TWI230950B - Multi-axis potentiometer - Google Patents

Description

1230950 五、發明説明（ 本發明係大致有關於用以感應一致動器之實體移動及 用以將4實體移動轉換成可以由一電腦轉譯成空間座標之 類比仏就的分壓器，詳而言之，本發明係有關於一種可以 使用在一電腦指標或控制裝置，如一搖桿或滑鼠中，或在 人體模型關節中的分壓器。 傳統上’搖桿使用標準單軸分壓器來測量一搖桿致動 器距離一中心點的相對移動及其測定其空間位置，詳而言 之，在一習知搖桿中，一第一分壓器沿著一軸（即，一X軸） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 配置且，、測置该搖桿致動器沿著該軸的移動及位置。另 個刀壓器係/σ著一第二軸（即，一 γ軸）配置以測量該搖桿致 動器沿著該軸的移動及位置，—第三分壓器也可以用來測 里沿著一第二軸（即，一 2軸）的移動及位置。因此，需要有 夕數刀壓器來測疋對應於該搖桿致動器之位置的空間座標 (Χ，Υ，Ζ)。習知搖桿通常不能測量該搖桿致動器的轉動角 度，且s具有這種能力時，則必須再使用另一個分壓器。 通常，一習知的電腦滑鼠並未包含分壓器，光學編碼 器被用來代替以測量該滑鼠的一χ:γ的座標位置，最近的 滑鼠使用可光讀取的轉動閘輪，較早期的滑鼠使用一具有 直接由在該滑鼠中之光學感應器來直接讀取之多條印刷線 的特殊光學塾。以相當新之力感應電阻器為主體的滑鼠使 用迷你X · Υ搖柃來測定滑鼠位置，這些裝置使用依據壓力 改變電阻的一薄膜力感應器，這搖桿只回應力，但並不 動。除了力感應電阻滑鼠以外，一電腦滑鼠通常無法測 該滑鼠之相對位置，因為它缺少固定的中心點。在一習 移 定 知 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) #衣· 訂·

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210Χ297公釐） -5- 1230950 五、發明説明（ 電月^月乳中，一球接觸包含在該滑鼠殼體内侧的閘輪，各 閘輪係可轉動地安裝在該殼體内且與一光學編碼器連通。 各編碼器偵測沿著一單一 •、 令早釉（即，一 X或一 γ軸）的移動，當 該/月鼠移動時，在球與一表面（即，-《骨鼠塾或-桌子）之 〗的摩ir、使4球轉動。接著，該球之轉動使各間輪依據滑 鼠移動之方向與量而轉動。一第一編碼器偵測該第-閘輪 二轉動且依據轉動之方向與量產生—電信號，—第二編瑪 益偵測該第二閘輪之轉動且依據轉動之方向與量產生一電 信號，然後這些電信號被送到一電腦以轉譯成乂與¥轴位移 數據’其係與該滑鼠之實體移動的方向與量成正比這些 位移數據可以被用來控制一榮幕指標或進行其他必要的電 腦操作。習知電腦滑鼠通常只能沿著-X、Υ平面測量移 動，並且也無法進一步偵測該滑鼠的角移動。 第1圖是本發明之一較佳實施例之一多軸分壓器的一 大略示意立體圖。 第2圖是第1圖之多軸分壓器的大略示意側平面圖，其 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 係以橫截面顯示以更清楚地顯示在電氣接頭及其一電阻元 件之間的連通。 第3圖是第1圖之多軸分壓器之一半球形電阻元件的大 略示意頂平面圖，顯示在電氣接頭對之間的電壓（或電流） 等電位線。 第4圖是第1圖之多軸分壓器之一致動器之一滑動握把 的大略示意放大切除側面圖，顯示其結構。 第5圖是一方塊圖，顯示本發明之另一特徵中， 電腦 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -- -6- 1230950 A7 五、發明説明（ 及一用以接收與轉譯來自第丨圖之分壓器的電氣信號的電 腦可讀取媒體。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第1 -4圖顯示可以沿著數個軸測定致動器位置之本發 明之一實施例的一分壓器，這些圖並未依比例繪製，而只 顯示本發明之一裝置的大致構造。大多數的電阻元件14的 尺寸不大於1英吋，而半球形殼體元件14亦同。供一玩具用 的所需實施例將使用一非常小的握把，其係設計成供拇指 及食指使用。全尺寸之搖桿通常使用一高4英吋到6英吋高 的握把以便用整隻手握住，但是對精細的馬達制而言（特別 疋在Z軸上），被由一拇指及食指抓住的一小握把將更符合 人體工學也可產生更精準的結果。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 凊先參閱第1與2圖’本發明之較佳實施例的一多軸分 壓器10包括一中空、半球形殼體12及一致動器2〇，一薄的 電阻元件14，如一碳、塑膠、陶瓷、或金屬薄膜係固定於 該中空殼體12之内部。一蓋16係定位在該半球形殼體12之 開口上方，該致動器20包含一球接頭電樞22，其具有配置 於该盖16之^一球接頭容室18内的一球接頭24。一接觸臂26 由該球接頭24朝該球狀殼體12之電阻元件14延伸，兩電感 應器30、30A係位在該接觸臂26之接觸端26A，該接觸臂26 之接觸端26A係配置成可接觸該電阻元件14。一滑動握把 4 0係位在該球接頭電框2 2之柄2 8上’該柄2 8由該球接頭2 4 以大致與該接觸臂26之方向相反的方向延伸。 如上所述，數個膜可以被用來提供該電阻元件丨4，碳 膜係最便宜的電阻膜，可用於大範圍之電阻值，且可被輕 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 1230950

