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Die
Erfindung betrifft einen Joystick mit einem handbetätigbaren,
um einen Kipppunkt verkippbaren, eine Längsachse aufweisenden
Stick, der einen Magnet als Signalgeber umfasst, und mit einem magnetfeldsensitiven
Sensor.
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Ein
derartiger Joystick zur Steuerung von Fahrzeug-Maschinen- und Anlagenfunktionen
ist aus der
DE
10 2005 012 883 A1 bekannt. Er weist ein Rückstellkräfte
bewirkendes Element auf. Die Rückstellkräfte ermöglichen
es dem Nutzer, schnell die Neutralstellung des Sticks zu finden.
Auch geben sie dem Nutzer eine haptische Rückmeldung über
die Größe des von ihm über den Joystick
gegebenen Steuersignals.
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Zur
Signalerzeugung umfasst der aus der
DE 10 2005 012 883 A1 bekannte
Joystick mehrere Magnete als Signalgeber, die um einen im Kipppunkt des
Sticks angeordneten magnetfeldsensitiven Sensor schwenkbar angeordnet
sind.
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Nachteilig
ist bei diesem Joystick, dass diese Anordnung von Magneten und magnetfeldsensitivem Sensor
eine aufwändige Konstruktion des Joysticks erfordert. Darüber
hinaus kann der Bereich um den Kipppunkt nicht ausschließlich
zur Führung des Sticks genutzt werden, was die konstruktive
Ausgestaltung der die Be wegungsführung des Sticks bewirkenden
Mitteln erleichtern und die Qualität der Führung
verbessern würde.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Joystick zu schaffen,
der hinsichtlich seiner Bedienbarkeit verbessert und kostengünstig herstellbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird gemäß eines ersten erfinderischen
Aspekts durch den in Anspruch 1, gemäß eines zweiten
erfinderischen Aspekts durch den in Anspruch 8 wiedergegebenen Joystick
gelöst.
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Gemäß des
ersten erfindungsgemäßen Aspekts ist der Magnet
von dem Kipppunkt des Sticks entfernt angeordnet und seine dem magnetfeldsensitiven
Sensor zugewandte erste Seite weist eine konvexe Wölbung
auf, deren Radius etwa dem Abstand der ersten Seite von dem Kipppunkt
entspricht. Aufgrund dieser Maßnahme kann der Bereich um
den Kipppunkt ausschließlich hinsichtlich der Anforderungen
ausgebildet werden, die an eine Lagerung des Sticks im Sinne einer
zuverlässigen Bedienbarkeit zu stellen sind. Bei der konstruktiven
Ausgestaltung der Lagerung brauchen die Unterbringung der Magneten und
des magnetfeldsensitiven Sensors in diesem Bereich nicht berücksichtigt
zu werden. Hierdurch sind zur Lagerung einerseits vereinfachte und
somit weniger störanfällige Konstruktionen realisierbar,
andererseits reduziert sich der für die Lagerung des Sticks benötigte
Platzbedarf. Der Magnet kann beispielsweise an der unteren Stirnseite
des Sticks, die sich unterhalb des Kipppunktes befindet, mit geringem Abstand
zu dem darunter befindlichen magnetfeldsensitiven Sensor angebracht
sein. Die Signalerzeugung erfolgt dann dadurch, dass sich beim Verkippen
des Sticks um den Kipppunkt die Lage des Magneten relativ zu dem
magnetfeldsensitiven Sensor und damit der den magnetfeldsensitiven
Sensor durchsetzende magnetische Fluss ändern. Überraschenderweise
hat sich gezeigt, dass die Abhängigkeit des von dem magnetfeldsensitiven
Sensor erzeugten Signals von der Auslenkung des Sticks um die Kippachse
und die damit einhergehende Verlagerung des Magneten relativ zum
Sensor hinsichtlich der Proportionalität verbessert werden
kann, wenn die dem magnetfeldsensitiven Sensor zugewandte erste
Seite des Magneten eine konvexe Wölbung aufweist, deren
Radius vorzugsweise etwa dem Abstand dieser ersten Seite von dem
Kipppunkt entspricht.
