Eingabe-/ Ausgabefunktionen an den Bedienknopf 2 6 durchführen.In an alternative embodiment, no local microprocessor 302 is included in the interface device, and a remote microprocessor, such as microprocessor 324, controls and processes all signals to and from the components of the interface device. Or, hardwired digital logic can perform any input/output functions to the control knob 26.
Zwar ist diese Erfindung bezogen auf mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben worden, es gibt jedochAlthough this invention has been described with reference to several preferred embodiments, there are
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Veränderungen, Abwandlungen und Vertauschungen davon, die unter den Schutzbereich dieser Erfindung fallen. Es sei auch darauf
hingewiesen, daß die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele in einer bestimmten Implementierung auf verschiedene Art und Weise kombiniert werden können. Des weiteren ist die bestimmte
Terminologie zum Zwecke der darstellerischen Klarheit verwendet worden und nicht zur Einschränkung der vorliegenden Erfindung.
Daher sollen die folgenden beiliegenden Ansprüche solche
Veränderungen, Abwandlungen und Vertauschungen einschließen,
die unter den eigentlichen Erfindungsgedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.Changes, modifications and substitutions thereof which fall within the scope of this invention. It should also be noted
It should be noted that the embodiments described above can be combined in various ways in a particular implementation. Furthermore, the specific
Terminology has been used for purposes of explanatory clarity and not to limit the present invention.
Therefore, the following appended claims are intended to
Include changes, modifications and substitutions,
which fall within the true spirit and scope of the present invention.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20010208 |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20031104 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20061017 |
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| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20081103 |
|
| R071 | Expiry of right |