易地塗佈在5亥设體之内凹表面。但是，很不幸地，碳膜會 產生一些噪音且會磨損。另外，也可以使用塑膠膜，但是 比碳膜叩貝，與碳膜相似地，它可以被塗佈於複雜的曲面 上，塑膠膜也是噪音最少的分壓器材料。也可使用陶瓷膜， 它也是最可靠的，但是，通常是使用在軍事設備中，雖然 在该分壓器轉動時它有一些噪音，但是當靜止時它相當安 靜。不幸地，陶瓷難以塗佈於複雜的曲面上。整片的金屬 膜是另一種非常昂貴的電阻膜並且通常被留作供需要低噪 曰使用且用於非常、非常低之電壓範圍中的分壓器專用， 整片金屬膜無法被用於一大範圍電阻值中，通常只被塗佈 於平坦表面上，並且也難以製造。 在這實施例中之電阻元件14與42的兩較佳材料分別是 塑膠膜與碳膜，塑膠膜對於球狀彎曲之電阻元件14是較佳 的，因為它相當地便宜，可以被塗佈於彎曲表面上，且可 被用於可用的電阻範圍中。碳膜對於滑動握把電阻元件42 疋較佳的，因為在一搖桿中，成本是非常重要的因素，並 且這膜的可靠度不必很高。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第3圖是第1圖之多軸分壓器之電阻元件的一大致示意 頂視平面圖，顯示在接頭對50、60中之第一與第二接頭52、 52A、62、62A。請再參閱第3圖，一第一電接頭對5〇係被 配置成分別具有第一與第二電接頭52、52A，該等第一與 第一電接頭52、52A係被定位在該電阻元件14上且在該殼 體12之相對側上，靠近其開口。一第二電接頭對6〇係被配 置成分別具有第一與第二電接頭62、62 A，該等第一與第 本紙張尺度適财國國家標準（CNS ) A4規格7Tl0X29757 -8- 1230950 A7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 二電接頭52、52A係被定位在該電阻元件14上且在該殼體 12之相對側上，罪近其開口。該等第一與第二電接頭對別、 60更被配置成可使在該第一接頭對5〇中之該等第一與第二 電接頭52、52A間晝出的一假想線54與該第二接頭對6〇中 之該等第一與第二電接頭62、62A間晝出的一假想線64交 叉於5亥球形殼體12之中心處。 第4圖是連接於該球接頭電樞22之柄28之滑動握把4〇 的一大致示意分解側視平面圖，請參閱第4圖，該滑動握把 4〇可计算一第四座標高度（p)，一電感應器42係沿著該握把 40之一内表面設置且接觸位在該柄28上的一電阻元件料。 該致動器20之一電接頭對46包含在該電阻元件料之相對端 上的第一與第二電接頭48、48A，該第二電接頭48A位在該 電阻元件44上較靠近該球接頭，而該第一電接頭48則係位 在該電阻元件44之相對端上的一固定位置。一方栓的與槽 49A係設置在該握把4〇與該柄28之間以防止該握把4〇相對 該柄28轉動，而仍可讓該握把4〇滑動。 在操作時，該握把40係可滑動地安裝在該柄28上並且 因此可以沿著該柄28縱向地移動，該握把4〇之電感應器42 在位在該柄之電接頭對46之第一與第二接頭48、48A間的 一接觸點處接觸該電阻元件44,電壓（或電流）係施加於該 第一電接頭48而該第二電接頭48A係接地或可浮接，該握 把40之電感應器42感應出在該接觸點處的一電壓（或電流） 量，依此方式，電壓或電流等電位線係沿著該電阻元件44 施加而隨位置可預測地變化，並且所感應到的電壓（或電流） 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐） ———I# 訂 sm (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} -9- 1230950 A7 ----B7 五、發明制（6 ) ~~~'~' ———* 可以因此輕易地被用來計算該滑動握把4〇沿著該柄“的位 置，及該高度座標（P)。 