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Die
Erfindung kann bereits bei einem Joystick Verwendung finden, welcher
eine Verlagerung des Sticks nur entlang einer Geraden, d. h. nur
um eine feste Achse erlaubt. Besonders bevorzugt ist jedoch eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Joysticks,
bei welcher der magnetfeldsensitive Sensor ein 2D-Sensor ist, der
in zwei senkrechte Richtungen magnetfeldsensitive Eigenschaften
aufweist und der Stick durch den Kreuzungspunkt zweier zueinander
senkrecht verlaufender Kippachsen definierten Kipppunkt verkippbar
ist.
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Bei
dem magnetfeldsensitiven Sensor handelt es sich vorzugsweise um
einen Hall-Sensor. Als 2D-Sensor ist beispielsweise ein Hall-Sensor
Typ 2SA-10 der Sentron AG, Schweiz, geeignet, der in der vom Hersteller
angegebenen Weise verdrahtet ist.
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Überraschenderweise
hat sich gezeigt, dass die Linearität der Abhängigkeit
zwischen der Auslenkung des Joysticks und des mit Hilfe des Sensors
erzeugten Steuersignals weiter verbesserbar ist, wenn auch die der
ersten Seite des Magneten gegenüberliegende zweite Seite
eine konvexe Wölbung aufweist, deren Radius vorzugsweise
etwa demjenigen der ersten Seite entspricht.
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Ist
der Magnet – wie besonders bevorzugt – an einer
zu dem magnetfeldsensitiven Sensor benachbart angeordneten Stirnseite
des Sticks angeordnet, und entspricht der Radius der konvexen Wölbung
der ersten Seite des Magnetes etwa dem Abstand der ersten Seite
von dem Kipppunkt, so bleibt der Abstand zwischen der ersten Seite
und der Oberfläche des Sensors bei der Betätigung
des Sticks im wesentlichen konstant, was wiederum die Linearität zwischen
Auslenkung des Sticks und Steuersignal verbessert.
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Aufgrund
der bei dem nach dem ersten erfinderischen Aspekt ausgestalteten
Joystick verbesserten Linearität zwischen Auslenkung des
Sticks und Steuersignal ist die mit diesem Joystick erzielbare Bedienbarkeit
verbessert, ohne dass es aufwändiger Signalkorrektureinrichtungen
zur Linearisierung der Abhängigkeit des Steuersignals von
der Auslenkung des Sticks bedarf.
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Gemäß des
zweiten erfinderischen Aspekts ist der Kipppunkt des Sticks vom
Kreuzungspunkt zweier senkrecht zueinander verlaufenden Kippachsen
gebildet. Jede der Kippachsen ist von einem separaten Bewegungsmodul
definiert. Jedes Bewegungsmodul weist eine Rastvorrichtung auf,
die die zur Auslenkung des Sticks aus der Neutralstellung erforderliche
Auslösekraft erhöht. Aufgrund dieser Maßnahme
werden ungewollte Funktionsauslösungen vermieden, die beispielsweise
dadurch entstehen können, dass die Neutralposition des
Sticks von der Bedienperson bei durch äußere Einflüsse
hervorgerufenen Bewegungen des Joysticks, beispielsweise durch Erschütterungen
beim fahrenden Fahrzeug, nicht gehalten werden kann. Durch die Rastvorrichtung
wird bewirkt, dass zum Auslenken aus der Neutralstellung des Sticks
zunächst ein mechanischer Anfangswiderstand überwunden
werden muss, bevor die Funktion mit geringerer Krafteinwirkung durch die
Bedienperson ausgelöst werden kann.
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Besonders
bevorzugt ist eine konstruktive Variante der Rastvorrichtung, die
ein federbeaufschlagtes Rastelement umfasst. Dieses kann einen halbkugelförmigen
Bereich aufweisen, der in Neutralstellung des Sticks unter Wirkung
der Federkraft in eine in dem zugehörigen Bewegungsmodul
vorgesehene Aussparung eingreift.
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Besonders
einfach herstellbar ist eine Ausgestaltung des Rastelements, die
einen etwa zylinderförmigen Sockel, dessen dem Bewegungsmodul zugewandtes
Ende den kugelförmigen Bereich bildet, umfasst, wobei im
Inneren des Sockels eine die Federkraft bewirkende Spiralfeder gelagert
ist. Ein derartiges Rastelement besteht somit im wesentlichen aus
zwei Bauteilen und kann mittels der Feder innerhalb eines Joystickgehäuses
an geeigneter Stelle befestigt werden.
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Die
Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen weiter
erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Joysticks von schräg
oben ohne die oberen Teile des Gehäuses;
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1a die
gleiche Ansicht wie in 1 auf die isoliert dargestellten,
Nut aufweisenden Bewegungsmodule;
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2 die
gleiche Ansicht wie in 1 auf den Stick, den Mitnehmer-Bügel
und die mit diesem verbundenen weiteren Bewegungsmodule;
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2a die
gleiche Ansicht wie in 2, jedoch ohne Stick;
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3 die
gleiche Ansicht wie in 1 auf den gesamten Joystick
ohne Manschette;
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4 die
gleiche Ansicht wie in 1 auf den kompletten Joystick,
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5 eine
schematische Einzeldarstellung eines Magneten oberhalb eines als
Hall-Sensor ausgebildeten magnetfeldsensitiven Sensor;
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6 – wiederum
schematisch – dieselbe Anordnung wie in 5 in
anderer Perspektive bei in den Stick eingesetztem Magnet sowie
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7 eine
Einzeldarstellung eines Bewegungsmoduls im Schnitt VII-VII gemäß 1a in Neutralstellung
mit in Eingriff befindlichem Rastelement.
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In
dem als Ganzes mit 100 bezeichneten gezeigten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Joysticks befinden sich
im unteren Bereich des Sticks 1 vier gleichförmige
Vorsprünge 2, 2'. Die Vorsprünge 2, 2' erstrecken
sich in Längsrichtung des Sticks 1 und stehen
zueinander senkrecht. Zwei gegenüberliegende Vorsprünge
sind Teilstücke einer einzigen gedachten Scheibe (also
eines geraden Kreiszylinders, von im Vergleich zum Radius geringer Dicke).
Zwei gegenüberliegende Vorsprünge bilden also
einen durch den Stick 1 durchquerten kreisförmigen
Umriss.
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Zwei
gegenüberliegende Vorsprünge 2 der vier
Vorsprünge 2, 2' sind in je einer Nut 3 in
je einem der beiden Bewegungsmodule 4 gleitend gelagert. Form
und Größe der Nut 3 ist etwas größer
als Form und Größe des sich in ihr befindlichen
Vorsprunges 2, so dass sich ein geringfügiges
Spiel und damit Bewegbarkeit des Vorsprungs in der Nut ergibt. Jede Nut
weist also die Form der Innenfläche eines Teils einer Scheibe
auf, deren Durchmesser und Dicke geringfügig größer
ist, als der Durchmesser und die Dicke der Scheibe, deren Teil die
Vorsprünge bilden. Die Nut 3 verläuft
mittig durch die dem Stick zugewandte Seite der zwei diese Nut aufweisenden
Bewegungsmodule 4. Bei Verkippungen des Sticks 1 auf
diese Nuten 3 zu und von ihnen weg gleiten die in diesen
geführten Vorsprüngen 2 in den Nuten 3 ohne die
diese Nuten aufweisenden Bewegungsmodule 4 in Drehung zu
versetzen. Wird der Stick senkrecht zu dieser Richtung verkippt,
ruhen die Vorsprünge 2 in den Nuten 3 und
die die Nuten aufweisenden Bewegungsmodule 4 drehen sich.