在操作時’該等電感應器30、3〇A、52、52A、62、62a 係被用來測定在該接觸臂26之接觸端26a及該球狀殼體i2 之電阻元件14間之接觸位置及角度，為了達成此目的，一 源電壓（或電流）施加在各第一與第二接頭對5〇、6〇中的第 一電接頭52、62,在各接頭對50、6〇中的第二電接頭”八、 62A，可以接地或使其浮接。在接觸臂26上的該等電感應 器30、30A係被用來感應出在沿著該電阻元件14之接觸點 處的電壓（或電流）並且因此測定該接觸點的位置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如第3圖中之虛線所示，當供應電力時，該等接頭對 50、60沿著該電阻元件14產生電壓或電流等電位線。在操 作時’父替地供應電力給該等接頭對5〇、60使得一組電壓 或電流等電位線於預定之時間產生在該電阻元件上，由各 接觸對50、60所產生的該電壓或電流等電位線係被在該接 觸臂26之接觸端26A中的感應器30、30A所感應，因為在各 接觸對50、60中之接頭間沿著該電阻元件丨4的該電壓或電 流係可預測地變化，所感應到之兩接觸對5〇、6〇的電壓或 電流可以輕易地被用來計算對應於在該接觸臂26之接觸端 26A及該電阻元件14間之一接觸點的位置的球座標（緯度 (0 )與經度（0 ))。此外，使用在該接觸端26A上的兩分開 感應用感應器30、30A可藉比較由各感應器3〇、30A所感應 之電壓或電流值來計算該球接頭電樞22之一角位置（或轉 動角度（ω))。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -10- !230950 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（7 ) 如上所述’本發明之較佳實施例的多軸分壓器僅利用 兩移動零件’即’該球接頭電樞22及該滑動握把4〇，來提 供四個座標（0，0，ρ，ω )的測量值。請參閱第5圖，一微電 月自或一 PC 100可以被用來執行該接頭轉換以測量對應於該 球座標（0，0 )的非線性電阻，及接收與轉譯這些球座標成 為平面座標（X，Y)，該微電腦或一PC 1〇〇可以用來將該高度 (P)直接變換成平面座標（Z)且將該轉動角度（6；)直接變換 成轉動角度（ω p)。對應於該等感應器之所在及位置的電信 唬90係由該分壓器1〇傳送到該電腦1〇〇，一電腦可讀取媒體 110包含用以指示該電腦1〇〇將該等電信號9〇轉譯成所需之 座標的多數指令120。 如熟習此項技術者所應知，本發明可使用於需要依據 一致動器之移動來決定空間座標的任何一種裝置，這些裝 置可包括，例如：搖桿、電腦滑鼠、人體模型關節、或者 其他種電腦或定位感應器用的指示裝置。由於已在本發明 之一較佳實施例中說明及圖示出其原理，在此應了解本發 明可以在不偏離這些原理的情形下對結構及細節進行修 改申明人在此主張所有的修改與變化均包含於以下申請 專利範圍之精神與範疇内。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 11!#! (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11