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Die
zwei übrigen gegenüberliegenden Vorsprünge 2' greifen
nicht in Nuten, sondern stattdessen in kugelsegmentförmige
Ausnehmungen 4c von weiteren Bewegungsmodulen 4b,
ein. Die beiden weiteren gegenüberliegenden Bewegungsmodule 4b sind
mit einem Mitnehmer-Bügel 4a verbunden. Aus 2a geht
hervor, dass der Mitnehmer-Bügel 4a die Form zweier
parallel hintereinander angeordneter Torbögen hat, die
an ihren Seiten durch zwei weitere Torbögen geringerer
Größe verbunden sind, so dass sich von oben betrachtet
die Form eines Rechtecks ergibt. Der Mitnehmer-Bügel 4a ist
so angeordnet, dass die längere Erstreckung des sich von
oben zeigenden Rechtecks senkrecht zur Drehachse der beiden Nut
aufweisenden Bewegungsmodule 4 verläuft. Wie aus 2a weiter
hervorgeht, weisen die weiteren Bewegungsmodule 4b zueinander
parallele Kanten auf, die von dem Mitnehmer-Bügel 4a maulschlüsselartig
formschlüssig umschlossen werden. 2 zeigt,
dass der Mitnehmer-Bügel 4a zentral von dem Stick 1 durchgriffen
wird. Wird der Stick 1 zumindest auch um die Achse der
beiden weiteren Bewegungsmodule 4b, die mit dem Mitnehmer-Bügel 4a verbunden
sind verkippt, dann werden diese über den Mitnehmer-Bügel 4a in
Drehung versetzt. Bei Bewegungen des Sticks senkrecht hierzu gleitet
der Stick 1 in der rechteckförmigen Ausnehmung
des Mitnehmer-Bügels 4a, ohne diesen und damit
die mit ihm verbundenen weiteren Bewegungsmodule 4b in Bewegung
zu versetzen. Der Stick 1 kann in beliebige Richtung, also
um zwei Achsen X, Y gleichzeitig gekippt werden. Jede Verkippung
resultiert in der Rotation mindestens zweier Bewe gungsmodule 4, 4b. Der
Kreuzungspunkt der beiden Achsen X, Y definiert einen Kipppunkt,
um den der Stick 1 verkippbar ist.
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Durch
das Zusammenwirken der vier gegenüberliegenden Vorsprüngen 2, 2' und
den zwei Nuten 3 und zwei kugelsegmentförmigen
Ausnehmungen 4c ist der Stick 1 gelagert, also
auch in seiner Längsrichtung fixiert.
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Der
Joystick 100 umfasst ein Gehäuse 9 mit Gehäusedeckel 9a und
Gehäuseboden 9b.
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Zentral
in der dem Stick abgewandten Seite aller vier Bewegungsmodule 4, 4b ist
ein zylinderförmiger Vorsprung 14 angeordnet.
Der Vorsprung 14 weist ein Bohrung auf, die von in den
Zeichnungen nicht dargestellten Achsen, die sich von dem Gehäuse 9 nach
innen erstrecken, durchgriffen werden, wodurch sich die drehbare
Lagerung der Bewegungsmodule 4, 4b ergibt. Die
Bewegungsmodule 4, 4b sind auf diesen Achsen von
innen durch Schrauben gesichert.
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Die
Drehachsen der zwei gegenüberliegenden Bewegungsmodule 4, 4b entsprechen
den Achsen X, Y, fallen jeweils zusammen, schneiden die Längsachse
des Sticks 1 und stehen von der Seite betrachtet zu dieser
senkrecht.
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Um
den Vorsprung 14 in den vier Bewegungsmodulen 4, 4b ist
je eine Schenkelfeder 5, 5' mit ihren Wicklungen 7 gelegt.
In der Ausgangsposition des Sticks 1 liegen je eine Anschlagskante 13 der
Aussparung 8 und ein in den Zeichnungen nicht dargestellter
Anschlag im Innern des Gehäuses 9 in einer Linie.
Die Schenkel 6 jeder Schenkelfeder 5, 5' ragen
aus einer Aussparung 8 jedes Bewegungsmoduls 4, 4b hervor
und liegen an Anschlagskanten 13 der Aussparung 8 und
an den Anschlägen im Innern des Gehäuses 9 an.
Durch die in der Ausgangsstellung des Sticks 1 in einer
Linie liegenden Anschlagskanten 13 und nicht dargestellten
Anschlägen im Innern des Gehäuses 9 werden
die Schenkel 6 der Feder 5, 5' zusammengedrückt,
und die Feder wird vorgespannt. In der Ausgangsstellung des Sticks 1 wird keine
Federkraft auf den Stick übertragen, da die entgegengesetzt
nach außen wirkenden Kräfte der Schenkel auf beiden
Seiten einer Ausnehmung gleich groß sind und sich somit
aufheben. Der zylinderförmige Vorsprung 14 grenzt
mit einer Seite direkt an das Gehäuse 9 an, so
dass die Schenkelfeder 5,5 nicht von ihm abrutschen
kann.
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Zur
Bewirkung der Rückstellkräfte sind zusätzlich
zu den vier Schenkelfedern 5,5' auch acht Schraubenfedern 7a vorgesehen.
Die Schraubenfedern 7a, von denen in 1 jeweils
nur ein oberes und ein unteres Teilstück abgebildet sind,
stützen sich auf dem Gehäuseboden ab und verlaufen
zu beiden Seiten jedes Bewegungsmoduls 4, 4b etwa
bis in die Höhe des Vorsprungs 14. In dieser Höhe
sind auf jeder Seite der Bewegungsmodule 4, 4b Mitnehmer 10 vorgesehen,
die seitlich hervorspringen und die Schraubenfedern 7a über
in diese eingebrachte Stempel, die eine Auflagefläche für
die Mitnehmer 10 bereitstellen, unter Spannung setzen.
Die Schraubenfedern 7a gewährleisten, dass jedes
Kippen des Sticks 1 aus einer Ausgangslage auch dann Rückstellkräfte
hervorruft, wenn die Schenkelfeder 5, 5' versagen
sollte.
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Der
Stick 1 weist einen quaderförmigen Bereich 11 auf,
der zusammen mit den Anschlagskanten einer Öffnung 9c des
Gehäusedeckels 9a, durch die sich der Stick 1 erstreckt,
eine Bewegungsbegrenzung des Sticks 1 bewirkt.
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Wie
in den 1, 3 und 4 gezeigt, ist
im Gehäuseboden 9a eine Durchbrechung 9d zur Kabeldurchführung,
sowie davor ein Vorsprung mit Ausnehmung zur Zugentlastung vorgesehen.
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Wie
aus 4 ersichtlich, ist das Gehäuse 9 von
oben durch eine Manschette 18 verschlossen, welche den
Stick 1 umgreift und an einer Platte befestigt ist, die
auf das Gehäuse 9 aufgesetzt ist.
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Der
Stick 1 weist eine untere Stirnfläche 19 auf,
an der ein Permanentmagnet 20 angeordnet ist. Dieser erzeugt
in einem mittig auf einer Platine 21 in dem Gehäuse 9 angeordneten
Hall-Sensor 12 elektrische Signale, anhand der die Position
des Permanentmagneten 20 relativ zum Hall-Sensor 12 und
damit die Auslenkung des Sticks 1 aus seiner Ruhelage bestimmbar
ist. Hierzu ist der Hall-Sensor als 2D-Sensor ausgebildet, der magnetfeldsensitive
Eigenschaften in zwei zueinander senkrechten Richtungen B, B' aufweist.