11- 1230950 A7 B7 五、發明説明（8 ) 【元件標號對照表】 10...多軸分壓器 54,64…假想線 12…殼體元件 90...電信號 14...電阻元件 100..微電腦或PC 16···蓋 110…電腦可讀取媒體 18...球接頭容室 120…指令 20...致動器 22...球接頭電樞 24...球接頭 26...接觸臂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 26A...接觸端 28".柄 30,30A…電感應器 40.. .滑動握把 42.. .電阻元件，電感應器 44…電阻元件 46.. .電接頭對 48…第一電接頭 48A…第二電接頭 49…方栓 49A…槽 50.60.. .接頭對 52,62…第一接頭 52A，62A...第二接頭 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）

、1T

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12-

Claims (1)

1230950

ABCD

六、申請專利範圍 第90120946號申請案申請專利範圍修正本 92.04.29 1.一種多轴分壓’其包含： 一具有一電阻元件之本體； 一可相對於三或更多軸移動之致動器； 一響應於该致動器之移動而移動之接觸臂；以及 一設置於該接觸臂之一端之電氣感測器，該電氣感 測器接觸該電阻元件以感測一接觸點之一電壓或電流， 其中該感測電壓或電流係對應於相對於三或更多轴之談 接觸點之一位置。 2·如申請專利範圍第1項所述之分壓器，其中該電阻元件 係施加有一源電壓或電流。 3. —種多轴分壓器，其包含： 一具有一電阻元件之本體，該本體係施加有一源電 壓或電流； 一可相對於複數軸移動之致動器，其中該致動器包 含一柄，該柄包含一沿該柄之一長度部份縱向對齊的附 加電阻元件，該附加電阻元件包含設置於其相對立縱向 知之第一及第一電氣接頭，以及一可滑動地安裝於該柄 上之握把，該握把包含一組構為可於該等第一及第二電 氣接頭間之該附加電阻元件上之一接觸點接觸該附加電 氣接觸點之附加電氣感測器； 一組構為可響應於該致動器之移動而移動之接觸 臂；以及 一設置於該接觸臂之一端之電氣感測器，該電氣感 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）

-13· 1230950 A8 B8 C8 I —---—--一 六、申請專利範圍 測Is係排置為可接觸該電阻元件並可於一接觸點感測_ 電壓或電流，其中該感測電壓或電流係對應於該接觸點 之一位置。 4.如申請專利範圍第3項所述之分壓器，其中該第一電氣 接頭係連接至一源電壓或電流，且其中該第二電氣接頭 係連接至一接地點或保持浮動，且其中該握把之該電氣 感測器係適於在該附加電阻元件上之該接觸點感測一電 壓或電流。 5·如申請專利範圍第丨項所述之分壓器，其中該接觸臂之 該電氣感測器包含一適於允許繞該接觸臂之一經度軸的 該接觸臂之一轉動角度之測定的感測器對。 6.如申請專利範圍第2項所述之分壓器，其中該源電壓或 …電流係設於沿該電阻元件排置之二電氣接頭對間，使得 直接畫出於每一接頭對之接點間的假想線大約係交又於 I 该電阻元件之一中心。 7· —種多軸分壓器。其包含·· 一具有一電阻元件之本體，該電阻元件係施加有一 源電壓或電流於沿該電阻元件排置之二電氣接頭對間， 其中该等二接頭對係交替地施加該源電壓或電流予該電 阻元件； 一可相對於複數轴移動之致動器； 一響應於該致動器之移動而移動之接觸臂；以及 一設置於該接觸臂之一端之電氣感測器，該電氣感 測器可接觸該電阻元件以感測一接觸點之一電壓或電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇χ297公釐）

装 I I 訂

•14- 1230950 ABCD 六、申請專利範圍 流’其中該感測電壓或電流係對應於該接觸點之一位 置。 8·如申請專利範圍第7項所述之分壓器，其中該分壓器係 適於允許對應於相對於三或更多軸之該接觸點之該位置 的座標的測定。 9·如申請專利範圍第1項所述之分壓器，其中該等三或更 多軸包含一經度軸、一緯度軸、以及該接觸臂之一經 度軸。 10· —種電腦可讀取媒體，其包含用以將對應於來自申請 專利範圍第1項所述之該分壓器之該等三或更多軸之電 氣信號轉譯為空間座標之指令。 11· 一種多軸分壓器，其包含： 一半球形殼體’其包含一沿其一内表面設置之電阻 元件； 一電氣接頭對，其具有設置於該電阻元件之實質上 對立側之第一以及第二電氣接頭，該接頭對係適於跨 該電阻元件施加一源電壓或電流；以及 一電樞’其包含一致動器以及一接觸臂，其中該接 觸臂係響應於致動器移動而移動，該接觸臂包含一具 有於一接觸點接觸該電阻元件以於該接觸點感測一電 壓或電流之該電氣感測器的接觸端，且其中該致動器 包含一柄以及一握把，該柄實質上係相對立於該接觸 孑而设置於該電極且包含一^寸加電阻元件以及一電氣 接頭對，該電氣接頭對係設置於該附加電阻元件之對 本紙張尺度適用中關家標準（CNS) A4規格（21GX297公楚） -15- 1230950 六、申請專利範圍 立端以跨該附加電阻元件施加一源電壓；且該握把包 含一電氣感測器，該握把係可滑動地安裝於該電樞之 該柄上，該電氣感測器係於一接觸點接觸該附加電阻 元件以於該附加電阻元件之該接觸點感測一電壓。 12·如申請專利範圍第n項所述之多軸分壓器，其中該電 樞係可相對於三或更多軸移動。 13種電腦可讀取媒體，其包含用以令一電腦接收一呈 現該電阻元件及來自申請專利範圍第丨丨項所述之多軸 分壓器之該電阻元件及該附加電阻元件之該等接觸點 ^該電壓或電流之電氣信號，且更組構為可根據該電 氣信號測定一球形座標及一握把位置的指令。 14.如申請專利範圍第13項所述之電腦可讀取媒體，其更 組構為可將該球形座標轉譯為一平面座標。 15· —種分壓器，其包含·· 一咸體，該殼體具有一沿其一内部表面設置之電阻 疋件，該電阻元件係施加有一源電壓或電流； 一設置於一接觸臂之一端之電氣感測器，該電氣感 測器係排置為可於一殼體接觸點接觸該殼體之該電阻 70件並可於該殼體接觸點感測一電壓或電流，其中該 感測電壓或電流係對應於該殼體接觸 點之一位置； 一柄，該柄包含一沿該柄之一長度部份縱向對齊的 電阻元件，且該電阻元件包含設置於該電阻元件之相 對立縱向端之第一及第二電氣接頭；以及 一可滑動地安裝於該柄上之握把，該握把包含一組 ^張尺度適用Τϊϋΐρ (CNS) Α4_ (2ι〇χ297公爱） -16- 1230950 、申请專利範圍 構為可接觸該電阻元件於該等第一及第二電氣接頭間 之一柄接觸點之電氣感測器。 16·如申請專利範圍第15項所述之分壓器，其中該第—電 氣接頭係連接至一源電壓或電流，且其中該第二電氣 接頭係連接i n點或保持浮自，且其中該握把之 该電氣感測器係適於在該桿接觸點感測一電壓或電 流。 P·如申請專利範圍第15項所述之分壓器，其中該源電壓 或電流係設於沿該電阻元件排置之二電氣接頭對間， 使得直接晝出於每一接頭對之接點間的假想線大約係 交又於該殼體之一中心。 18·如申請專利範圍第17項所述之分壓器，其中該等二接 頭對係組構為可交替地施加該源電壓或電流予該電阻 元件。 19· 一種多軸分壓器，其包含： 一包含一電阻元件之殼體； 一包含一接觸臂之電樞，該接觸臂具有一於一接觸 點接觸該電阻元件之電氣感測器；以及 一包含一電氣感測器之握把，該握把係可滑動地安 裝於該電樞，該電樞包含一藉由該握把電氣感測器而 接觸於一握把接觸點之電阻元件。 20.如申請專利範圍第19項所述之分壓器，其中該分壓器 係與一微處理器通信，該微處理器可將藉由該等電氣 感測器於該等接觸點測得之電壓或電流轉譯為對應於 -17- 1230950

、申請專利範圍 该等接觸點之一位置之資料座標。 21·如申請專利範圍第19項所述之分壓器，其中該接觸臂 之該電氣感測器包含二或更多感測器，該等感測器可 提供有關繞一縱向轴之該接觸臂之一轉動角度的資 料。 22·如申請專利範圍第19項所述之分壓器，其中該接觸臂 之该電氣感測器係組構為可感測一相對於三或更多軸 之位置。 23.如申請專利範圍第22項所述之分壓器，其中該等三或 更多軸包含該殼體之一緯度軸以及一經度轴以及該接 觸臂之一經度轴。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） -18-