Der Hall-Sensor (12) ist so angeordnet, dass die Richtungen
B, B' senkrecht zu der Längsachse S bis in Neutralstellung
befindlichem Stick 1 verlaufen.
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Damit
die elektrischen Signale des Hall-Sensors 12 möglichst
proportional zur Auslenkung des Sticks 1 aus seiner Ruhelage
verlaufen, sind die dem Hall-Sensor 12 zugewandte Seite 22 und
die dem Hall-Sensor 12 abgewandte Seite 22' des
Magneten konvex mit einem Krümmungsradius ausgebildet,
der etwa dem Abstand der dem Hall-Sensor 12 zugewandten
Oberfläche vom Schwenkpunkt des Sticks 1, der
durch den Kreuzungspunkt der Schwenkachsen X, Y definiert ist, entspricht.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Joysticks weist der Nordpol des Permanentmagneten in Richtung der
Längsachse S des Sticks 1 nach oben, der Südpol
dementsprechend nach unten. Auch eine umgekehrte Polarisierung des
Magneten ist möglich.
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Ist
der Joystick als Bedienelement für ein Fahrzeug vorgesehen,
so ist es für die Bedienperson nicht immer leicht, die
Mittelposition (Neutralposition) des Joysticks zu halten, da sich
die Hand der Bedienperson beispielsweise bei Erschütterungsbewegungen
träge verhält und geneigt ist, eine unerwünschte Auslenkung
aus der Neutralposition hervorzurufen.
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Um
diese Gefahr zu reduzieren, weisen die Bewegungsmodule 4, 4b unterhalb
der Gewindebohrungen 15 für die Blockierschrauben 16 Aussparungen 23 auf,
in die jeweils ein druckfederbelastetes, an dem Gehäuseboden 9b abgestütztes
Rastelement 24 eingreift. Der in die Aussparung 23 eingreifende Bereich 25 des
Rastelements 24 ist etwa halbkugelförmig ausgebildet,
so dass eine Verlagerung des Sticks 1 aus der Neutralposition
unter Überwindung der durch das federbelastete Rastelement 24 bewirkten
Rastkraft durch Herausdrücken des Bereichs 25 aus
der Aussparung 23 ermöglichst ist.
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- 100
- Joystick
- 1
- Stick
- 2,
2'
- Vorsprung
- 3
- Nut
- 4
- Nut
aufweisendes Bewegungsmodul
- 4a
- Mitnehmer-Bügel
- 4b
- Mit
dem Mitnehmer-Bügel verbundenes, weiteres Bewegungsmodul
ohne Nut
- 4c
- Kugelsegmentförmige
Ausnehmung des weiteren Bewegungsmoduls
- 5,
5'
- Federelement
- 6
- Schenkel
der Schenkelfeder
- 7
- Wicklung
der Schenkelfeder
- 7a
- Schraubenfeder
- 8
- Aussparung
des Bewegungsmoduls
- 9
- Gehäuse
- 9a
- Gehäusedeckel
- 9b
- Gehäuseboden
- 9c
- Öffnung
- 9d
- Durchbrechung
- 10
- Mitnehmer
der Schraubenfeder
- 11
- Quaderförmiger
Bereich des Sticks
- 12
- Hall
Sensor
- 13
- Anschlagskante
der Aussparung des Bewegungsmoduls
- 14
- Zylinderförmiger
Vorsprung
- 15
- Gewindebohrung
- 16
- Blockierschraube
- 17
- Bohrung
des Gehäuses
- 18
- Manschette
- 19
- untere
Stirnseite
- 20
- Permanentmagnet
- 21
- Platine
- 22
- Seite
- 22'
- Seite
- 23
- Aussparung
- 24
- Rastelement
- 25
- Bereich
- X
- Achse
- Y
- Achse
- S
- Längsachse
- B
- Richtung
- B'
- Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005012883
A1 [0002, 0003]